江美枝

（武昌職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430200）

0 引言

電能在生活中無處不在，小到電子產(chǎn)品，大到日常生活、生產(chǎn)、娛樂等，電能在被廣泛應(yīng)用的同時，存在著巨大浪費(fèi)。智能家居室內(nèi)照明存在的主要浪費(fèi)行為有光線充足時仍開燈、人走不隨手關(guān)燈等現(xiàn)象。此時，開發(fā)一個智能化、人性化照明系統(tǒng)，在進(jìn)行人性化控制的同時，也能減少能源的浪費(fèi)。利用低成本的STC89C52單片機(jī)、低功耗高亮度的LED燈、熱釋電人體感應(yīng)模塊、按鍵模塊、紅外遙控模塊等，對智能照明系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，從而減少能源浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計內(nèi)容

智能照明系統(tǒng)主要是通過熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊來確認(rèn)檢測范圍內(nèi)是否有人。如果有人，光敏電阻開始檢測光線強(qiáng)度，當(dāng)光線弱時，通過PWM 技術(shù)來調(diào)節(jié)照明燈亮度，在節(jié)省能源的同時，不會造成光污染，可避免在強(qiáng)光照或沒人時照明燈一直開啟。若不想自動調(diào)節(jié)燈亮度，可切換到手動調(diào)節(jié)模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣既能滿足人們的實(shí)際生活需要，也符合能源節(jié)約的要求。

1.2 系統(tǒng)整體框架

STC89C52 單片機(jī)作為主芯片，主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。在STC89C52芯片接收到熱釋電紅外感應(yīng)模塊和光敏檢測模塊信號后，會對該信息進(jìn)行處理，控制信號輸出，從而使指示燈和光電控制電路作出相應(yīng)反應(yīng)，而按鍵/無線控制部分可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動/自動模式切換及亮度調(diào)節(jié)功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 硬件電路設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計出基于單片機(jī)STC89C5 2 的硬件電路。該系統(tǒng)的硬件部分主要由STC89C52組成的最小系統(tǒng)、光敏檢測的模數(shù)轉(zhuǎn)換、按鍵模塊及紅外一體接收模塊、熱釋電傳感器模塊等組成。其中，熱釋電傳感器用來檢測是否有人存在，如果有人且光線不充足時，系統(tǒng)會發(fā)出點(diǎn)亮燈的信號。光敏電阻檢測光線信號，經(jīng)ADC0832完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到主芯片中進(jìn)行處理，從而控制照明燈亮度，系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度來智能控制照明，并實(shí)現(xiàn)人來自動開燈、人走自動關(guān)燈［1-2］，同時可通過按鍵和紅外遙控模塊來切換手動或自動模式，并調(diào)節(jié)照明燈亮度。

2.2 HC-SR501熱釋電人體感應(yīng)模塊

該系統(tǒng)在設(shè)計時用到人體感應(yīng)模塊。HCSR501 模塊是自動紅外控制裝置，使用LHI778 探頭來完成設(shè)計，如圖2 所示，其工作靈敏、可靠，可在略微低壓模式下進(jìn)行工作。該裝置已應(yīng)用于多種自動化電器中。

圖2 熱釋電人體感應(yīng)

2.2.1 紅外光譜。自然界中有溫度的物體都會輻射出紅外光，但不同物體輻射出的紅外波長有所差異。人體輻射出的紅外波長在10 000 nm左右，根據(jù)該特性可設(shè)計出一種探測儀器（如HC-SR501模塊），只能檢測10 000 nm左右的波長，且不受其他光波的影響，可用來檢測人體活動信息。HC-SR501模塊的檢測范圍在7 m 內(nèi)，是根據(jù)熱釋電原理制作的，即通過溫度變化導(dǎo)致電荷發(fā)生變化的原理來檢測人體活動。

2.2.2 紅外線傳感器。傳統(tǒng)熱釋電傳感器一般使用一元傳感器，但其很容易受到其他不必要雜光、溫度等因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中的效果不好。所以，本研究采用雙元傳感器（具有高靈敏度）。傳感器探測元由高熱電材料制成，探測器結(jié)構(gòu)如圖3所示。在每個探測器內(nèi)裝有2 個反極性串聯(lián)的探測元件，以抑制高溫產(chǎn)生的干擾［3］。同時輸入紅外線會被抵消掉，無信號輸出，從而降低外部雜光、環(huán)境溫度變化和外部震動產(chǎn)生的影響。

圖3 探測器結(jié)構(gòu)

由于內(nèi)置紅外線傳感器的輸入阻抗高，易產(chǎn)生噪聲。因此，可使用金屬封裝外殼，并進(jìn)行接地，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的電磁屏蔽，最終實(shí)現(xiàn)降噪去雜的目的。為避免受到其他不必要光線的影響，一般情況下，可在傳感器表面添加濾光片。由于人體移動緩慢，需要高效率、高聚焦能力的配件，才能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，因此使用菲涅耳透鏡等配件。

2.2.3 紅外感應(yīng)模塊。熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該模塊由輸出電路、光控電路、比較器、帶通放大器、熱釋電傳感器、菲涅爾透鏡等組成，具有體積小、使用方便、可靠、探測角度大等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

