燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

劉睿瓊，張文麗

（1.西安理工大學(xué)高等技術(shù)學(xué)院，陜西西安710082；2.陜西理工大學(xué)物電學(xué)院，陜西漢中723000）

近年來(lái)，各國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，取得了顯著的成果，然而，在社會(huì)發(fā)展的偉大進(jìn)程中，人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步卻越來(lái)越依賴(lài)于資源的開(kāi)發(fā)與利用，與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量之間形成了巨大的矛盾，能源短缺問(wèn)題日益嚴(yán)峻，成為制約一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“瓶頸”。

目前，室內(nèi)燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外己經(jīng)應(yīng)用于不同場(chǎng)所，但仍受環(huán)境、產(chǎn)品成本及經(jīng)濟(jì)條件的限制，室內(nèi)燈光的管理和控制方式仍顯落后，以致教學(xué)樓、辦公樓等場(chǎng)所電能浪費(fèi)現(xiàn)象隨處可見(jiàn)。同時(shí)，隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，燈光管理也應(yīng)朝著自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展[1]。于是，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、實(shí)用的室內(nèi)燈光自動(dòng)控制系統(tǒng)便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)現(xiàn)以AT89C52單片機(jī)作為控制核心，同時(shí)，還包括紅外線(xiàn)人體探測(cè)電路、環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)電路、按鍵控制電路、LCD液晶顯示電路、燈光驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警電路等其他外圍電路，其硬件電路組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件電路組成

單片機(jī)采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O接口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上，構(gòu)成了一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

該系統(tǒng)以52單片機(jī)為核心，其他主要外圍電路有:系統(tǒng)供電模塊、硬件時(shí)鐘模塊、看門(mén)狗模塊、定時(shí)器模塊、燈光驅(qū)動(dòng)模塊、LCD液晶顯示模塊、環(huán)境光檢測(cè)模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊、人體紅外檢測(cè)模塊、報(bào)警等模塊。這些硬件模塊受命于單片機(jī)主控中心，通過(guò)其命令執(zhí)行該有的各項(xiàng)操作[3]。

整個(gè)系統(tǒng)的性能建立在各個(gè)模塊的功能之上，它們各司其職，共同支撐著系統(tǒng)的運(yùn)行。

1）電源模塊：為整個(gè)系統(tǒng)提供電源；

2）主控系統(tǒng)模塊：是系統(tǒng)的CPU，控制系統(tǒng)各個(gè)命令的執(zhí)行，對(duì)外界的要求作出判決和仲裁；

3）人紅外人體檢測(cè)模塊：主要是探測(cè)室內(nèi)到底是否有人體存在，需要通過(guò)人體存在信號(hào)采集電路來(lái)完成[4]；

4）環(huán)境光檢測(cè)模塊：感受自然光的強(qiáng)度，采集光信息，以便于系統(tǒng)及時(shí)控制燈光系統(tǒng)的關(guān)閉與否；

5）燈光驅(qū)動(dòng)模塊：在檢測(cè)到外界光強(qiáng)很弱時(shí)，又有人體存在，需要自動(dòng)打開(kāi)燈光系統(tǒng)，就需要有驅(qū)動(dòng)燈光啟動(dòng)的模塊[5]；

6）報(bào)警模塊：檢測(cè)提示用戶(hù)系統(tǒng)是否正常工作；

7）看門(mén)狗模塊：外界無(wú)時(shí)無(wú)刻會(huì)干擾系統(tǒng)，所以有時(shí)會(huì)出現(xiàn)程序跑飛、死機(jī)甚至造成整機(jī)癱瘓等情況，為了恢復(fù)單片機(jī)的正常工作，只能采用重新復(fù)位的方式。因此應(yīng)該在硬件設(shè)計(jì)中使用看門(mén)狗電路，能夠產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)給單片機(jī)，使系統(tǒng)復(fù)位重新執(zhí)行程序；

8）硬件時(shí)鐘模塊：根據(jù)室內(nèi)燈光使用特性，該系統(tǒng)還應(yīng)受到時(shí)間的限制，控制系統(tǒng)的時(shí)間應(yīng)和人們作息時(shí)間相對(duì)應(yīng)，還應(yīng)具有掉電保護(hù)電路，保證系統(tǒng)的智能化運(yùn)行[6]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制電路

