查成源，馮明春（通訊作者）

（滁州學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽滁州，239000）

0 引言

在平時(shí)生活中我觀察到很多人在下班或出門(mén)時(shí)不會(huì)隨手關(guān)燈，這不但是一個(gè)不好的生活習(xí)慣，而且會(huì)造成電力資源的大量浪費(fèi)[1]。在很多場(chǎng)合下，我們應(yīng)當(dāng)做到人走燈滅，所有的照明以滿足人們基本生活為標(biāo)準(zhǔn)，那些公司，超市，學(xué)校等在沒(méi)人的情況下可以關(guān)閉大部分的照明燈光，或者可以設(shè)計(jì)一款能在固定時(shí)間段開(kāi)燈的裝置，將其應(yīng)用在政府大樓或者學(xué)校等場(chǎng)合，就能夠?qū)崿F(xiàn)提高能源的使用效率[2]。由于目前國(guó)內(nèi)智能燈光控制系統(tǒng)并沒(méi)有普及，設(shè)計(jì)一個(gè)室內(nèi)智能照明控制系統(tǒng)，能做到白天自動(dòng)熄燈，夜晚室內(nèi)有人自動(dòng)亮燈。而且亮燈的數(shù)量可以根據(jù)室內(nèi)人數(shù)來(lái)控制，滿足日常照明的要求，那么這款設(shè)計(jì)如果可以普及，不但可以節(jié)約大量電能，而且由于智能性，也會(huì)讓生活變得更加便捷。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)架構(gòu)主要由如下幾個(gè)模塊構(gòu)成，分別是STM-32F103C8T6單片機(jī)模塊，LED燈模塊，按鍵模塊，指示燈模塊，顯示屏模塊，漫反射光電傳感器模塊，光敏傳感器模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

相比普通51單片機(jī)，STM32F103C8T6單片機(jī)性能更加強(qiáng)勁，其工作溫度范圍十分廣闊，能適應(yīng)大部分工作環(huán)境的溫度，并具有如USB控制器等51單片機(jī)所不具備的資源，速度也非傳統(tǒng)的51單片機(jī)能媲美。且這款單片機(jī)程序模塊化，接口也相對(duì)簡(jiǎn)單。具有高性能，成本低，數(shù)字信號(hào)處理，低功耗等優(yōu)點(diǎn)[3]。

2 主要部分設(shè)計(jì)介紹

2.1 人數(shù)統(tǒng)計(jì)部分

本設(shè)計(jì)里此功能的實(shí)現(xiàn)主要運(yùn)用到了漫反射光電傳感器。當(dāng)漫反射光電傳感器發(fā)射端的二極管發(fā)射紅外線，傳感器里的檢測(cè)電路會(huì)判斷接收端是否可以接收到反射回來(lái)的紅外線，這樣就可判斷前方是否有物體[4]。那么可以將兩個(gè)漫反射光電傳感器分別設(shè)定為傳感器一與傳感器二，設(shè)定傳感器一先被觸發(fā)傳感器二后被觸發(fā)為人進(jìn)入室內(nèi)，反之為出去。根據(jù)這兩個(gè)傳感器被觸發(fā)的先后順序不同就能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的人數(shù)統(tǒng)計(jì)功能。

2.2 智能照明部分

此功能運(yùn)用到了光敏傳感器模塊，光敏傳感器內(nèi)部裝配有一個(gè)精度非常高光電管，如果光電管的兩端受到了反向的固定壓，那么只要受到光照，就能使這個(gè)光電管釋放電子。光電管的電流就會(huì)隨著外部的光照強(qiáng)度增大而增大。此時(shí)電流通過(guò)電阻，不同的電流就會(huì)在電阻的兩端產(chǎn)生不一樣的電壓。強(qiáng)度不同的電壓會(huì)被數(shù)模轉(zhuǎn)換器和采集器所接收，就能給主機(jī)發(fā)送不同強(qiáng)度的模擬信號(hào)，主機(jī)就可以判斷外部光照強(qiáng)度的高低[5]。由此可以設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到室內(nèi)光照強(qiáng)度大于閾值的時(shí)候說(shuō)明室內(nèi)外部的光照光照強(qiáng)度充足，照明自動(dòng)關(guān)閉，反之說(shuō)明室內(nèi)光照強(qiáng)度不夠，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)室內(nèi)人數(shù)智能開(kāi)啟照明燈數(shù)量，實(shí)現(xiàn)智能照明功能。

