教室自动感应照明系统设计

李雨晴 刘锦程 孙迪 沈雨顺

（中国兵器214 研究所，安徽 蚌埠 233000）

一、前言

我国自改革开放以来，核心产业结构发生巨大变革，经济飞快增长，目前我国已经成为制造业强国。由于工业4.0 的到来，智能化和多元化的发展逐渐进入人们的生活，电能作为世界的二次能源至关重要。因此人类如果再不约束自己的行为，最终会迎来能源危机[1]。教室是培育人才最重要的场所，设备管理尤为重要。照明系统的开放操作增加了学生在教室学习的时间自由性，但是教室的特点之一就是人员流动性大，因此教室设备的管理光靠工作人员是远远不够的。传统照明工具只能定时开启或关闭电源，但是无法自动调节光照亮度，照明工具只能人工调整，不能根据室内是否有人自动感应关闭。在我们日常生活中所接触到的大多数照明工具，都只有简单的物理按键控制灯的开关，遥控照明系统还比较少见。

因此研究出一款应用于教室等公共场所的智能感应照明系统不仅是电力资源的节约，还是对绿色生活态度的践行，实现照明设备用电利用率的提高，投入成本低，同时还能使自然光与照明系统相辅相成。

二、方案设计

（一）整体方案设计

根据教室空间以及座位的布局,把教室内部划分为不同的区域,在相应区域内的LED 灯具上安装红外传感器。该套系统通过传感器探测教室内人员多少及分布,通过芯片控制相应的LED 灯,满足教室内光照强度需要[2]。在教室自动感应照明系统设计中，首先要考虑教室对照明系统的光照强度的需求。为了让节能高效的效果更加显著，使用PWM 调光将控制灯光与自然光相辅相成。系统运用STM32F103 单片机作为控制核心控制教室照明，当单片机接收到传感器传来的光照信息，通过逻辑运算发出指令给控制端，从而判断教室情况，然后执行相应的关灯或者开灯程序。LED 智能驱动器实现恒流驱动输出和 PWM 调光功能。光照度信息的收集主要依赖系统中的光敏电阻。人体红外传感器负责采集室内人员信息并上传至智能照明控制器。教室感应照明系统设计的研究内容主要分为两个部分，一方面增加控制系统的灵敏性和多元化，另一方面是更好地实现系统与环境的智能结合。近年来，随着嵌入式在自动控制领域的普及，单片机的种类越来越多，同时性能也得到了极大的优化，在对比了市面上各种主流的单片机之后，本文选择STM32F103C8T6 单片机作为本系统的中控微处理器。

教室自动感应照明系统框架如图1 所示，框架中主要包括三部分：光照信息收集模块、照明控制模块、远程控制模块。微控制器是照明控制模块的核心部分，具有信号处理、协调控制、数据通信等功能。

（二）硬件设计

系统电路主要由以下几个部分组成：STM32 单片机最小系统、LED 照明驱动电路、光敏传感器电路与人体红外传感器电路、按键电路、LCD 显示屏电路、GSM 远程通信模块电路。其中人体红外传感器输出为开关量，当检测范围内有人员活动时就会输出高电平。光敏传感器输出电压模拟量，可以通过获取的电压计算出光照强度。三个按键分别为模式切换、亮度增加按键、亮度减小按键。LCD显示器用来显示关键信息。GSM 远程通信模块用以远程控制。LED 驱动电路用于直接驱动LED，起到电流驱动作用。STM32 最小系统为控制核心，除了单片机外还集成了复位电路、晶振电路、调试接口。

1.LED 驱动电路。系统的LED 灯的电流较大，直接由单片机IO 驱动难以提供所需电流，容易电流过大烧毁单片机，所以需要用三极管来扩大电流驱动能力。当单片机输出信号为高电平时候，高电平信号使三极管的c 极与e 极导通，电流经过R4保护电阻后驱动LED 发光。单片机输出低电平信号的时候，三极管c 极和e 极截止，LED 熄灭。如图2 所示：

