基于PIC单片机的教室照明系统节能控制器设计

摘要：教学楼教室的照明由学生自行控制开启与关闭，因此，在白天自然光很强的情况下，教室内的长明灯仍到处可见。基于PIC单片机的教室照明系统节能控制器系统，在白天光线达到一定照度时，教室照明灯自动关闭，当教室内光线的照度下降到一定程度时自动开启照明灯，另外该控制器还能根据进入教室学生的多少来控制照明灯开启的数量，达到节能的目的。
关键词：PIC单片机；教室照明；节能控制

0 引言
教学楼照明用电的管理一般有三种模式：一是无专人管理，由学生自行控制开启与关闭；二是利用定时开关，根据作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作息时间和天气情况分层送电。但在大多数高校，照明用电管理采用的是第一种模式，由于大多数人的节能意识淡薄，并且强光下人的眼睛对弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，因此，在白天自然光很强的情况下，教室内的长明灯仍到处可见。根据不完全统计：80％的教学楼存在着在白天光照良好以上的情况下和在
午休时间出现长明灯的现象。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但是从整个学校来看，却是一个不小的数字，这是一种极大的浪费。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱外，另一个重要的原因就是节能的硬件设施跟不上。
为此，根据学校的实际情况，设计与实施教室照明节能控制系统，在白天光线达到一定照度时，教室照明灯自动关闭，当教室内光线的照度下降到一定程度时照明灯自动开启，在充分保证教室照度的前提下，达到节能的目的。
本项目研究的内容：使用PIC16F877单片机为主控芯片，采用信息(进入教室人数的多少，教室内从门口到窗户的自然光照度的强弱)融合技术，来自动判定教室内开灯的多少；控制器具有时钟功能，能够在竣定的时间段内进入低功耗模式，基本不消耗电能；控制器具有RS485数据传输功能，能够与其它控制器进行组网实现大规模的网络化管理。

1 系统基本组成及硬件设计
系统结构图如图1所示。本系统为教室照明系统节能控制系统，是专门为高校教学楼照明用电的管理而设计的产品，系统主要由时钟模块、光照强度检测模块、人数采集模块、显示模块、继电器控制模块、通信模块六部分组成。

本系统的光照强度检测电路由光敏电阻及处理电路实现，人数采集模块由两组激光对管实现，时钟信号由ds1302时钟芯片提供，用数码管来显示教室人数和时间情况。通信模块通过RS485来管理。工作时，光照检测电路、激光对管及处理电路和ds1302时钟芯片分别采集光照强弱、教室人数、时间等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对照明设备进行操作，从而实现本系统要求的功能。
系统控制单元选用PIC16F877A单片机，该型号单片机具有指令系统精简、硬件系统设计简洁与高集成度的特点，且单片机功耗较低，价格合理性价比较高。
1．1 时钟模块
采用ds1302时钟芯片，作为整个系统的时钟信号来源，再结合软件定时能够达到对照明灯控制系统定时开关的目的。下图为时钟部分接线电路。

1．2 通信模块
RS485接口的通讯协议采用MODBUS标准通讯协议，该控制器可以作为从机与具有相同通讯接口并采用相同通讯协议的上位机(如单片机、PC机)通讯，实现对控制器的集中监控，通过该通讯口也可以接远控键盘。实现用户对该控制器的远程操作。图3是其电路连接图。

1．3 继电器控制模块
该模块由两片高耐压、大电流复合晶体管阵列ULN2003和一片741s595组成，其中741s595可实现串行输入并行输出并带有数据锁存功能，与单片机通信只需两条信号线，这样大大节省了单片机的I／O资源。ULN2003工作电压高、工作电流大、灌电流可达500mA，并且能够在开关态时承受50V的高压，足以驱动直流继电器。电路图如图4所示。

1．4 光照强度检测模块
光强检测模块由光敏电阻、滑动变阻器和电压比较器组成。通过调节滑动变阻器来改变该模块对光强的敏感程度，电压比较器采用电平比较方式将信号直接输入给单片机，可有效防止边沿跳变，保证信号有效性。电路图如图5所示。

1．5 显示模块
该模块由4位一体共阴极数码管和MAX7219专用数码管驱动芯片组成，芯片与单片机仅有3根信号线相连，通信十分方便。芯片包含一个150 μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，系统进入低功耗模式时，该模块也可进入低功耗状态，可大大减小控制器的功耗。电路图如图6所示。

1．6 人数检测模块
人数检测模块由两对激光发射管和接收管组成，安装在教室门框的适当高度上，前后安装。由于接收管只能接收调制光且调制光在180kHz占空比20～30％时接收效果最好，这样便有效避免了外界光源对传感器的干扰，且激光的聚光性好直线传播距离选，可以减少相邻传感器之间的相互干扰并能大大减小传感器的体积，便于传感器的安装。电路图如图7所示。