基于單片機的智能照明控制器設計

進入二十一世紀，環(huán)境和能源問題是人類面臨和急需改善的重要問題。對于環(huán)境的改善和能源的節(jié)約更是國家長期發(fā)展的主要目標，節(jié)能減排也是國家的重要號召。在眾多的能源問題中，用電的緊張和電能的短缺直接影響到我國經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的質量。近年來，我國高校事業(yè)蓬勃發(fā)展，高校每天的用電量也逐漸成為學校壓力之一，并且學校長年采用人工管理模式，而且學生有無固定座位和教室的特點，導致教室因過度照明引起照明設施的加速損壞，對未來學生的學習也產生了影響。從上世紀開始，國外就開始研究了智能室內照明系統(tǒng)，并有了相當一部分的成就，擁有低功耗，綠色環(huán)保，大大加強了燈具使用壽命短的問題。而且這對于我國的高校目前教室數(shù)目龐大的現(xiàn)狀，應用此智能照明系統(tǒng)，可以大大的降低高校的用電需求量，從而達到節(jié)約電的目的。

基于這一理念從節(jié)能減排出發(fā)設計了一種基于單片機的教室燈光智能控制系統(tǒng)。此設計采用以STC89C52RC單片機作為核心微處理器，并配合一定數(shù)量的光敏電阻，熱釋電紅外傳感器，人體紅外傳感器，位置檢測器等集成紅外信號采集模塊，光照信號采集模塊，計數(shù)電路模塊，通過這些模塊的共同參與把數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后進行反饋，從而實現(xiàn)智能照明的目的。

智能照明控制器整體設計方案

本文設計的智能照明控制器，以人員出入信號作為輸入?yún)?shù)，并能根據(jù)室內的具體光照強度對燈組進行控制，同時該系統(tǒng)還加入了手動控制以便人為的控制燈組，還可以根據(jù)教室內具體人數(shù)控制要亮燈的數(shù)量。當有人在教室時，人體紅外傳感器將信號發(fā)送到單片機，單片機通過電路進行采集光強信號，然后判斷教室是否需要開燈，若需要開燈，單片機通過繼電器來打開燈。另外在房間門內外分別安裝一套信號模塊來判斷人進入房間還是走出房間，以此來計數(shù)室內人數(shù)，打開與之相對應的燈光數(shù)量。熱釋電紅外傳感器作為該系統(tǒng)的人員位置檢測器。如果無人仍然需要燈光，可以打開手動開關。并且該手動系統(tǒng)不會影響系統(tǒng)程序的正常執(zhí)行。智能照明控制器總體框圖如圖1所示。

系統(tǒng)各部分設計方案

圖1 智能照明控制器總體框圖

信號采集部分主要分成三部分，分別為紅外信號采集，光信號采集和計數(shù)電路設計，每個部分使用不同的傳感器進行工作，保證測量數(shù)據(jù)的準確性和處理的正確性，對傳感器的安裝和放置也進行相應設計。

紅外信號采集設計

本文針對教室環(huán)境進行研究，利用熱紅外人體感應檢測功能進行室內燈光控制。當系統(tǒng)在環(huán)境中有人在場的時候，可以通過系統(tǒng)人體熱釋電紅外線控制來感應環(huán)境中是否有人存在，以此決定被控制區(qū)域內燈的開關情況。本設計采用熱釋電紅外傳感器，熱釋電紅外傳感器是一種新型敏感元件。熱釋電紅外傳感器是由一種廣譜材料制成，該傳感器的窗口還裝有一塊干涉濾波片，以此提高對某一波長范圍的紅外輻射的靈敏度。該濾波片只能通過特定的波長的紅外光，從而阻止燈光、自然光和其它波長紅外光通過。應用熱釋電傳感器的主要優(yōu)勢是成本較低，不需要其他發(fā)射源，且有隱蔽性好、便于安裝、靈敏度高、控制范圍大的特點。熱釋電紅外傳感器利用熱釋電效應，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，不僅能把其轉化為電壓信號，還能檢測到運動的生物和其他非生物，為了更清晰直觀的說明其工作原理，圖2為其工作原理。

圖2 熱釋電紅外傳感器工作原理

光照信號采集設計

本設計利用數(shù)字式光照強度檢測模塊GY-30，作為光強數(shù)據(jù)采集傳感器，此模塊采用5v供電電源，光照強度采集范圍在0到65536lx之間，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，測量精度可達到1lx，此模塊內部集成了16位AD轉換器，之間輸出數(shù)字量，使數(shù)據(jù)處理計算簡單，同時電路簡單，節(jié)省資源。

