智能聲光控樓道燈設(shè)計(jì)＊

侯秀麗，孫廨堯，羅青青

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

1 引言

樓道燈作為樓道專用的照明燈，屬于新型建筑照明系統(tǒng)，近年來在國家綠色節(jié)能建筑的要求下，大部分新建樓宇的樓道燈都應(yīng)用了智能LED燈，但是不少老舊建筑的樓道燈仍使用傳統(tǒng)燈泡和接觸開關(guān)，經(jīng)常人走后，照明燈通宵長亮，浪費(fèi)大量能源。樓道照明需求一般是斷續(xù)的，白天或光線好時(shí)根本不需要亮燈，只有在黑天并且有人經(jīng)過時(shí)才需要點(diǎn)亮，若單純使用聲控開關(guān)，即使白天也會頻繁通斷，無形中會縮短燈具的使用壽命。使用聲光綜合控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關(guān)可以很好地解決上述問題。天黑光線變暗，當(dāng)檢測到有人經(jīng)過樓道的腳步聲或其他聲音時(shí)，樓道燈自動點(diǎn)亮提供照明，當(dāng)人們走過樓道以后，燈延時(shí)半分鐘自動熄滅。白天光線強(qiáng)，即使檢測到有聲音，樓道燈也不點(diǎn)亮，可達(dá)到節(jié)能的目的[1]。這種智能聲光雙控?zé)舻膽?yīng)用范圍很廣，如教學(xué)樓、大型工廠、辦公樓的走廊以及住宅建筑的樓道等。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

在滿足樓道照明需求下，智能聲光控樓道燈還要實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能目標(biāo)。在白天或太陽光較亮?xí)r，可視性較高，不需要照明。這時(shí)，電路要處于限制狀態(tài)，不會因?yàn)榻邮盏铰曇舳翢?。?dāng)夜晚光線微弱，人們看不清周圍情況時(shí)才需要照明設(shè)備，所以電路要能在檢測到人們的腳步聲或拍掌等聲音后自動亮燈，還要能在沒有聲音時(shí)開啟一定時(shí)間（比如半分鐘）后自動關(guān)閉照明燈[2]。系統(tǒng)總體方案如下。

使用光敏電阻來檢測光線亮暗變化，通過電壓比較器判斷光線強(qiáng)弱，并且可以通過電位器調(diào)節(jié)光照閾值；采用駐極體話筒判斷是否有聲音，當(dāng)感應(yīng)到有聲音時(shí)燈會亮，否則燈熄滅，并且可以通過電位器調(diào)節(jié)聲音閾值；當(dāng)光線變暗且檢測到有聲音時(shí)，繼電器吸合（亮燈），延時(shí)約30 s繼電器斷開（燈滅），實(shí)現(xiàn)了節(jié)能控制；當(dāng)光線持續(xù)變暗且連續(xù)感應(yīng)到有聲音時(shí)，則會以最后沒有觸發(fā)條件開始延時(shí)30 s，然后燈熄滅。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)控制模塊、光強(qiáng)檢測與比較模塊、聲音檢測模塊、繼電器輸出模塊及電源模塊等部分組成。其中，控制模塊采用低功耗、高性能的STC89C52單片機(jī)。作為8位微控制器，其擁有靈巧的8 k字節(jié)在系統(tǒng)編程Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，內(nèi)置4 KB存儲器，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及WDT，4個(gè)外部中斷，支持全雙工串口通信。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 左下角的時(shí)鐘電路、左上角的復(fù)位電路和圖3所示的電源電路一起構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)，它是單片機(jī)正常工作的基礎(chǔ)。不難看出，由晶振Y1（11.059 2 MHz）、瓷片電容C1和C2組成了時(shí)鐘電路。由電解電容EC1、按鍵S1和電阻R1構(gòu)成了復(fù)位電路，該電路支持兩種復(fù)位方式，即手動按鍵復(fù)位和上電自動復(fù)位。

