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我国电力负荷形势严峻。2012年，全国最大电力缺口为5000万千瓦左右，2013年电力缺口在7000万千瓦左右。电力缺口导致很多乡镇或乡村面临着电力供应不足、生活基本需求得不到保障的问题。然而，在很多单位，用电浪费的现象尤为严重。在我们学校，一个空无一人的教室灯光全亮的情况也时有发生。针对该类电力资源的浪费，本论文设计了基于太阳能的教室灯光节能控制系统。
该控制系统可以根据教室里的人员多少及人员分布、自然光强、时间等因素，设计了用太阳能供电，集光强检测、超声波测距、红外传感检测、时间控制等多功能于一体的分区，功率可调的教室灯光节电控制系统。
一、系统硬件设计
教室灯光节能系统设计的示意图如图1所示。下面对各个模块加以介绍。太阳能电源模块供给6V电压给系统供电；红外感应模块利用菲尼尔透镜感应是否有人存在；超声波测距模块主要用于当教室有人时，先对教室进行合理分区，通过测量的距离判断人在教室哪个区域，进而分区控制灯光，做到人在灯开，人走灯灭；时间模块可定时关闭教室灯光；功率调节模块可根据光强调节灯光的开启数量达到二次节电的目的；人工介入模块可以在特殊需要的时候脱离系统控制，人为控制教室灯光。本系统可进一步扩展，控制对象不仅是教室的灯光，还可以是教室里的风扇、音箱、计算机等负载。
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图1
1.太阳能供电模块
本系统使用5V1.3W的太阳能光伏板作为电源。由于本系统是以发光二极管作为灯光演示，所以电源选用电压较小的光伏板。
2.红外感应模块
红外感应模块主要判断教室内是否有人。利用菲涅尔透镜的特性红外模块对人体发出的波进行定向捕捉。从而判断教室内是否有人。原理图如图2所示。PIR热释电红外传感器的输出信号幅度小1mV，频率约0.1～0.8Hz，检测距离短，在PIR前加用一块半球面菲涅尔透镜，使范围扩展成90度圆锥型距离大于5米的检测面。集成电路内部含有二级运放、比较器、延时定时器、过零检测、控制电路、系统时钟等电路。PIR传感器检测到人体移动引起的红外热能之变化并将它转换为电压量，通过二级选频放大比较输入到控制电路中，由控制电路输出过零脉冲触发双向可控硅导通。采用交流过零触发能消除可控硅导通时浪涌电流，延长灯具的使用寿命。同时控制电路启动了延时定时器，直至PIR传感器在接收到信号后，触发可控硅的信号关断可控硅，做到自动关闭。
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图2
3.超声波测距模块
根据教室大小，安装2个或4个超声波传感器。超声波模块由两个部分组成，一个发射端，一个接收端。首先将超声波传感器测量到的人与教室墙体的距离反馈到单片机，与设定的标准距离进行比较，判断人处于教室哪个分区，控制该区域的灯打开，其他区域灯光关闭。单片机采用系统12MHz高精度的晶振，获得较稳定的时钟频率。用P2.7口输出40kHz的方波信号，P3.5口监测超声波的返回信号。单片机接收到反回波后，向P3.5输出一个低电平脉冲。超声波一经发出，单片机立即启动计时器T0，P3.5接收到回波时，由高电平变马上变为低电平后，随机计时器停止计时。此时单片机对距离进行计算。继电器的输出端与非门相连接。当检测的距离低于预设值距离小于预设值区域的灯（二极管代替）打开。反之，则大于预设距离的灯打开。电路原理图如图3所示。
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图3
4.人工介入模块
为了满足对教室内的特殊要求，我们可以通过人工介入模块将灯和节能系统脱离，从而切换到平常的模式进行控制。当人工开关打开时，教室灯光处于节能状态。当人工开关闭合时，通过非门的控制，达到接环模式的目的。
5.时间控制模块
为了达到教室灯光自动关闭的目的，本小组设计了灯光定时开关系统，即时间模块。DS1302的RST端、SCLK端、/O分别与单片机的P2.0端，P2.1端和P2.2端相连。单片机与DS1302在数据交换时，要先将RST变为高电位。在RST保为高电位的同时，SCLK时钟由低电位跳变到高电位的上升沿的同时，数据写入时间芯片DS1302中。当定时系统启动时，STC89C52单片机从时钟芯片DS1302获取时间，当系统时间与启动时间相同时，单片机制继电器闭合，系统时间与继电器关闭时间相同时断开。部分原理图如图4所示：
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图4
二、部分软件设计
