摘 要：為降低傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的能耗、提高其能源利用效率，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的照明自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，太陽(yáng)能板和太陽(yáng)能蓄電池作為功能裝置，集成GY30光照傳感器以采集環(huán)境的光照強(qiáng)度，利用SNR8016VR-M語(yǔ)音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了照明的自動(dòng)化控制，并能有效降低照明的能耗。

關(guān)鍵詞：照明控制；太陽(yáng)能；光照傳感器；語(yǔ)音識(shí)別；自動(dòng)化控制；STC89C52

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）04-0-03

0 引 言

隨著農(nóng)業(yè)種植面積和養(yǎng)殖面積的擴(kuò)大，出現(xiàn)了用電多、電費(fèi)貴、大量電力資源浪費(fèi)等一系列問題。在這一背景下，為切實(shí)解決民生問題，考慮降低傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的能耗。

本文結(jié)合多種照明系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種具有節(jié)能[1-4]及自動(dòng)化[5-7]功能的照明系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一款照度穩(wěn)定可調(diào)的LED照明燈和數(shù)字顯示照度表，采用旋轉(zhuǎn)編碼器和PWM電路進(jìn)行調(diào)光控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED照明燈亮度的調(diào)控。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一款低功耗便攜式智能節(jié)能燈光控制器，采用USB供電，利用光數(shù)字傳感器和人體紅外線接近感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)燈光的智能化控制。然而，目前這兩個(gè)系統(tǒng)都不具備語(yǔ)音控制功能。文獻(xiàn)[10]通過光敏電阻采集外部光線強(qiáng)度，利用ADC0808將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以此判斷當(dāng)前為白天或夜晚，并根據(jù)判斷結(jié)果控制燈的亮滅。然而，該系統(tǒng)存在高耗能問題。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了一款基于51單片機(jī)的燈光控制器，需利用光敏電阻、集成電壓比較器以及人體紅外線集成感應(yīng)器等設(shè)備，單片機(jī)經(jīng)過信息處理和分析后，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光的智能控制。當(dāng)環(huán)境光線昏暗時(shí)，實(shí)現(xiàn)“人來燈開，人走燈滅”的效果。然而，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式過于復(fù)雜。

由此可見，現(xiàn)有的研究存在不足，不僅缺乏語(yǔ)音控制功能，也存在高耗能以及當(dāng)前設(shè)計(jì)方式過于復(fù)雜的問題。因此，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)充，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方式，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

基于現(xiàn)有照明系統(tǒng)的上述問題，本文將設(shè)計(jì)一款實(shí)用的低能耗新型系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽(yáng)能板和太陽(yáng)能蓄電池作為能源來源，集成了傳感模塊和語(yǔ)音控制模塊，支持自動(dòng)調(diào)節(jié)照明特性和控制模式，完成了基于單片機(jī)的照明自動(dòng)化控制，能夠?qū)崿F(xiàn)能源消耗的最小化和照明效果的最大化。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框架

基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括主控芯片、輸入模塊、輸出模塊，如圖1所示。

輸入模塊主要包括：光照傳感器、薄膜矩陣鍵盤和語(yǔ)音子模塊。光照傳感器用于檢測(cè)環(huán)境的照明強(qiáng)度，薄膜矩陣鍵盤和語(yǔ)音子模塊用于接收用戶的指令。

輸出模塊主要包括：照明子模塊和顯示屏。照明子模塊用于照明，顯示屏用于顯示輸入模塊傳送的數(shù)據(jù)。

照明系統(tǒng)的整體運(yùn)行流程：通過輸入模塊采集環(huán)境數(shù)據(jù)和接收用戶指令，將采集的數(shù)據(jù)和信息傳給主控芯片，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，再將數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)送設(shè)備進(jìn)行輸出顯示。

1.2 主控芯片

本系統(tǒng)使用的主控芯片具備核心控制和數(shù)據(jù)處理功能，其型號(hào)為STC89C52，工作電壓范圍為3.3～5 V，晶振頻率為12 MHz，接收電流為20 mA，發(fā)送電流為10 mA，串口波特率可通過設(shè)置指令調(diào)整，串口為8數(shù)據(jù)位，擁有1停止位。該芯片具有成本低廉、功能強(qiáng)大、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，支持多種編程方式。其核心控制作用表現(xiàn)在：對(duì)輸入模塊傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，再將數(shù)據(jù)傳輸給發(fā)送設(shè)備，保證系統(tǒng)按照預(yù)定的工作方式運(yùn)行。

