一种光线可调控的教室智能灯光管理系统的制作方法

本发明涉及电器使用过程中的智能监控技术领域，具体为一种光线可调控的教室智能灯光管理系统。

背景技术：

随着教育事业的蓬勃发展，高校已经成为重要的用电大户，国内高校教室照明采用开放式和传统的人工管理模式，学生无固定的教室与座位，造成无人或人少灯全开的过度照明现象，长时间照明也加速了灯具的损坏，同时存在光线暗而不能及时开灯等问题，而且管理人员的手动控制还会造成严重的人力劳动负担，国外20世纪90年代就开始研究绿色照明工程，大多公共设施现已普及智能照明系统，白光led以其功耗低、使用寿命长、绿色环保等优点，逐渐有取代传统照明方式的趋势，但是仅通过使用白光led还无法有效解决高校电能浪费的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足，本发明提供一种光线可调控的教室智能灯光管理系统，能够根据教室内人所在位置以及光线强弱，实现对教室内灯光智能调控管理的功能，且能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种光线可调控的教室智能灯光管理系统，包括电源模块、控制模块、光线信息分区采集模块、人体信息分区感应模块和led分区驱动模块，所述控制模块、光线信息分区采集模块、人体信息分区感应模块和led分区驱动模块均由电源模块供电，且所述控制模块的输入端分别与光线信息分区采集模块、人体信息分区感应模块连接，输出端与led分区驱动模块连接，所述光线信息分区采集模块与人体信息分区感应模块连接。

进一步地，所述led分区驱动模块包括用于驱动靠近教室窗边led的驱动单元一和若干用于驱动远离教室窗边led的驱动单元二，所述驱动单元一、驱动单元二均包括pt4115芯片和驱动电路，所述pt4115芯片的dim端外接有pwm脉宽调制信号，vin端、csm端、sw端均与驱动电路连接。

进一步地，所述人体信息分区感应模块包括用于检测靠近教室窗边人体信息的感应单元一和若干用于检测远离教室窗边人体信息的感应单元二，所述感应单元一、感应单元二均包括热释电红外传感器、放大电路和装设在热释电红外传感器上的菲涅尔透镜，所述放大电路一端与热释电红外传感器连接，另一端与控制模块连接，所述热释电红外传感器上还设置有装有滤光镜片的窗口，且热释电红外传感器还与光线信息分区采集模块连接。

进一步地，所述光线信息分区采集模块包括用于采集靠近教室窗边光线的采集单元一和若干用于采集远离教室窗边光线的采集单元二，所述采集单元一和采集单元二均包括光敏电阻，所述光敏电阻通过光电隔离器与热释电红外传感器连接。

进一步地，所述控制模块采用的是c8051f340单片机，c8051f340单片机内部集成有10位的模拟/数字转换器adc和可编程计数器阵列pca。

进一步地，所述驱动电路包括电容c、电感l、电阻rs和肖特基二极管d，所述电容c一端连接有dc电源，另一端与pt4115芯片的gnd端共同接地，所述电阻rs一端分别与dc电源、pt4115芯片的vin端连接，另一端分别与led、pt4115芯片的csm端连接，led的另一端与电感l连接，所述电感l的另一端与pt4115芯片的sw端连接，所述肖特基二极管d的阴极端与pt4115芯片的vin端连接，阳极端与pt4115芯片的sw端连接。

进一步地，所述电容c的电容量为100μf，电阻rs的阻值为0.27ω，电感l的电感量为47μh，dc电源的电压在8～30v之间。

进一步地，所述led分区驱动模块控制led的开关频率大于100hz。

进一步地，所述led分区驱动模块控制led的输出电流从0～100％变化。

进一步地，所述光敏电阻包括光敏组件和电极，所述电极通过引线与光敏组件连接，所述光敏组件从上至下依次包括氧化铟锡保护膜、碲化镉薄膜、陶瓷基板和防潮层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过对教室内的灯光进行分区域智能调控，可根据教室内是否有人、人所在位置以及光线的强弱，调节教室内的灯光，在教室窗边采光好时，可关闭窗边的led灯，而远离窗边光线不好的区域且有人时，则打开led灯，没人时，也关闭led灯，这样在保证教室内学生良好学习环境质量的同时，大大节省了电能的使用，且可充分利用自然光对教室内进行光线照射，减少了电能的浪费，智能化的控制方式，能科学地开启灯光和关闭灯光，减轻了管理人员的工作负担，实现了节能减排的目的。