首先主程序对系统环境进行初始化，然后设定时器0为计数，同时设定时器1为定时，设置位总中断允许位EA，当运行主程序后，进行定时测距，当测距标志位为ec=1时，测量一次，在程序设计过程中，超声波测距频度是4～5次/秒。在测距间隔中，整个程序进行循环显示测量结果的程序。在调用超声波测距子程序后，先使单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送到头上。当超声波头发送完超声波后，就启动内部计时器T0计时，为避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发问题，应对单片机延时约1.5～2ms（也就是超声波测距仪有最小可测距离的原因，称为盲区值），运行单片机P3.5脚的电平判断程序。在检测到P3.5脚的电平由高电平转为低电平时，停止T0计时。因为单片机采用的是12MHz的晶振，计时器每计一个数就为1μs，然后超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，对计数器T0的数（超声波来回所用时间）进行计算，就可以得到被测物体与测距仪之间的距离。设声速为340m/s，，T0是计数器T0的计算值。测出结果将通过十进制BCD码方式送至LED显示为0.5s，然后发超声波脉冲重复测量过程。
当有人进入红外模块时进行判断，将信号反馈到单片机进行处理，输出信号送至超声波测距模块。当超声波测距模块接收到反馈信号后再将信号反馈到单片机，对测定距离与之进行比较，来控制某一区域灯的开关。超声波测距软件流程图如图5所示。
根据教室大小，安装2个或4个超声波传感器。超声波模块由两个部分组成，一个发射端，一个接收端。首先将超声波传感器测量到的人与教室墙体的距离反馈到单片机，与设定的标准距离进行比较，判断人处于教室哪个分区，控制该区域的灯打开，其他区域灯光关闭。如图6所示，在教室前后均有平行的两个超声波测距模块将教室分成A区和B区两个区域。以前半部分的超声波模块为例，现设定中间虚线到超声波模块的距离为L1。如果超声波模块测得距人的距离为小于L1的值则A区或B区的上半部灯光打开。如果测得距人的距离大于L1则A区或者B区的下半部灯光打开。教室后面的超声波模块亦如是。如果教室各个区域都有人，则教室灯光全部打开。
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图5 图6
三、节能预期
根据2个月的调查显示，我校平均每天每间教室无人开灯小时数为2小时；仅有3人或以下人数教室开灯小时数为5小时。如果使用本小组设计的系统，可以为学校节省约40%的教室灯光照明电量。
节能减排要从我们的身边做起。如果我们能自觉地关闭多余的灯，就为国家节能事业做出了自己的一份贡献。我们的节能作品只起到辅助节能的作用，节电环保的根本在于我们的思想和行动。最后，我们衷心希望此设计能在起到节电作用的同时，也能让节电节能的理念像教室的灯光一样常伴大家。
参考文献：
[1]王东峰，等.单片机C语言应用100例[M].北京：电子工业出版社，2009.
[2]钟富昭，等.8051单片机典型模块设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[3]李平，等.单片机入门与开发[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.
[5]刘振安，主编.C语言程序设计[M].北京：机械工业出版社，2007.
该控制系统可以根据教室里的人员多少及人员分布、自然光强、时间等因素，设计了用太阳能供电，集光强检测、超声波测距、红外传感检测、时间控制等多功能于一体的分区，功率可调的教室灯光节电控制系统。
一、系统硬件设计
教室灯光节能系统设计的示意图如图1所示。下面对各个模块加以介绍。太阳能电源模块供给6V电压给系统供电；红外感应模块利用菲尼尔透镜感应是否有人存在；超声波测距模块主要用于当教室有人时，先对教室进行合理分区，通过测量的距离判断人在教室哪个区域，进而分区控制灯光，做到人在灯开，人走灯灭；时间模块可定时关闭教室灯光；功率调节模块可根据光强调节灯光的开启数量达到二次节电的目的；人工介入模块可以在特殊需要的时候脱离系统控制，人为控制教室灯光。本系统可进一步扩展，控制对象不仅是教室的灯光，还可以是教室里的风扇、音箱、计算机等负载。
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图1
1.太阳能供电模块
本系统使用5V1.3W的太阳能光伏板作为电源。由于本系统是以发光二极管作为灯光演示，所以电源选用电压较小的光伏板。
2.红外感应模块
红外感应模块主要判断教室内是否有人。利用菲涅尔透镜的特性红外模块对人体发出的波进行定向捕捉。从而判断教室内是否有人。原理图如图2所示。PIR热释电红外传感器的输出信号幅度小1mV，频率约0.1～0.8Hz，检测距离短，在PIR前加用一块半球面菲涅尔透镜，使范围扩展成90度圆锥型距离大于5米的检测面。集成电路内部含有二级运放、比较器、延时定时器、过零检测、控制电路、系统时钟等电路。PIR传感器检测到人体移动引起的红外热能之变化并将它转换为电压量，通过二级选频放大比较输入到控制电路中，由控制电路输出过零脉冲触发双向可控硅导通。采用交流过零触发能消除可控硅导通时浪涌电流，延长灯具的使用寿命。同时控制电路启动了延时定时器，直至PIR传感器在接收到信号后，触发可控硅的信号关断可控硅，做到自动关闭。
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图2
3.超声波测距模块
