郝江城，杜志強(qiáng)，劉國華

(武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能源損耗的問題日益突出.我國教室甚至是公司企業(yè)等室內(nèi)公共場所燈光的智能控制相對缺乏和不完善，大多數(shù)是傳統(tǒng)式的人工管理，造成很多不必要電能浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，這種浪費(fèi)與當(dāng)今的節(jié)能理念相違背[1-3].此外，隨著計算機(jī)技術(shù)的普及而自動化程度不斷提高，自動控制燈光的措施還是非常有必要實施的.目前，市場上已有利用聲控、光控甚至是溫控等各種技術(shù)來實現(xiàn)此目的的產(chǎn)品，但它們都有著各自的不足，容易受到噪聲、環(huán)境溫度等因素的影響而引起燈光的不必要開啟造成能源的浪費(fèi).對此，本系統(tǒng)主要基于紅外感應(yīng)原理，以單片機(jī)來記錄雙并列紅外探測器探測到的室內(nèi)人數(shù)[4]，并加入環(huán)境光線探測模塊，在室內(nèi)光線較暗且室內(nèi)有人的情況下才啟動LED節(jié)能照明裝置，從而實現(xiàn)節(jié)能與便利相結(jié)合的目的.

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由紅外探測模塊、環(huán)境亮度探測模塊、單片機(jī)模塊、LED照明模塊4個模塊組成.利用兩個并列的主動熱釋紅外探測器探測室內(nèi)人數(shù)，環(huán)境亮度探測模塊檢測室內(nèi)光線的強(qiáng)弱，然后將探測數(shù)據(jù)傳送給控制核心——80C51單片機(jī)，它會根據(jù)處理結(jié)果控制LED照明設(shè)備是否開啟.

1.1 紅外探測模塊

主動紅外探測器由紅外發(fā)射器、紅外接收器組成，本裝置中的紅外發(fā)射器是紅外線LED，接收器是光電晶體管，紅外探測電路原理圖如圖1所示.無人經(jīng)過探測器時，U2∶A的1腳輸出低電平；有人經(jīng)過時，U2∶A的1腳輸出高電平[5].整個系統(tǒng)由兩個主動紅外探測器組合使用，一個紅外探測電路中放大器U2∶A的1腳接入80C51單片機(jī)的的P1.0的接腳處，另一個的放大器U2∶A的1腳接入80C51單片機(jī)的的P1.1的接腳處.

圖1 紅外探測器電路Fig.1 Circuit of infrared detector

1.2 單片機(jī)模塊

在整個系統(tǒng)中兩個探測器組合使用的目的就是為了判斷人經(jīng)過探測器究竟是進(jìn)去還是出來，并將人數(shù)記錄在單片機(jī)中[6-7].將探測器1安裝于門內(nèi)，將探測器2安裝在門外，當(dāng)人先經(jīng)過探測器1再經(jīng)過探測器2時，表示有人出去，單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)程序會自動減1；當(dāng)人先經(jīng)過探測器2再經(jīng)過探測器1時，表示有人進(jìn)來，單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)程序會自動加1.當(dāng)計數(shù)器中的數(shù)據(jù)為0時，表示室內(nèi)無人，單片機(jī)不會開啟照明電路；當(dāng)計數(shù)器中的數(shù)據(jù)大于等于1時，表示室內(nèi)有人，單片機(jī)此時就會開啟照明電路.開啟照明電路還有一個先決條件——環(huán)境亮度模塊的控制，當(dāng)外部環(huán)境光線比較強(qiáng)時，盡管室內(nèi)有人此時也沒有開啟照明電路的必要了[8-9].

1.3 環(huán)境亮度探測模塊

環(huán)境亮度探測模塊主要是用來感應(yīng)外部光線的強(qiáng)弱，以免造成不必要的浪費(fèi).如圖2[10]所示，用滑動變阻器RV2來代替光敏電阻，光敏電阻隨著光線的增強(qiáng)而阻值逐漸減小.當(dāng)外部光線比較強(qiáng)時，LM358的引腳1輸出低電平；當(dāng)外部光線比較弱時，LM358的引腳1輸出高電平，然后傳入到單片機(jī)的P1.2引腳上.

1.4 照明電路模塊

照明電路其實很簡單，直接在單片機(jī)的P2.0引腳上接上LED照明燈，連接方式可根據(jù)實際情況進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián). 電路的開啟主要是靠單片機(jī)來控制，單片機(jī)會在其P2.0腳為高電平且計數(shù)器中的數(shù)據(jù)不為0時才會開啟照明電路，表示在光線較弱且室內(nèi)有人的情況開啟照明電路.