1.3 輸入模塊

輸入模塊電路如圖2所示。

1.3.1 光照傳感器

本系統(tǒng)采用光照傳感器作為輸入子模塊，用于采集環(huán)境的光照強(qiáng)度，設(shè)備型號(hào)為GY30，工作電壓范圍為3～5 V，光照范圍為0～65 535 lx，傳感器內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，與5 V單片機(jī)I/O口直接相連。該傳感器具有數(shù)字輸出、高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、低功耗、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)，待檢測(cè)環(huán)境的照明強(qiáng)度后，將檢測(cè)結(jié)果反饋給主控芯片，從而實(shí)時(shí)調(diào)整照明設(shè)備的照明強(qiáng)度，讓系統(tǒng)運(yùn)行更智能、更高效。該傳感器的DO口用于輸出測(cè)量的光照強(qiáng)度數(shù)字信號(hào)，與單片機(jī)的P3.3口連接進(jìn)行信息傳輸。

1.3.2 薄膜矩陣鍵盤

本系統(tǒng)采用薄膜矩陣鍵盤作為輸入子模塊，能夠更好地實(shí)現(xiàn)用戶交互功能，其具有低成本、輕便等特點(diǎn)，用戶可通過薄膜矩陣鍵盤自定義照明時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的靈活控制和節(jié)能環(huán)保。薄膜矩陣鍵盤使用標(biāo)準(zhǔn)的電氣接口，如USB、PS/2、RS 232等，通過P0口與單片機(jī)連接。

1.3.3 語(yǔ)音識(shí)別子模塊

本系統(tǒng)采用語(yǔ)音模塊作為輸入子模塊，用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制，型號(hào)為SNR8016VR-M，工作電壓為5 V，待機(jī)電流為50 mA，音頻時(shí)長(zhǎng)240 s，模塊尺寸為28 mm×40 mm，語(yǔ)音指令共160個(gè)。該模塊具有簡(jiǎn)單易用、可定制等特點(diǎn)，技術(shù)人員提前錄入語(yǔ)音指令，用戶通過輸入相應(yīng)語(yǔ)音指令便可控制特定區(qū)域的照明，從而實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的語(yǔ)音控制。該語(yǔ)音模塊的OUT1口和OUT2口為輸出口，分別與單片機(jī)的P3.0口和P3.1口連接進(jìn)行信息傳輸。

1.4 輸出模塊

輸出模塊電路如圖3所示。

1.4.1 照明子模塊

本系統(tǒng)的照明子模塊主要采用 LED 燈作為光源器件，其工作電壓為3 V，與白熾燈、節(jié)能燈等其他光源器件相比，具有使用壽命長(zhǎng)、能耗低、電源光效高、光照效率高等特點(diǎn)，通過太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的供電便可實(shí)現(xiàn)夜晚照明。該照明模塊通過P1.4口、P1.5口與單片機(jī)連接。

1.4.2 顯示屏

本系統(tǒng)采用顯示屏作為輸出設(shè)備，用于顯示輸入設(shè)備傳來的重要參數(shù)，型號(hào)為L(zhǎng)CD1602，邏輯工作電壓范圍為4.8～5.2 V，驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，非背光時(shí)工作電流（背光除外）為1.7 mA，背光時(shí)工作電流為24.0 mA，具有顯示清晰、低功耗、低成本等特點(diǎn)。LCD1602 顯示屏用于顯示輸入裝置傳來的數(shù)據(jù)，如：光照強(qiáng)度、溫濕度、用戶設(shè)置的照明時(shí)長(zhǎng)等，從而提高用戶使用的便捷性。該LCD1602顯示屏的RS口用于選擇數(shù)據(jù)的類型，與單片機(jī)的P1.1口連接；RW口用于選擇讀寫操作，與單片機(jī)的P1.2口連接；DB口用于傳輸數(shù)據(jù)（并行數(shù)據(jù)線），與單片機(jī)的P2口連接；BLA口和BLK口是用于控制背光的接口，分別與單片機(jī)的電源正負(fù)極連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主流程

啟動(dòng)系統(tǒng)后，將進(jìn)行系統(tǒng)初始化。在這一過程中，系統(tǒng)將逐一初始化單片機(jī)、薄膜矩陣鍵盤以及語(yǔ)音模塊，確保它們處于最佳工作狀態(tài)，為后續(xù)的用戶交互和LED控制做好準(zhǔn)備。