圖2 單片機(jī)時(shí)鐘及復(fù)位電路

JD1為單片機(jī)的下載接口。單片機(jī)電源引腳為VCC和GND，系統(tǒng)選擇5 V直流電源供電。電源電路設(shè)計(jì)思想是：原理簡單、工作可靠、具有狀態(tài)顯示。電源電路如圖3所示，可將USB電源線一端插在DC插座上，另一端插在5 V電源上，如電腦USB接口、手機(jī)充電器、移動電源等。通過一個(gè)自鎖開關(guān)SW實(shí)現(xiàn)供電控制。當(dāng)開關(guān)被按下，電源指示燈LED點(diǎn)亮，系統(tǒng)對外輸出5V直流電壓；當(dāng)開關(guān)再次被按下，LED指示燈熄滅，切斷電源，無輸出。通過給紅色的LED燈串聯(lián)1 kΩ限流電阻，提高系統(tǒng)可靠性，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)[3]。

圖3 電源電路

3.2 光照檢測電路設(shè)計(jì)

3.2.1 光敏電阻檢測光強(qiáng)電路設(shè)計(jì)

能夠?qū)崿F(xiàn)光強(qiáng)檢測的傳感器有很多種，如光電管、光電池、光敏電阻、光敏晶體管等，都是根據(jù)不同光電效應(yīng)原理進(jìn)行工作的。本系統(tǒng)選擇光敏電阻作為檢測光照強(qiáng)度的器件，光敏電阻通常是由半導(dǎo)體材料（硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛等）等制成的，其原理基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照越強(qiáng)，阻值越低。光敏電阻對光線非常敏感，無光照時(shí)呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5 MΩ。隨光照強(qiáng)度升高，阻值迅速降低，亮電阻值可小至1 kΩ以下[4]。光敏電阻應(yīng)用電路如圖4所示，光敏電阻應(yīng)用電路通過串聯(lián)一個(gè)10 kΩ電阻實(shí)現(xiàn)分壓，保護(hù)光敏電阻。

圖4 光敏電阻應(yīng)用電路

3.2.2 LM393比較器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇LM393比較器對光敏電阻輸出的模擬信號進(jìn)行數(shù)字處理。LM393是8個(gè)引腳的雙電壓比較器集成芯片，其負(fù)載電阻不受VCC端電壓限制。LM393比較器的第3和第6引腳為模擬信號輸入端，第2和第5引腳可外接電位器，用來設(shè)置參考電壓，改變電位器阻值，即可改變參考設(shè)置電壓。當(dāng)?shù)?和第6引腳模擬電壓值超過所設(shè)置的參考電壓后，則LED燈將會亮，否則，LED燈不亮，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對模擬信號狀態(tài)量的檢測。使用時(shí)，通常把芯片第1和第7腳接到單片機(jī)有關(guān)引腳上，即可采集處理相關(guān)數(shù)據(jù)，LM393電路原理如圖5所示。

圖5 LM393電路原理圖

3.3 聲音檢測電路設(shè)計(jì)

電容式駐極體話筒具有很多突出優(yōu)點(diǎn)，如電聲性能好、外觀小巧、價(jià)格實(shí)惠等，因此在無線麥克風(fēng)、助聽器、錄音機(jī)中得到大量應(yīng)用。本文選其作為聲音檢測傳感器，電路可分為聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分。聲音檢測電路如圖6所示，聲電轉(zhuǎn)換核心元件是駐極體振動膜，它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜，經(jīng)高壓電場在兩面分別駐有異性電荷。蒸金面向外，與金屬外殼相連通。另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間形成一個(gè)電容。由于平板電容器的電容值C等于極板有效面積A與板間所填充的物質(zhì)介電常數(shù)乘積再除以板間距離d，即當(dāng)有聲音輸入時(shí)，膜片隨聲波發(fā)生振動，使電容兩個(gè)極板間距離發(fā)生變化，導(dǎo)致電容量C變化[5]。因駐極體兩側(cè)電荷Q不變，所以電容兩端電壓發(fā)生變化（UC=Q/C），從而實(shí)現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換。交變電壓幅值大小可以反映外界聲壓的強(qiáng)弱,電壓變化頻率快慢能反映外界聲音的頻率高低。由于駐極體振膜與金屬極板間的電容量比較小，一般為幾十皮法，因此輸出阻抗值很高（幾十兆歐以上），而且很弱，所以不能直接與音頻放大器相連，需要在話筒內(nèi)接入一個(gè)三極管來進(jìn)行阻抗變換[6]。