单片机接收到光敏电阻检测到的光照强度之后将得到电压输出与LED 的驱动阈值电压对比，因此单片机通过PWM 信号就可以控制LED 的发光亮度。

2.光敏传感器电路。教室的光照强度可以通过光照强度检测电路自动地检测出来，同时光照强度可以实时地显示给监控者[3]。光敏传感器实质就是将一个光敏电阻与普通电阻串联，当光照发生改变时，光敏电阻的阻值也会变化，导致分压发生变化。一般会后接一个电压跟随器和一个电压比较器，前者用来增加分压输出的驱动能力，后者可以通过设置比较电压来输出开关量。本系统光敏传感器连接电路如图3 所示：

3.GSM 远程通信电路。GSM 是通用分组无线服务技术的简称。GSM 并没有采用在频道连续传输的方式，而是以封包（Packet）的形式来传输，因为并不使用整个频道而是以其传输资料单位来计算传输费用，所以理论上成本较低，便于推广[4]。GSM通讯模组的引脚较多，但本系统除了供电只用到了串口引脚，简化电路如图4 所示：RXD 与TXD 为串口的接收与发送引脚，与单片机的串口引脚交叉连接，使单片机能与GSM 通讯模组通讯，互发命令与数据。

（三）软件设计

此次设计，程序流程是先进行单片机内部外设初始化，并配置好GSM 远程通信模块。系统可以根据按键设置来执行操作，也可以通过GSM 远程通信模块获取的消息来执行对应的操作。在自动模式下，系统会采集光敏传感器数据与人体红外传感器的数据，在有人情况下会自动打开补光灯，并根据光线强度自动调节发光亮度。在手动模式下，系统不会主动操作补光灯，用户可使用按键来控制输出亮度，也可以通过GSM 远程通信模块来远程控制。下图5 为主函数整体流程图。

照明的控制是系统最终输出，单片机通过改变PWM 输出的占空比调节发光亮度或关闭发光。其子程序的流程如图6，在自动模式下，系统会自动根据有无人员和光照强度来控制发光，在手动模式下，需要用按键或远程来设置发光状态。

三、系统仿真

本电路通过Proteus 在PC 上进行模拟仿真，电路各项功能和参数正常运行，完成了嵌入式系统的软件和硬件的搭建连接。因仿真软件的局限性，光敏电阻、GSM 模块、人体红外感应模块无法仿真，在此分别用滑动变阻器、串口终端、按键开关代替上述模块进行仿真。仿真中的四个LED 灯在实际应用中应均等分布在教室的顶部，每个LED 底部都安装一个人体红外感应模块，当某个灯下有人则对应的灯亮，四个人体红外感应模块的检测范围覆盖整个教室。

（一）自动模式照明系统仿真

在自动模式下，首先按下按键1，此时模式转换为自动模式，在虚拟串口终端界面输入auto light:40 设置光照阈值，然后上拉按键开关，移动滑动变阻器，此时液晶显示屏显示此时自然光照值、LED 灯光照值、有无人员通过以及当前状态，并且不断刷新。

（二）手动模式下照明系统仿真

在手动模式下，教室管理员可以手动调节教室的光亮度，按下开关按键教室的灯即可关闭或者打开，电路上设置了三个按键可以用来切换模式、增加光照度、降低光照度。控制人员可以手动设置光亮度，按下光亮度增加按键液晶显示屏上显示当前光照度增加，四个LED 灯亮度明显变亮，液晶显示屏上显示当前自然光照度的值以及LED 灯光照度的值；按下光亮度降低按键，四个LED 灯亮度明显变暗，液晶显示屏上显示当前自然光照度的值以及LED 灯光照度的值。

（三）远程控制模式下照明系统仿真

本设计带有GSM 模块，可以使用使用手机以短信方式远程控制。发送“get”命令可以获取传感器数据和其他详细信息。远程控制的GSM 模块用串口模拟，在串口终端界面发送命令替代手机短信控制，在上文已知可用远程控制设置自动模式和照明系统的阈值，向单片机发送get 获取最新状态，状态不断刷新。

结语

以节能照明为切入点，用32 系列单片机控制照明系统，使照明给人舒适的视觉体验的同时节约能源，选择32 系列单片机也是基于性价比高，运行速度快。它不是最先进的微处理器，但是它是最适合广泛推广使用在家居照明上的MCU。同样将GSM与家居控制相结合，在便捷的同时可以解放使用者的工作时间，远程控制近些年活跃在智能家居市场，以后远程控制也将渗透到学校和单位，深刻贯彻绿色节能的理念。