基于單片機和HC-SR501的智能家居照明系統設計

江美枝

（武昌職業學院，湖北 武漢 430200）

0 引言

電能在生活中無處不在，小到電子產品，大到日常生活、生產、娛樂等，電能在被廣泛應用的同時，存在著巨大浪費。智能家居室內照明存在的主要浪費行為有光線充足時仍開燈、人走不隨手關燈等現象。此時，開發一個智能化、人性化照明系統，在進行人性化控制的同時，也能減少能源的浪費。利用低成本的STC89C52單片機、低功耗高亮度的LED燈、熱釋電人體感應模塊、按鍵模塊、紅外遙控模塊等，對智能照明系統的軟硬件進行設計，從而減少能源浪費。

1 系統設計

1.1 設計內容

智能照明系統主要是通過熱釋電人體紅外感應模塊來確認檢測范圍內是否有人。如果有人，光敏電阻開始檢測光線強度，當光線弱時，通過PWM 技術來調節照明燈亮度，在節省能源的同時，不會造成光污染，可避免在強光照或沒人時照明燈一直開啟。若不想自動調節燈亮度，可切換到手動調節模式進行調節。這樣既能滿足人們的實際生活需要，也符合能源節約的要求。

1.2 系統整體框架

STC89C52 單片機作為主芯片，主要負責整個系統運行。系統整體框架如圖1 所示。在STC89C52芯片接收到熱釋電紅外感應模塊和光敏檢測模塊信號后，會對該信息進行處理，控制信號輸出，從而使指示燈和光電控制電路作出相應反應，而按鍵/無線控制部分可實現系統的手動/自動模式切換及亮度調節功能。

圖1 系統整體框架

2 硬件電路設計

2.1 硬件設計

根據系統功能需求，設計出基于單片機STC89C5 2 的硬件電路。該系統的硬件部分主要由STC89C52組成的最小系統、光敏檢測的模數轉換、按鍵模塊及紅外一體接收模塊、熱釋電傳感器模塊等組成。其中，熱釋電傳感器用來檢測是否有人存在，如果有人且光線不充足時，系統會發出點亮燈的信號。光敏電阻檢測光線信號，經ADC0832完成模數轉換后輸入到主芯片中進行處理，從而控制照明燈亮度，系統可根據室內光照強度來智能控制照明，并實現人來自動開燈、人走自動關燈［1-2］，同時可通過按鍵和紅外遙控模塊來切換手動或自動模式，并調節照明燈亮度。

2.2 HC-SR501熱釋電人體感應模塊

該系統在設計時用到人體感應模塊。HCSR501 模塊是自動紅外控制裝置，使用LHI778 探頭來完成設計，如圖2 所示，其工作靈敏、可靠，可在略微低壓模式下進行工作。該裝置已應用于多種自動化電器中。

圖2 熱釋電人體感應

2.2.1 紅外光譜。自然界中有溫度的物體都會輻射出紅外光，但不同物體輻射出的紅外波長有所差異。人體輻射出的紅外波長在10 000 nm左右，根據該特性可設計出一種探測儀器（如HC-SR501模塊），只能檢測10 000 nm左右的波長，且不受其他光波的影響，可用來檢測人體活動信息。HC-SR501模塊的檢測范圍在7 m 內，是根據熱釋電原理制作的，即通過溫度變化導致電荷發生變化的原理來檢測人體活動。

2.2.2 紅外線傳感器。傳統熱釋電傳感器一般使用一元傳感器，但其很容易受到其他不必要雜光、溫度等因素的影響，在實際應用中的效果不好。所以，本研究采用雙元傳感器（具有高靈敏度）。傳感器探測元由高熱電材料制成，探測器結構如圖3所示。在每個探測器內裝有2 個反極性串聯的探測元件，以抑制高溫產生的干擾［3］。同時輸入紅外線會被抵消掉，無信號輸出，從而降低外部雜光、環境溫度變化和外部震動產生的影響。

圖3 探測器結構

由于內置紅外線傳感器的輸入阻抗高，易產生噪聲。因此，可使用金屬封裝外殼，并進行接地，從而實現傳感器的電磁屏蔽，最終實現降噪去雜的目的。為避免受到其他不必要光線的影響，一般情況下，可在傳感器表面添加濾光片。由于人體移動緩慢，需要高效率、高聚焦能力的配件，才能滿足實際應用需求，因此使用菲涅耳透鏡等配件。

