基于红外技术的教室灯光分区控制系统设计 

设计者：陈丹枫，王昭雄，陈庆庆，刘旭，韦存浩，黄海罗

指导教师：盖君雪

（东北大学秦皇岛分校，资源与材料学院，河北省秦皇岛市，066004）

 

摘要

基于红外技术的教室灯光分区控制系统是我们设计并制作的一套通过红外人体感应控制教室内灯光开关，达到人来时，人所在区域感应灯自动打开，人走后该区域灯自动关闭效果的系统。

市场上卖的红外感应灯，不能感应静止的人体，当学生坐在座位上时，它的感应灯将因感应器感应不到人而关闭，这样的感应灯不适用于教室。而该系统中的热红外人体感应器通过机械控制，带动红外感应器做微小的左右摆动，使感应器和人体之间形成相对的位移，可以感应静止的人体，因此当学生在教室中学习时，他附近的灯都会持续照明，直至他离开。

如今也有一些可以感应人体具体位置的高端技术，但我们并没有采用，一来因为那些技术耗能高成本高，违背了节能的宗旨，二来也由于我们只需对教室进行分区控制，不需要精确知道人体的具体位置。本系统耗能与成本极低，却能节约大量能源，以本校工学馆为例，一年能省将近五万元（详情请看4 节约能源的理论计算）。

教室作为高校教学的重要场所，以开放式管理模式为主，学生基本上无固定的班级教室及座位，而楼层管理人员仅负责卫生或保卫工作，因此，造成了“白天长明灯，晚上无人也开灯”、“人少灯全开”的浪费现象。并且，我们通过调查，如果通过人工管理教学楼的灯，虽能达到节能的效果，但会浪费大量的人力。通过这个系统，教室将达到人来部分灯亮，人走灯灭的效果，能节约大量电能，且智能化的照明系统的管理效率是要远远超过人工管理的，在节电的同时，也节省了人力。

关键词：浪费问题 灯光利用率 智能照明系统 操作简便

 

1研制背景及意义

众所周知，我国正处于发展中国家行列，近几年经济迅速发展，但是同时也给环境带来了一定的破坏，在众多污染源中，燃烧矿物燃料污染是主要污染源之一，而矿物燃料主要使用在火力发电方面，而随着能源的日益紧张，党和国家对节能工作的重视程度不断提高，一直在号召“建设节约型社会”。高校作为培养高素质人才的摇篮，提倡节约的意义也就显得更加重大而深远，由是教育部积极响应，提出了“建设节约型高校”的理念，高校节能活动在全国各地蓬勃开展起来。

教室作为高校教学的重要场所，以开放式管理模式为主，学生基本上无固定的班级教室及座位，而楼层管理人员仅负责卫生或保卫工作，因此，造成了“白天长明灯，晚上无人也开灯”、“人少灯全开”的浪费现象。

从早晨开放到晚上清场，教室照明灯具一直处于开启的现象在高校中普遍存在。虽然教室的照明负荷在整个学校用电中所占的比例不算太大，但是由于它们的数量众多，使用时间最长，集腋成裘，它们在整个学校用电量中所占的比例一直居高不下。以我校为例，从全年的统计来看，教室灯具用电所占的比例高达1/3，其造成的用电浪费十分惊人。

就我校工学馆而言，学生在下课后离开，忽视了关灯这一细节，导致许多空教室开着灯浪费电。学校也意识到了在教室照明系统中存在着巨大浪费，于是采取了各种各样的管理方式，试图来减少此种浪费，但是收效甚微。

如果有一个在无人状态下自动关灯的系统，可以节约很多电。现有的人体感应开关是人靠近时亮灯，定时（约30s后）关闭，我们需要改造成长时间亮灯，人走后才关闭的利用红外智能节电的照明系统。

上课前手动打开教室灯管，下课学生离开后自动关闭，实现人开灯亮，人走灯灭的目的。从科学管理、大学环境和长期效益来看，智能化的照明系统的节电效率是要远远超过人工管理的，在节电的同时，也能节省人力。

2 产品概述

基于红外技术的教室灯光分区控制系统是由普通的日光灯结合红外感应控制器来实现一定区域内灯开灯灭的系统。它由感应器控制电路和日光灯的工作电路以及机械控制部分三部分组成，这套节能照明系统可以智能的识别教室内是否有人，并且确定人所处于的具体位置，以开启当前区域内的照明设备。

实物模块上有4个按钮。第一个按钮按下后，灯泡常亮。第二个按钮按下后，节能系统打开，感应探头10秒后开始工作，机械控制开始带动感应探头左右摆动。当探头感应到人体时，灯泡会亮；当人体静止时，左右摇摆的感应探头与人体产生相对位移，因此依旧能感应到人体，灯泡会亮，人离开后才熄灭。第三个按钮为关灯按钮，第四个按钮为复位键。

