林興 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的自動(dòng)調(diào)光燈設(shè)計(jì)

林興 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

在本設(shè)計(jì)中以AT89C51單片機(jī)為主控制器，其主要功能是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后得到理想的輸出信號(hào)，這個(gè)過(guò)程主要通過(guò)相應(yīng)的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸入信號(hào)主要有兩個(gè)，一個(gè)是光敏電阻給出的光線亮暗程度信號(hào)，另一個(gè)則是人體感應(yīng)模塊給出的是否有人的信號(hào)。而單片機(jī)的輸出為是否開(kāi)燈的信號(hào)。這樣便可設(shè)計(jì)出人走燈滅，白天燈滅的燈光控制系統(tǒng)并達(dá)到節(jié)約能源的效果。

自動(dòng)調(diào)光 單片機(jī) 人體感應(yīng)

1 引言

電能作為日常生活中應(yīng)用最廣且不可或缺的能源，更加需要節(jié)約使用，并且人們節(jié)約用電的意識(shí)逐步增加。尤其在當(dāng)今所提倡的低碳生活的背景下，節(jié)約能源成為大家的共識(shí)。而作為培養(yǎng)人才的高校更應(yīng)其到帶頭的作用，積極倡導(dǎo)節(jié)約能源，并在運(yùn)用于實(shí)踐。設(shè)計(jì)一套教室燈自動(dòng)調(diào)光實(shí)現(xiàn)教室燈光智能化，使得每一度電都用的有價(jià)值。因此為了現(xiàn)實(shí)的需要以及對(duì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)我們必須要開(kāi)發(fā)出價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的燈自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)之前所學(xué)的控制原理可知控制系統(tǒng)包括控制機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入機(jī)構(gòu)等，智能燈光控制系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的一種主要有三部分：執(zhí)行器、傳感器和控制器，它們各部分分工明確完成不同的工作且要相互通信使之能協(xié)調(diào)工作，所以它們要遵循一定的控制標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議以便于實(shí)現(xiàn)各單元之間的信息傳送實(shí)現(xiàn)燈光智能控制。該系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)一定區(qū)域內(nèi)的各種狀態(tài)參數(shù)得到輸入信號(hào)，然后將輸入信號(hào)傳送給控制單元，經(jīng)控制單元綜合分析后得出控制信號(hào)，控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元執(zhí)行相應(yīng)的操作，進(jìn)而根據(jù)具體環(huán)境狀況對(duì)該區(qū)域內(nèi)的燈光狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。由此可見(jiàn)該系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)可以對(duì)不同的光照強(qiáng)度不同的人員分布以及一些其他不同情況下的燈光狀態(tài)進(jìn)行控制和統(tǒng)一管理，充分的實(shí)現(xiàn)教室燈光的智能化。

2.2 控制方案

本系統(tǒng)的控制方案是利用單片機(jī)制作一個(gè)控制器形成智能控制系統(tǒng)對(duì)教室里的燈光控制。通過(guò)傳感器對(duì)教室內(nèi)的人體紅外射線和光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，得出人體存在和自然光強(qiáng)度的信號(hào)，以此作為主要的參數(shù)輸入。實(shí)現(xiàn)自然光強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)無(wú)論是否有人存在都不開(kāi)燈；在自然光強(qiáng)度低于一定閥值，有人存在且超過(guò)一定時(shí)間則打開(kāi)燈光，直到人離開(kāi)后經(jīng)過(guò)一定的延時(shí)然后關(guān)閉燈光。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框圖

在該控制系統(tǒng)中單片機(jī)處于核心位置，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可知擴(kuò)展電路主要包括：復(fù)位電路、開(kāi)關(guān)電路、光敏電路、系統(tǒng)供電電路、人體感應(yīng)電路、LED顯示電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路。其中LED顯示電路和繼電器驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)的輸出。各個(gè)模塊相互配合協(xié)作使教室燈光實(shí)現(xiàn)有效的智能控制。其可以根據(jù)氣候、光照強(qiáng)度和人體存在信號(hào)等全天模糊自動(dòng)控制教室內(nèi)照明燈具的開(kāi)和關(guān)。做到光線暗時(shí)檢測(cè)到有人或陰雨天檢測(cè)到有人的情況下打開(kāi)照明燈，沒(méi)有人或晴天教室光線較亮的情況下關(guān)閉照明燈。這樣可以確保教室正常照明，也有效防止無(wú)人燈亮、晴天燈亮的情況發(fā)生，有效節(jié)約學(xué)校電能。這樣根據(jù)相應(yīng)的輸入輸出和整個(gè)系統(tǒng)所需要的模塊可以畫(huà)出系統(tǒng)的總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3.2 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊是提供系統(tǒng)輸入的重要模塊之一，其核心元件是光敏電阻和LM393雙電壓器集成電路，論文講述到這里大家對(duì)光敏電阻應(yīng)該已經(jīng)了解的差不多了，其主要特性是阻值會(huì)隨光照強(qiáng)度改變而改變，根據(jù)這種特性可以把光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)便于識(shí)別。LM393具有增益高、電源電壓范圍寬、頻帶寬等特點(diǎn)，在使用時(shí)沒(méi)有用到的引腳要與地相連接。而它的輸入可以是大于Vcc的差分電壓，這樣并不會(huì)使芯片損壞。LM393的輸出部分是NPN的晶體管，且晶體管的集電極是開(kāi)路狀態(tài)，發(fā)射極是接地狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)輸出負(fù)載電阻的電源電壓不會(huì)受到Vcc端電壓值的影響。LM393電壓比較器在比較兩個(gè)相近的電壓時(shí)，輸出電壓會(huì)產(chǎn)生躍變，由高電平跳躍到低電平或是從低電平跳躍到高電平。