2.3 顯示部分

本設(shè)計(jì)運(yùn)用的顯示屏為串口觸摸屏，這塊觸摸屏的內(nèi)層表面和夾層表面都涂有一層導(dǎo)電層的玻璃，用戶用手指觸摸時(shí)，人體的電場(chǎng)通過(guò)手指與觸摸屏形成耦合電路，手指從觸摸處吸走由屏幕四角電極流出的電流，控制器經(jīng)過(guò)精確計(jì)算四角流出的電流與手指的距離就能判斷觸摸點(diǎn)的位置，再通過(guò)軟件編寫(xiě)程序，可以實(shí)現(xiàn)用戶觸摸屏幕來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)物功能操作[6]。串口觸摸屏的內(nèi)部還集成了單片機(jī)的顯示和驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也集成了時(shí)鐘模塊，能夠滿足本設(shè)計(jì)屏幕上顯示時(shí)間，日期等功能，故而選用串口觸摸屏作為本設(shè)計(jì)的顯示模塊。

3 主程序流程圖

主流程圖說(shuō)明程序的處理順序和程序的邏輯先后順序，具體描繪了設(shè)計(jì)的邏輯以及操作步驟。利用程序流程圖的形式描繪程序流向，能更加直觀的表示軟件的總體邏輯，主程序流程圖，如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

在系統(tǒng)開(kāi)始后進(jìn)行系統(tǒng)初始化，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)判斷目前是否為手動(dòng)模式。如果此時(shí)是手動(dòng)模式，那么就可以手動(dòng)控制系統(tǒng)燈光，比如開(kāi)啟幾盞照明燈。手動(dòng)模式與自動(dòng)模式可以用按鍵進(jìn)行切換。如果系統(tǒng)判定為自動(dòng)模式，那么系統(tǒng)會(huì)開(kāi)始判斷室內(nèi)光照強(qiáng)度大小。設(shè)定了一個(gè)初始值，當(dāng)光強(qiáng)大于設(shè)定初始值的時(shí)候，說(shuō)明室內(nèi)光照強(qiáng)度較大，不需要開(kāi)啟照明燈。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉所有燈光。若系統(tǒng)檢測(cè)到室內(nèi)光照強(qiáng)度小于設(shè)定的初始值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)進(jìn)入人數(shù)，同時(shí)也會(huì)檢測(cè)出去人數(shù)，再綜合得到目前室內(nèi)總?cè)藬?shù)。如果此時(shí)室內(nèi)人數(shù)在0~10人，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出指令，此時(shí)只開(kāi)一盞燈。若此時(shí)室內(nèi)人數(shù)在10~20人之間，系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)兩盞燈。如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)人數(shù)在20~30人之間，系統(tǒng)會(huì)開(kāi)三盞燈，如果系統(tǒng)檢測(cè)人數(shù)大于30人，系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)四盞燈。接著仍然可以通過(guò)按鍵切換手動(dòng)模式。

4 實(shí)物調(diào)試

4.1 實(shí)物介紹

在設(shè)計(jì)好實(shí)物編寫(xiě)好程序后，接著就是實(shí)物調(diào)試，實(shí)物圖如圖3所示。

如圖3所示，實(shí)物正上方為一個(gè)LCD顯示屏，下方四個(gè)燈珠模擬室內(nèi)四盞照明燈，兩個(gè)黑黃相間的為漫反射光電傳感器，下方藍(lán)色部分為光敏傳感器。如圖4所示，位于單片機(jī)黃色部分上方按鍵為復(fù)位按鍵，下方黑色按鍵是模式切換按鍵，按鍵旁邊有一個(gè)紅色指示燈。

