公用照明设备节能控制系统设计
摘 要： 我国的公共照明设备的电能源浪费现象非常严重，以学校图书馆借阅室的照明灯为例，几乎常年、整天的照明造成大量的电能源浪费。结合电子专业的技术知识，通过设计电路图以及对电路图的仿真，并应用相关电子元器件，设计出一个节能控制电路，根据当日的光照水平和阅览室内学生人数，决定照明灯的开关，实物运行效果良好。
关键词： 节能系统； 电路设计； 红外计数； 光控电路
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）22?0156?04
0 引 言
2009年12月7日—18日在丹麦首都哥本哈根召开的被喻为“拯救人类的最后一次机会”的哥本哈根会议中，有关专家严正提出全球必须停止增加温室气体排放，节能减排。电力作为一种方便却不可再生的二次能源，随着我国现代化建设的加速，尽管电力工业发展速度很快，但其需求量也不断攀升，电力紧张状况依然相当严峻。尤其是近些年来我国电网的负荷越来越大，甚至已经不堪重负，在用电高峰期，很多地区不得不采用拉闸限电的措施来缓解用电压力。不仅如此，对于火电生产排放的二氧化硫污染也着实令人担忧。在我国，基本消除酸雨污染所允许的最大二氧化硫排放量为1 200～1 400万吨，但在2003年我国二氧化硫排放量就达到了2 158.7万吨，比2002年增长约[1]12%。按照目前的经济发展速度以及污染控制方式和力度，到2020年，全国仅火电厂排放的二氧化硫就将达2 100万吨以上，全部排放量将超过大气环境容量1倍以上，这对生态环境和民众健康将是一场严重灾难[2]，所以节能减排刻不容缓。
许多发达国家和部分发展中国家先后制定了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。我国“十一五规划”也明确提出了“建设资源节约型、环境友好型社会”的发展目标。本文的目的是试图在某些公共场所，比如学校图书馆设置一些设备使得能源能够合理节约地加以利用，这些地方是出入人数较多的，所以这些地方的灯光照明几乎是从上班开始直到下班为止，不管这些地方是否有人，也不管有多少人，造成了很多不必要的电力资源浪费。科技要以人为本，从人的需求出发：即在有人活动的地方必须有足够的照度（无论是日照还是人工照度）；没有人的区域，应该熄灭灯光，以节约能源。这项设计响应“节能减排”的要求，有一定的实际意义。
1 公用照明节能设计的整体思路
本设计的整体思路为：平时的借阅室，阅览的人数不多。若当日光线十分充足，则不管进入多少人灯都不开。充分利用自然光。
若当日光线一般，根据本学校图书馆阅览室的实际情况，假如每个阅览自习室靠窗的座位有10座，靠窗座位光线较亮，一般同学进入，若室内灯未打开就会自动坐到靠窗的座位，利用自然光线，节约电能；当进入人数超过10人，同学只能坐在其他位置，此时若室内光线不够，则触发开关打开。若室内光线过暗，则只要有人进入，灯就被触发打开。
本次设计主要进行小范围模拟实现上述功能，对输入输出单元进行设计，完成一盏灯的控制。具体模块包括光控制继电器电路和红外计数器电路，并通过与门电路连接。需要两组光控继电器电路和红外线计数器组合：第一组的光控继电器电路置于借阅室靠近窗口1 m的天花板处，第二组的光控继电器置于借阅室中央的天花板顶部。两组的红外计数器均置于借阅室入口处。如图1所示。
如上所述控制设计主要涉及3种情况：
（1）当光线较暗时，根据建筑光照标准，阅读所需光强为[3]250～750 lx，即窗口处光感器（第一组）感应光强低于500 lx时，当有人进入门口，第一组计数器计数1，则触发灯打开。
（2）当光线一般时，窗口光强足够，但室内不够，即借阅室中间处的光感器（第二组）感应光强低于500 lx，但窗口（第一组）光感强度大于500 lx，则当有人进入，第二组计数器计数达10人时，触发灯打开。
（3）当光线较亮时，两个光感强度均大于500 lx，则无论进多少人，灯都不打开。
由于两组电路除了计数器预设值不同其他都一样，预设值也只需直接调节计数器，因而在制作过程中，为了节省材料，只制作了一组电路。
2 光控开关的设计
光控开关电路主要完成光强感应，当照度低于预设值时，继电器吸合输出高电平。这个光控开关分别置于图书馆借阅室最中央的顶部以及距离窗口处1 m的顶部。主要由一光敏电阻为主要原件的光暗控制开关电路和以L7808CV为主要原件的稳压电源电路组成。根据光敏电阻的光照特性可以得出光敏电阻所在环境光照越强，电流越高，也就是电阻越大。根据这一特性设计的光控继电器电路如图2所示。
电路工作电压为9～15 V，电阻R1、R2及光敏电阻R3构成分压电路，当光线暗至一定程度时，光敏电阻电阻值上升，使VT1的基极电压上升，直至能使VT1，VT2导通，电流达到额定的值时直流电磁继电器J（JZC?32F）吸合，也就是开关打开。图中R1用于动作灵敏度调节。根据在本次设计中图书阅览室内学生阅读对光照强度的需要为[3]200～750 lx，调节R1，使光照度降至约500 lx时，整个电路启动，继电器开关打开，OUT端由0 V变为3.45 V。完成预计目的。在使用过程中，为了便于辨别开关是否打开，在继电器输出端安装一盏LED灯，接通电源，当室内光线低至500 lx时开关打开同时LED灯亮。
由于该电路的光触发电平受电源电压的影响较大，为了减少误差，加入一个稳压电路，图3是由L7808CV为主要元件的经典稳压电路。
