基于單片機(jī)的燈光節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計

馬錦濤 唐亮 仵祎平

摘要：為了解決生活中燈光的能源損耗問題，該文研究設(shè)計一種基于單片機(jī)的智能光控系統(tǒng)，通過單片機(jī)結(jié)合LED照明技術(shù)、紅外感應(yīng)技術(shù)、光感技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對照明設(shè)備的智能控制，實(shí)現(xiàn)對LED燈的自動開關(guān)、自動調(diào)節(jié)亮度等功能，且有自動和手動兩種模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、操作方便，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);傳感器;節(jié)能;照明控制

中圖分類號：G642.0? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0095-03

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會的進(jìn)步越來越依賴于資源的開發(fā)與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源數(shù)量形成了巨大的矛盾。在尋找替代品、提高能源利用率和節(jié)約能源等幾種緩解能源危機(jī)的途徑中，節(jié)能無疑是符合可持續(xù)發(fā)展的要求。在現(xiàn)實(shí)生活和工作中，很多場合都需要檢測光照強(qiáng)度，以及根據(jù)光照強(qiáng)度的值，采取與之對應(yīng)的控制措施[1]。

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，智能建筑的發(fā)展也越來越迅猛，基于此本文設(shè)計一個基于單片機(jī)的智能燈光控制系統(tǒng)，通過單片機(jī)對照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用傳感器對環(huán)境的亮度進(jìn)行檢測，同時檢測當(dāng)前環(huán)境中是否有人存在，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境內(nèi)的情況來決定是否打開照明系統(tǒng)，做到了真正的“低碳生活”，并且所設(shè)計的照明系統(tǒng)有多種模式可以自由切換，可以營造出使用者所需要的不同燈光氛圍。

2 設(shè)計思路

科學(xué)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化水平是衡量一個國家科技創(chuàng)新、人工智能基礎(chǔ)技術(shù)的重要標(biāo)志之一，也是全球范圍內(nèi)前沿高技術(shù)研究最活躍的領(lǐng)域之一。燈光控制運(yùn)行中所用光電技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及微電子技術(shù)得到了迅速發(fā)展，其主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)燈光控制被智能燈光控制所替代，智能燈光控制中所用先進(jìn)技術(shù)為燈光控制的高效運(yùn)行提供了有利條件，因此，智能燈光控制技術(shù)已經(jīng)成為樓宇自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[2]。

本設(shè)計利用計算機(jī)技術(shù)并輔助以其他手段，對電力照明實(shí)行智能控制，提供合適照明光環(huán)境的同時降低照明系統(tǒng)電能消耗和其他使用費(fèi)用[3]。智能照明控制系統(tǒng)與手動照明控制系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點(diǎn)，包括創(chuàng)造環(huán)境氣氛、改善工作環(huán)境、提高工作效率、良好的節(jié)能效果、延長光源壽命、管理維護(hù)方便等。

本系統(tǒng)是以單片機(jī)為控制器的核心，主要由光照檢測電路、紅外線傳感器及處理電路、單片機(jī)系統(tǒng)及控制電路組成。工作時，光照檢測電路和紅外線傳感器采集光照強(qiáng)弱、判斷室內(nèi)是否有人等信息送到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)這些信息通過控制電路對LED照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)操作，從而實(shí)現(xiàn)照明控制，以達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)的硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

3 主要硬件電路的設(shè)計

本設(shè)計主要硬件結(jié)構(gòu)包括單片機(jī)、電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、紅外檢測模塊、光敏檢測模塊、按鍵模塊、顯示模塊和LED驅(qū)動模塊。系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，利用紅外傳感器檢測燈下是否有人員存在，利用光敏傳感器檢測室內(nèi)環(huán)境的亮度，以判決是否需要開燈照明。另外，利用PWM占空比調(diào)壓技術(shù)控制LED驅(qū)動模塊，以調(diào)節(jié)LED燈的亮度[4]。系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.1 控制器

系統(tǒng)核心控制器選擇STC89C52單片機(jī)，它是一種低功耗、高性能的8位微控制器，在芯片上擁有8K字節(jié)的FLASH、256RAM、32個外部雙向輸入/輸出（I/O） 端口，該類芯片內(nèi)部資源豐富，片內(nèi)集成的兩路10位AD轉(zhuǎn)換器可連接光敏檢測信號和紅外檢測信號，以檢測室內(nèi)亮度和判決燈下是否有人存在。片內(nèi)可編程計數(shù)器模塊可用來產(chǎn)生并輸出占空比可調(diào)的PWM波，以控制驅(qū)動LED燈的亮度。