红外感应器通过感知人体发出的红外波长变化，将信号传达控制器控制开关，使用范围有局限性。市场上卖的红外感应灯，大多用于楼宇走廊照明，对运动物体感知灵敏，却不能感应静止的人体。当学生坐在座位上时，它的感应灯将因感应器感应不到人而关闭，目前市面上的感应灯不适用于教室。为了达到教室节能的目的，我们在现有技术上进行改进，改进之后的感应器将达到准确探测静止和运动人体的效果，智能开关灯。

3感应探头工作原理

红外感应器，是利用了人眼看不到的红外线来感应物体的。感应开关的核心元器件是红外反射传感器。红外反射传感器包括一个红外线发光二极管和一个红外线光敏二极管，它们两个都朝着一个方向，被封装在一个塑料外壳里。使用的时候，红外线发光二极管点亮，发出一道人眼看不见的红外光。如果传感器的前方没有物体，那么这道红外光就以每秒299792458 米的速度（光速）消散在宇宙空间。但如果传感器前方有不透明的物体时，红外光就会被反射回来，照在自己也照在旁边的红外线光敏二极管身上。红外线光敏二极管收到红外光时，其输出引脚的电阻值就会产生变化。感应探头装上特定的透镜后，可以有效的让人体辐射的红外线（波长为7-14μm）通过并识别。判断红外线光敏二极管的阻值变化，就可以感应前方人体，控制电器开关了。

我们所使用的感应探头：

HC--SR501人体感应模块。HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，可以检测到由人或动物发射出的红外线，当检测到红外线时输出端输出一个电平信号。采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。

 

4节约能源的理论计算

1、节能灯工作时间缩短情况

   抛去所有的没课时间，从早上7:00到晚上10:30为开关时间，仅仅拿秋冬季节中午和晚饭时间为例共3小时。节能灯功率为30W，大教室灯管数量6*7*3=126根，小教室节能灯管数量为3*5*2=30根。

所以一个大教室一天灯管工作时间中的节能情况为3*0.03*126=11.34KW.h；一个小教室一天灯管工作时间中的节能情况为3*0.03*30=2.7KW.h。

2、控制装置能耗情况

控制装置部分分为红外感应部分、单片机、舵机。其中单片机功耗也是极其微小，与节能灯相比微乎其微，与其他零部件忽略不计。

（1）红外感应部分

 

以大教室为例，加上舵机的150度摆动，一个大教室六个装置（即分为六个区域），感应范围即可覆盖整个大教室（小教室两个装置即可）。由于红外控制装置只在白天使用，所以白天工作时间大约11小时。红外感应探头默认工作电压 DC4.5V-20V。微功耗:静态电流<50 微安。一个大教室一天最大功耗0.00005*20*11*6=0.066KW.h；一个小教室一天最大功耗0.00005*20*11*2=0.022KW.h。

（2）舵机部分

 

舵机额定功率1W。所以大教室一天功耗0.001*6*11=0.066KW.h；小教室2个舵机一天功耗0.022KW.h。

3、对比纯人力开关灯可以从以往活动经历来看。根据控制工程学院提供的数据，三个人检查一楼层的教室使用情况并实施关灯节电需要15分钟，而往往还会有在他们关灯之后立刻有同学回到这个教室自习的情况。对比分析，如使用红外感应节能灯不仅能极大效率的利用电力，并且节省人力。

综上：一间大教室一天节约能耗大约为11.34-0.066-0.066=11.208KW.h；一间小教室一天节约能耗大约为2.7-0.022-0.022=2.656KW.h。

根据我们调查的资料，教育用电0.55元/度，我校工学馆一天能省约326度电，即节省179.3元。除去寒暑假，一年大约270天，因此仅我校工学馆一年即可省下48411元。

5产品创新点

1.由于现有的红外感应器，红外线二极管要在接收到的红外光发生变化时，阻值发生变化，才能控制感应开关。因此，当人体静止时，开关会断开。以至于现在市场上的人体感应灯都是应用于走廊过道等人们停留时间非常短的场所，而一直没有应用于教室、图书馆等场所。

我们将现有系统中的热红外人体感应器进行改进，通过机械控制感应器探测模块，带动其做微小的左右摆动的方法，使感应器和人体之间形成相对的移动，准确感应静止的人体。因此可以达到人来灯开，人走灯灭的效果：当学生在教室中学习时，他附近的灯都会持续照明，直至他离开。

2. 如今也有一些可以感应人体具体位置的高端技术，但我们并没有采用，一来因为那些技术耗能高成本高，违背了节能的宗旨，二来也由于我们只需对教室进行分区控制，不需要精确知道人体的具体位置。本系统耗能与成本极低，却能节约大量能源，