附图说明

图1为本发明的整体信号流程图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明的感应单元一信号流程图；

图4为本发明的驱动单元一电路图；

图5为本发明的光敏电阻结构示意图。

图中标号：

1-电源模块；2-控制模块；3-光线信息分区采集模块；4-人体信息分区感应模块；5-led分区驱动模块；6-光电隔离器；7-光敏组件；8-电极；

301-采集单元一；302-采集单元二；303-光敏电阻；

401-感应单元一；402-感应单元二；403-热释电红外传感器；404-放大电路；

501-驱动单元一；502-驱动单元二；

701-氧化铟锡保护膜；702-碲化镉薄膜；703-陶瓷基板；704-防潮层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图5所示，本发明提供了一种光线可调控的教室智能灯光管理系统，包括电源模块1、控制模块2、光线信息分区采集模块3(包括教室内自然光和led光两种光线的采集)、人体信息分区感应模块4和led分区驱动模块5，控制模块2、光线信息分区采集模块3、人体信息分区感应模块4和led分区驱动模块5均由电源模块1供电，且控制模块2的输入端分别与光线信息分区采集模块3、人体信息分区感应模块4连接，输出端与led分区驱动模块5连接，光线信息分区采集模块3与人体信息分区感应模块4连接，通过光线信息分区采集模块3、人体信息分区感应模块4和led分区驱动模块5的设置，实现了对教室内灯光分区域智能管理调控的功能，这样能够使教室内有人在的地方灯光可适应学生学习，而没有人的地方不会打开led灯，从而大大节省了电能的使用，不会出现教室内只有一个或几个人时，教室内的灯光就全部打开的现象，造成电能的浪费，而且，如果有人坐在教室内靠近窗边的位置，且光线满足需求，也不需要打开led灯，仅依靠自然光就可以了，也会减少电能的浪费。

该光线可调控的教室智能灯管管理系统的工作流程原理如下：

首先，通过人体信息分区感应模块4采集教室内的人体信息，判断教室内是否有人以及人所在教室内的位置，如果没有检测到人体存在，则不需要进行后续操作，如果检测到人体存在，并确定人在教室内的位置后，通过光线信息分区采集模块3采集人所在位置的光线信息，通过控制模块2判断光线是否满足需求，并通过led分区驱动模块5控制人所在区域内的光线强弱，从而为学生营造健康舒适的学习环境。

led分区驱动模块5包括用于驱动靠近教室窗边led的驱动单元一501和若干用于驱动远离教室窗边led的驱动单元二502，驱动单元一501、驱动单元二502均包括pt4115芯片和驱动电路，pt4115芯片的dim端外接有pwm脉宽调制信号(也可以是直流电压进行调光，或外接热敏电阻作为辅助温度控制和自动亮度控制)，pwm调光是通过改变脉冲宽度进行调光(通过控制模块2调节pwm的占空比)，在单位时间内反复接通和断开led电流来调节发光亮度，vin端、csm端、sw端均与驱动电路连接。

人体信息分区感应模块4包括用于检测靠近教室窗边人体信息的感应单元一401和若干用于检测远离教室窗边人体信息的感应单元二402，感应单元一401、感应单元二402均包括热释电红外传感器403、放大电路404和装设在热释电红外传感器403上的菲涅尔透镜，菲涅尔透镜的设置，可将辐射至热释电红外传感器的红外辐射聚焦后加至热释电红外传感器的探测元上，从而使热释电红外传感器输出电压信号，放大电路404一端与热释电红外传感器403连接，另一端与控制模块2连接，热释电红外传感器403上还设置有装有滤光镜片的窗口，滤光镜片的设置，可对某一波长范围的红外辐射有较高的敏度，除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外，从而大大提高该人体信息分区感应模块4对人体信息检测的准确可靠性，且热释电红外传感器403还与光线信息分区采集模块3连接。

人体信息分区感应模块4的工作原理是利用热释电元件(热释电红外传感器403)的热释电效应(热释电效应是指极化强度随温度改变而表现出的电荷释放现象，宏观上是温度的改变使在材料的两端出现电压或产生电流)来实现人体信息检测功能的，当人体体温为37℃，发出10μm波长的红外线，当人体进入检测区，红外感应源上的温度发生变化，会产生电压信号输出，本发明利用热释电红外传感器403产生人存在信号，为控制模块2输入提供一个脉冲中断信号，有人在时，热释电红外传感器403产生一个高电平脉冲，控制模块2产生中断，在控制模块2的作用下，可进行下一步工作；若没人存在，热释电红外传感器403处于低电平状态，控制模块2处于等待状态。

光线信息分区采集模块3包括用于采集靠近教室窗边光线的采集单元一301和若干用于采集远离教室窗边光线的采集单元二302，采集单元一301和采集单元二302均包括光敏电阻303，光敏电阻303通过光电隔离器6与热释电红外传感器403连接，光敏电阻303的工作原理是基于内光电效应，在具有光电导效应的均匀半导体材料两端加上电极，便构成了光敏电阻，当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压时，便有电流流过，改变照射到光敏电阻上的光度量，流过光敏电阻的电流将会发生变化，说明光敏电阻的阻值随入射光辐射照度变化而变化；光电隔离器6的设置，能够有效减少环境对系统的干扰，进而提高系统运行的可靠性。

