智能聲光控樓道燈設計＊

侯秀麗，孫廨堯，羅青青

（安徽商貿職業技術學院信息與人工智能學院，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，近年來在國家綠色節能建筑的要求下，大部分新建樓宇的樓道燈都應用了智能LED燈，但是不少老舊建筑的樓道燈仍使用傳統燈泡和接觸開關，經常人走后，照明燈通宵長亮，浪費大量能源。樓道照明需求一般是斷續的，白天或光線好時根本不需要亮燈，只有在黑天并且有人經過時才需要點亮，若單純使用聲控開關，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傳統開關可以很好地解決上述問題。天黑光線變暗，當檢測到有人經過樓道的腳步聲或其他聲音時，樓道燈自動點亮提供照明，當人們走過樓道以后，燈延時半分鐘自動熄滅。白天光線強，即使檢測到有聲音，樓道燈也不點亮，可達到節能的目的[1]。這種智能聲光雙控燈的應用范圍很廣，如教學樓、大型工廠、辦公樓的走廊以及住宅建筑的樓道等。

2 系統總體方案設計

在滿足樓道照明需求下，智能聲光控樓道燈還要實現最大化節能目標。在白天或太陽光較亮時，可視性較高，不需要照明。這時，電路要處于限制狀態，不會因為接收到聲音而亮燈。當夜晚光線微弱，人們看不清周圍情況時才需要照明設備，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開啟一定時間（比如半分鐘）后自動關閉照明燈[2]。系統總體方案如下。

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弱，并且可以通過電位器調節光照閾值；采用駐極體話筒判斷是否有聲音，當感應到有聲音時燈會亮，否則燈熄滅，并且可以通過電位器調節聲音閾值；當光線變暗且檢測到有聲音時，繼電器吸合（亮燈），延時約30 s繼電器斷開（燈滅），實現了節能控制；當光線持續變暗且連續感應到有聲音時，則會以最后沒有觸發條件開始延時30 s，然后燈熄滅。

3 系統硬件設計

系統硬件結構如圖1所示，系統由STC89C52單片機控制模塊、光強檢測與比較模塊、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。作為8位微控制器，其擁有靈巧的8 k字節在系統編程Flash，512字節RAM，32位I/O口線，內置4 KB存儲器，3個16位定時器/計數器及WDT，4個外部中斷，支持全雙工串口通信。

圖1 系統硬件結構框圖

3.1 單片機最小系統設計

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

圖2 單片機時鐘及復位電路

JD1為單片機的下載接口。單片機電源引腳為VCC和GND，系統選擇5 V直流電源供電。電源電路設計思想是：原理簡單、工作可靠、具有狀態顯示。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、手機充電器、移動電源等。通過一個自鎖開關SW實現供電控制。當開關被按下，電源指示燈LED點亮，系統對外輸出5V直流電壓；當開關再次被按下，LED指示燈熄滅，切斷電源，無輸出。通過給紅色的LED燈串聯1 kΩ限流電阻，提高系統可靠性，實現過流保護[3]。

圖3 電源電路

3.2 光照檢測電路設計

3.2.1 光敏電阻檢測光強電路設計

能夠實現光強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，都是根據不同光電效應原理進行工作的。本系統選擇光敏電阻作為檢測光照強度的器件，光敏電阻通常是由半導體材料（硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛等）等制成的，其原理基于內光電效應。光照越強，阻值越低。光敏電阻對光線非常敏感，無光照時呈高阻狀態，暗電阻一般可達1.5 MΩ。隨光照強度升高，阻值迅速降低，亮電阻值可小至1 kΩ以下[4]。光敏電阻應用電路如圖4所示，光敏電阻應用電路通過串聯一個10 kΩ電阻實現分壓，保護光敏電阻。