接下來，程序進(jìn)入等待用戶輸入的狀態(tài)。通過薄膜矩陣鍵盤，程序不斷掃描用戶的按鍵動(dòng)作，并等待用戶輸入控制命令，當(dāng)檢測(cè)到按鍵動(dòng)作時(shí)，程序立即讀取按鍵值，并將其視為用戶輸入的控制命令傳給單片機(jī)；在掃描薄膜矩陣鍵盤的同時(shí)，系統(tǒng)對(duì)語(yǔ)音模塊保持監(jiān)聽，判斷語(yǔ)音模塊是否識(shí)別到語(yǔ)音命令，當(dāng)語(yǔ)音模塊識(shí)別到命令時(shí)，將獲取的命令傳回單片機(jī)。

下一步將檢測(cè)指令是否正確。為了將用戶輸入的控制命令轉(zhuǎn)化為具體的LED燈亮滅時(shí)間，程序會(huì)解析按鍵輸入，并根據(jù)預(yù)設(shè)的映射關(guān)系或算法，將用戶輸入的按鍵值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的LED燈亮滅時(shí)間，該映射關(guān)系或算法涉及到一些簡(jiǎn)單的編碼規(guī)則；與解析按鍵輸入類似，系統(tǒng)需要解析語(yǔ)音命令，識(shí)別出用戶想要控制的LED燈以及對(duì)應(yīng)的亮滅狀態(tài)，這需要使用語(yǔ)音識(shí)別庫(kù)或者API來實(shí)現(xiàn)。通過解析按鍵輸入和語(yǔ)音輸入，將解析后的指令與指令庫(kù)進(jìn)行比較，如果符合要求則進(jìn)入下一步驟，如果不符合則返回到用戶輸入步驟，重新輸入指令。

接下來將判斷指令是否為語(yǔ)音。如果不是語(yǔ)音指令，系統(tǒng)將其判定為通過解析按鍵輸入得到的指令，程序會(huì)進(jìn)入控制LED燈亮滅時(shí)間的階段，在這一階段，程序會(huì)根據(jù)用戶輸入的亮滅時(shí)間，通過單片機(jī)的GPIO口控制LED燈的開關(guān)狀態(tài)；如果是語(yǔ)音指令，則程序進(jìn)入控制LED燈亮滅狀態(tài)的階段，在這一階段，程序會(huì)根據(jù)語(yǔ)音控制指令來控制LED燈的亮滅狀態(tài)，包括根據(jù)指令開啟或關(guān)閉LED燈、調(diào)整LED燈的亮度以及實(shí)現(xiàn)其他可能的燈光效果等。

完成以上步驟后，程序會(huì)返回到系統(tǒng)初始化階段，繼續(xù)監(jiān)聽用戶的操作，由此形成了一個(gè)循環(huán)，可以不斷接收用戶按鍵輸入的指令或語(yǔ)音控制命令，并控制相應(yīng)LED燈的亮燈時(shí)間和亮滅狀態(tài)。當(dāng)程序結(jié)束后，程序退出循環(huán)并釋放相關(guān)資源。在這一過程中，程序始終保持對(duì)用戶按鍵輸入和語(yǔ)音控制的響應(yīng)，為用戶提供便捷的LED燈自動(dòng)化控制體驗(yàn)。系統(tǒng)主流程如圖4所示。

2.2 語(yǔ)音子模塊控制流程

語(yǔ)音子模塊控制流程如圖5所示。

該模塊接收語(yǔ)音指令后首先進(jìn)行初步判斷，將接收的語(yǔ)音與技術(shù)員提前錄入的語(yǔ)音庫(kù)指令進(jìn)行對(duì)比，如果不是預(yù)設(shè)語(yǔ)音則重新接收語(yǔ)音指令，如果是預(yù)設(shè)語(yǔ)音則繼續(xù)執(zhí)行接下來的流程。

判斷接收的語(yǔ)音是否為中文。如果是中文則繼續(xù)判斷語(yǔ)音指令，如語(yǔ)音指令為“打開”則進(jìn)行打開LED的操作，否則LED仍保持之前的狀態(tài)；如果接收的語(yǔ)音不是中文，則默認(rèn)為英文，如果語(yǔ)音指令為“ON”則進(jìn)行打開LED的操作，否則LED仍保持之前的狀態(tài)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的照明自動(dòng)控制系統(tǒng)，該照明自動(dòng)控制系統(tǒng)以STC89C52為主控制器，集成了以下三大模塊：輸入模塊、輸出模塊以及太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，具有低成本、低能耗、自動(dòng)化控制等特點(diǎn)，可廣泛用于智能家居、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及商業(yè)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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