2.2.3 紅外感應模塊。熱釋電人體紅外感應模塊的內部電路結構如圖4 所示。該模塊由輸出電路、光控電路、比較器、帶通放大器、熱釋電傳感器、菲涅爾透鏡等組成，具有體積小、使用方便、可靠、探測角度大等優點。

圖4 內部電路結構

2.3 光敏檢測模塊

2.3.1 光敏電阻。使用光敏電阻對室內開關燈條件進行檢測，該控制系統能實現對室內照明的智能控制［4］。光敏電阻工作原理是基于內光電效應的，通常也被稱為光導管，隨著光線作用時間增長，其阻值會變小。為增加靈敏度，將2 個電極做成梳狀。在制作光敏電阻時，通常使用硫化鎘、硒等材料。這些材料在一定波長的光線照射下，電阻值會迅速降低，即在光照條件下，其內部產生載流子，載流子在外電場的作用下會發生漂移，電子運動到電源正極，空穴運動到電源負極。當光照消失后，產生的載流子電子和空穴復合為原來的電子-空穴對狀態，從而使光敏電阻的阻值上升，恢復到原來的阻值大小［5］。光敏電阻不分極性，僅僅作為電阻器，在使用時既可加直流電，也可加交流電。

一個光敏電阻串聯一個分壓電阻，并連接到電源端，光敏電阻分得的電壓輸入到ADC0832 芯片進行模數轉換后，再送到主芯片STC89C52 進行處理，并輸出控制信號，如圖5 所示。在不同亮度環境下，光敏電阻的阻值不一樣，導致分得的電壓也不一樣。利用該原理來控制照明燈亮度，從而實現智能化照明。

圖5 光敏電路

2.3.2 PWM 技術。該智能照明系統主要通過LED 驅動器的PWM 技術來控制占空比，從而調節電壓大小，實現對LED 亮暗程度的控制［6-7］。由于PWM 技術具有顏色一致性好、亮度級別高、調光范圍大、線性度好、LED 驅動器轉換率高等優點，從而被廣泛用于調光。LED 發光的光通量會隨流過的電流增加而增加，利用PWM技術調整流過LED的正向電流占空比來實現對LED 燈亮度的調節。PWM 的輸出占空比波形如圖6 所示，T為脈沖周期，ton為脈沖寬度（高電平），即占空比為ton/T，通過控制輸出來實現對亮度的分級調節。脈寬調制是通過控制輸出信號中每周期內輸出高電平的比例，即控制LED的導通時間，從而實現分級亮度調節的［8］。系統將燈的亮度分為10 個等級，從而控制燈亮度的調節，每個等級相差10%的占空比。

圖6 PWM輸出占空比波形

2.4 紅外遙控

紅外遙控發射電路是利用紅外發光二極管來實現的，該電路發出經過調制的紅外波，紅外接收電路（主要由二極管、三極管或硅光電池組成）將接收到的光信號轉換為電信號，并進行放大處理。發送和接收的紅外光為不可見光，對環境產生的影響小，且這種光比無線電波的波長更短，在使用時不會影響到其他家用電器或無線設備的正常使用。

紅外遙控模塊具有電路簡單、使用方便、成本低等優點，可通過程序直接識別出相應按鍵，從而控制實現照明燈模式的切換和燈亮度的調節。

3 軟件設計

主程序流程如圖7 所示。開始后對系統進行初始化操作，先判斷系統的工作模式（自動或手動），若為自動模式，判斷是否有人，有人就讀取AD值，利用PWM 技術來調節燈光，沒人就回到初始化狀態。若為手動模式，掃描按鍵的狀態（按下與否）或判斷接收到遙控的信號，從而調節燈的亮度。在整個軟件設計中，系統使用2 個定時器，分別為定時器0 的方式1 和定時器1 的方式2。定時器0 只用作串口通信，用于接收、存儲紅外遙控傳輸的數據。定時器1 在外部中斷時使用，根據檢查到的光線強度來調節燈的亮度。

圖7 主程序流程

4 系統測試與分析

對該系統進行硬件連接測試，在所處環境的檢測范圍內，當處于自動模式時，判斷檢測范圍內是否有人，當檢測到有人時，將數據傳送給單片機，讀取外界光照強度，通過PWM技術來調節燈的亮度。當處于手動模式時，可通過紅外遙控手動按鍵進行處理。

5 結語

經過功能調試，在自動模式下，該系統能實時檢測出是否有人存在，并完成燈亮度的自動調節和手動調節，當沒人時，可自動關燈。該系統可實現照明系統的自動化管理，功能調試效果良好，能達到預期設計的目標。該系統操作簡單，能穩定進行亮度的自動調節，具有較好的實用性。