2.3 光敏檢測模塊

2.3.1 光敏電阻。使用光敏電阻對室內(nèi)開關(guān)燈條件進(jìn)行檢測，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)照明的智能控制［4］。光敏電阻工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)的，通常也被稱為光導(dǎo)管，隨著光線作用時間增長，其阻值會變小。為增加靈敏度，將2 個電極做成梳狀。在制作光敏電阻時，通常使用硫化鎘、硒等材料。這些材料在一定波長的光線照射下，電阻值會迅速降低，即在光照條件下，其內(nèi)部產(chǎn)生載流子，載流子在外電場的作用下會發(fā)生漂移，電子運(yùn)動到電源正極，空穴運(yùn)動到電源負(fù)極。當(dāng)光照消失后，產(chǎn)生的載流子電子和空穴復(fù)合為原來的電子-空穴對狀態(tài)，從而使光敏電阻的阻值上升，恢復(fù)到原來的阻值大小［5］。光敏電阻不分極性，僅僅作為電阻器，在使用時既可加直流電，也可加交流電。

一個光敏電阻串聯(lián)一個分壓電阻，并連接到電源端，光敏電阻分得的電壓輸入到ADC0832 芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再送到主芯片STC89C52 進(jìn)行處理，并輸出控制信號，如圖5 所示。在不同亮度環(huán)境下，光敏電阻的阻值不一樣，導(dǎo)致分得的電壓也不一樣。利用該原理來控制照明燈亮度，從而實(shí)現(xiàn)智能化照明。

圖5 光敏電路

2.3.2 PWM 技術(shù)。該智能照明系統(tǒng)主要通過LED 驅(qū)動器的PWM 技術(shù)來控制占空比，從而調(diào)節(jié)電壓大小，實(shí)現(xiàn)對LED 亮暗程度的控制［6-7］。由于PWM 技術(shù)具有顏色一致性好、亮度級別高、調(diào)光范圍大、線性度好、LED 驅(qū)動器轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛用于調(diào)光。LED 發(fā)光的光通量會隨流過的電流增加而增加，利用PWM技術(shù)調(diào)整流過LED的正向電流占空比來實(shí)現(xiàn)對LED 燈亮度的調(diào)節(jié)。PWM 的輸出占空比波形如圖6 所示，T為脈沖周期，ton為脈沖寬度（高電平），即占空比為ton/T，通過控制輸出來實(shí)現(xiàn)對亮度的分級調(diào)節(jié)。脈寬調(diào)制是通過控制輸出信號中每周期內(nèi)輸出高電平的比例，即控制LED的導(dǎo)通時間，從而實(shí)現(xiàn)分級亮度調(diào)節(jié)的［8］。系統(tǒng)將燈的亮度分為10 個等級，從而控制燈亮度的調(diào)節(jié)，每個等級相差10%的占空比。

圖6 PWM輸出占空比波形

2.4 紅外遙控

紅外遙控發(fā)射電路是利用紅外發(fā)光二極管來實(shí)現(xiàn)的，該電路發(fā)出經(jīng)過調(diào)制的紅外波，紅外接收電路（主要由二極管、三極管或硅光電池組成）將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并進(jìn)行放大處理。發(fā)送和接收的紅外光為不可見光，對環(huán)境產(chǎn)生的影響小，且這種光比無線電波的波長更短，在使用時不會影響到其他家用電器或無線設(shè)備的正常使用。

紅外遙控模塊具有電路簡單、使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可通過程序直接識別出相應(yīng)按鍵，從而控制實(shí)現(xiàn)照明燈模式的切換和燈亮度的調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計

主程序流程如圖7 所示。開始后對系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，先判斷系統(tǒng)的工作模式（自動或手動），若為自動模式，判斷是否有人，有人就讀取AD值，利用PWM 技術(shù)來調(diào)節(jié)燈光，沒人就回到初始化狀態(tài)。若為手動模式，掃描按鍵的狀態(tài)（按下與否）或判斷接收到遙控的信號，從而調(diào)節(jié)燈的亮度。在整個軟件設(shè)計中，系統(tǒng)使用2 個定時器，分別為定時器0 的方式1 和定時器1 的方式2。定時器0 只用作串口通信，用于接收、存儲紅外遙控傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。定時器1 在外部中斷時使用，根據(jù)檢查到的光線強(qiáng)度來調(diào)節(jié)燈的亮度。

圖7 主程序流程

4 系統(tǒng)測試與分析

對該系統(tǒng)進(jìn)行硬件連接測試，在所處環(huán)境的檢測范圍內(nèi)，當(dāng)處于自動模式時，判斷檢測范圍內(nèi)是否有人，當(dāng)檢測到有人時，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，讀取外界光照強(qiáng)度，通過PWM技術(shù)來調(diào)節(jié)燈的亮度。當(dāng)處于手動模式時，可通過紅外遙控手動按鍵進(jìn)行處理。

5 結(jié)語

經(jīng)過功能調(diào)試，在自動模式下，該系統(tǒng)能實(shí)時檢測出是否有人存在，并完成燈亮度的自動調(diào)節(jié)和手動調(diào)節(jié)，當(dāng)沒人時，可自動關(guān)燈。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動化管理，功能調(diào)試效果良好，能達(dá)到預(yù)期設(shè)計的目標(biāo)。該系統(tǒng)操作簡單，能穩(wěn)定進(jìn)行亮度的自動調(diào)節(jié)，具有較好的實(shí)用性。