單片機(jī)控制的室內(nèi)照明節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)

殷學(xué)麗++王大清

摘 要：本文以單片機(jī)AT89C52為控制核心，設(shè)計和實現(xiàn)了一個室內(nèi)照明節(jié)能控制裝置。系統(tǒng)采用傳感技術(shù)探測光亮度和人體的存在，用單片機(jī)控制室內(nèi)照明。AT89C52單片機(jī)作為該系統(tǒng)控制裝置的智能部件，感知人體的存在則是用到了熱釋電紅外傳感器，以光敏元件為主要元件的電路用來檢測光照強(qiáng)度。單片機(jī)根據(jù)取樣電路采集到的光照強(qiáng)度、人體信號、時鐘電路、時間等信息，控制照明電路的開關(guān)操作，從而實現(xiàn)照明節(jié)能控制。

關(guān)鍵詞：照明控制；傳感技術(shù)；熱釋電紅外感知；AT89C52

中圖分類號 TP368.2；TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

能源短缺的問題是21世紀(jì)所有國家都需要面臨的新挑戰(zhàn)。除了大力尋找新興可代替能源之外，節(jié)約現(xiàn)有能源、提高能源利用率也是迎接這一挑戰(zhàn)的有效方法。電能作為日常生活中最基礎(chǔ)、應(yīng)用最廣泛的能源，如何節(jié)省以及高效利用它就成為一個迫切需要解決的問題，辦公室照明的節(jié)電問題也是節(jié)能的一個重要方面?，F(xiàn)實生活中常用的節(jié)電方式大都是手工控制、聲控型和太陽能燈等。手工方法操作麻煩，費時費力；聲控型對聲音的判斷不是很準(zhǔn)確，當(dāng)外界有干擾聲響時，也會觸發(fā)燈泡點亮，浪費電能；太陽能設(shè)備具有高投資、高風(fēng)險、易壞、成本回收周期長的缺點，且容易受天氣和光照強(qiáng)度的影響，設(shè)備效益不穩(wěn)定。從以上分析可以看出，現(xiàn)有的節(jié)能方式還不能很好地滿足人們的需求，因此迫切需要一種方便操作、低成本、可以廣泛適用的新型節(jié)能方案。

本文設(shè)計了一款辦公室燈光自動控制器，實現(xiàn)辦公室燈光的實時控制，自動判斷是否開燈，最大程度的節(jié)電，避免人工控制中因管理不到位而造成電能的浪費。系統(tǒng)能自動感知人體以及外界照明情況的變化，由熱釋電紅外傳感器和光敏晶體管探測，信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，以控制和調(diào)節(jié)燈光。

1.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)包括控制器主控芯片、電源模塊、手動調(diào)節(jié)、燈光驅(qū)動電路、熱釋電紅外傳感器、數(shù)碼管顯示和光敏原件等模塊。

熱釋電紅外傳感器感知辦公室內(nèi)是否有人類活動，然后針對這兩種情況進(jìn)行不同的燈光控制。在特殊情況下的用電要求的時候，光傳感器連接主控單片機(jī)，對室內(nèi)光線強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)控，手動控制燈光，可使燈保持一直開啟或是一直關(guān)閉的狀態(tài)。

數(shù)碼管模塊顯示室內(nèi)光線強(qiáng)度，并按照設(shè)定的時間進(jìn)行無人倒計時。燈光驅(qū)動模塊：光電耦合器實現(xiàn)光電之間的相互轉(zhuǎn)化。220V交流電由電源模塊輸出后，又經(jīng)過變壓器、全橋整流、穩(wěn)壓、7805穩(wěn)壓，得到5V直流電。這個電流就是為單片機(jī)、傳感器以及其他元器件提供電能的。

2.單元模塊電路設(shè)計

2.1 電源電路設(shè)計

輸入為220V交流電，輸出為穩(wěn)定的5V直流電?？梢钥闯觯@個電路的設(shè)計十分方便，并且能夠輸出穩(wěn)定的電壓，最大輸出電流為1A，電路能帶動一定的負(fù)載，具有實用性。具體電路如圖2所示。

變壓器的輸入端連接到電源插頭，變壓器后接到橋式整流電路。由于整流后電壓波動較大，所以連接一個330μF/25V的電解電容。三端穩(wěn)壓器LM7805輸出5V的電壓，其最大輸出電流為1A，內(nèi)部有限流式短路保護(hù)。為了濾波和阻尼，三端穩(wěn)壓器后連接一個10μF的電容。在最后，C2兩端接了一個輸出電源的插針，這使得它可以與用電端口連接。

2.2 數(shù)碼管顯示電路設(shè)計

當(dāng)某一字段的陰極置高時，該字段不發(fā)光。把發(fā)光二極管的陰極全部連在一起，形成共陰極數(shù)碼管。把公共極COM連接到地線GND，如果把某個發(fā)光二極管的陽極置高，對應(yīng)的字段就被點亮；如果置低，該字段就不亮。數(shù)碼管顯示電路如圖3所示。

2.3 感光電路設(shè)計

光敏器件采集環(huán)境光照信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后直接發(fā)送給主控單片機(jī)。感光電路如圖4所示。