首先設(shè)計(jì)出單片機(jī)控制的最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)中含有復(fù)位電路，復(fù)位時(shí)光強(qiáng)重新檢測(cè)，人數(shù)顯示為0，控制方式為自動(dòng)控制。

2.2 光強(qiáng)檢測(cè)電路

在自動(dòng)控制模式中，光強(qiáng)度決定著燈光的開(kāi)閉與否。當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，燈光處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)光強(qiáng)度較弱且有人時(shí)，燈光就會(huì)打開(kāi)。硬件仿真電路如圖3所示。

圖3 光強(qiáng)檢測(cè)電路

2.3 紅外人數(shù)檢測(cè)電路

紅外人數(shù)檢測(cè)電路如圖4所示，該電路通過(guò)使用兩對(duì)紅外對(duì)管，分別安裝在門(mén)的內(nèi)外兩側(cè)，來(lái)檢測(cè)室內(nèi)的人體數(shù)量，當(dāng)外邊一對(duì)先接收到有人體經(jīng)過(guò)的信號(hào)時(shí)，說(shuō)明有人進(jìn)來(lái)，則人數(shù)計(jì)數(shù)器會(huì)加1，當(dāng)里面的紅外對(duì)管先接收到信號(hào)時(shí)，證明有人出去，人數(shù)減1，以此來(lái)達(dá)到檢測(cè)人數(shù)的目的[7]。

圖4 人數(shù)檢測(cè)電路

本電路采用HD-DS25CM-5MM的紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件功能，它的感應(yīng)距離是25 cm，感應(yīng)方式為對(duì)射型（非透明物），最大工作電流可達(dá)10 MA，輸出電流是100 mA，并且可直接驅(qū)動(dòng)繼電器[8]。其發(fā)射角度為直線(xiàn)紅外光，接收角度一般小于10度，響應(yīng)時(shí)間短，最長(zhǎng)只需2 ms，工作溫度范圍在零下25度到60度之間，滿(mǎn)足實(shí)際需求，性?xún)r(jià)比較高。

人數(shù)檢測(cè)主要器件為光電對(duì)管，它的電壓值大小是檢測(cè)人數(shù)的關(guān)鍵。當(dāng)有人通過(guò)時(shí)，接收端收不到發(fā)射端產(chǎn)生的信號(hào)，電壓為0 V，沒(méi)有人時(shí)，接收端可以收到信號(hào)，電壓為5 V，以此來(lái)識(shí)別是否有人進(jìn)出。

2.4 按鍵控制電路

在實(shí)際生活中，在特殊情況下，需要手動(dòng)控制室內(nèi)燈光，用以達(dá)到用戶(hù)的需求，故而需要按鍵開(kāi)關(guān)來(lái)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，按鍵控制電路圖如圖5所示。

圖5 按鍵控制電路

按鍵開(kāi)關(guān)中，F(xiàn)ROCE表示特殊情況手動(dòng)強(qiáng)制控制，MODE表示控制模式，有自動(dòng)模式和手動(dòng)模式兩種，兩種調(diào)節(jié)方式共同控制系統(tǒng)的合理化運(yùn)行。

2.5 LCD顯示電路

液晶顯示是利用液晶的物理特性，通過(guò)控制電壓顯示區(qū)域，有電就可以顯示出圖形。液晶顯示器厚度較薄，直接驅(qū)動(dòng)，適用于大規(guī)模集成電路，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在個(gè)人電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域[9]。

LCD 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示數(shù)字、字母及符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊[10]。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位構(gòu)成，顯示每個(gè)字符也只需要一個(gè)點(diǎn)陣字符位，每位點(diǎn)陣字符之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，且每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用[11]。1602LCD顯示的內(nèi)容為16X2，即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符。

根據(jù)電路功能需求，它需要顯示當(dāng)前光照強(qiáng)度，室內(nèi)人體數(shù)目，以及系統(tǒng)的控制模式，LCD硬件電路連接如圖6所示。

