中图分类号：TM923     文献标识码A

Design of Smart Library Lighting Control System

YANG Rui¹,YANG Runze²

(1.Luo chuan Power Supply Company, State Grid Shaanxi Electric Power Supply Company, Yan’an 727400, China; 2. School of Electronic and Electrical Engineering,Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

Abstract: In recent years, my country's electricity consumption has been increasing, and the library as a public place has the problem of excessive electricity consumption due to its traditional lighting method. In order to reduce the power consumption of library lighting, a smart library lighting control system based on MCU is designed. Taking STC89C52 micro-controller as the core, LCD1602 as the display module, and the clock chip DS1302 as the clock control module. The infrared pair tube circuit monitors human body signals, and the photo-resistor monitors the light intensity in the hall. The lighting control of the library is carried out with the infrared signal of the human body and the light intensity in the library as the input, so as to alleviate the serious waste of electricity in the library. The system has the advantages of stable operation and simple control circuit, which effectively reduces the power consumption caused by library lighting.

Key words: smart library; lighting control; STC89C52; LCD1602

1 引言

社会经济的发展与科学技术的突破与能源的支持密不可分，当前社会对能源的开发与利用越来越依赖，但能源紧缺的问题也日益突出，当今社会不断增长的对能源的需求和我国有限的资源形成了巨大的矛盾，这个问题逐渐在成为限制我国社会经济发展和科学技术进步的巨大瓶颈。为了应对该问题，我们不仅要开发新能源，寻找替代品，提高能源利用率，更要懂得节约能源。目前世界许多发达国家都在实行节能政策。在节能方面，德国重点实行节电政策。政府要求居民关掉许多不用的电器来省电。美国为了节约电力的使用出台相关政策延长“夏令时”的时间，以此来更加高效的利用阳光。我国国务院印发的“十四五”节能减排综合工作方案中提出了加快对公共设施的照明设备等进行节能改造的意见建议^[1]。而图书馆这种公共场所,通常并不会被列入限电与能耗双控的范围中,然后由于长时间的开放和大量图书阅览室的存在,图书馆的灯光耗能也远超其他公共建筑^[2]。图书馆照明的高耗能提醒着我们应该改进图书馆照明系统，做到节能减耗。基于目前图书馆照明控制领域的情况，设计了一套稳定性高、节能效果明显、性价比高的图书馆照明控制系统，可以有效缓解电能浪费问题。

系统方案设计

主控器选用方案论证

方案一：使用AT89S51单片机作为系统控制核心，8位单片机，片内4KB存储空间，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）^[3]。可以通过ISP下载程序。

方案二：使用STC89C52单片机作为系统控制核心，同样为8位单片机，基本功能与AT89S51一致，但STC89C52存储空间比AT89S51多一倍，512 bytes的RAM，多出一个具有捕获功能的定时器。

方案三：使用STM32F103C8T6单片机作为系统控制核心，与以上两种方案相比，性能更加优越，32位单片机，4GB的地址空间，20KB的RAM，低功耗，外设一流但价格远高于上述两种方案。

综合上述三种方案，最后选择了方案二，其中方案一性能和性价比最低，方案三性能最高，但在图书馆照明控制系统的设计中，我们对系统的数据传输、分析、处理所要求的性能并没有特别高，另外此款单片机有32个I/O端口，方便了设计的需要，方案二足以满足设计需求。于是在考虑各方面因素后选择了STC89C52单片机作为系统的主控制核心。

红外检测模块选用方案论证

方案一：使用红外热释电传感器作为检测模块。该传感器本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好^[4]。如果配合菲涅尔透镜使用，可探测范围大，可以直接探测室内人员。

方案二：使用红外对管电路。该电路功耗小，精度高，受可见光影响小。该电路一般设置于进出口，探测人体信号。

综合以上两种方案考虑，最后选择方案二。方案一使用的热释电传感器抗干扰能力不如红外对管电路，同时考虑到图书馆室内的空间巨大，为确保能准确探测室内人数，需要大量的热释电传感器配合菲涅尔透镜分布在四周，成本相比方案二更高。

