基于單片機的燈光節能控制系統設計

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，該文研究設計一種基于單片機的智能光控系統，通過單片機結合LED照明技術、紅外感應技術、光感技術等實現對照明設備的智能控制，實現對LED燈的自動開關、自動調節亮度等功能，且有自動和手動兩種模式。系統結構簡單、成本低、體積小、操作方便，具有一定的實際應用價值。

關鍵詞：單片機;傳感器;節能;照明控制

中圖分類號：G642.0? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）22-0095-03

1 引言

隨著社會經濟和科學技術的發展，人類社會的進步越來越依賴于資源的開發與利用，然而與日俱增的能源需求和有限的資源數量形成了巨大的矛盾。在尋找替代品、提高能源利用率和節約能源等幾種緩解能源危機的途徑中，節能無疑是符合可持續發展的要求。在現實生活和工作中，很多場合都需要檢測光照強度，以及根據光照強度的值，采取與之對應的控制措施[1]。

隨著計算機網絡技術、通信技術、人工智能、大數據、物聯網等技術的發展，智能建筑的發展也越來越迅猛，基于此本文設計一個基于單片機的智能燈光控制系統，通過單片機對照明系統進行控制，利用傳感器對環境的亮度進行檢測，同時檢測當前環境中是否有人存在，根據當前環境內的情況來決定是否打開照明系統，做到了真正的“低碳生活”，并且所設計的照明系統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 設計思路

科學技術及產業化水平是衡量一個國家科技創新、人工智能基礎技術的重要標志之一，也是全球范圍內前沿高技術研究最活躍的領域之一。燈光控制運行中所用光電技術、網絡通信技術及微電子技術得到了迅速發展，其主要表現在傳統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技術為燈光控制的高效運行提供了有利條件，因此，智能燈光控制技術已經成為樓宇自動化系統的發展趨勢[2]。

本設計利用計算機技術并輔助以其他手段，對電力照明實行智能控制，提供合適照明光環境的同時降低照明系統電能消耗和其他使用費用[3]。智能照明控制系統與手動照明控制系統相比有很多優點，包括創造環境氣氛、改善工作環境、提高工作效率、良好的節能效果、延長光源壽命、管理維護方便等。

本系統是以單片機為控制器的核心，主要由光照檢測電路、紅外線傳感器及處理電路、單片機系統及控制電路組成。工作時，光照檢測電路和紅外線傳感器采集光照強弱、判斷室內是否有人等信息送到單片機，單片機根據這些信息通過控制電路對LED照明設備進行開關操作，從而實現照明控制，以達到節能的目的。系統的硬件設計框圖如圖1所示。

3 主要硬件電路的設計

本設計主要硬件結構包括單片機、電源電路、復位電路、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驅動模塊。系統以單片機為控制核心，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環境的亮度，以判決是否需要開燈照明。另外，利用PWM占空比調壓技術控制LED驅動模塊，以調節LED燈的亮度[4]。系統總體設計結構框圖如圖2所示。

3.1 控制器

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

3.2 電源電路

單片機的電源采用直流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。電源座子用于連接外部的電源插頭，電源開關用于控制整個單片機的電路開和關。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的3口引腳，電源開關的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。電源開關的2、5口引腳作為單片機的接地引腳，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。本次單片機的傳感器的電壓都在5V內，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，進行供電。本次設計的電源電路如圖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系統提供基準時鐘信號，單片機內部所有的工作都是以這個時鐘信號為步調基準來進行工作的。本系統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STC89C52 的18 和19引腳上，兩個電容在電路中主要起到穩定頻率和快速起振的作用。電容值在10—30pF，典型值是22pF。 系統晶振電路圖如圖4所示。

3.4 復位電路

單片機無論在剛開始接上電源時，還是運行過程中發生故障都需要復位。復位電路用于將單片機內部各電路的狀態恢復到一個確定的初始值，并從這個狀態開始工作。單片機的復位條件：必須使其RST引腳上持續出現兩個（或以上） 機器周期的高電平。單片機的復位形式有上電復位、按鍵復位和程序自動復位，本系統選用上電復位。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的，復位電路由一個10K電阻和一個10uF的電解電容組成的。單片機最小系統復位電路的極性電容C1的大小直接影響單片機的復位時間，一般采用10～30uF。單片機復位電路如圖5所示。

3.5 光敏檢測模塊

為了對外部光照強度的測量，光敏檢測模塊的核心是光敏電阻，如圖6所示光敏電阻，此光敏電阻是負參數的光敏電阻，也就是光照增強后電阻阻值減小，通過實驗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，當光照強度很大時，光敏電阻的阻值可達幾百[Ω]，當在黑暗的環境中時，測量光敏電阻兩端的阻值，可達幾兆[Ω]的電阻。將光敏電阻與適當的橫向偏置電阻串聯，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生變化，配合相應的運放即可調制輸出供控制器采集的光敏信號。為了實現與光敏電阻的阻值相匹配的電阻，本系統采用10K的電阻進行上拉電阻。