圖3 實(shí)物圖

圖4 單片機(jī)按鍵圖

4.2 開(kāi)機(jī)顯示

運(yùn)行程序后，STM32F103C8T6單片機(jī)顯示開(kāi)機(jī)畫(huà)面，此時(shí)需要滑動(dòng)解鎖開(kāi)機(jī)?；瑒?dòng)解鎖圖片設(shè)定為滁州學(xué)院及英文名稱(chēng)，旁邊還有滁州學(xué)院?；??；瑒?dòng)解鎖，如圖5所示。

圖5 滑動(dòng)解鎖圖

圖6 屏幕顯示圖

滑動(dòng)解鎖后，屏幕顯示如圖6所示，此時(shí)屏幕顯示日期，時(shí)間，星期，人數(shù)，模式顯示為模式0，燈光顯示為0，設(shè)定時(shí)間顯示為00-00，此時(shí)按下復(fù)位鍵，再將設(shè)定時(shí)間為00到21時(shí)，設(shè)定時(shí)間可通過(guò)LCD顯示屏直接觸摸操作，如圖7所示。

圖7 觸摸屏操作圖

此時(shí)已設(shè)定自動(dòng)模式，再將光敏傳感器遮住，模擬夜間場(chǎng)景，現(xiàn)可進(jìn)行功能測(cè)試。

4.3 自動(dòng)模式

當(dāng)漫反射光電傳感器檢測(cè)室到內(nèi)有人進(jìn)入時(shí)，屏幕會(huì)顯示當(dāng)前室內(nèi)人數(shù)。漫反射光電傳感器不但可以檢測(cè)進(jìn)入室內(nèi)的人數(shù)，也可以檢測(cè)離開(kāi)室內(nèi)的人數(shù)。如果室內(nèi)人數(shù)到達(dá)一定值，燈光也會(huì)隨之變化。當(dāng)室內(nèi)人數(shù)在0~10人時(shí)照明系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)一盞燈，當(dāng)室內(nèi)人數(shù)在10~20人時(shí)，照明系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)兩盞燈，當(dāng)室內(nèi)人數(shù)在20~29人時(shí)，照明系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)三盞燈，當(dāng)室內(nèi)人數(shù)大于等于30人時(shí)照明系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)四盞燈，如圖8所示。

圖8 功能測(cè)試圖

當(dāng)去除遮擋光敏電阻的遮擋物時(shí)，若此時(shí)外界光照強(qiáng)度比較強(qiáng)，則此時(shí)即使室內(nèi)有人，因?yàn)橹悄苷彰骺刂葡到y(tǒng)判斷此時(shí)光照強(qiáng)度充足，所以智能照明控制系統(tǒng)不會(huì)開(kāi)燈，但人數(shù)統(tǒng)計(jì)依然有效，如圖9所示。

圖9 室內(nèi)光照強(qiáng)度大時(shí)照明圖

4.4 手動(dòng)模式

打開(kāi)手動(dòng)模式需要按一下切換按鍵，此時(shí)不會(huì)立馬切換手動(dòng)模式，需要有人觸發(fā)漫反射光電傳感器才能觸發(fā)手動(dòng)模式。手動(dòng)模式觸發(fā)后屏幕模式顯示為模式1，且手動(dòng)模式指示燈亮起。此時(shí)我們可以通過(guò)觸摸屏幕設(shè)置需要開(kāi)啟照明燈數(shù)量，如圖10所示。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有人進(jìn)出，智能照明系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)剛剛設(shè)置的照明燈數(shù)量，如圖11所示。

圖10 手動(dòng)模式設(shè)置照明燈數(shù)量圖

通過(guò)以上測(cè)試可知，顯示功能基本實(shí)現(xiàn)，且實(shí)現(xiàn)情況良好。

5 結(jié)論

該智能燈光控制系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，采用兩個(gè)漫反射光電傳感器判斷室內(nèi)人員流動(dòng)，從而達(dá)到計(jì)算室內(nèi)人數(shù)的效果。再利用光敏傳感器判斷室內(nèi)光照強(qiáng)度是否充足，可以實(shí)現(xiàn)在光照強(qiáng)度充足的時(shí)候關(guān)閉燈光，在光照強(qiáng)度不足的時(shí)候按照室內(nèi)人數(shù)智能開(kāi)啟燈光，既保證了燈光充足，又不會(huì)造成電力的浪費(fèi)。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。