圖4 光敏電阻應用電路

3.2.2 LM393比較器電路設計

系統選擇LM393比較器對光敏電阻輸出的模擬信號進行數字處理。LM393是8個引腳的雙電壓比較器集成芯片，其負載電阻不受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，用來設置參考電壓，改變電位器阻值，即可改變參考設置電壓。當第3和第6引腳模擬電壓值超過所設置的參考電壓后，則LED燈將會亮，否則，LED燈不亮，進而實現了對模擬信號狀態量的檢測。使用時，通常把芯片第1和第7腳接到單片機有關引腳上，即可采集處理相關數據，LM393電路原理如圖5所示。

圖5 LM393電路原理圖

3.3 聲音檢測電路設計

電容式駐極體話筒具有很多突出優點，如電聲性能好、外觀小巧、價格實惠等，因此在無線麥克風、助聽器、錄音機中得到大量應用。本文選其作為聲音檢測傳感器，電路可分為聲電轉換和阻抗變換兩部分。聲音檢測電路如圖6所示，聲電轉換核心元件是駐極體振動膜，它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發上一層純金薄膜，經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介電常數乘積再除以板間距離d，即當有聲音輸入時，膜片隨聲波發生振動，使電容兩個極板間距離發生變化，導致電容量C變化[5]。因駐極體兩側電荷Q不變，所以電容兩端電壓發生變化（UC=Q/C），從而實現了聲電轉換。交變電壓幅值大小可以反映外界聲壓的強弱,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，需要在話筒內接入一個三極管來進行阻抗變換[6]。

圖6 聲音檢測電路

3.4 繼電器控制電路設計

作為一種電子控制器件，繼電器在電路中能起到調節、保護、轉換等作用，被大量應用于自動控制、遙控、機電設備中。常用的電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等部分組成。給線圈施加一定的電壓后，線圈中就會流過一定的電流，產生電磁感應。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，使得動觸點與靜觸點吸合。當線圈斷電后，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，使動觸點與原靜觸點釋放。通過觸點吸合與釋放實現了電路的導通與切斷控制[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射極上。三極管基極接單片機輸出引腳，當單片機管腳輸出為低電平時，管子導通，驅動繼電器觸點吸合，LED燈點亮。和前面一樣，也是通過串聯1 kΩ限流電阻進行保護。

圖7 繼電器控制電路

4 系統軟件設計

4.1 軟件開發與仿真調試

本設計中單片機開發環境應用Keil C51平臺，使用C語言進行編程，采用主程序加子程序的結構。分別設計判斷光強與聲音程序以及延時控制程序。系統上電后，首先進行初始化操作，然后讀取光強值，進行判斷。當為黑天時，再判斷是否有聲音信號，若有，則讓單片機控制引腳輸出低電平信號給三極管驅動繼電器閉合，實現樓道燈點亮，同時繼續判斷聲音信號；若無，則延時30 s后繼電器斷開，使樓道燈熄滅。

源程序寫好后編譯生成.hex文件，使用protues軟件進行系統仿真調試，若不能完全實現預定功能，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

仿真調試通過的程序，使用STC-ISP單片機下載編程燒錄軟件，通過CH340串口燒寫模塊實現對單片機程序的燒寫。步驟如下：將單片機開發板和下載器（即CH340串口燒寫模塊）以及計算機連接好后，首先需要在燒錄軟件中選擇單片機型號和串口號，并設置好波特率，其次選擇項目“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 系統實物制作與調試

根據前面第二部分所設計的電路，購買相關元器件，并檢查無誤后，進行硬件焊接，完成實物制作過程。再根據第三部分操作步驟，下載好程序后進行整機調試與故障排查[9]。系統實物運行如圖8所示。

圖8 系統實物運行圖

6 結語

本文設計一個智能型聲光控樓道燈，詳細闡述了系統硬件電路設計過程以及程序設計步驟，并完成了實物模型制作與調試。經過多次測試，該系統均能實現預定功能。系統可靠性高，運行穩定，能夠滿足樓道智能照明需求，節能環保，具有一定的應用前景。