基于STC15 單片機智能臺燈控制系統(tǒng)設計

李昆侖，周峰，徐鵬程，劉兵

（湖南應用技術學院機電工程學院，湖南常德，415101）

時至21 世紀，智能終端顛覆傳統(tǒng)，智能家居走進千千萬萬個家庭，服務人們的日常。智能照明系統(tǒng)是智能家居里重要一環(huán)，不僅為用戶提供舒適自然的照明，也最大限度地避免能源浪費，同時對不同照明場景、不同照明需求有不同照明方案可供使用。

照明系統(tǒng)發(fā)展至今，照明元件的耐用性不再是評判該系統(tǒng)優(yōu)劣唯一指標，其系統(tǒng)控制性能也占據(jù)重要地位，如光照亮暗調(diào)節(jié)、色溫冷暖調(diào)節(jié)、聚光性能、照明角度、照明范圍等等。智能照明相比于傳統(tǒng)照明，增加了智能化控制中樞，系統(tǒng)在運行過程中能夠自動調(diào)整和控制，產(chǎn)品更智能化、安全性更高、適用性更強。

歐美國家的大型辦公樓、普通民房等建筑物，在照明網(wǎng)絡中都應用了智能照明系統(tǒng)，所占市場份額大幅領先，而我國在本領域內(nèi)的市場占有率方面則稍遜一籌，主要是由于起步遲緩，產(chǎn)品不夠成熟，控制方法不夠靈活，或者成本偏高，缺少消費者等原因導致。目前國內(nèi)外已有眾多LED 智能控制產(chǎn)品，但在做工精度、技術方案、可控性能等方面還存在許多有待改善的地方，智能照明技術在中高端控制領域，如光照頻譜控制以及多元化環(huán)境集成等方面還有著很大發(fā)展空間。智能照明尚處于上升發(fā)展階段，國內(nèi)外許多知名企業(yè)都對這項新銳技術表示看好，就國內(nèi)來說，智能照明控制系統(tǒng)在道路交通、住宅居家、景觀藝術、工業(yè)生產(chǎn)等等場合都得到了不同程度的應用。

1 系統(tǒng)設計概述

智能臺燈控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示，其整體結構由人體接近感應電路、光照強度采集電路、單片機電路、按鍵控制電路、LED 燈模塊、電源電路及下載電路組成。本設計使用IAP15W4K58S4 芯片作為主控單元，實現(xiàn)對照明電路的自動調(diào)節(jié)與智能開關。系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能：

圖1 智能臺燈控制系統(tǒng)框圖

（1）模式切換。用戶通過獨立按鍵為智能臺燈指定工作模式，臺燈定義兩種工作模式，當電路中的模式指示燈亮起時系統(tǒng)正處于自動模式，反之則為手動模式。

（2）手動加減亮度。手動模式需要用戶通過使用按鍵改變臺燈的亮暗情況。系統(tǒng)設有兩個獨立按鍵，用戶通過按下相應的按鍵來增加、減小臺燈的亮度。

（3）自動控制亮度。此模式下要求系統(tǒng)可以根據(jù)臺燈所處環(huán)境來自動調(diào)節(jié)其本身的亮度。環(huán)境越暗臺燈燈光越強，環(huán)境越亮臺燈燈光越弱。

（4）自動開燈和關燈。當感應到人來并且臺燈周圍的環(huán)境亮度低于設定閾值時，自動打開臺燈；人離開一定范圍后自動延時關閉臺燈，在延遲時間內(nèi)若檢測到人來，則取消延時關燈，保持臺燈打開。

■1.1 單片機最小系統(tǒng)電路

IAP15W4K58S4 芯片搭載4KB 靜態(tài)隨機存儲器，采用STC 第八代通信加密技術，抗靜電、防干擾能力強，內(nèi)部自帶時鐘電路和復位電路，無需用戶手動搭建，簡化單片機外圍電路，降低芯片使用門檻[1]。

