教室智能LED照明系统设计

摘  要： 针对学校教室照明的舒适性、节能性以及智能化管理的需求，设计了一种新型教室智能LED照明系统。系统以PC机作为中央控制器，以PIC16F873A作为微控制器，利用RS485作为通信网络，实现整个教学楼教室LED灯的自动开/关灯和PWM调光。
关键词： LED；LabVIEW；PIC16F873A；RS485
   　目前大部分学校的照明系统均存在电能浪费现象，例如，白天照度达标的时候很多教室内的灯仍然全部打开；或者教室内只有几个人甚至没人时，灯仍全部或部分开启，这些现象造成了学校电力资源的巨大浪费。同时，现在学校教室内照明普遍采用的是传统的荧光日光灯，在节能和环保方面均存在问题：附加的镇流器功耗较大，开启时需要辅助高压；日光灯管内置的水银在废弃时无法处理，成为污染环境的公害。
　近年来，LED照明作为21世纪的新型光源发展迅速，LED具有诸多优点，如保健护眼、高效节能、环保无污染、寿命长以及控制灵活。随着技术的发展，大功率LED灯成本不断下降，其市场会有爆炸性的发展[1]。
本文设计了一套教室绿色智能照明系统，该系统设计分为上位机和下位机，上位机采用PC机作为中央控制器，通过LabVIEW软件实现照明系统的智能管理；下位机采用PIC16F873A作为微控制器，通过采集各个教室内各处光线强弱来自动调节教室各点LED灯光亮度；为了减少系统成本，系统采用现成的网线实现RS485通信，并利用软件协议来实现上位机与多个教室下位机之间远距离数据通信的准确性和可靠性。
1 系统总体设计
　系统设计将以杭州师范大学钱江学院5号教学楼为研究对象，开发一套绿色智能照明系统，其系统架构如图1所示。
   
   　该系统主要包括下位机系统(微控制器电路)的设计、上位机(中央控制器)管理系统的设计以及它们之间的通信程序设计。该照明系统在每栋教学楼设立一个中央控制站(PC机)作为整个系统的智能管理监控中心，在每个教室独立设置一个由微控制器(PIC16F873A)和多个LED驱动器以及光敏/电流传感器组成的模块化设计单元。每个设计单元中的微控制器通过采集本教室内各点光线强弱来调节教室各处LED日光灯的电流，使教室的照明稳定舒适，以利于节电和保护视力。而各个教室LED灯和光敏传感器的数目则由教室本身面积大小决定。
　同时，中央控制器(PC机)通过LabVIEW软件实现照明系统的智能化管理，如：每学期初可由工作人员将本学期教室的实际上课情况输入系统，系统经过处理后自动将该教学楼的每个教室的熄灯定时时间发送给各个下位机，以实现自动熄灯管理。另一个常用功能是，中央控制器为每个教室的LED工作情况建立工作日志并实现故障报警功能，工作人员可随时监控每个LED的工作情况，一旦有故障，可及时进行维护修理。此外，为了减少系统成本，系统采用现有的RS485作为通信网络，并利用软件协议来实现上位机与多个教室下位机之间远距离数据通信的准确性和可靠性。
2 下位机系统设计
　每个教室采用模块化设计，包括一个PIC16F873A微控制器、LED驱动器、LED灯以及光敏/电流传感器等主要器件。该单元模块主要实现教室内光线的采集与处理、LED的自动调光控制、手/自动熄灯控制以及与上位机之间的通信功能。模块单元设计如图2所示，为了减少成本，每个LED驱动器为两路LED灯串联供电。
   
   2.1 硬件电路设计
　下位机电路主要包括PIC16F873A单片机最小系统、光敏电阻采样电路、电流采样电路、LED驱动电路、D/A调压电路、RS485通信接口电路等。