引言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源短缺問(wèn)題日益突出，成為一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。作為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活不可或缺的電力能源更是如此。尤其現(xiàn)今越來(lái)越提倡低碳生活，節(jié)約能源已經(jīng)成為一種全球共識(shí)，而作為培養(yǎng)社會(huì)精英的高校更應(yīng)該起到榜樣的作用。但是目前在校園內(nèi)，教室燈火通明，卻空無(wú)一人的現(xiàn)象屢見不鮮，這不僅造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，也對(duì)高校的形象造成了很壞的影響。本文所研究的教室燈光控制系統(tǒng)就可以很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的作用。

1 系統(tǒng)硬件組成

整個(gè)系統(tǒng)由中央控制電路、2×4按鍵電路、光敏傳感電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、時(shí)鐘電路、液晶顯示電路六個(gè)模塊組成。其中，光敏傳感電路模塊主要完成對(duì)教室當(dāng)前光線明暗程度的判定，時(shí)鐘電路主要實(shí)現(xiàn)時(shí)基功能，兩者分別提供光照和定時(shí)數(shù)據(jù)供以單片機(jī)為核心的中央控制模塊進(jìn)行邏輯判斷，單片機(jī)最終將運(yùn)算結(jié)果輸出到液晶顯示屏，同時(shí)對(duì)教室燈光進(jìn)行控制。整個(gè)系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

1．1 中央控制模塊

系統(tǒng)中，中央控制器主要用于接收兩個(gè)外部數(shù)據(jù)，由此判斷是否定時(shí)時(shí)間已到，教室光照是否充足?？刂破鞲鶕?jù)這兩個(gè)外部數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)燈、刷新液晶顯示屏，同時(shí)可以通過(guò)鍵盤設(shè)置時(shí)間日期、查看相關(guān)信息。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，控制器選擇了宏晶科技公司提供的STCl2C4052AD型單片機(jī)。該款是一種高速、高可靠性單片機(jī)，工作電壓5．5～3．4V，F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器4K字節(jié)，SRAM為256字節(jié)，2個(gè)定時(shí)器，8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)在線編程、A／D轉(zhuǎn)換、看門狗等功能。

1．2 液晶顯示電路

為了實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)交互界面，在本系統(tǒng)中采用1602液晶顯示屏來(lái)顯示用戶的設(shè)定作息時(shí)間及用戶所查詢的信息。

點(diǎn)陣字符型液晶顯示器是專門用于顯示數(shù)字、字母、圖形符號(hào)及少量自定義符號(hào)的顯示器。這類顯示器把LCD控制器／點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)器／字符存貯器全做在一塊印刷板上。系統(tǒng)選用日立公司的HD44780液晶顯示。HD44780具有簡(jiǎn)單而功能較強(qiáng)的指令集，可實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)／閃爍等功能。與MCU的傳輸可采用8位并行傳輸或4位并行傳輸2種方式。液晶顯示電路如圖2所示。

1．3 其他電路

按鍵電路主要由一個(gè)2×4的按鍵陣列組成，主要用于完成作息時(shí)間、當(dāng)前時(shí)間、定時(shí)時(shí)間段的設(shè)定。光敏傳感電路實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集，其門限值可通過(guò)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)。指示燈主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)，如系統(tǒng)工作于自動(dòng)控制模式還是強(qiáng)制模式，滅燈或亮燈狀態(tài)等的指示。

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)能夠采集室內(nèi)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并結(jié)合學(xué)校作息時(shí)間對(duì)教室燈光進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，達(dá)到方便和節(jié)約能源的目的。電路存在兩種工作模式：自動(dòng)控制模式和強(qiáng)制模式。

2．1 自動(dòng)控制模式

系統(tǒng)復(fù)位默認(rèn)工作在自動(dòng)控制模式，當(dāng)教室內(nèi)自然光線弱，光敏傳感器把感應(yīng)到的光強(qiáng)信號(hào)送至單片機(jī)處理，輸出照明命令，則打開教室燈光，但因系統(tǒng)定時(shí)關(guān)燈時(shí)間與學(xué)校作息時(shí)間一致，因此在非需要開燈的時(shí)間段內(nèi)，教室燈光自動(dòng)關(guān)閉，達(dá)到節(jié)約用電的效果。

系統(tǒng)考慮到如果教室外自然光很強(qiáng)，但因某種需求需要拉上窗簾，這樣室內(nèi)光照就不太理想，需要開燈，因而設(shè)置了兩路光敏傳感器，一路探測(cè)室內(nèi)光強(qiáng)，一路探測(cè)室外光強(qiáng)，這體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。

2．2 強(qiáng)制模式

系統(tǒng)正常工作的情況下，通過(guò)按下強(qiáng)制按鈕，就能對(duì)燈進(jìn)行強(qiáng)制開關(guān)的控制，通過(guò)該按鈕也能使電路切換回自動(dòng)控制狀態(tài)。設(shè)置強(qiáng)制按鈕主要考慮到有時(shí)需要對(duì)燈進(jìn)行強(qiáng)制控制，例如需要在教室通過(guò)投影儀觀看電影時(shí)，為達(dá)到最佳的收看效果，需要關(guān)上燈。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STC12C4052AD單片機(jī)作為控制的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算，因此軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行以及能否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的關(guān)鍵。本系統(tǒng)中STCl2C4052AD單片機(jī)主要完成接收外部數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、輸出控制數(shù)據(jù)。所以軟件的重點(diǎn)是：如何接收外部數(shù)據(jù)，如何處理以及如何輸出控制數(shù)據(jù)。

因此，在該軟件實(shí)現(xiàn)中我們采用了模塊化的方案，整個(gè)軟件設(shè)計(jì)由初始化模塊、鍵盤接收模塊、中斷處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和定時(shí)輸出模塊五個(gè)模塊組成，系統(tǒng)程序主流程框圖如圖3所示。

初始模塊主要完成I／O口、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、中斷以及液晶顯示屏的初始化，鍵盤接收模塊主要用于接收初始變量，如當(dāng)前時(shí)間、作息時(shí)間等的設(shè)定。同時(shí)也接受相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢，如查詢?cè)O(shè)定好的作息時(shí)間、光照閾值等，數(shù)據(jù)顯示模塊用于顯示當(dāng)前的時(shí)間、定時(shí)開關(guān)時(shí)間以及用戶要查詢的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 調(diào)試和總結(jié)

在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后我們?cè)谡{(diào)查研究的基礎(chǔ)上，對(duì)什么光線情況下應(yīng)該開燈及系統(tǒng)在根據(jù)學(xué)校的作息時(shí)間上進(jìn)行了設(shè)定驗(yàn)證、調(diào)試，結(jié)果顯示本系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行且效果理想。

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于教室的燈光控制，但是對(duì)于一些公共場(chǎng)合，如會(huì)議室、辦公室、樓道等場(chǎng)所，只要在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)，也可以很好地滿足其需要，因此本系統(tǒng)的可移植性好，具有比較大的市場(chǎng)潛力和廣泛的應(yīng)用前景。