教室节能智能照明控制系统设计

武交峰　简志雄

摘要：文章从节能和方便控制出发，以高校教学楼照明为研究方向，阐述了智能照明控制系统设计过程。该照明控制系统利用单片机作为主、分控制器，通过软件与硬件相结合的设计方式，实现了主、从控制器之间的有线通信、键盘功能输入、控制与显示等功能。

关键词：单片机；主控制器；分控制器；有线通信；光亮度检测；零点检测 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2017）02-0007-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.004

1 概述

照明耗电是高校消耗电能比较多的一部分，目前很多高校教学楼并没有专人管理，有些学校虽然设了专人管理，但是管理模式落后，这些管理模式包括：设定统一的开启和关闭整座教学楼照明电源时间；设定统一的时间并分层送电。这些模式相比较无人管理，在一定程度上达到了节能的目的，存在着在白天光照良好的情况下教室灯具开启和在午休时间长明灯的现象，造成电能浪费。但是统一开启模式，并不能根据教室里实际需要开启的光源或者实际需要开启的教室数来启动照明系统，不能真正意义上达到节能的效果。

为此，本系统是以单片机为控制器的核心，根据高校某教学楼照明系统在实际运行中的情况，设计照明节能统一控制系统。该系统能够根据不同的环境下，统一安排对整个教学楼的照明进行控制，在既保证教室办公照度的前提下，又达到节能的目的，从而使照明的量和质达到一个平衡。

2 系统整体方案

根据功能要求，系统需要设计远程操作室的上位机系统，每个教室个体的下位机系统以及上下位机系统之间的通信系统。本设计选用单片机系统作为上下位系统的控制器，采用485半双工通信方式组建主从模式的通信系统。整个系统的结构框图如图1所示：

3 硬件电路设计

3.1 电源电路的设计

本系统设计了一个+5V的直流电源给单片机供电，该电路将市电220V交流电降压为10V交流电，再经过二级管桥式整流、电容滤波、LM7805稳压，最后输出一个稳定的+5V直流电，输出的电压偏差不超过0.1V，整体性能达到预期要求。

3.2 主控制器的电路设计

主控制器选用单片机（AT89S51），搭配键盘、数码显示、复位、晶振及通讯外围接口。

键盘主要是用來输入信息，这些信息包括各种启停信号、分控制器地址号、复位等。本设计采用4×4矩阵式键盘，与单片机的P1并行口连接。每个按键对应一个功能，键盘行线与列线呈垂直排列分布，16个开关按键都放于行列的交叉处，键盘行线一端通过上拉电阻与电源连接，一端与P1口连接，分别为P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，列与P1口的低四位连接，分别是P1.0、P1.1、P1.2、P1.3。

由于本系统显示要求不是很高，所以选用数字共阴极结构的七段LED管来显示。利用单片机的P.0端口控制管脚，为了满足LED管正常发光所需的电流，加入74HC245进行驱动。

3.3 分控制器电路设计

分控制器实现的控制和数据处理任务相对简单，采用单片机（AT89S2051），搭配晶振、实时时钟芯片、可控硅控制电路、零点检测电路、看门狗电路、通信接口电路。

利用硅光电池的短路电流与光照度成线性关系的这个特性，对光照亮度进行检测，再用LM324运算放大器对硅电池检测产生的电信号进行放大，将光电池传感器输出的0～0.5V电压放大为0～5V，提供给A/D转换模块用。

利用限流电阻和两个发光二极管组成电路，控制单片机P1.3接口点位的高低，从而控制发光二极管电路的通断，从而实现电压过零点的检测。

照明亮度控制系统是将前面放大的硅光电池信号强度与设定的亮度信号进行比较，根据差值情况调整输出电压来控制照明灯的亮度。输出电压的平均值，

利用单片机的定时器配合软件产生输出一定频率的方波，当电源电压VCC不变的情况下，改变波形的占空比α来改变输出电压的平均值。

3.4 RS485通信电路的设计

根据任务，本系统设计由一个主机带多个从机的通信系统。具体选用专用的485低功耗通信芯片（MAX485），用一对双绞线将各个接口连接起来实现。将该芯片的RO和DI端连接到单片机的RXD和TXD，利用单片机控制芯片的和DE端，接收数据时令=0，发送数据时令DE=1。另外，采用光电耦合器提高系统的抗烦扰能力。

4 系统软件设计

4.1 程序总体结构设计

本控制系统软件设计的总体结构如图2所示：

整个程序设计要完成照明启停、照明亮度调节、人机交互、通信控制这四大部分的控制任务。照明启停控制部分包括教室单一启停控制及全部教室统一启停控制；人机交互包括操作键盘系统和监视的数码显示系统。