连接两部分后制成整体电路如图4所示。
3 基于红外传感器的计数系统设计
用红外传感器感应人体，当有人通过大门时，输出一次低电平触发计数器计数，计数器记录进入图书馆的人数，当计数器数值达预设值时，计数器输出低电平。通过一个非门74LS04，将输出低电平转为高电平输出，为了便于辨别，在输出端加一LED灯，灯亮则表示有高电平输出。整个电路主要有三部分组成：稳压电路、红外传感器、计数显示系统。红外传感器电路的工作电压为3～12 V，本设计选择5 V电压，当有人体通过感应头时，OUT端输出一个低电平，约为0.16 V。CL102是计数、锁存、七段译码、驱动显示四合一的组合集成电路。由于该集成电路集成度高， 逻辑功能强， 显示装置减少了连线， 不但使电路结构简化， 使用更加方便， 还可提高抗震性能。电源部分使用变压器降压、集成稳压器稳压， 可确保电路工作更稳定， 使用更安全。工作电压也为5 V，当触发端有低平电压输入，触发计数器计数，直至设定预设值，由CP端输出低电平。整体电路图如图5所示。
如图5所示，红外传感器的工作电压为5 V，作用距离为0～2 m。将红外传感器安装在阅览自习室的门口位置。电源打开后，当有人体通过大门，红外传感器感应由OUT端输出一个低电平，由此通过低电平触发端触发计数器开始计数。并在显示屏中显示目前位置的数值。
如此重复，直至数值到达预设的值，计数器端口5信号输出端输出一个低电平，经过非门74LS04变为高电平，输出电压值由0.16 V变为2.79 V，同时LED灯亮。
4 部件连接
为了实现当光控继电器感光度达到一定值以下的同时计数器达到一定值才触发总开关，需要一个与门将两个电路相与，将红外计数器电路与光感控制器电路输出端分别连接到与门芯片CD4081的两个输入端，CD4081的输出端即为最终的电源控制输出。见图6。
这是其中一组的设计，实际电路中需要两组，将两组电路再次经过一个与门，即可实现全过程。窗口的光线一定比室内光线亮。定义窗口照度为L1，室内中央照度为L2，光感器触发照度为L3。光线较亮时，L1≥L2≥L3，无论是窗口还是室内光感都不会被触发，灯不开；光线一般时，L1≥L3≥L2，室内光感器触发，灯即亮；光线较暗时，L3≥L1≥L2窗口光感器触发，灯即亮。
5 实物制作运行结果及总结
基于以上设计做出实物之后，将模拟结果分为三个部分阐述：
（1）当室内光线非常充足时，使用第二组（光感电路置于借阅室中央顶部）电路运行。接通电源，用手指通过红外感应头，计数器开始计数，当手指通过10次时计数器显示10，与计数器相连的LED灯亮，说明计数器输出端变为高电平，但因为光线足够强，光感电路未被触发，输出为低电平，因此总电路灯不亮；
（2）当室内光线一般时，使用第二组（光感电路置于借阅室中央顶部）电路运行。接通电源，用手指通过红外感应头，计数器开始计数，当手指通过10次时计数器显示10，与计数器相连的LED灯亮，说明计数器输出端变为高电平。用手缓缓遮住光感电阻，使其周围光线降低，当到差不多无法看书的亮度时，继电器发出吸合声，触发总电路的LED灯亮。证明两项条件具备时，电源开关被打开。
（3）当室内光线较暗时，使用第一组（光感电路置于借阅室窗口处）电路运行。接通电源，用手指通过红外感应头，计数器开始计数，当手指通过1次时计数器显示1，与计数器相连的LED灯亮，说明计数器输出端变为高电平。用手缓缓遮住光感电阻，使其周围光线降低，当到差不多无法看书的亮度时，继电器发出吸合声，触发总电路的LED灯亮。证明两项条件具备时，电源开关被打开。
6 结 语
本电路只计算了进入阅览室的人数，却不能计算出阅览室的人数，可能造成读者已离开灯还打开的现状。为了弥补这一缺陷，可以再加一组红外感应头，将计数器改成加减计数器，可以及时根据进入和出去的人数计算目前馆内的正确人数，更有效地控制灯源，节约电能。希望这一设计思路对电子专业的理论教学和实践教学有一定的辅助作用，让学生在探索的过程中，综合运用所学知识，理论联系实际，提高发现问题、分析问题、解决问题的能力。此模拟设计实物运行效果良好，此设计思路和方法推广应用可使更多学生受益。
参考文献
[1] SKINNER J H， BASSIN N J. The environmental protection agency's hazardous waste research and development program [J]. Journal of the Air Pollution Control Association， 1998， 38（4）： 377?387.
[2] 国务院.国务院关于两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五”计划的批复[EB/OL].[2002?09?19].http：//cache.baiducontent.com.
[3] 李文华.室内照明设计[M].北京：中国水利水电出版社，2007.
[4] 覃海益.教室灯光自动控制系统[J].电子科技，2011（10）：22?23.
[5] 金永镐，金杰.微功耗高灵敏度声光控制型LED照明灯的设计[J].电子科技，2012（3）：66?68.
[6] 贾正松.基于单片机实现智能照明控制系统的设计[J].现代电子技术，2012，35（17）：105?107.