3.3 人體感應(yīng)模塊

根據(jù)傳感器的不同工作原理將其分為熱型和量子型兩類(lèi)，本系統(tǒng)采用被動(dòng)紅外傳感器。被動(dòng)紅外傳感器又叫做熱型紅外傳感器，它的生產(chǎn)成本比較低工作條件寬松應(yīng)用范圍很是廣泛，并且它能夠不分晝夜地檢測(cè)周?chē)沫h(huán)境狀況，持久耐用功能強(qiáng)大。

被動(dòng)式紅外探頭通過(guò)感應(yīng)人體散發(fā)的紅外線進(jìn)行工作，為了使其對(duì)人體的感應(yīng)效果達(dá)到最好我們將它設(shè)置為錐面形狀。感應(yīng)探頭在實(shí)際工作中還需要加上菲涅爾濾光片，因?yàn)槿梭w輻射的紅外線能量比較弱，直接感應(yīng)會(huì)受到其他光線的干擾，所以我們利用菲涅爾濾光片增強(qiáng)人體輻射的紅外線同時(shí)抑制其他無(wú)關(guān)光線。而當(dāng)采用熱釋電元件制成的紅外感應(yīng)源感應(yīng)到人體紅外線時(shí)，其內(nèi)部電荷平衡會(huì)被打破并向外釋放電能，經(jīng)相應(yīng)的檢測(cè)電路處理后就可以得出一個(gè)能夠確定環(huán)境中是否有人存在的信號(hào)。這就是傳感器紅外探頭的工作原理。

3.4 LED指示電路

本系統(tǒng)中綠色的LED用來(lái)顯示整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，當(dāng)綠色LED處于熄滅狀態(tài)則表示系統(tǒng)正在進(jìn)行自動(dòng)控制不需要人來(lái)開(kāi)關(guān)照明燈；當(dāng)綠色LED處于亮起狀態(tài)則說(shuō)明系統(tǒng)已經(jīng)切換到了手動(dòng)模式，只能手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉燈光。而它們的電路原理圖基本相同，都是如圖2所示，其中一個(gè)LED兩個(gè)電阻，電阻起到分壓和分流的作用讓通過(guò)LED的電流足以驅(qū)動(dòng)LED，同時(shí)又能保護(hù)電路使之長(zhǎng)久運(yùn)行。

圖2 LED指示電路圖

3.5 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

電磁繼電器是一種弱電控制強(qiáng)電的電氣元件，它的組成元件包括鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等。當(dāng)繼電器的線圈得電后，根據(jù)電磁效應(yīng)可知此時(shí)的線圈等同于一個(gè)磁體能夠?qū)曡F吸合，繼電器的常開(kāi)點(diǎn)閉合常閉電斷開(kāi)，線圈失電后磁力消失原來(lái)的受力平衡狀態(tài)被打破，在彈簧的單向作用力下銜鐵斷開(kāi)觸點(diǎn)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這樣對(duì)電路的閉合斷開(kāi)起到控制效果。根據(jù)相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)以及人們習(xí)慣繼電器吸合就等同于開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，所以輸出開(kāi)燈命令時(shí)繼電器要吸合燈具要開(kāi)啟，這就要求系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路接在繼電器的常開(kāi)點(diǎn)上。電磁繼電器驅(qū)動(dòng)模塊原理圖如圖3所示。

圖3 繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)流程

根據(jù)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的目的，先設(shè)計(jì)整程序的流程圖，在程序的編寫(xiě)的過(guò)程中采用模塊化設(shè)計(jì)，不同模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，最后把所有的模塊整合在一起，形成完整的程序。程序的運(yùn)行過(guò)程大體是當(dāng)光敏和人體傳感器得到相應(yīng)的信號(hào)后，單片機(jī)對(duì)相應(yīng)的引腳進(jìn)行掃描，得到兩個(gè)輸入量，然后根據(jù)設(shè)定好的算法計(jì)算出輸出信號(hào)，通過(guò)一個(gè)引腳將信號(hào)從單片機(jī)中輸出進(jìn)而決定繼電器線圈是否得電吸合使燈具開(kāi)啟。

4.2 程序編譯

本系統(tǒng)的程序編譯是通過(guò)KeilC51平臺(tái)完成的。KeilC51是功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，其開(kāi)發(fā)的流程包括編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等，并且它能夠高效率生成緊湊易理解的目標(biāo)代碼。Keil平臺(tái)上程序編寫(xiě)可以選擇C語(yǔ)言也可以選擇匯編語(yǔ)言，考慮到C語(yǔ)言功能強(qiáng)易理解好編寫(xiě)的特點(diǎn)，故該系統(tǒng)的程序通過(guò)C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。充分考慮系統(tǒng)程序的流程圖以及需要實(shí)現(xiàn)的功能，我們分模塊編寫(xiě)系統(tǒng)程序，方便功能擴(kuò)充，有利于改善程序的可讀性，更使得設(shè)計(jì)、編制和調(diào)試的便利。同時(shí)對(duì)整個(gè)程序代碼的優(yōu)化創(chuàng)造出許多有利的條件。部分程序代碼如下：

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社,2003.3

[2]徐新艷.單片機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)踐[M].北京：高等教育出版社,2005

[3]趙亮,侯國(guó)瑞.單片機(jī)C語(yǔ)言編程技術(shù)與實(shí)例,人民郵電出版社,2003

[4]馮博琴.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004