根据教室大小，安装2个或4个超声波传感器。超声波模块由两个部分组成，一个发射端，一个接收端。首先将超声波传感器测量到的人与教室墙体的距离反馈到单片机，与设定的标准距离进行比较，判断人处于教室哪个分区，控制该区域的灯打开，其他区域灯光关闭。单片机采用系统12MHz高精度的晶振，获得较稳定的时钟频率。用P2.7口输出40kHz的方波信号，P3.5口监测超声波的返回信号。单片机接收到反回波后，向P3.5输出一个低电平脉冲。超声波一经发出，单片机立即启动计时器T0，P3.5接收到回波时，由高电平变马上变为低电平后，随机计时器停止计时。此时单片机对距离进行计算。继电器的输出端与非门相连接。当检测的距离低于预设值距离小于预设值区域的灯（二极管代替）打开。反之，则大于预设距离的灯打开。电路原理图如图3所示。
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图3
4.人工介入模块
为了满足对教室内的特殊要求，我们可以通过人工介入模块将灯和节能系统脱离，从而切换到平常的模式进行控制。当人工开关打开时，教室灯光处于节能状态。当人工开关闭合时，通过非门的控制，达到接环模式的目的。
5.时间控制模块
为了达到教室灯光自动关闭的目的，本小组设计了灯光定时开关系统，即时间模块。DS1302的RST端、SCLK端、/O分别与单片机的P2.0端，P2.1端和P2.2端相连。单片机与DS1302在数据交换时，要先将RST变为高电位。在RST保为高电位的同时，SCLK时钟由低电位跳变到高电位的上升沿的同时，数据写入时间芯片DS1302中。当定时系统启动时，STC89C52单片机从时钟芯片DS1302获取时间，当系统时间与启动时间相同时，单片机制继电器闭合，系统时间与继电器关闭时间相同时断开。部分原理图如图4所示：
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图4
二、部分软件设计
首先主程序对系统环境进行初始化，然后设定时器0为计数，同时设定时器1为定时，设置位总中断允许位EA，当运行主程序后，进行定时测距，当测距标志位为ec=1时，测量一次，在程序设计过程中，超声波测距频度是4～5次/秒。在测距间隔中，整个程序进行循环显示测量结果的程序。在调用超声波测距子程序后，先使单片机产生4个频率为38.46kHz超声波脉冲，加载的超声波发送到头上。当超声波头发送完超声波后，就启动内部计时器T0计时，为避免超声波从发射头直接传送到接收头引起的直射波触发问题，应对单片机延时约1.5～2ms（也就是超声波测距仪有最小可测距离的原因，称为盲区值），运行单片机P3.5脚的电平判断程序。在检测到P3.5脚的电平由高电平转为低电平时，停止T0计时。因为单片机采用的是12MHz的晶振，计时器每计一个数就为1μs，然后超声波测距子程序检测到接收成功的标志位后，对计数器T0的数（超声波来回所用时间）进行计算，就可以得到被测物体与测距仪之间的距离。设声速为340m/s，，T0是计数器T0的计算值。测出结果将通过十进制BCD码方式送至LED显示为0.5s，然后发超声波脉冲重复测量过程。
当有人进入红外模块时进行判断，将信号反馈到单片机进行处理，输出信号送至超声波测距模块。当超声波测距模块接收到反馈信号后再将信号反馈到单片机，对测定距离与之进行比较，来控制某一区域灯的开关。超声波测距软件流程图如图5所示。
根据教室大小，安装2个或4个超声波传感器。超声波模块由两个部分组成，一个发射端，一个接收端。首先将超声波传感器测量到的人与教室墙体的距离反馈到单片机，与设定的标准距离进行比较，判断人处于教室哪个分区，控制该区域的灯打开，其他区域灯光关闭。如图6所示，在教室前后均有平行的两个超声波测距模块将教室分成A区和B区两个区域。以前半部分的超声波模块为例，现设定中间虚线到超声波模块的距离为L1。如果超声波模块测得距人的距离为小于L1的值则A区或B区的上半部灯光打开。如果测得距人的距离大于L1则A区或者B区的下半部灯光打开。教室后面的超声波模块亦如是。如果教室各个区域都有人，则教室灯光全部打开。
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图5 图6
三、节能预期
根据2个月的调查显示，我校平均每天每间教室无人开灯小时数为2小时；仅有3人或以下人数教室开灯小时数为5小时。如果使用本小组设计的系统，可以为学校节省约40%的教室灯光照明电量。
节能减排要从我们的身边做起。如果我们能自觉地关闭多余的灯，就为国家节能事业做出了自己的一份贡献。我们的节能作品只起到辅助节能的作用，节电环保的根本在于我们的思想和行动。最后，我们衷心希望此设计能在起到节电作用的同时，也能让节电节能的理念像教室的灯光一样常伴大家。
参考文献：
[1]王东峰，等.单片机C语言应用100例[M].北京：电子工业出版社，2009.
[2]钟富昭，等.8051单片机典型模块设计与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.
[3]李平，等.单片机入门与开发[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2005.
[5]刘振安，主编.C语言程序设计[M].北京：机械工业出版社，2007.