李昆侖，周峰，徐鵬程，劉兵

（湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南常德，415101）

時(shí)至21 世紀(jì)，智能終端顛覆傳統(tǒng)，智能家居走進(jìn)千千萬萬個(gè)家庭，服務(wù)人們的日常。智能照明系統(tǒng)是智能家居里重要一環(huán)，不僅為用戶提供舒適自然的照明，也最大限度地避免能源浪費(fèi)，同時(shí)對不同照明場景、不同照明需求有不同照明方案可供使用。

照明系統(tǒng)發(fā)展至今，照明元件的耐用性不再是評判該系統(tǒng)優(yōu)劣唯一指標(biāo)，其系統(tǒng)控制性能也占據(jù)重要地位，如光照亮暗調(diào)節(jié)、色溫冷暖調(diào)節(jié)、聚光性能、照明角度、照明范圍等等。智能照明相比于傳統(tǒng)照明，增加了智能化控制中樞，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠自動(dòng)調(diào)整和控制，產(chǎn)品更智能化、安全性更高、適用性更強(qiáng)。

歐美國家的大型辦公樓、普通民房等建筑物，在照明網(wǎng)絡(luò)中都應(yīng)用了智能照明系統(tǒng)，所占市場份額大幅領(lǐng)先，而我國在本領(lǐng)域內(nèi)的市場占有率方面則稍遜一籌，主要是由于起步遲緩，產(chǎn)品不夠成熟，控制方法不夠靈活，或者成本偏高，缺少消費(fèi)者等原因?qū)е隆Ｄ壳皣鴥?nèi)外已有眾多LED 智能控制產(chǎn)品，但在做工精度、技術(shù)方案、可控性能等方面還存在許多有待改善的地方，智能照明技術(shù)在中高端控制領(lǐng)域，如光照頻譜控制以及多元化環(huán)境集成等方面還有著很大發(fā)展空間。智能照明尚處于上升發(fā)展階段，國內(nèi)外許多知名企業(yè)都對這項(xiàng)新銳技術(shù)表示看好，就國內(nèi)來說，智能照明控制系統(tǒng)在道路交通、住宅居家、景觀藝術(shù)、工業(yè)生產(chǎn)等等場合都得到了不同程度的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

智能臺燈控制系統(tǒng)框圖如圖1 所示，其整體結(jié)構(gòu)由人體接近感應(yīng)電路、光照強(qiáng)度采集電路、單片機(jī)電路、按鍵控制電路、LED 燈模塊、電源電路及下載電路組成。本設(shè)計(jì)使用IAP15W4K58S4 芯片作為主控單元，實(shí)現(xiàn)對照明電路的自動(dòng)調(diào)節(jié)與智能開關(guān)。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

圖1 智能臺燈控制系統(tǒng)框圖

（1）模式切換。用戶通過獨(dú)立按鍵為智能臺燈指定工作模式，臺燈定義兩種工作模式，當(dāng)電路中的模式指示燈亮起時(shí)系統(tǒng)正處于自動(dòng)模式，反之則為手動(dòng)模式。

（2）手動(dòng)加減亮度。手動(dòng)模式需要用戶通過使用按鍵改變臺燈的亮暗情況。系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立按鍵，用戶通過按下相應(yīng)的按鍵來增加、減小臺燈的亮度。

（3）自動(dòng)控制亮度。此模式下要求系統(tǒng)可以根據(jù)臺燈所處環(huán)境來自動(dòng)調(diào)節(jié)其本身的亮度。環(huán)境越暗臺燈燈光越強(qiáng)，環(huán)境越亮臺燈燈光越弱。

（4）自動(dòng)開燈和關(guān)燈。當(dāng)感應(yīng)到人來并且臺燈周圍的環(huán)境亮度低于設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)打開臺燈；人離開一定范圍后自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉臺燈，在延遲時(shí)間內(nèi)若檢測到人來，則取消延時(shí)關(guān)燈，保持臺燈打開。

■1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

IAP15W4K58S4 芯片搭載4KB 靜態(tài)隨機(jī)存儲器，采用STC 第八代通信加密技術(shù)，抗靜電、防干擾能力強(qiáng)，內(nèi)部自帶時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，無需用戶手動(dòng)搭建，簡化單片機(jī)外圍電路，降低芯片使用門檻[1]。

系統(tǒng)采用USB 口供電，安全便捷。程序下載由USB TO TTL 模塊完成，該模塊將單片機(jī)通信接口的電平邏輯和PC 機(jī)通信接口的電平邏輯相匹配，通過六角開關(guān)對單片機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)，即可完成單片機(jī)程序燒錄與調(diào)試，最小系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 最小系統(tǒng)電路圖

