張 倩，葛詩琪，張瑾琪，孟祥輝

（長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，信息化和智能化均取得了質(zhì)的飛躍[1]，智慧化市場初具規(guī)模的同時(shí)不同種類的智能化產(chǎn)品也逐漸步入了我們的生活，這既是科技發(fā)展的產(chǎn)物又反過來推動了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步[2]。研究表明，城市中的照明系統(tǒng)既能夠有效抑制破壞行為又可以為人們提供足夠的安全感和方向感，在保證區(qū)域夜間安全和舒適性等方面發(fā)揮著日益重要的作用[3]。但照明系統(tǒng)帶來的光污染問題儼然成為了嚴(yán)重的全球性問題。LED綠色照明雖然可以較好地解決這個(gè)問題，但是不必要和不舒適照明的存在[4]，也使得LED壽命縮短并造成了電能的極大浪費(fèi)。綜上所述，一個(gè)良好的照明系統(tǒng)在現(xiàn)代社會中顯得愈發(fā)重要，本課題旨在提供一個(gè)具有自動調(diào)節(jié)能力的智慧照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和室外兩種兼容模式，以達(dá)到智能和節(jié)能的要求[5]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文在Keil 4開發(fā)環(huán)境下分別設(shè)計(jì)了人體檢測、光線檢測、數(shù)據(jù)處理、獨(dú)立按鍵操作和屏幕顯示等模塊，將智慧照明系統(tǒng)分為室外（自動）模式和室內(nèi)（手動）模式。室外模式利用人體紅外模塊檢測是否有人，若有人，照明燈根據(jù)光線強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)亮度；如果無人，照明燈在30 s后熄滅。自動調(diào)節(jié)通過光敏電阻來檢測光線狀態(tài)，經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換送至單片機(jī)處理后，利用PWM調(diào)光技術(shù)對LED的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。室內(nèi)模式通過按鍵實(shí)現(xiàn)手動控制照明燈開關(guān)及亮暗程度?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理采用靈活性高且價(jià)廉的芯片STC89C52，其具有低功耗閑置模式和掉電模式等（閑置模式下CPU工作停止），擁有片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路[6]。時(shí)鐘芯片選用使用廣泛的DS1302，其具有價(jià)格低廉、高性能、接口簡單、低功耗、使用方便等特點(diǎn)，具有涓細(xì)電流充電（可編程）能力，可掉電保護(hù)電源[7]。人體傳感器選用HC-SR501人體熱釋電紅外感應(yīng)模塊，其具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的可靠性[8]。光線傳感器選用具有體積小、質(zhì)量輕、耐沖擊和壽命長等特點(diǎn)的光敏電阻[9]。選用電路芯片ADC0832實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換[10]。配合單片機(jī)使用的液晶屏選用LCD1602，主要用于顯示時(shí)間和日期、光線強(qiáng)度等級、LED亮度等級，并具備24小時(shí)制日期時(shí)間調(diào)節(jié)功能。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智慧照明系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化的C語言編程，靈活方便且目標(biāo)程序效率高[11]。系統(tǒng)的按鍵分為時(shí)間調(diào)節(jié)和燈光控制兩部分。程序初始化掃描鍵盤，如果檢測到按下的按鍵為時(shí)間調(diào)節(jié)模式，則系統(tǒng)進(jìn)入時(shí)間調(diào)節(jié)模式，然后繼續(xù)掃描按鍵，利用按鍵“加”“減”“確認(rèn)”來調(diào)節(jié)時(shí)間和日期。當(dāng)檢測到按下的按鍵為模式切換時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入燈光控制模式，區(qū)分此時(shí)為手動調(diào)節(jié)模式還是自動調(diào)節(jié)模式，如果是手動模式，則程序繼續(xù)掃描按鍵，并利用“開”“關(guān)”“亮度加”“亮度減”按鍵進(jìn)行燈的控制；如果是自動模式，程序進(jìn)入人體檢測模式，如果有人，則利用檢測到的光線進(jìn)行燈的自動調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總流程

