基于照度监测的教室照明系统设计

沈柏行

摘要：目前学校教室照明系统中，声光控开关因光电二极管灵敏度不高，导致经常在需照明时不能及时开启，该文为解决这一问题，设计了照度监测器替代光电二极管，提高了声光控开关的灵敏度，满足了教室照明的实际需求。

关键词：照度监测；声光控开关；光电二极管；教室

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）30-0190-02

随着社会的发展，能源的消耗越来越大。提倡节约能源、降低能耗、低碳环保逐渐成为社会的共识。目前大多数学校都使用需人为操作的手动机械开关来控制教室荧光灯的亮灭，这些机械开关极易损坏，维修量大，而且由于需要人为操作，导致很多荧光灯开启后在不需要时忘记被关闭，致使一般的荧光灯寿命非常短，浪费电量，且经济损失严重，容易引起事故隐患。因此，许多学校开始采用声光双控开关来实现对照明灯具的控制。

声光双控开关具有体积小，外形美观，安装方便，制作容易等特点。声光控开关是把发射端和接收端之间声音、光照强度的强弱变化转化为电流的变化以达到探测目的[1]，光电开关在许多场景都得到了广泛应用，这是因为它的输出与输入回路是电绝缘的。但声光控开关电路中用到的光电二极管普遍灵敏度不高[2]，经常在天气变暗需要照明时不能及时开启，因此需对声光控开关进行改进，改进的方案就是利用照度监测器来代替光电二极管。

1 方案设计

现存的声光控开关普遍利用光电二极管和话筒作为传感器，共同控制电路[3]。光电二极管具有在光线较强时，电阻值较低，而在光线较暗时则电阻较大的特点。由于光电二极管的电阻值变化不是连续的，因此在靠近临界点时，容易造成控制系统的不稳定[4]。因此，如何提高系统在光线临界状态的稳定性，是设计的重点所在。本系统采用照度监测器来达到提高系统稳定性的目的。照度监测器能够检查照度是否合乎要求，按照国家教委和卫生部等单位颁发的《保护学生视力工作实施办法（试行）》，每个桌面的照度不低于100Lx[5]。

目前使用的大部分声光控开关由于在临界状态时性能不稳定，经常造成误启动，或光线较暗时不启动现象。这可通过加装照度监测器来改进开关控制电路的设计，并可通过改变电路中电位器参数，达到不同的延时时间，以此控制荧光灯的工作时间。

所设计的照明系统可通过照度监测器和声光控开关来共同控制。在桌面照度高于100Lx时，即使声控开关处于导通状态，也不能使线路闭合；如果桌面照度低于100Lx，照明电路的导通与否，就由声控开关来控制。这样既可以保证光线变暗时充分地照明，又不会造成电能的浪费。照明系统的设计方案框图如图1所示。

2 系统设计与制作

照明系统的开关电路主要由照度监测器模块和声光控开关模块[6]组成。

2.1 照度监测器模块

照度监测器模块如图2所示，表1对图中的各元器件进行了说明：

其工作原理为：

如果所在环境的光线较暗，则电路的工作流程如图3所示，其中符号“↓”表示所对应的值减小，符号“↑”表示所对应的值增加。

图3所示的一系列工作流程最终使LED2通电点亮，发出有警报作用的闪亮红光，用来提示此时所在环境的光线过暗，不适宜工作学习。

相反的，如果所在环境的光线比较强，则电路的工作流程如图4所示。

图4所示的一系列工作流程最终使LED1通电点亮，发出绿光，相反地，LED2熄灭，表明此时所在环境的光线较强，适宜在此环境下工作学习。

2.2 声光控开关模块

声光控开关模块电路如图5所示，其中电路图中的核心器件为集成的时基电路NE555（IC），构成暂稳态电路。

图5所示电路的工作原理为：

白天时，光线较强，光电二极管VD1的阻值减小，从而引起图5电路发生如图6的一系列变化。

IC被强制复位后，其第3脚的输出为低电平。这时若驻极体传声器BM能够接收到声音，双向晶闸管VS也无法获得触发信号，为断开截止的状态，灯泡LAMP无法通电点亮。

夜晚时，光线很弱，几乎没有光线照射到光电二极管VD1上，因此VD1阻值增大，则图5所示电路发生图7的一系列变化。

此时由于IC的强制复位消除，因此当驻极体传声器BM接收到声音时，电路发生图8所示的变化。

2.3 系统总电路图

教室照明系统电路的总设计如图9所示。

3 系统调试

3.1 照度监测器模块调试

准备好一只照度计，一般用调节灯具的电源电压或移动光源的距离获得100Lx照度。如无照度计，可用15W白炽灯作为电源，离灯泡0.3m处的照度大约为100Lx（应避免周围有其他光源），此方法只能作为估测。

对闪烁式监测器可将它置于100Lx标准照度下，RP阻值由大逐渐调小，调试开始时LED1应发光，LED2不发光。在RP逐渐调小时，调到某一位置上，LED2恰好闪闪发光。保持RP不变，增大光照，LED1应该发光，LED2不亮；减弱光照，LED1熄灭，LED2发醒目的闪光。此时认为RP已调好，可用火漆封固电位器RP，使其不再变动[7]。

对扬声式监测器，将它放在100Lx照度处，此时扬声器应无声，如有声，把R1换成10K电阻再调节RP，如仍有声，再增大R1，调整RP，直到扬声器停唱为止，反复调节直到在100Lx照度下处于有声与无声的临界点。

3.2 声光控开关模块调试

对于声光控开关模块，考虑到安全问题，应该采用较低的电压进行试验。这样既可以保护电路，同时可以检验该模块是否能够正常工作。

3.3 系统调试

在计算机上利用仿真软件Altium designer分别调试完两个模块，然后将声光控开关模块中的光电二极管换为照度监测器模块，即用照度监测器模块代替光电二极管起到开关作用。继续完成调试工作。

4结论

利用照度监测器替代光电二极管，可以改进教室照明系统中声光控开关的性能，提高了开关的稳定性，使开关的闭合动作更加符合实际照明的需求。改变了原有控制开关误开或误关概率较大的情况，节约了教室照明电能，同时也能满足照明。

参考文献：

[1] 陈丹.智能照明系统在现代建筑照明中的应用研究[J].成都信息工程学院学报， 2007， 22（6）： 735-738

[2] 郭兴军.一种简单声光自控延时开关[J].中国现代教育装备，2006（1）：44-45.

[3] 黄锦康. 基于单片机的室内灯光照度控制系统设计与实现[J]. 黑龙江科学，2014，5（3）：37.

[4] 王雪晴.照明路灯控制器设计研究[J].中国高新技术企业，2013（1）：41-42.

[5] 教育部. 保护学生视力工作实施办法（试行）[J]. 学校体育，1982（2）：2-3.

[6] 刘和剑， 陆轩剑.学校照明系统节能控制器的设计[J]. 自动化应用，2013，34（9）：34-36.

[7] 视力保护测光器电路原理图[N/OL].电子产品世界：2009-09-10.http：//diagram.eepw.com.cn/diagram/circuit/cid/142/cirid/18186.