將以上4個模塊整合到一起便是整個自動照明系統(tǒng)，如圖3所示.

圖2 環(huán)境亮度探測電路Fig.2 Circuit of dectecting environment luminance

圖3 總體電路Fig.3 Ensemble circuit

2 實驗?zāi)M及結(jié)果分析

本系統(tǒng)設(shè)計主要運(yùn)用的是keil uv3單片機(jī)設(shè)計軟件和proteus電路處理軟件.整個系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于單片機(jī)程序?qū)ζ涞目刂?，其程序流程圖如圖4所示.

圖4 電路流程Fig.4 Procedure of circuit

在軟件模擬中，只需要連接單片機(jī)的輸入和輸出引腳即可，但在實際的電路連接中還需將其晶振、電源、復(fù)位等引腳接入電路中.由于是模擬，可將探測器感應(yīng)模塊和環(huán)境模塊均進(jìn)行簡化模擬，P1.0和P1.1引腳上接的是紅外探測模塊的簡化電路，而P1.2引腳上接的是環(huán)境亮度探測模塊的簡化電路，如圖5所示.

對于單片機(jī)而言，當(dāng)其P1腳的電勢大于2.3 V時便可將其判定為高電平并置為1.在模擬時，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦裕瑢⒍O管反置，此時它處于截止?fàn)顟B(tài)，P1處的電勢為+5V，所以單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2都被置為1，表示此時光線較暗且室內(nèi)有人，單片機(jī)將控制照明電路的開啟.

由于是用單片機(jī)來進(jìn)行控制的，需先編好單片機(jī)程序[11]，然后在keil uv3中調(diào)試好單片機(jī)的控制程序.單片機(jī)程序如下：

G1:JNB P1.0,G2

MOV R1,#01H

CJNE R2,#01H,G2

MOV A,32H

DEC A

MOV 32H,A

MOV R2,#00H

G2:JNB P1.1,G1

MOV R2,#01H

CJNE R1,#01H,G1

MOV A,32H

INC A

MOV 32H,A

MOV R1,#00H

G3:JZ G1

JNB P1.2,G1

SETB P2.0

END

圖5 模擬電路Fig.5 Simulative circuit

G1、G2部分實現(xiàn)的是單片機(jī)的計數(shù)功能，在32H單元中記錄了室內(nèi)的人數(shù).R1和R2分別是記錄安裝于門內(nèi)和門外探測器的探測情況，有人經(jīng)過就記錄1，當(dāng)完成探測之后R1和R2便會歸零重新探測下一個.當(dāng)人先經(jīng)過門內(nèi)探測器再經(jīng)過門外探測器表示有人出去，32H單元記錄的人數(shù)會減1；當(dāng)人先經(jīng)過門外探測器再經(jīng)過門內(nèi)探測器表示有人進(jìn)來，32H單元記錄的人數(shù)會加1.而當(dāng)有人只經(jīng)過門內(nèi)探測器或門外探測器(即只經(jīng)過一個探測器)時，32H單元的記數(shù)都不會發(fā)生改變，可以防止發(fā)生誤報的情況.

G3部分是對環(huán)境光強(qiáng)和室內(nèi)人數(shù)的綜合考慮，它實現(xiàn)的功能就是在光線較暗且室內(nèi)有人的情況下開啟照明電路，當(dāng)這兩個情況任一不滿足時程序都會自動返回重新探測.對于電路的開啟此程序是通過將P2.0引腳置為1使其得到一個+5V的電勢，而使照明電路中的燈泡上有電流通過從而實現(xiàn)自動照明.

將單片機(jī)程序輸入keil uv3軟件中進(jìn)行調(diào)試，直至調(diào)試結(jié)果顯示沒有錯誤，便會自動生成一個hex的文件.在proteus軟件中，繪好圖5所示的電路，并將在keil uv3中生成的hex文件導(dǎo)入到80C51單片機(jī)中，便可以進(jìn)行電路的調(diào)試了.運(yùn)行此電路，會發(fā)現(xiàn)照明電路中的小燈泡發(fā)光了，如圖6所示，證明此方案是行得通的.

圖6 模擬結(jié)果Fig.6 Result of simulating

如果單片機(jī)的P1.2腳輸入的是低電平，表示室內(nèi)環(huán)境的光線較強(qiáng)，根據(jù)單片機(jī)的程序控制，它將重新跳回到探測部分，而不執(zhí)行開啟照明電路的命令；即使外部環(huán)境光線較暗，但若單片機(jī)內(nèi)部的計數(shù)器顯示為0表示室內(nèi)無人時，程序也不執(zhí)行開啟電路的命令.只有在室內(nèi)環(huán)境光線較暗且室內(nèi)有人時單片機(jī)程序才會將P2.0置為1，于是該引腳處便會得到一個+5V的電勢，從而便會啟動照明電路.