3.2 電源電路

單片機(jī)的電源采用直流5V供電，電源模塊包括一個3腳的電源座子和6腳的電源開關(guān)。電源座子用于連接外部的電源插頭，電源開關(guān)用于控制整個單片機(jī)的電路開和關(guān)。電源座子的2口引腳接地，3口引腳僅僅起到固定的作用，沒有特殊的用處，1口引腳連接到電源開關(guān)的3口引腳，電源開關(guān)的1、3口引腳和4、6口引腳的作用相同，用于電源的正極輸出。電源開關(guān)的2、5口引腳作為單片機(jī)的接地引腳，在使用時采取相對的選擇，即選擇1、3口引腳作為輸出，那么就要選擇5口引腳作為接地引腳，選擇4、6引腳作為輸出端口，2口引腳則作為接地引腳。本次單片機(jī)的傳感器的電壓都在5V內(nèi)，所以5V的電壓足夠滿足。若有12V或者其他電壓的傳感器，則可以采取升壓模塊將5V提升到更高的電壓，進(jìn)行供電。本次設(shè)計的電源電路如圖3所示。

3.3 晶振電路

晶振，又叫晶體振蕩器，它起的作用是為單片機(jī)系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時鐘信號，單片機(jī)內(nèi)部所有的工作都是以這個時鐘信號為步調(diào)基準(zhǔn)來進(jìn)行工作的。本系統(tǒng)的晶振電路主要由一個11.0592MHz的晶振和兩個22 pF 的電容組成，晶振的主要作用是起振，分別接在單片機(jī)STC89C52 的18 和19引腳上，兩個電容在電路中主要起到穩(wěn)定頻率和快速起振的作用。電容值在10—30pF，典型值是22pF。 系統(tǒng)晶振電路圖如圖4所示。

3.4 復(fù)位電路

單片機(jī)無論在剛開始接上電源時，還是運(yùn)行過程中發(fā)生故障都需要復(fù)位。復(fù)位電路用于將單片機(jī)內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個確定的初始值，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位條件：必須使其RST引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個（或以上） 機(jī)器周期的高電平。單片機(jī)的復(fù)位形式有上電復(fù)位、按鍵復(fù)位和程序自動復(fù)位，本系統(tǒng)選用上電復(fù)位。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，復(fù)位電路由一個10K電阻和一個10uF的電解電容組成的。單片機(jī)最小系統(tǒng)復(fù)位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機(jī)的復(fù)位時間，一般采用10～30uF。單片機(jī)復(fù)位電路如圖5所示。

3.5 光敏檢測模塊

為了對外部光照強(qiáng)度的測量，光敏檢測模塊的核心是光敏電阻，如圖6所示光敏電阻，此光敏電阻是負(fù)參數(shù)的光敏電阻，也就是光照增強(qiáng)后電阻阻值減小，通過實(shí)驗(yàn)測量得到光敏電阻的阻值變化范圍在幾百[Ω]到幾兆[Ω]之間變化，當(dāng)光照強(qiáng)度很大時，光敏電阻的阻值可達(dá)幾百[Ω]，當(dāng)在黑暗的環(huán)境中時，測量光敏電阻兩端的阻值，可達(dá)幾兆[Ω]的電阻。將光敏電阻與適當(dāng)?shù)臋M向偏置電阻串聯(lián)，兩端加上適當(dāng)參考電壓，隨著光照強(qiáng)度的變化，光敏電阻的阻值會隨之線性改變，電阻分壓壓值也會發(fā)生變化，配合相應(yīng)的運(yùn)放即可調(diào)制輸出供控制器采集的光敏信號。為了實(shí)現(xiàn)與光敏電阻的阻值相匹配的電阻，本系統(tǒng)采用10K的電阻進(jìn)行上拉電阻。

3.6 紅外檢測模塊

物體均會輻射紅外線，隨著物體溫度的升高，其輻射的紅外強(qiáng)度也越強(qiáng)。人體體溫在37℃左右，一般相對周圍的桌椅等物品溫度均偏高，會輻射出波長10μm紅外線，可利用人體輻射的紅外線強(qiáng)度判斷燈下是否有人存在。紅外線檢測模塊的核心部件是熱釋電元件，當(dāng)有人處于燈下時，紅外感應(yīng)器會產(chǎn)生一個高電平脈沖，當(dāng)人離開后，紅外傳感器處于低電平狀態(tài)，可根據(jù)高低電平狀態(tài)判斷是否有人在燈下。

3.7 顯示模塊

顯示模塊中通常采用LCD 或LED 顯示屏。本系統(tǒng)選用LCD1602液晶顯示屏作為顯示設(shè)備，LCD1602液晶顯示屏是一款工業(yè)字符型液晶，可以顯示兩行數(shù)據(jù)，每行可以顯示十六個符號、字母或者數(shù)字，剛好可以滿足設(shè)計的需要，體積小巧，功耗較低，顯示效果良好，是一款非常實(shí)用的液晶顯示設(shè)備，而且亮度、功耗和顯示速度比LED 更好。

LCD1602工作在3.5～5V的工作電壓下，它內(nèi)部設(shè)計有復(fù)位電路，可以進(jìn)行光標(biāo)移動、清屏的操作。顯示的亮度可以通過外部連接的電位計進(jìn)行調(diào)節(jié)。內(nèi)部帶有存儲器可以儲存數(shù)據(jù)。它可以直接與單片機(jī)相連接，通過單片機(jī)程序來控制液晶的顯示。

