控制系统有关论文范文素材,与基于太阳能的教室灯光节能系统设计相关发表论文

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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.

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.

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.

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：

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等于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

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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.

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.

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[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.

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