圖6 聲音檢測電路

3.4 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

作為一種電子控制器件，繼電器在電路中能起到調(diào)節(jié)、保護(hù)、轉(zhuǎn)換等作用，被大量應(yīng)用于自動控制、遙控、機(jī)電設(shè)備中。常用的電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等部分組成。給線圈施加一定的電壓后，線圈中就會流過一定的電流，產(chǎn)生電磁感應(yīng)。在電磁吸引力作用下銜鐵會克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，使得動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁吸引力也隨之消失，銜鐵在彈簧反作用力下返回初始位置，使動觸點(diǎn)與原靜觸點(diǎn)釋放。通過觸點(diǎn)吸合與釋放實(shí)現(xiàn)了電路的導(dǎo)通與切斷控制[7-8]。繼電器控制電路如圖7所示，把繼電器接在三級體管發(fā)射極上。三極管基極接單片機(jī)輸出引腳，當(dāng)單片機(jī)管腳輸出為低電平時(shí)，管子導(dǎo)通，驅(qū)動繼電器觸點(diǎn)吸合，LED燈點(diǎn)亮。和前面一樣，也是通過串聯(lián)1 kΩ限流電阻進(jìn)行保護(hù)。

圖7 繼電器控制電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件開發(fā)與仿真調(diào)試

本設(shè)計(jì)中單片機(jī)開發(fā)環(huán)境應(yīng)用Keil C51平臺，使用C語言進(jìn)行編程，采用主程序加子程序的結(jié)構(gòu)。分別設(shè)計(jì)判斷光強(qiáng)與聲音程序以及延時(shí)控制程序。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化操作，然后讀取光強(qiáng)值，進(jìn)行判斷。當(dāng)為黑天時(shí)，再判斷是否有聲音信號，若有，則讓單片機(jī)控制引腳輸出低電平信號給三極管驅(qū)動繼電器閉合，實(shí)現(xiàn)樓道燈點(diǎn)亮，同時(shí)繼續(xù)判斷聲音信號；若無，則延時(shí)30 s后繼電器斷開，使樓道燈熄滅。

源程序?qū)懞煤缶幾g生成.hex文件，使用protues軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真調(diào)試，若不能完全實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能，則需要修改源代碼，重新編譯，直到滿足全部控制要求為止。

4.2 程序下載

仿真調(diào)試通過的程序，使用STC-ISP單片機(jī)下載編程燒錄軟件，通過CH340串口燒寫模塊實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)程序的燒寫。步驟如下：將單片機(jī)開發(fā)板和下載器（即CH340串口燒寫模塊）以及計(jì)算機(jī)連接好后，首先需要在燒錄軟件中選擇單片機(jī)型號和串口號，并設(shè)置好波特率，其次選擇項(xiàng)目“hex”文件存放路徑，然后單擊程序下載按鈕，稍等片刻即可完成下載過程。

5 系統(tǒng)實(shí)物制作與調(diào)試

根據(jù)前面第二部分所設(shè)計(jì)的電路，購買相關(guān)元器件，并檢查無誤后，進(jìn)行硬件焊接，完成實(shí)物制作過程。再根據(jù)第三部分操作步驟，下載好程序后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試與故障排查[9]。系統(tǒng)實(shí)物運(yùn)行如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物運(yùn)行圖

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)一個(gè)智能型聲光控樓道燈，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)過程以及程序設(shè)計(jì)步驟，并完成了實(shí)物模型制作與調(diào)試。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。系統(tǒng)可靠性高，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足樓道智能照明需求，節(jié)能環(huán)保，具有一定的應(yīng)用前景。