智慧照明系統設計

張 倩，葛詩琪，張瑾琪，孟祥輝

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064）

0 引 言

進入21世紀以來，信息化和智能化均取得了質的飛躍[1]，智慧化市場初具規模的同時不同種類的智能化產品也逐漸步入了我們的生活，這既是科技發展的產物又反過來推動了科學技術的進步[2]。研究表明，城市中的照明系統既能夠有效抑制破壞行為又可以為人們提供足夠的安全感和方向感，在保證區域夜間安全和舒適性等方面發揮著日益重要的作用[3]。但照明系統帶來的光污染問題儼然成為了嚴重的全球性問題。LED綠色照明雖然可以較好地解決這個問題，但是不必要和不舒適照明的存在[4]，也使得LED壽命縮短并造成了電能的極大浪費。綜上所述，一個良好的照明系統在現代社會中顯得愈發重要，本課題旨在提供一個具有自動調節能力的智慧照明系統，實現室內和室外兩種兼容模式，以達到智能和節能的要求[5]。

1 系統方案設計

本文在Keil 4開發環境下分別設計了人體檢測、光線檢測、數據處理、獨立按鍵操作和屏幕顯示等模塊，將智慧照明系統分為室外（自動）模式和室內（手動）模式。室外模式利用人體紅外模塊檢測是否有人，若有人，照明燈根據光線強度自動調節亮度；如果無人，照明燈在30 s后熄滅。自動調節通過光敏電阻來檢測光線狀態，經ADC轉換送至單片機處理后，利用PWM調光技術對LED的亮度進行調節。室內模式通過按鍵實現手動控制照明燈開關及亮暗程度。總體設計如圖1所示。

數據處理采用靈活性高且價廉的芯片STC89C52，其具有低功耗閑置模式和掉電模式等（閑置模式下CPU工作停止），擁有片內振蕩器和時鐘電路[6]。時鐘芯片選用使用廣泛的DS1302，其具有價格低廉、高性能、接口簡單、低功耗、使用方便等特點，具有涓細電流充電（可編程）能力，可掉電保護電源[7]。人體傳感器選用HC-SR501人體熱釋電紅外感應模塊，其具有較高的靈敏度和較強的可靠性[8]。光線傳感器選用具有體積小、質量輕、耐沖擊和壽命長等特點的光敏電阻[9]。選用電路芯片ADC0832實現模擬量和數字量的轉換[10]。配合單片機使用的液晶屏選用LCD1602，主要用于顯示時間和日期、光線強度等級、LED亮度等級，并具備24小時制日期時間調節功能。

圖1 總體設計

2 系統軟件設計

智慧照明系統采用結構化和模塊化的C語言編程，靈活方便且目標程序效率高[11]。系統的按鍵分為時間調節和燈光控制兩部分。程序初始化掃描鍵盤，如果檢測到按下的按鍵為時間調節模式，則系統進入時間調節模式，然后繼續掃描按鍵，利用按鍵“加”“減”“確認”來調節時間和日期。當檢測到按下的按鍵為模式切換時，系統進入燈光控制模式，區分此時為手動調節模式還是自動調節模式，如果是手動模式，則程序繼續掃描按鍵，并利用“開”“關”“亮度加”“亮度減”按鍵進行燈的控制；如果是自動模式，程序進入人體檢測模式，如果有人，則利用檢測到的光線進行燈的自動調節。系統總流程如圖2所示。

圖2 系統總流程

2.1 屏幕顯示模塊

液晶屏顯示子流程如圖3所示。

圖3 液晶屏顯示子流程

2.2 光線檢測模塊

光敏電阻用來檢測光線，外界光線越亮，電阻阻值越低，電阻兩端的電壓作為ADC0832轉換器的模擬量輸入[12]。0～5 V的模擬電壓用256個數字（0～255）來表示，并將256個數字信號值分為10段，間隔為20個數字量。

光線檢測分為兩部分，一部分將檢測到的光線強度區分為0～9共10個等級，用變量Light表示，流程如圖4所示。另一部分為自動檢測時，根據檢測到的光線來定義燈光的亮度，分為10個等級（0～9），用變量pwm表示。燈光亮度由變量pwm決定：pwm為0時燈光亮度等級為0級，燈滅；pwm為9時燈最亮。該過程的流程如圖5所示。

圖4 光線強度流程

圖5 燈的亮度流程

2.3 人體檢測模塊

人體檢測流程如圖6所示。

圖6 人體檢測流程

3 試驗結果及分析

本文所設計的居民區智能化照明系統分為室外模式和室內模式兩種，并且具備24小時制日期時間調節功能，液晶屏主要用來顯示時間和日期、光線強度等級和LED亮度等級。在完成系統硬件電路搭建和單片機程序燒錄后，對系統進行功能性檢測，系統很好地完成了預設的各項功能。

3.1 電源開關及模式切換

系統電源開關以及模式切換正常，系統電源按鍵被按下，標有“電源”的LED燈亮，表示系統通電可以正常工作。按下切換按鍵，系統可切換室外和室內兩種模式，即自動和手動模式，切換至哪種模式，則該模式的LED燈亮。

3.2 室外模式

系統置于室外并切換至室外模式（即自動模式），天暗后系統檢測到有人通過時，標有“有人”的LED燈亮起，同時自動開啟USB燈，根據光線強度自動調節USB燈的亮度；無人時USB燈在30 s后熄滅。

系統根據光線強度進行自動調節，當光線強度等級由9～0變化時，USB燈的亮度相應發生變化。當光源完全消失光線強度為0時，照明系統調節至最亮。

USB燈0～9等級的亮度由亮至暗對比展示如圖7所示。

圖7 亮度等級對比圖

3.3 室內模式

系統置于室內并切換至室內模式（手動模式），按下“手動”開關后，手動指示燈亮；通過調節“亮”“暗”開關來調節USB燈的亮度，顯示屏示數相應變化。

3.4 時鐘模塊測定

液晶顯示屏顯示年、月、日、時、分、秒和周，連續按下“設置”和“確認”鍵后，可以對時間和日期進行設置，通過“選擇”鍵來選擇需要更改的部分，然后通過“加”“減”按鍵進行調整，電源關閉后，時鐘正常計時。

4 結 語

結合智能化家居、計算機電子技術、傳感器等應用背景和照明系統國內外研究現狀設計了本文提出的照明方案[13]。設計了系統實現的總體硬件電路，選取了適合的器件并將各部分電路進行了詳細闡述，規劃了各部分的程序流程，實現了電路仿真，最后進行了全面的系統試驗和結果分析。根據不同條件下的測試結果，本設計系統基本滿足了方案預設的全部功能，并且具有較高的可靠性。