■1.2 光照強(qiáng)度采集電路

環(huán)境光照強(qiáng)度采集電路由光敏電阻、分壓電阻和ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成。ADC0832 芯片具有雙輸入通道，可支持模擬量差分輸入，最高分辨率可達(dá)256 級，完成一次A/D 轉(zhuǎn)換僅需32μs，正常功耗只有15mW，且一次轉(zhuǎn)換可以輸出兩位數(shù)據(jù)，通過比對輸出結(jié)果，可以有效減少轉(zhuǎn)換誤差，提高轉(zhuǎn)換精確度與穩(wěn)定性。ADC0832 可以根據(jù)需求配置成單端輸入與差分輸入，輸出方式采用串行輸出，可以方便的與標(biāo)準(zhǔn)移位寄存器及微處理器對接。光照強(qiáng)度采集電路如圖3 所示。

圖3 光照強(qiáng)度采集電路

■1.3 功能按鍵電路

為滿足功能需求，需要3 個(gè)獨(dú)立按鍵來完成對系統(tǒng)控制，它們分別對應(yīng)智能臺燈手動(dòng)模式下的亮度加與亮度減鍵以及模式切換鍵。獨(dú)立按鍵與單片機(jī)的連接如圖4 所示。

圖4 按鍵電路

■1.4 人體紅外感應(yīng)電路

HC-SR501 是基于PIR(Passive Infrared Ray，熱釋電紅外傳感器)技術(shù)的感應(yīng)式控制模塊，采用了行業(yè)內(nèi)先進(jìn)的優(yōu)質(zhì)探頭，靈敏度高低可調(diào)，控制簡單，被廣泛應(yīng)用于樓道控制，智能家居等大量自動(dòng)控制設(shè)備中[2]。本設(shè)計(jì)將采用該模塊作為智能臺燈的人體感應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)無人時(shí)自動(dòng)關(guān)燈、人來時(shí)自動(dòng)開燈。HC-SR501 模塊與單片機(jī)的連接如圖5 所示。

圖5 人體紅外感應(yīng)電路

■1.5 指示燈及照明電路

系統(tǒng)有兩種工作模式，用LED的亮、滅兩種狀態(tài)即可表示。單個(gè)LED的功率微弱，由單片機(jī)一個(gè)I/O 口即可驅(qū)動(dòng)，再串接一個(gè)保護(hù)電阻，即構(gòu)成了智能臺燈的模式指示燈電路。

設(shè)計(jì)采用USB 燈條作為照明器件，考慮到燈條功率較大，單個(gè)I/O 口不足以驅(qū)動(dòng)，為避免燈條出現(xiàn)燈光暗淡的情況，故在電路中加入了一個(gè)PNP 型三極管，增強(qiáng)了帶負(fù)載能力的同時(shí)，也起到了保護(hù)單片機(jī)的作用。指示燈電路及照明電路如圖6 所示。

圖6 模式指示燈與照明電路

2 系統(tǒng)主程序流程圖設(shè)計(jì)

圖7 所示為智能臺燈系統(tǒng)主程序流程框圖。當(dāng)程序開始后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，此后不斷進(jìn)行按鍵掃描與模式判斷，使系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)響應(yīng)按鍵輸入和模式切換。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí)，一方面會循環(huán)讀取ADC0832的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并將這個(gè)數(shù)據(jù)反饋給自動(dòng)控制程序，自動(dòng)控制程序再根據(jù)此數(shù)值的范圍大小，來決定臺燈的亮度；另一方面與人體感應(yīng)模塊進(jìn)行通信，當(dāng)感應(yīng)模塊檢測到人體離開一定范圍后，自動(dòng)控制程序則控制照明電路延時(shí)關(guān)閉，若檢測到人來，則自動(dòng)開燈；若系統(tǒng)處于手動(dòng)模式，則對按鍵模塊進(jìn)行循環(huán)掃描，當(dāng)檢測到相應(yīng)的按鍵按下時(shí)，進(jìn)行增加或減小亮度的操作。

圖7 系統(tǒng)主程序流程

3 結(jié)語

本文提出一種安全節(jié)能智能臺燈設(shè)計(jì)方案，有效地減少資源消耗，同時(shí)能夠根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境的亮度差距來控制臺燈的光強(qiáng)級別。采用PWM 脈沖寬度調(diào)制法調(diào)節(jié)亮度。用戶可以使用按鍵來完成臺燈工作模式的選擇，手動(dòng)模式下，需要用戶使用按鍵來控制臺燈的開關(guān)及亮度。本設(shè)計(jì)通過自動(dòng)模式來最大限度地減少臺燈的能源浪費(fèi)，通過手動(dòng)模式來增強(qiáng)它在日常生活中的實(shí)用性，達(dá)到了智能節(jié)電、靈活多用的目的。