圖6 LCD液晶顯示電路

LCD 1602的3腳可以接電位器用來(lái)調(diào)節(jié)顯示器頻幕的亮度，D0-D7這8條數(shù)據(jù)線(xiàn)可以直接和單片機(jī)的P0口相連，通過(guò)讀寫(xiě)端口來(lái)顯示所需要的內(nèi)容。

2.6 報(bào)警電路

室內(nèi)電路或多或少的存在安全隱患，有些是電器設(shè)備原因，有些是人為操作的緣故，所以就需要報(bào)警電路警示用戶(hù)用電安全[12]。報(bào)警電路如圖7所示。

圖7 報(bào)警電路

3 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，總體設(shè)計(jì)采用自頂而下的設(shè)計(jì)思想，先對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的大體步驟有一個(gè)定義，便于主程序編寫(xiě)，同時(shí)在編程的過(guò)程中又用到了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思路[13]。

系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)主要分為兩路，一路是光敏傳感器，用來(lái)檢測(cè)室內(nèi)的光線(xiàn)強(qiáng)弱；一路是紅外傳感，探測(cè)進(jìn)入室內(nèi)的人數(shù)[13]。兩路信號(hào)同時(shí)檢測(cè)，送給單片機(jī)集中處理，再將處理結(jié)果通過(guò)LCD顯示器和室內(nèi)燈光展現(xiàn)出來(lái)[14]。

根據(jù)室內(nèi)開(kāi)燈的合理?xiàng)l件，系統(tǒng)感應(yīng)并識(shí)別到人體信號(hào)后，結(jié)合環(huán)境光信號(hào)進(jìn)行智能判斷，送入單片機(jī)控制中心處理，再由單片機(jī)對(duì)室內(nèi)燈光狀態(tài)進(jìn)行控制[15]。

整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

系統(tǒng)的運(yùn)行是按上述流程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中手動(dòng)控制模式下有8種場(chǎng)景模式，自動(dòng)控制模式下，系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)的人數(shù)和自然光強(qiáng)進(jìn)行燈光狀態(tài)控制，用戶(hù)根據(jù)需要來(lái)選擇啟用適合當(dāng)前環(huán)境需求的控制模式[16]。

4 系統(tǒng)仿真

在仿真過(guò)程中，將燈光分成了4個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域化控制，以避免電能浪費(fèi)。同時(shí)，將光線(xiàn)強(qiáng)度分為3個(gè)等級(jí)，即特別暗、一般暗、比較亮。當(dāng)有人體存在時(shí)，光線(xiàn)比較暗就會(huì)只開(kāi)啟中間的燈光；特變暗的時(shí)候，周?chē)膫€(gè)角落燈光也會(huì)亮起來(lái)；光線(xiàn)較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉燈光。

圖8 軟件設(shè)計(jì)流程圖

通過(guò)軟件仿真，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能要求，在光線(xiàn)比較弱，且室內(nèi)有人時(shí)，燈光自動(dòng)打開(kāi)，打開(kāi)燈的數(shù)量在一定范圍內(nèi)和人數(shù)成正比；當(dāng)光線(xiàn)很弱、且室內(nèi)有人時(shí)，每個(gè)區(qū)域邊緣的燈光也會(huì)打開(kāi)，以適應(yīng)不同的環(huán)境需求；當(dāng)光線(xiàn)較強(qiáng)，不管有人否，燈光都會(huì)關(guān)閉。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)軟硬件互調(diào)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了既定功能，即在室內(nèi)沒(méi)有人時(shí)，或者室內(nèi)有人而在自然光強(qiáng)足夠大，即光照強(qiáng)度超過(guò)預(yù)設(shè)限值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉所有燈光。實(shí)際電路中紅外人體檢測(cè)電路將人數(shù)數(shù)量顯示到顯示屏，自動(dòng)控制模式下，光線(xiàn)較弱且有人時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)人數(shù)多少控制燈光的狀態(tài)。該系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)手動(dòng)燈光控制模式的缺點(diǎn)，集自動(dòng)、節(jié)能、環(huán)保于一體，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，可靠性更強(qiáng)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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