本系統(tǒng)的研究以大學教室為例，教室內一般都是單面窗戶，室內不同的位置會受到不同的光照。光照傳感器的安裝要根據(jù)由窗戶到室內的梯度來安裝，并且設定不同的光照閾值來控制開關燈的數(shù)量。若要相適應的控制室內燈光的強度，就必須把太陽光的因素考慮進來。但是自然光的變化屬于非線性，不是人為可以控制的并且與建筑物和當時的天氣狀況有相當密切的聯(lián)系。所以必須合理布置光照度傳感器的位置，才能使采集的數(shù)據(jù)更貼近實際。當自然光照滿足人們正常工作需求時，關閉燈具，當自然光不足以滿足人們的視覺要求時，才開啟燈具。

計數(shù)電路設計

所研究教室為單面窗，教室光照由窗到內呈梯度下降，室內的人數(shù)和所處位置決定了需要開燈的數(shù)量和位置，用紅外人體感應傳感器完成室內人數(shù)的統(tǒng)計，主要方法是將傳感器安裝在門的兩側，當有人通過時，出和入使傳感器檢測的先后順序不同，通過該順序就可以判斷出人出入的狀態(tài)，通過計數(shù)裝置進行加減就能統(tǒng)計出室內人員的數(shù)量，并依此作為學生進入教室和出教室的依據(jù)并統(tǒng)計人員數(shù)量。該計數(shù)電路采用了兩套信號裝置。一個安裝教室靠近門外的墻壁上，另一個安裝在教室門上方并且與地平行。

上述方法的檢測是在人體活動規(guī)律合理的情況下，在小型室內人數(shù)活動較少的環(huán)境下比較適用，但在大型教室的人數(shù)統(tǒng)計上有很多弊端。尤其是教室作為一個比較隨機的場所，且人員流動量大不好控制、人員相對集中并存在幾個人一起進入教室的情況，這樣就會使傳感器只檢測一個人進入，使計算的人數(shù)產生嚴重偏差。由此可見，這種方法對于大學教室的智能照明控制是有局限性的。

為了減小這些情況帶來的誤差，在本系統(tǒng)的設計中，將分為上課和自習兩種模式，上課時人員活動集中，自習時相對單一容易檢測和計數(shù)。紅外人體感應傳感器安裝在室內多個位置進行多點式檢測，從而檢測出人體活動的規(guī)律，在在每個燈管的旁邊安裝紅外人體紅外傳感器，通過在菲涅爾透鏡上加阻擋物， 將每個傳感器的檢測范圍控制在燈具下方的座位區(qū)域， 且每個相鄰的燈具不存在重疊部分。從而可準確的檢測到人的活動方向，使人數(shù)的統(tǒng)計準確無誤。

圖3 主程序流程圖

軟件設計

由于具體室內的實際情況比較復雜，可分為多種不同的情況，應考慮到各方面的需要。光照，人數(shù)，位置的種種因素都會對單片機的處理產生影響。本設計以學生教室為例，在初始化后，直接讀取采集的光強信號，需要根據(jù)室內人數(shù)和具體位置進行開燈的設計，通過熱釋電紅外傳感器檢測人體具體位置選擇性控制led燈組。主程序流程圖如圖3所示。

結束語

本文對智能照明控制器的控制部分進行了研究，以自然光，人體為數(shù)據(jù)采集的標準和輸入信號，比傳統(tǒng)的人工管理更準確和方便，從而降低人力和電的浪費。本控制系統(tǒng)的設計適應于各類高校的大中小教室的燈具控制，并且對一些小型公司的照明管理也有相當作用。在保證裝置能穩(wěn)定可靠工作的前提下，在硬件方面主要選擇性價比較高的從而降低成本。對于軟件我們采用多任務處理和多信號處理的原則，減少人力的控制，從而實現(xiàn)智能照明的目的。

智能照明系統(tǒng)對于我們所處的社會有著非常重要的意義，在以節(jié)約資源為宗旨的前提下進行研究和開發(fā)，而且智能照明控制是低功耗，高效率，以及是生活科技化的有效體現(xiàn)。相信在不久的將來，智能照明系統(tǒng)將會得到更好的發(fā)展，并且逐漸取代人工照明系統(tǒng)，這在節(jié)省人力和資源方面的優(yōu)越性都得到了充分的體現(xiàn)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.008