显示模块选用方案论证

方案一：LED数码管显示，可以简单显示字符和数字，但如果显示内容过多，需要增加大量数码管，效率过于低下，与本设计并不适配。

方案二：LCD1602显示屏显示，它是一种点阵型液晶模块，功耗低，散发热量少，能够同时显示32个字符^[5]。程序控制比较简单，显示内容远超方案一。

综合上述两种方案，方案二更加适合，使用方案一不仅需要增加数码管，同时还需额外准备驱动芯片进行译码，与设计初衷不符，方案二的显示内容足以用作设计显示模块。

系统整体结构图

该系统以STC89C52单片机为主控制模块，时钟模块，红外检测模块，光线检测模块，LCD显示模块以及按键电源模块组成外围电路。光敏电阻检测馆内光照强度，光敏电阻上不同的光照强度产生不同的电压输入到ADC0832，单片机通过时序控制读取电压来知道光线情况。红外对管电路检测进入图书馆的人的信号，单片机系统通过对图书馆的光照强度情况和进入图书馆的人的存在信号进行识别分析并判断，然后对LED灯进行控制操作。系统整体结构图如图1所示。

系统硬件电路设计

单片机最小系统如图2所示，在图书馆照明控制系统中，本设计选用了STC89C52单片机来作为最小控制系统。

时钟芯片一般又称实时时钟电路，耗电量、小可以准确显示常用的时间单位，因其强大的时钟显示功能被广泛应用于闹钟、电脑、手机等各类电子产品中。

时钟电路的设计

时钟电路如图3所示，U1为时钟芯片DS1302，晶振Y1负责传递振荡信号至时钟芯片，确保芯片可以正常运行^[6]。图3中的时钟芯片DS1302通过5、6、7三个引脚与STC89C52单片机连接，程序读取时钟芯片所发送的信息后会将其显示出来，J1为时钟芯片的备用电源，防止因外界电源停止供电后，时钟芯片停止运行^[7]。R2、R3、R4为上拉电阻，在电路中用来提高时钟电路的抗干扰能力。

检测电路设计

红外对管是红外线发射管与光敏接收管或者红外线接收管、红外线接收头配合在一起使用的总称^[8]。红外对管电路如图4所示。为了检测准确性，使用了两组红外发射管和接收管。为防止电压过大破坏红外管，在两组红外对管各接了100Ω的限流电阻^[9]。R12和R13两个10K的上拉电阻，确保电路可以稳定输出高电平。R11和R20两个10K电阻负责提供2.5V电压的输入。LM393左右两端引脚皆可以充当电压比较器使用。

LM393是通过比较电压大小来决定电路输出高电平还是低电平^[10]。当电压比较器正输入端引脚的电压大于负输入端引脚的电压时，LM393输出高电平。反之，当电压比较器的正输入端引脚的电压小于负输入端引脚的电压时，LM393输出低电平^[11]。在该设计中，红外对管电路运行时，如果检测到有人经过，接收管电路导通并接地，对应的引脚3或5处的正输入电压会小于负输入端的2.5V电压，正输入端电压小于负输入端电压，此时比较器输出低电平，指示灯D2或D3亮灯^[12]。当人已经离开时，红外接收管解除导通接地，此时比较器正输入端电压是大于负输入端电压的，比较器输出高电平，指示灯D2或D3熄灭。单片机系统通过电压比较器的高低电平输出来判断是否有人通过此处^[13]。

总结

本文设计的图书馆照明管理系统，由主控模块，输入模块和输出模块组成。系统主控模块为STC89C52单片机最小系统，主要负责对数据的接收、分析和处理。输入模块主要包括红外对管电路模块、光敏电阻模块、按键电路模块，主要用来获取人流信息和外界光照强度变化，并将其发送给单片机主控系统。输出模块包含LED灯，LED1602显示屏模块，PWM模块等，当主控系统处理信息后，由输出模块进行相应的调节，选择是否亮灯，灯光强度大小。经过综合调试之后，该系统设计，各模块相互配合，基本实现预期功能。本控制系统的可扩展性很强，如果设计上加入对门窗的控制，甚至对空调或采暖的控制系统，或者只是在本控制系统的基础上简单的改变设计，就能够很好地适应客户要求，因此，本系统有着较大的市场潜力和广阔的使用前景。

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作者简介：杨瑞（1995-），女，陕西延安人，学士，助理工程师，主要从事电气工程及其自动化研究。E-mail: 6843621@qq.com