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10μm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，當有人處于燈下時，紅外感應器會產生一個高電平脈沖，當人離開后，紅外傳感器處于低電平狀態，可根據高低電平狀態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。本系統選用LCD1602液晶顯示屏作為顯示設備，LCD1602液晶顯示屏是一款工業字符型液晶，可以顯示兩行數據，每行可以顯示十六個符號、字母或者數字，剛好可以滿足設計的需要，體積小巧，功耗較低，顯示效果良好，是一款非常實用的液晶顯示設備，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，它內部設計有復位電路，可以進行光標移動、清屏的操作。顯示的亮度可以通過外部連接的電位計進行調節。內部帶有存儲器可以儲存數據。它可以直接與單片機相連接，通過單片機程序來控制液晶的顯示。

3.8 PWM調光電路設計

控制器通過調節PWM占空比，進行調壓控制LED燈的亮度，LED燈驅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驅動器必須具有相應速度的開關能力， 同時要與所控制的LED 燈功率相匹配。

3.9 按鍵模塊

按鍵電路采用獨立按鍵通過程序進行控制，通過按鍵進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的。當用戶按下按鍵后會輸出低電平給單片機，松開后輸出高電平這樣就知道按鍵是否被按下，通過程序寫入按鍵掃描函數就執行所需要實現的功能。

4 系統軟件設計

軟件部分的主要任務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行處理。在光照較強時，系統繼續對光照檢測電路的輸出狀態進行檢測。光照較弱時，系統對信號處理電路的輸出狀態Vo進行檢測。軟件設計的優劣決定了系統的可靠性、穩定性、功能是否齊全以及人性化的設計。同時，系統性能的調試，需要進行軟件的反復修改和驗證，是系統的主要工作量之一。本系統采用C語言進行編程，利用C語言程序模塊化設計的優點進行程序設計。程序塊主要包括光敏檢測、紅外檢測、PWM調光、手動模式等程序子程序，采用過程流水控制方式，系統主程序流程圖如圖7所示。

具體過程為：當電源接通后，開始初始化，程序調用鍵盤，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，則根據外界條件控制。當有人時，如果光線很強，系統認為是白天，或者不需要開燈。當光線弱時，系統判斷是晚上，則控制燈亮。當沒有人時，系統判斷室內無人，則使輸出電路控制燈不會亮。

5 系統調試

5.1 硬件調試

按照電路圖將元件準備好之后，第一步要檢查準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行仔細認真的檢測。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。把硬件設計從布線到焊接完成之后，可以開始硬件的調試。

5.2 軟件調試

軟件調試是通過 keil 、連接以及執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。程序運行后，編輯查看程序是否存在邏輯錯誤。本系統的軟件程序完全用 C語言編寫。調試過程中采用的是自上至下的調試方法 分別調試好每一個模塊 ，最后再連接成一個完整的系統調試。

具體的調試過程為：先由單片機最小系統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單片機運行，通過觀察外圍電路和使用萬用表檢測相對應的參數對程序和模型電路進行檢測，對軟件和硬件正確性和實用性進行驗證。實物如圖8所示。

6 結束語

本設計完成了基于單片機和傳感器的智能光控系統，結構簡單，成本低，可實現自動開關同時也設置了手動控制。選取了具有代表性的建筑燈光控制系統作為研究對象，對智能燈光控制系統設計及技術體系存在的問題展開循序漸進的整合和分析。利用傳感器判斷當前環境下是否有人，同時判斷光強，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度，也可以防止特殊的情況出現不可控的現象。該系統可以大幅度減少能源損耗，營造更佳的照明環境，同時也延長了燈具壽命，系統采用緩開啟及淡入淡出的調光控制，避免了對燈具的冷態沖擊。同時可以實現不同光照強度控制一些用電設備的啟動和關閉，真正做到一定的“低碳生活”，降低能源損耗。

參考文獻：

[1] 蔡衛華，薛浩中.市政工程中路燈節能控制系統設計[J].低碳世界，2019，9（10）：304-305.

[2] 韓彥明.城市夜景照明燈光污染智能控制技術研究[J].環境科學與管理，2018，43（5）：75-78.

[3] 喬雅.基于PI控制的智能燈光控制系統設計及實現[J].電子設計工程，2020，28（1）：123-128.

[4] 李書婷，韓國富，吳小林，等.基于STC89C52單片機的教室燈控制系統設計與實現[J].自動化與儀器儀表，2017（1）：52-54.

【通聯編輯：朱寶貴】