2.1 屏幕顯示模塊

液晶屏顯示子流程如圖3所示。

圖3 液晶屏顯示子流程

2.2 光線檢測模塊

光敏電阻用來檢測光線，外界光線越亮，電阻阻值越低，電阻兩端的電壓作為ADC0832轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入[12]。0～5 V的模擬電壓用256個(gè)數(shù)字（0～255）來表示，并將256個(gè)數(shù)字信號值分為10段，間隔為20個(gè)數(shù)字量。

光線檢測分為兩部分，一部分將檢測到的光線強(qiáng)度區(qū)分為0～9共10個(gè)等級，用變量Light表示，流程如圖4所示。另一部分為自動檢測時(shí)，根據(jù)檢測到的光線來定義燈光的亮度，分為10個(gè)等級（0～9），用變量pwm表示。燈光亮度由變量pwm決定：pwm為0時(shí)燈光亮度等級為0級，燈滅；pwm為9時(shí)燈最亮。該過程的流程如圖5所示。

圖4 光線強(qiáng)度流程

圖5 燈的亮度流程

2.3 人體檢測模塊

人體檢測流程如圖6所示。

圖6 人體檢測流程

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文所設(shè)計(jì)的居民區(qū)智能化照明系統(tǒng)分為室外模式和室內(nèi)模式兩種，并且具備24小時(shí)制日期時(shí)間調(diào)節(jié)功能，液晶屏主要用來顯示時(shí)間和日期、光線強(qiáng)度等級和LED亮度等級。在完成系統(tǒng)硬件電路搭建和單片機(jī)程序燒錄后，對系統(tǒng)進(jìn)行功能性檢測，系統(tǒng)很好地完成了預(yù)設(shè)的各項(xiàng)功能。

3.1 電源開關(guān)及模式切換

系統(tǒng)電源開關(guān)以及模式切換正常，系統(tǒng)電源按鍵被按下，標(biāo)有“電源”的LED燈亮，表示系統(tǒng)通電可以正常工作。按下切換按鍵，系統(tǒng)可切換室外和室內(nèi)兩種模式，即自動和手動模式，切換至哪種模式，則該模式的LED燈亮。

3.2 室外模式

系統(tǒng)置于室外并切換至室外模式（即自動模式），天暗后系統(tǒng)檢測到有人通過時(shí)，標(biāo)有“有人”的LED燈亮起，同時(shí)自動開啟USB燈，根據(jù)光線強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)USB燈的亮度；無人時(shí)USB燈在30 s后熄滅。

系統(tǒng)根據(jù)光線強(qiáng)度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，當(dāng)光線強(qiáng)度等級由9～0變化時(shí)，USB燈的亮度相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)光源完全消失光線強(qiáng)度為0時(shí)，照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)至最亮。

USB燈0～9等級的亮度由亮至暗對比展示如圖7所示。

圖7 亮度等級對比圖

3.3 室內(nèi)模式

系統(tǒng)置于室內(nèi)并切換至室內(nèi)模式（手動模式），按下“手動”開關(guān)后，手動指示燈亮；通過調(diào)節(jié)“亮”“暗”開關(guān)來調(diào)節(jié)USB燈的亮度，顯示屏示數(shù)相應(yīng)變化。

3.4 時(shí)鐘模塊測定

液晶顯示屏顯示年、月、日、時(shí)、分、秒和周，連續(xù)按下“設(shè)置”和“確認(rèn)”鍵后，可以對時(shí)間和日期進(jìn)行設(shè)置，通過“選擇”鍵來選擇需要更改的部分，然后通過“加”“減”按鍵進(jìn)行調(diào)整，電源關(guān)閉后，時(shí)鐘正常計(jì)時(shí)。

4 結(jié) 語

結(jié)合智能化家居、計(jì)算機(jī)電子技術(shù)、傳感器等應(yīng)用背景和照明系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了本文提出的照明方案[13]。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的總體硬件電路，選取了適合的器件并將各部分電路進(jìn)行了詳細(xì)闡述，規(guī)劃了各部分的程序流程，實(shí)現(xiàn)了電路仿真，最后進(jìn)行了全面的系統(tǒng)試驗(yàn)和結(jié)果分析。根據(jù)不同條件下的測試結(jié)果，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)基本滿足了方案預(yù)設(shè)的全部功能，并且具有較高的可靠性。