北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100192

一、引言

長期以來，與天然光相結(jié)合的人工照明領(lǐng)域的研究在國內(nèi)一直被忽略，大部分建筑物仍然采用傳統(tǒng)的照明控制方式，存在一定程度的能源浪費現(xiàn)象[1]。近年來，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，能源緊缺的現(xiàn)象日趨嚴重，電力供應(yīng)也比較緊張，電荒現(xiàn)象時有發(fā)生。隨著我國社會發(fā)展和人們生活水平的提高，照明用電占到了在社會總用電量的20%，并逐年提高，因此利用智能照明控制算法，充分利用天然光照明，減少用電消耗，有很好的應(yīng)用價值[2-5]。

本文所介紹的室內(nèi)智能照明控制裝置，采用紅外傳感器模塊來判斷是否有人在室內(nèi)，確定控制裝置工作在有人模式或者無人模式。無人模式可以解決外出忘記關(guān)燈的問題，避免電能的浪費。在有人模式中，通過智能開關(guān)和手機的配合使用來滿足睡眠、夜景、喚醒、起床等多種不同狀態(tài)的要求。此外通過按鍵可以完全的手動控制窗簾電機和日光燈的開關(guān)。

二、系統(tǒng)的整體設(shè)計

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機作為控制核心，HC6800-MS功能板包含完整的單片機最小系統(tǒng)。

控制信號輸入部分由紅外傳感模塊，室外光敏傳感器模塊和智能開關(guān)組成。采集到的輸入數(shù)據(jù)，與單片機中設(shè)定的狀態(tài)對應(yīng)表進行對比，根據(jù)所處的狀態(tài)從I/O口輸出控制信號?？刂菩盘柾ㄟ^繼電器對窗簾電機和日光燈開或關(guān)進行控制。

智能控制開關(guān)使用一個不對稱U形結(jié)構(gòu)作為外殼，分別有兩個光敏傳感器嵌在外殼的內(nèi)表面，來檢測手機的亮滅，如圖2所示。

三、系統(tǒng)硬件選型

主要器件：HC6800-MS功能板、紅外傳感模塊、光敏傳感器模塊、繼電器。

1、HC6800-MS功能板

HC6800-MS功能板以STC12C5A60S2單片機作為控制核心，集成了高效率的單片機最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而STC12C5A60S2單片機該是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。由于其性價比極高，在室內(nèi)智能控光裝置中可以出色的完成全部功能，所以在選型中該功能板是不二之選。HC6800-MS功能板連線圖如圖3所示。

2、紅外傳感器

紅外傳感器采用的是Risym公司的產(chǎn)品，型號是HC-SR501，選用此模塊的原因是它性價比較高，穩(wěn)定性較好，應(yīng)用的范圍比較廣。主要指標如下：

工作電壓 5V～20V DC靜態(tài)功耗 65μA電平輸出 高3.3V，低0V延時時間 可調(diào)(0.3s～18s)封鎖時間 3s觸發(fā)方式 L不可重復(fù)，H可重復(fù)，默認值為H感應(yīng)范圍 小于120°錐角，7m以內(nèi)工作溫度 -15～+70℃PCB外形尺寸 32*24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應(yīng)透鏡尺寸：(直徑)23mm(默認)

3、光敏傳感器模塊

telesky光敏傳感器模塊對環(huán)境光強敏感，一般用來檢測周圍環(huán)境的亮度和光強；模塊在無光條件或者光強達不到設(shè)定閾值時，DO口輸出高電平，當外界環(huán)境光強超過設(shè)定閾值時，模塊DO輸出低電平；小板數(shù)字量輸出DO可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測環(huán)境的光強改變；小板模擬量輸出AO可以和ADC模塊相連，通過A/D轉(zhuǎn)換，可以獲得環(huán)境光強更精準的數(shù)值，如圖4所示。

4、繼電器

4路繼電器模塊（5V，低電平觸發(fā)）與單片機I/O口相連來控制窗簾電機正反轉(zhuǎn)和日光燈的打開和關(guān)閉，繼電器如圖5所示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

表1 軟件調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由系統(tǒng)初始化（包括檢測是否有中斷、端口的初始化等）、按鍵檢測模塊、紅外傳感器模塊、室外光敏模塊和智能開關(guān)的光敏模塊組成。系統(tǒng)首先檢測與紅外傳感器模塊相連的I/O端口的狀態(tài)，低電平為無人模式，高電平進入有人模式。在無人模式中，室外光敏檢測到有光亮，執(zhí)行關(guān)燈開窗簾的操作，無光時執(zhí)行關(guān)燈關(guān)窗簾。此模式避免了出門忘記關(guān)燈造成的電能浪費。在有人模式中，通過按下按鍵可以進行自動/手動控制切換。自動模式中，安放在臥室的智能開關(guān)與手機的配合使用方法如下：在手機出現(xiàn)鬧鐘提示后，智能開關(guān)光敏傳感器1被遮擋感受不到光照，光敏傳感器2被手機屏幕照亮，執(zhí)行開燈，窗簾關(guān)閉。這一狀態(tài)為喚醒狀態(tài)，直到穿戴好衣物，拿走手機，智能開關(guān)光敏1受到室內(nèi)的光照，光敏2無光照，執(zhí)行關(guān)燈開窗簾，起床完畢。在夜晚無光時，同樣可以通過手機的不同照亮方式來實現(xiàn)睡眠，夜景等功能。通過控制的每個模塊對于整個系統(tǒng)的正常運行都很重要。整體流程圖如圖6所示。

五、系統(tǒng)的調(diào)試及測試

一個系統(tǒng)要能夠正常工作并且達到預(yù)期的工作狀態(tài)是其硬件設(shè)計合理并結(jié)合軟件設(shè)計才能達到的，系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。

1、硬件調(diào)試。首先對購買的傳感器集成模塊進行測試，測試硬件是否能正常使用，器件的電壓是否足夠大，驅(qū)動能力是否足夠，確認無誤后根據(jù)電路原理圖進行安裝。將單片機I/O口與傳感器模塊，繼電器，開關(guān)，窗簾電機和日光燈匹配好，然后進行硬件間的連線和焊接。

2、軟件調(diào)試。主要包括對各控制量的輸入和被控對象的狀態(tài)的檢測。測試結(jié)果如表1所示。

六、結(jié)論

經(jīng)過系統(tǒng)的整體調(diào)試，包括有人/無人模式的切換，不同狀態(tài)下的窗簾電機的開關(guān)和日光燈的亮滅，成功實現(xiàn)了室內(nèi)智能控光裝置設(shè)計的目的：節(jié)能環(huán)保、高效智能。如果將光照強度做細分，增加有光和無光之外的其他光照狀態(tài)來進行控制，將會更加人性化，舒適化。