整個系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)過方案論證和軟件仿真實驗?zāi)M，從圖6中可以看出，設(shè)計的總體電路及程序控制部分均是可行的，最終能夠達(dá)到在室內(nèi)有人并且室內(nèi)光亮度低于照明需求時，自動開啟照明裝置的效果.

在實驗?zāi)M時，環(huán)境亮度探測模塊中，滑動變阻器RV2模擬的光敏電阻的阻值是可以手動調(diào)節(jié)的，其值不同結(jié)果也可能發(fā)生變化，目的就是為了模擬不同光強(qiáng)時對應(yīng)的阻值，也就是說RV2的一個阻值就對應(yīng)一個光強(qiáng)(不呈線性關(guān)系).當(dāng)滑動變阻器RV1的阻值取不同值時，放大器LM358的1腳輸出高電平值時對應(yīng)的RV2的阻值不同，也即光強(qiáng)不同.所以，可通過調(diào)節(jié)RV1的阻值來控制LM358的引腳1的高電平時RV2的阻值即環(huán)境所需要開燈時的光強(qiáng).其調(diào)節(jié)方法為：當(dāng)光強(qiáng)降到可開啟照明電路的強(qiáng)度時，調(diào)節(jié)RV1的阻值直至3腳處的電勢高于2腳處的電勢，此時將在1腳輸出一個高電平.通過調(diào)節(jié)RV1阻值的方法找到了最佳開啟照明電路的光強(qiáng)，比較方便，也可減少不必要的浪費(fèi).

在圖6中所顯示的是使照明電路工作的唯一一種情況，而在室內(nèi)有人而環(huán)境亮度較強(qiáng)、室內(nèi)無人而環(huán)境亮度較暗和室內(nèi)無人而環(huán)境亮度較強(qiáng)的情況下，照明電路均不會運(yùn)行，具體可在單片機(jī)程序的G3部分得以體現(xiàn).此外，本裝置在探測人進(jìn)出方向時可能還會出現(xiàn)另一種情況，即如果兩人或多人同時通過探測器時，探測器便會只記錄一次，因此可能會導(dǎo)致探測器的誤報，而致使照明電路在室內(nèi)無人的情況下工作.鑒于此種情況，此裝置工作在房門稍小(一般教室門大小)的室內(nèi)比較好.

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)的運(yùn)行主要依靠紅外探測器對人體的探測及單片機(jī)的程序控制.兩個紅外探測器分別置于門內(nèi)和門外，判別人是進(jìn)去還是出來：先通過門內(nèi)探測器再通過門外探測器就判定為出去，相反則判定為進(jìn)來.通過記錄室內(nèi)的人數(shù)，可以防止誤判.此外，LED照明電路的開與關(guān)，還取決于室內(nèi)光的亮度，光暗則開，光亮不開，從而在滿足人們方便的同時又可避免資源的浪費(fèi).

參考文獻(xiàn):

[1] 馮平,周聰.智能照明系統(tǒng)的模糊控制探討[J].廣西工學(xué)院學(xué)報,2009,20 (1):19-22.

[2] 溫繼光.企業(yè)能量及其計算[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報,2011,33(8):77-81.

[3] 戴杰.基于單片機(jī)的節(jié)能調(diào)光控制器[J].電腦知識與技術(shù)，2008,4(8):2258-2259.

[4] Zhang F X, Li W Z. Real-Time Signal Processing Method for Infrared Sensor Arrays[C] //Applied Mechanics and Materials, the 2011 International Conference on Vibration, Structural Engineering and Measurement (ICVSEM2011), October 21-23, 2011, Shanghai, China.Zurich：Trans Tech Publications Inc.,2012，105/106/107：1835-1838.

[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分[M].北京：高等教育出版社,2006.

[6] 楊寶平.基于單片機(jī)室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計[J].湖南農(nóng)機(jī),2011,38(1):60-61.

[7] 周燕,覃如賢.教室燈光智能控制系統(tǒng)[J].西南科技大學(xué)學(xué)報,2005,20(1):11-14.

[8] 李淵,李寶營,穆艷.LED可調(diào)光自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].液晶與顯示，2011,26(1):96-99.

[9] 賈冬穎,王巍.基于STC單片機(jī)LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，2010,21(2):71-73.

[10] 徐紅梅.大型商場照明控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子科技,2009,22(12):48-51.

[11] 胡輝.單片機(jī)原理及應(yīng)用設(shè)計[M].北京：中國水利水電出版社,2005.