教室灯光节电设计

GXF360 2017-05-30

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教室灯光节电设计

赵　春，谢艳艳

(内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特　010051)

摘　要：针对教室照明管理不到位，造成电能巨大浪费所设计的节电控制器，提出了基于Arduino的教室灯光智能控制系统的设计思路，并在此基础上开发了智能控制系统的硬件装置和相应软件。经过实际检验,该控制器可以应用于学校教室和实验室的照明系统中,起到环保节能、延长灯具使用寿命的作用。

关键词：Arduino；节电控制；教室灯光

随着社会经济的发展,人类社会的进步已经越来越依赖于资源的利用和开发, 但是有限的资源数量和与日俱增的能源需求已经形成了巨大的矛盾。高校集教学、科研和生活于一体,已成为重要的用电大户,其照明用电量已占总用电量的30%～40%以上,数目相当可观,可见在保证照明质量的前提下, 对教室灯光进行自动控制,其节能效益和经济效益都是相当可观的。但是以目前形势来看,对于高校节电,还处于粗放的一种状态, 什么时候开灯,多少人开灯,开多少灯,都没有明确的规划。单的人力是很难控制的。所以,在此我设计了基于光敏电阻的教室节电控制器。主要针对的就是不需过多人力,便可以实现教室节电,很大程度上解决了高校用电紧张的问题。

1　什么是Arduino

Arduino是一种开源的电子平台，该平台最初主要基于AVR单片机的微控制器和相应的开发软件，目前在国内正受到电子发烧友的广泛关注。自从2005年Arduino腾空出世以来，其硬件和开发环境一直进行着更新迭代。现在Arduino已经有将近10年的发展历史，因此，市场上称为Arduino的电路板已经有各式各样的版本了。

2　实验研究

2.1　节电控制器的结构

笔者所研究设计的节电控制器的主要结构包括两部分，分别是硬件部分和软件部分。然而在我们实验中主要部分用到的都是Arduino。Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件(Arduino UNO R3开发板和一些常用的电子元器件)和软件(Arduino IDE)。

2.1.1　硬件结构

本实验用到的硬件如表1所示。

2.1.1.1　Arduino UNO R3开发板。Arduino UNO R3开发板用来做电路连接的电路板。Arduino UNO R3是Arduino USB接口系列的最新版本，作为Arduino平台的参考标准模板。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出)，6路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。

2.1.1.2　USB数据传输线。USB数据传输线用来向Arduino UNO R3开发板上上传程序。

2.1.1.3　高级大面包板。面包板是一种电子实验用品，表面是打孔的塑料，底部有金属条，电子元器件按照一定规则插上即可使用无需焊接。面包板的得名可以追溯到真空管电路的年代，当时的电路元器件大都体积较大，人们通常通过螺丝和钉子将他们固定在一块切面包用的木板上进行连接，后来电路元器件体积越来越小，但面包板的名称沿用了下来。

表1　硬件清单

序号元器件名称数量1ArduinoUNOR3开发板1个2数据传输线1个3高级大面包板1个4Led灯1个51K型号电阻器1个69V外接电源1个7光敏电阻1个8电源导线若干9延时继电器模块2个

2.1.1.4　LED灯。LED灯又称发光二极管，发光二极管作为常见的指示元件，短引脚为负极，长引脚为正极。发光二极管是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。

2.1.1.5　1K型号电阻器。电阻器简称电阻，是一种常见的控制电压电流的电子元件，其表面的色环表示其阻值，5色环精度较4色环高。电阻器的单位为Ω，称作欧姆。

2.1.1.6　9V外接电源。电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。

2.1.1.7　光敏电阻。光敏电阻属于半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机、太阳能庭院灯、草坪灯、礼品盒、迷你小夜灯、声光控开关以及各种光控玩具等光自动控制领域。

2.1.1.8　电源导线。电源导线用以传输电(磁)能，信息和实现电磁能转换的线材产品，它可定义为：由下列部分组成的集合体,一根或多根绝缘线芯，以及它们各自可能具有的包覆层，总保护层及外护层，电缆亦可有附加的没有绝缘的导体。用以传输电(磁)能，信息和实现电磁能转换的线材产品。

2.1.1.9　延时继电器模块。延时继电器主要用于直流或交流操作的各种保护和自动控制线路中，作为辅助继电器，以增加触点数量和触电容量。可根据需要自由调节延时的时间。

2.1.2　软件结构

软件部分主要是用Arduino IDE软件编程。程序如下：

1. int photocellPin = 2;//定义变量photocellsh=2，为电压读取端口。

2. int ledPin = 12;//定义变量ledPin=12，为led电平输出端口

3. int val = 0; //定义val变量的起始值

6. void setup() {

7. pinMode(ledPin, OUTPUT);//使ledPin为输出模式

8. }

10. void loop() {

11. val = analogRead(photocellPin); //从传感器读取值

12. if(val<=512){ 512="">

13. digitalWrite(ledPin, HIGH); //当val小于512(2.5V)的时候，led亮。

14. }

15. else{

16. digitalWrite(ledPin, LOW);

17. }

18. }

将以上程序代码上传到Arduino UNO R3开发板的集成块中，之后开始进行接线实验。

2.2　实验环境

常温下，在教室里进行实验，实验时要保持光线充足,便于光敏电阻的灵活运用；要确保实验台干净并且干燥。

2.3　实验内容

清理实验台，将实验所需的元器件整齐放好，用Arduino UNO R3开发板的数字接口与LED灯串联，在用Arduino UNO R3开发板的输出口和模拟口串联一个光敏电阻和一个电阻器，接通电源，然后用手指遮挡光敏电阻后，LED灯发光。在以上电路的基础上串联两个延时继电器，分别编号为①和②。

2.4　实验结果

图1所示电路中的继电器①用来控制LED灯的亮灭。当继电器①的线圈吸合时，电路形成通路，这时光敏电阻动作，用手遮挡住光敏电阻后，LED灯会发光。几秒过后，继电器①的线圈会断开，电路此时变成断路。此时光敏电阻不能工作，当然LED灯也不会发光。而继电器②则是起到一个辅助作用，辅助继电器①来实现LED灯的亮灭循环。