进一步解释的是，感应单元一401、采集单元一301和驱动单元一501是相对应的，感应单元二402、采集单元二302和驱动单元二502是相对应的，通过感应人体信息的存在与否以及通过采集单元采集的光线信息，判断是否需要驱动led来调控对应区域内的光线强度，从而实现定点调控光线的功能，使得在教室内人数较少时，能够根据人所在的位置，调节其对应区域内的光强，而教室内其它区域内保持光线较暗状态，特别是对于空间很大的教室来说，可节省更多的电能。

补充说明的是，感应单元二402、采集单元二302和驱动单元二502的个数均至少有2个，且均匀分布在教室内除靠近窗边外其它区域内，用于实现教室内除靠近窗边外其它区域内的光线智能准确调控，感应单元二402、采集单元二302和驱动单元二502的个数越多，光线调控的效果越好，越能达到高效节能的功效，但是，也不能太多，因为太多不仅没有必要，而且还大大增加了教室智能灯光管理的成本，具体根据教室的大小来决定即可，这里不作特别说明。

控制模块2采用的是c8051f340单片机，该芯片功能强大，资源丰富，编写程序调试方便，c8051f340单片机内部集成有10位的模拟/数字转换器adc和可编程计数器阵列pca，通过利用这两个模块分别进行教室内光线检测和产生可调占空比的pwm信号输出，由于光照强度是模拟量，光敏电阻变化也是模拟量，所以需要ad转换电路进行转换，本发明中直接使用了集成有adc转换器的c8051f340单片机，就可以省去ad转换电路了，从而使得电路结构更加简单。

进一步补充的是，模拟/数字转换器adc主要由2部分构成：2个通道模拟多路选择器和1个10位逐次逼近寄存器型adc，通过配置对应的特殊功能寄存器可以设定adc的输入引脚、输入通道、转换启动方式、工作方式、数据转换码格式，根据系统设计的要求，本系统的驱动电路需要pwm信号的最佳工作频率是1000hz，使用8位pwm工作方式，通过使用模块的捕捉/比较寄存器pca0cpl0可改变pwm输出信号的占空比，8位pwm方式的占空比：

由上式可知，当pca选择不同的时基可产生不同频率的pwm输出，8位可调占空比pwm频率可由：

fpwm＝f时基/2⁸

计算。

驱动电路包括电容c、电感l、电阻rs和肖特基二极管d，电容c一端连接有dc电源，另一端与pt4115芯片的gnd端共同接地，电阻rs一端分别与dc电源、pt4115芯片的vin端连接，另一端分别与led、pt4115芯片的csm端连接，led的另一端与电感l连接，电感l的另一端与pt4115芯片的sw端连接，肖特基二极管d的阴极端与pt4115芯片的vin端连接，阳极端与pt4115芯片的sw端连接。

电容c的电容量为100μf，电阻rs的阻值为0.27ω，电感l的电感量为47μh，dc电源的电压在8～30v之间。

led分区驱动模块5控制led的开关频率大于100hz，可使led闪烁不易让人眼察觉到，由百度百科可知，开关频率是指输出电压是一系列的脉冲，脉冲的宽度和间隔均不相等，其值的大小取决于制波和载波的交点，开关频率越高，一个周期内脉冲的个数就越多，电流波形的平滑性就越好，但是对其它设备的干扰也会越大，所以led的开关频率也不能太大。

led分区驱动模块5控制led的输出电流从0～100％变化，实现对led灯光智能精准调控的功能，可根据使用需求，将led的光线调成任意所需光强。

光敏电阻303包括光敏组件7和电极8，电极8通过引线与光敏组件7连接，光敏组件7从上至下依次包括氧化铟锡保护膜701、碲化镉薄膜702、陶瓷基板703和防潮层704，碲化镉薄膜702的设置，当光敏电阻303受到光的照射时，光敏组件7内激发出电子，参与导电，使电路中电流增强，光敏电阻303的电阻值将迅速减小，有利于快速吸收更多的光能；采用氧化铟锡材料制成的防氧化的氧化铟锡保护膜701，具有高导电率、高可见光透过率及良好的化学稳定性，且透光性能强，有利于提高光敏组件7对发散光线的敏感度，增强光敏电阻303的传导性能，同时氧化铟锡在空气中的氧化作用慢，防止光敏电阻303受潮，有效延长了该光敏电阻303的使用寿命。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。