3.8 PWM調(diào)光電路設(shè)計

控制器通過調(diào)節(jié)PWM占空比，進(jìn)行調(diào)壓控制LED燈的亮度，LED燈驅(qū)動器的功率取決于所控制的LED等大小， PWM是以不斷開斷的脈沖控制燈的亮度，人眼識別燈光閃爍的頻率是10OHz ，為了防止人眼感覺燈光閃爍，PWM頻率選擇1000Hz ， 所選LED驅(qū)動器必須具有相應(yīng)速度的開關(guān)能力， 同時要與所控制的LED 燈功率相匹配。

3.9 按鍵模塊

按鍵電路采用獨(dú)立按鍵通過程序進(jìn)行控制，通過按鍵進(jìn)行電路的控制檢測是自動控制還是手動控制，然后另有兩個按鍵是控制檢測的開或是關(guān)的。當(dāng)用戶按下按鍵后會輸出低電平給單片機(jī)，松開后輸出高電平這樣就知道按鍵是否被按下，通過程序?qū)懭氚存I掃描函數(shù)就執(zhí)行所需要實(shí)現(xiàn)的功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件部分的主要任務(wù)是完成對光照檢測電路和對傳感器信號處理電路的輸出信號進(jìn)行處理。在光照較強(qiáng)時，系統(tǒng)繼續(xù)對光照檢測電路的輸出狀態(tài)進(jìn)行檢測。光照較弱時，系統(tǒng)對信號處理電路的輸出狀態(tài)Vo進(jìn)行檢測。軟件設(shè)計的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、功能是否齊全以及人性化的設(shè)計。同時，系統(tǒng)性能的調(diào)試，需要進(jìn)行軟件的反復(fù)修改和驗(yàn)證，是系統(tǒng)的主要工作量之一。本系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行編程，利用C語言程序模塊化設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行程序設(shè)計。程序塊主要包括光敏檢測、紅外檢測、PWM調(diào)光、手動模式等程序子程序，采用過程流水控制方式，系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

具體過程為：當(dāng)電源接通后，開始初始化，程序調(diào)用鍵盤，掃描程序。判斷有無熱鍵按下，如果有，則為人手工控制;如果沒有，則根據(jù)外界條件控制。當(dāng)有人時，如果光線很強(qiáng)，系統(tǒng)認(rèn)為是白天，或者不需要開燈。當(dāng)光線弱時，系統(tǒng)判斷是晚上，則控制燈亮。當(dāng)沒有人時，系統(tǒng)判斷室內(nèi)無人，則使輸出電路控制燈不會亮。

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 硬件調(diào)試

按照電路圖將元件準(zhǔn)備好之后，第一步要檢查準(zhǔn)備的元件是否有問題，對各元件按其各自的檢測方法分別進(jìn)行仔細(xì)認(rèn)真的檢測。然后，按電路圖的位置把所有元件按照正確的順序依次放置連接。一定要保證電路元器件完好以及所有元器件放置正確合理之后，才能開始對電路焊接。把硬件設(shè)計從布線到焊接完成之后，可以開始硬件的調(diào)試。

5.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是通過 keil 、連接以及執(zhí)行用戶程序來找尋程序中存在的語法錯誤和邏輯錯誤 ，然后加以排除糾正的一個過程。程序運(yùn)行后，編輯查看程序是否存在邏輯錯誤。本系統(tǒng)的軟件程序完全用 C語言編寫。調(diào)試過程中采用的是自上至下的調(diào)試方法 分別調(diào)試好每一個模塊 ，最后再連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。

具體的調(diào)試過程為：先由單片機(jī)最小系統(tǒng)向外搭建外圍電路組成的模型電路，將編寫好的程序燒寫進(jìn)單片機(jī)運(yùn)行，通過觀察外圍電路和使用萬用表檢測相對應(yīng)的參數(shù)對程序和模型電路進(jìn)行檢測，對軟件和硬件正確性和實(shí)用性進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)物如圖8所示。

6 結(jié)束語

本設(shè)計完成了基于單片機(jī)和傳感器的智能光控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可實(shí)現(xiàn)自動開關(guān)同時也設(shè)置了手動控制。選取了具有代表性的建筑燈光控制系統(tǒng)作為研究對象，對智能燈光控制系統(tǒng)設(shè)計及技術(shù)體系存在的問題展開循序漸進(jìn)的整合和分析。利用傳感器判斷當(dāng)前環(huán)境下是否有人，同時判斷光強(qiáng)，滿足一定條件會自行開啟適度的照明。也可自行控制改變到自己所需要的光照強(qiáng)度，也可以防止特殊的情況出現(xiàn)不可控的現(xiàn)象。該系統(tǒng)可以大幅度減少能源損耗，營造更佳的照明環(huán)境，同時也延長了燈具壽命，系統(tǒng)采用緩開啟及淡入淡出的調(diào)光控制，避免了對燈具的冷態(tài)沖擊。同時可以實(shí)現(xiàn)不同光照強(qiáng)度控制一些用電設(shè)備的啟動和關(guān)閉，真正做到一定的“低碳生活”，降低能源損耗。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】