2.4 人體感應(yīng)電路設(shè)計

人的體表溫度通常為37℃左右，發(fā)出的紅外線波長為10μm左右。人體發(fā)射的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。本系統(tǒng)采用CS9803GP熱釋電紅外控制電路。電路通過連接了熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件，可以起到開關(guān)的作用。

2.5 復(fù)位電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用上電按鈕復(fù)位方式，按下復(fù)位按鈕前，第9管腳接地，輸入低電平，按下復(fù)位按鈕后，第9引腳點位提升到+5V，輸入高電平，復(fù)位生效，單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位命令。復(fù)位電路的具體電路如圖5所示。

2.6 時鐘電路設(shè)計

由于在室內(nèi)使用，所以該系統(tǒng)還受時間的控制，因此需要加入硬件時鐘電路來確保系統(tǒng)的智能化運行。采用具有充電功能的時鐘芯片DS1302作為RAM寄存器臨時性存放數(shù)據(jù)，在停電時為時鐘電路提供電源。

單片機(jī)和DS1302的連接電路如圖6所示。在這里VCC2外接3.6V可充電的鋰電池，作為DS1302的備用電源。VCC1外接+5V穩(wěn)定電壓，這是DS1302的主要電能來源。DS1302由VCC1和VCC2兩者中較大者供電。系統(tǒng)正常運行時，VCC1是大于VCC2的，此時由VCC1給DS1302供電；主電源意外關(guān)閉的情況時，VCC2向DS1302供電，這是為了確保時鐘的持續(xù)運行。X1和X2作為振蕩源，外接32.768kHz的晶振。RST是復(fù)位片選線，如果把RST輸入驅(qū)動置高，就會啟動所數(shù)據(jù)傳送。RST與單片機(jī)的復(fù)位信號相連。時鐘輸入端SCLK接單片機(jī)的P1.5引腳，實現(xiàn)時鐘控制。

由于51單片機(jī)內(nèi)部沒有晶振源，所以需要外加晶振為單片機(jī)供應(yīng)時鐘信號。晶振兩端接上負(fù)載電容構(gòu)成三點式電容振蕩是為了幫助晶振起振，C1，C2兩個負(fù)載電容為30pF。當(dāng)晶振提供的時鐘信號穩(wěn)定后，單片機(jī)就可以隨著晶振的頻率一步一步地從ROM中讀取指令來執(zhí)行程序。時鐘電路如圖7所示。

2.7 燈光驅(qū)動電路設(shè)計

光電耦合器由發(fā)光源和受光器構(gòu)成燈光驅(qū)動電路如圖8所示。

3.系統(tǒng)控制模塊的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用自上至下的設(shè)計，首先設(shè)計好主程序，然后將各部分展開形成子程序，最后對各個小模塊分別進(jìn)行設(shè)計和編程。

如圖9所示，程序在運行之初，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化；然后光強(qiáng)度采集子程序讀取數(shù)據(jù)，顯示當(dāng)前光線強(qiáng)度，判斷是否到達(dá)極值，若高于極值則直接關(guān)燈，若低于極值則轉(zhuǎn)入人體存在子程序進(jìn)行判斷，若有人則再次循環(huán)，若無人則開始倒計時；倒計時期間依然運行人體存在子程序判斷，若有人則重新開始倒計時，若無人則一直倒計時到零，關(guān)燈，運行結(jié)束。

光敏電阻采集的光照度的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將變換成數(shù)字位流以進(jìn)行處理、傳輸?shù)?，并根?jù)是否有人執(zhí)行動作。單片機(jī)把實時監(jiān)控檢測采集的兩路數(shù)據(jù)分別與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)結(jié)果判斷是否有人啟動相關(guān)開關(guān)。光照檢測程序的流程圖如圖10所示。

結(jié)論

本系統(tǒng)以環(huán)境的光照強(qiáng)度、人體是否存在等外界環(huán)境為參數(shù)輸入控制器，設(shè)計了室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)。實驗證明，該系統(tǒng)大大降低了辦公室燈所需電能，添加的時間控制參數(shù)，使辦公室燈光的控制更加科學(xué)合理。系統(tǒng)采用AT89C52作為單片機(jī)主控單元，經(jīng)過有關(guān)電路的驅(qū)動，實現(xiàn)了系統(tǒng)對照明設(shè)施的控制。感光元件選擇光敏電阻，通過A/D轉(zhuǎn)換，完成了系統(tǒng)對信息的采集。以CS9803GP作為熱釋電紅外控制電路，增加了少量外接元器件共同形成了熱釋電紅外開關(guān)，完成了對人體感應(yīng)信息的采集。以MOC3023為光電耦合器，完成系統(tǒng)對燈光的驅(qū)動。整個系統(tǒng)通過數(shù)碼管不停閃爍把工作狀態(tài)顯示出來，完成了系統(tǒng)對室內(nèi)燈光的自動開與關(guān)的操作。本系統(tǒng)便于功能擴(kuò)展，可移植性較好，有一定的市場廣泛應(yīng)用前景。

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