3.现在各个高校教室的灯光控制都是人工管理的，我们开创先例把智能化照明系统引进教室，智能化照明系统的管理效率远远超过人工管理，通过先进的HC--SR501人体感应模块，灵敏度高，可靠性强，使教室的灯光利用率得到显著的提高。既节省了电能，也节约了大量的人力管理资源。

4.本系统很好的解决了“白天长明灯，晚上无人也开灯”、“人少灯全开”这个多年以来让人无从下手的浪费问题，仅以我校工学馆为例，工学馆一天能省约326度电，如果该系统应用于全国各高校，一年节约的电能将是一个天文数字。

6产品优点及发展前景

市场上卖的红外感应灯，都不能感应静止的人体，当学生坐在座位上时，它的感应灯将因感应器感应不到人而关闭，这样的感应灯不适用于教室。而通过我们的改进，感应器能感应静止人体，当学生在教室自习时，他附近的灯会持续工作直至他离开。

其次，操作和控制简便，安装好开关之后不需人力控制，红外智能检测自动控制开关；节约电能，超低功耗设计，串联在灯具照明回路，单极性控制。

再者，红外光波速约为2*10^8m/s,经计算用时3*10^-9s到2*10^-8s就可检测到在1-6m的范围内的人。相比传统的声控延时开关和触控延时开关，运用人体红外感应探测模块的开关照明系统，灵敏度高。当产品应用于其他场合时，相比其他开关，该感应开关灵敏度优势尤为显著。

该系统适用于学校教室，当然可以推广到很多的空间，如图书馆，办公室等，为我们的生活工作提供很多方便，更能节约大量能源。

总结

经过设计并制作的这段时间的努力终于将本设计方案要求基本实现。由于时间、水平和经验有限，设计的作品还存在着一些的不足之处。

对于这次设计来说既是一次机遇，又是一次挑战。在这次的设计过程中，我们学到了很多东西，通过自己的实践，增强了动手能力。通过实际工程的设计也使我们了解到书本知识和实际应用的差别。在实际应用中遇到很多的问题，这都需要我对问题进行具体的分析，并一步一步地去解决它。

在这一段研究工作中，我们组员一起相互学习、交流，老师也给予了我们及时的指导与帮助，使得我们的工作能够较顺利地完成。在出现问题时，组员一起通过各种途径查找资料、不断讨论来解决问题，将学习到知识的融入到工作中。但从这次工作中学到的知识也颇为丰富，也认识到了我们自身存在的不足，同时还一定程度上培养了我们严谨的科学态度，锻炼了我们的团队合作能力。这些都将使我们终生受益。

致谢

本作品的制作完成得到了盖君雪老师和众多同学的指导与帮助。盖君雪老师在理论知识和实物制作方面都给予了我们详细的指导和无私的帮助。没有老师和同学的大力支持，就没有我们的成功。

盖老师高度的敬业精神、精益求精的工作作风和同学们乐于助人的优秀品质永远是我们学习的榜样。在老师的帮助下我们的作品得到很大的完善，同时也培养了我们良好的自学能力和良好的解决问题的思考方式，为以后的学习和工作打下铺垫。

感谢我们一起完成这项作品的队友们，几个月来的朝夕相处，分工合作，共同克服制作中的难关。每个人都有自己的做事风格和行为特点，队友的理解与包容是作品完成的重要前提。在这种互相学习互相帮助的氛围下，我们从中得到了很多宝贵的知识和经验，这不仅仅包括学习方面，更多的是团队合作和为人处世方面的经验和技巧。

衷心的感谢所有关心和帮助过我们的老师和朋友，并向参与此次评审的老师们致以深深的谢意。

 

附件一：红外人体感应原理图

 

原件清单

名称	标号	数量
10UF电解电容	C1	1
30PF瓷片电容	C2, C3	2
1位数码管	D1	1
红色LED灯	D2,D5	2
黄色LED灯	D4	1
微动开关	KEY1, 'KEY2, 'KEY31,  'KEY4	1
S8550三极管	Q1, Q4	2
蜂鸣器	Q2	1
HC-SR501人体热释传感器	Q3	1
1K色环电阻	R1, R4, R6, R7, R12	5
10K色环电阻	R2	1
10k排阻	R3	1
双掷开关	SW1	1
DC-002电源插座	P1	1
STC89C51单片机	U2	1
2Pi插针	U3	1
接线柱	U4	1
继电器HK4100F	K1	1
12MHZ晶振	Y1	1

附件二：实物外观图

 

参考文献

 

[1]   《传感器原理及应用》北京大学出版社

[2]   《单片机高级教程——应用与设计》北京航空航天大学出版社

[3]   《高校教室照明系统节能优化措施探析》赵家敏

[4]   《基于人体红外感应的空调节能控制系统研究》黄仲林