基于單片機的智能燈光控制系統(tǒng)設計

張鑫宇 陳欽朋 吳曉桐

（沈陽理工大學遼寧，沈陽 110159）

基于單片機的智能燈光控制系統(tǒng)設計

張鑫宇 陳欽朋 吳曉桐

（沈陽理工大學遼寧，沈陽 110159）

現(xiàn)代建筑更加注重節(jié)能設計，燈光照明是建筑主要能耗之一，特別是在教室等公共建筑內(nèi)，由于人離開后未能及時關(guān)燈，很易造成電能浪費。本文提出一種基于單片機的燈光智能控制系統(tǒng)，本設計以單片機為控制核心，利用紅外傳感技術(shù)、光敏感應技術(shù)以及PWM調(diào)壓技術(shù)，實現(xiàn)對LED燈的自動開關(guān)、自動亮度調(diào)節(jié)等功能。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、低成本、小體積、操作方便，具有一定的工程實用價值。

單片機；智能控制；節(jié)能；現(xiàn)代建筑

0 引言

隨著智慧城市的建設與發(fā)展，對建筑節(jié)能環(huán)保的設計要求也越來越高。建筑照明作為建筑耗能的主要部分之一，對其節(jié)能性也提出了較高要求。例如，高校中教室數(shù)量眾多，學生進出教室是隨機不固定的，傳統(tǒng)的燈光開關(guān)控制不可避免會出現(xiàn)無人或人少燈光全開的浪費現(xiàn)象。LED燈具有壽命長能耗低的特點，相對傳統(tǒng)白熾燈具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。然而，傳統(tǒng)的燈光控制方式很難實現(xiàn)節(jié)能的最大化，智能調(diào)光控制系統(tǒng)必定成為未來燈光控制發(fā)展方向。

1 控制系統(tǒng)整體方案

燈光智能控制系統(tǒng)的主要功能是能夠采集室內(nèi)光照強度，判斷是否開燈以及調(diào)節(jié)燈光強度；采集燈下是否有人員存在，判決是否開燈；同時，可以進行自動控制和手動控制的切換。在室內(nèi)亮度不足需要開燈的情況下，有人員處于燈光照射范圍內(nèi)，系統(tǒng)可自動打開燈光并調(diào)節(jié)預設的亮度；當人員離開后，可自動關(guān)閉燈光。若在無人的情況下需要強制控制燈光，可通過開關(guān)切換到手動模式，根據(jù)需要手動控制燈的開關(guān)。

系統(tǒng)以51系列單片機為核心控制其，利用PIR紅外傳感器檢測燈下是否有人員存在，利用光敏電阻檢測室內(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等的亮度。系統(tǒng)總體設計方案結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 燈光智能控制系統(tǒng)整體設計

1.1 控制器

系統(tǒng)核心控制器選擇C8051單片機，該類芯片內(nèi)部資源豐富，片內(nèi)集成的兩路10位A/D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。本系統(tǒng)采用PWM的工作頻率為1000Hz，利用8位寄存器調(diào)節(jié)PWM的占空比，其中零占空比對應燈完全熄滅，100%占空比對應燈全開，燈光亮度具有256分辨率。

1.2 光敏檢測

光敏檢測模塊的核心是光敏電阻，主要利用光敏電阻會隨著光照強度變化其阻值發(fā)生變化的特性。將光敏電阻與適當?shù)臋M值偏置電阻串聯(lián)，兩端加上適當參考電壓，隨著光照強度的變化，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，配合相應的運放即可調(diào)制輸出供控制器采集的光敏信號。

1.3 紅外檢測

物體均會輻射紅外線，隨著物體溫度的升高，其輻射的紅外強度也越強。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10μ m紅外線，可利用人體輻射的紅外線強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，當有人出于燈下時，紅外感應器會產(chǎn)生一個高電平脈沖，當人離開后，紅外傳感器出于低電平狀態(tài)，可根據(jù)高低電平狀態(tài)判斷是否有人在燈下。

1.4 LED驅(qū)動器

控制器通過調(diào)節(jié)PWM占空比，進行調(diào)壓控制LED燈的亮度，LED燈驅(qū)動器的功率取決與所控制的LED等大小，本文選自PT4115作為LED驅(qū)動。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100Hz，為了防止人眼感覺燈光閃爍，PWM頻率選擇1000Hz，所選LED驅(qū)動器必須具有相應速度的開關(guān)能力，同時要與所控制的LED燈功率相匹配。

2 軟件設計

軟件設計是控制系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一，軟件設計的優(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計。同時，系統(tǒng)性能的調(diào)試，需要進行軟件的反復修改和驗證，是系統(tǒng)的主要工作量之一。優(yōu)質(zhì)的軟件設計不僅要有嚴謹?shù)倪壿嬙O計，規(guī)范的書寫格式，同時要考慮系統(tǒng)的可靠性、靈活性、易操作性設計。需要開發(fā)者在程序編譯前，進行嚴密的邏輯推理和模塊流程規(guī)劃。本系統(tǒng)采用C語言進行編程，利用C語言程序模塊化設計的優(yōu)點進行程序設計。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2所示。

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設計完成后，須對系統(tǒng)性能進行測試，將智能燈安裝于教室房頂3.3m高度，室內(nèi)自然光強度30～300lx。測試結(jié)果顯示，當人員走到燈下時，系統(tǒng)檢測到人員的存在，自動打開燈光，人員離開后，燈光熄滅。當室內(nèi)環(huán)境自然亮度發(fā)生變化時，燈光會根據(jù)預先設定的亮度值進行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)整體效果良好。

4 結(jié)論

系統(tǒng)可根據(jù)環(huán)境自然亮度和人員情況，進行燈光強度的自動智能調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了燈光節(jié)能的目的，系統(tǒng)運行效果達到了預期目的。另外，不足之處在于人員需要完全走到燈下，系統(tǒng)才會做出開燈控制，在全黑的房間人員抹黑走到燈下并不方便，可將系統(tǒng)配合聲控或其他方式使用。

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TU7

B

1007-6344（2016）02-0092-01

張鑫宇(1995.12--) 男，遼寧省大連市人，本科學歷，專業(yè)：電子信息工程。

陳欽朋(1995.01--) 男，河南省省商丘市人，本科學歷，專業(yè)：計算機科學與技術(shù)。

吳曉桐(1995.12--) 女，遼寧省鞍山市人，本科學歷，專業(yè)：電子信息工程。