4.2 照明启停控制程序设计

照明启停控制主要是分控制器接收主机发送的命令信息，利用485通信方式，适时反馈给主控制器信息，最后执行并完成任务。

4.2.1 全部启停控制程序步骤：

第一步：数据初始化。

第二步：调用键盘扫描子程序，并判别是否有启停控制信号输入；如果没有返回上一步，如果有进入下一步。

第三步：读取输入信号。

第四步：主控制器发送全部启停信号到各个分控制器。

第五步：各分控制器反馈给主控制器地址信号。

第六步：判别主、分地址是否一致。如果一致，主控制器给分控制器发送确定信号后返回；如果不一致，显示错误信息后返回。

4.2.2 单独启停控制程序步骤：

第一步：数据初始化。

第二步：主控制器发送给某分控制器地址信号。

第三步：分控制器系统判别地址是否与主控制器发送的一致。如果不一致，关闭该分控制器系统；如果一致，向主机汇报地址接收主机一致信息。

第四步：分控制器执行主控制器发送的启停信号。

第五步：执行完成后返回。

4.3 人机交互程序设计

4.3.1 键盘扫描程序设计。键盘扫描程序主要完成前面提到的启停控制、分控制器控制、确认等任务，由于动作的特殊性，需要在程序中考虑防抖，引入延时程序，在延时一段时间后再次键盘扫描，如果3次检测都有信号即可说明该按键确实动作。具体的程序流程如图3所示：

图3 键盘扫描流程图

4.3.2 显示程序设计。本显示系统主要是完成分控制器地址的显示，具体的程序流程：

第一步：数据初始化。

第二步：查表读取段码。

第三步：将上面的码送到驱动显示。

第四步：送信息给译码器选通低电位数码管。

第五步：判别显示是否完整。是结束返回；不是将显示的缓冲区左移并返回到第二步，继续往下执行。

4.4 RS485通信程序设计

4.4.1 主控制器通信程序设计。主控制器通信部分主要是完成向分控制器下达指令、接收分控制器反馈的各种信息。具体程序设计流程包括：

第一步：初始化。

第二步：主控制器向各个分控制发送地址帧。

第三步：判别是否为广播模式。如果不是，将等待从机信息反馈；如果是，执行下一步。

第四步：主控制器向分控制器发送数据。

第五步：等待分控制器应答，发送成果結束并返回。

4.4.2 分控制器通信程序设计。分控制器通信部分主要完成：接收主控制下达的指令信息，将本控制器的地址、执行情况信息反馈给主控制器，然后确认信息准确后执行并完成任务。具体程序设计流程包括：

第一步：数据初始化。

第二步：判别主控制器发送的地址是否与本分控制器地址一致。如果一致，反馈给主控制器一致信息，然后到下一步；如果不一致，结束。

第三步：执行主控制器发送的控制任务。

第四步：反馈给主控制器执行成功信号。

第五步：结束返回。

4.5 照明亮度控制程序设计

照明亮度控制系统主要是完成PWM信号的占空比调节。具体程序设计流程包括：

第一步：数据初始化。

第二步：单片机输出一定频率的方波，并接收亮度检测信息。

第三步：判别亮度是否与设定值一致。如果一致，程序结束；如果不一致，执行下一步。

第四步：根据大小调节占空比，并返回检测。

5 结语

本文主要提出了一种教室节能智能照明控制系统的设计方案，并介绍了具体的软、硬件电路设计过程。该系统利用485构建的主从通信方式，完成主分控制器之间的信息传递与处理。各个分控制器能够根据主控制器发出的指令，完成各个教室照明系统开启、亮度调节且完成相应的显示任务。在一定程度上解决无专人设置或者有专人设置但是不能自主开启各教室、照明亮度调节的问题，更加有效地节能。但是在教室照明系统的实际运行中，发现由于学生步入教室行为的不确定性，学生进入教室后选择座位的不确定性等，如何将智能控制理论应用到单片机系统开发，实现更优的照明控制系统设计将是下一步研究的重点。

参考文献

[1] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2] 孙涵芳，徐爱卿.单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.

[3] 吴金戎，沈庆阳，等.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.

[4] 江力.单片机原理与运用技术[M].北京：清华大学出版社，2006.

作者简介：武交峰（1978-），女，广东环境保护工程职业学院讲师，硕士，研究方向：先进光机电液智能控制。

（责任编辑：黄银芳）