系統(tǒng)采用USB 口供電，安全便捷。程序下載由USB TO TTL 模塊完成，該模塊將單片機通信接口的電平邏輯和PC 機通信接口的電平邏輯相匹配，通過六角開關對單片機進行冷啟動，即可完成單片機程序燒錄與調(diào)試，最小系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 最小系統(tǒng)電路圖

■1.2 光照強度采集電路

環(huán)境光照強度采集電路由光敏電阻、分壓電阻和ADC0832 模數(shù)轉換芯片組成。ADC0832 芯片具有雙輸入通道，可支持模擬量差分輸入，最高分辨率可達256 級，完成一次A/D 轉換僅需32μs，正常功耗只有15mW，且一次轉換可以輸出兩位數(shù)據(jù)，通過比對輸出結果，可以有效減少轉換誤差，提高轉換精確度與穩(wěn)定性。ADC0832 可以根據(jù)需求配置成單端輸入與差分輸入，輸出方式采用串行輸出，可以方便的與標準移位寄存器及微處理器對接。光照強度采集電路如圖3 所示。

圖3 光照強度采集電路

■1.3 功能按鍵電路

為滿足功能需求，需要3 個獨立按鍵來完成對系統(tǒng)控制，它們分別對應智能臺燈手動模式下的亮度加與亮度減鍵以及模式切換鍵。獨立按鍵與單片機的連接如圖4 所示。

圖4 按鍵電路

■1.4 人體紅外感應電路

HC-SR501 是基于PIR(Passive Infrared Ray，熱釋電紅外傳感器)技術的感應式控制模塊，采用了行業(yè)內(nèi)先進的優(yōu)質(zhì)探頭，靈敏度高低可調(diào)，控制簡單，被廣泛應用于樓道控制，智能家居等大量自動控制設備中[2]。本設計將采用該模塊作為智能臺燈的人體感應器，實現(xiàn)無人時自動關燈、人來時自動開燈。HC-SR501 模塊與單片機的連接如圖5 所示。

圖5 人體紅外感應電路

■1.5 指示燈及照明電路

系統(tǒng)有兩種工作模式，用LED的亮、滅兩種狀態(tài)即可表示。單個LED的功率微弱，由單片機一個I/O 口即可驅動，再串接一個保護電阻，即構成了智能臺燈的模式指示燈電路。

設計采用USB 燈條作為照明器件，考慮到燈條功率較大，單個I/O 口不足以驅動，為避免燈條出現(xiàn)燈光暗淡的情況，故在電路中加入了一個PNP 型三極管，增強了帶負載能力的同時，也起到了保護單片機的作用。指示燈電路及照明電路如圖6 所示。

圖6 模式指示燈與照明電路

2 系統(tǒng)主程序流程圖設計

圖7 所示為智能臺燈系統(tǒng)主程序流程框圖。當程序開始后，對系統(tǒng)進行初始化，此后不斷進行按鍵掃描與模式判斷，使系統(tǒng)可以實時響應按鍵輸入和模式切換。當系統(tǒng)處于自動模式時，一方面會循環(huán)讀取ADC0832的轉換結果，并將這個數(shù)據(jù)反饋給自動控制程序，自動控制程序再根據(jù)此數(shù)值的范圍大小，來決定臺燈的亮度；另一方面與人體感應模塊進行通信，當感應模塊檢測到人體離開一定范圍后，自動控制程序則控制照明電路延時關閉，若檢測到人來，則自動開燈；若系統(tǒng)處于手動模式，則對按鍵模塊進行循環(huán)掃描，當檢測到相應的按鍵按下時，進行增加或減小亮度的操作。

圖7 系統(tǒng)主程序流程

3 結語

本文提出一種安全節(jié)能智能臺燈設計方案，有效地減少資源消耗，同時能夠根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境的亮度差距來控制臺燈的光強級別。采用PWM 脈沖寬度調(diào)制法調(diào)節(jié)亮度。用戶可以使用按鍵來完成臺燈工作模式的選擇，手動模式下，需要用戶使用按鍵來控制臺燈的開關及亮度。本設計通過自動模式來最大限度地減少臺燈的能源浪費，通過手動模式來增強它在日常生活中的實用性，達到了智能節(jié)電、靈活多用的目的。