基于单片机的智能灯光控制系统设计

2016-08-16张鑫宇陈钦朋吴晓桐

四川水泥 2016年2期

关键词：光敏电阻光敏亮度

张鑫宇陈钦朋吴晓桐

（沈阳理工大学辽宁，沈阳 110159）

基于单片机的智能灯光控制系统设计

张鑫宇陈钦朋吴晓桐

（沈阳理工大学辽宁，沈阳 110159）

现代建筑更加注重节能设计，灯光照明是建筑主要能耗之一，特别是在教室等公共建筑内，由于人离开后未能及时关灯，很易造成电能浪费。本文提出一种基于单片机的灯光智能控制系统，本设计以单片机为控制核心，利用红外传感技术、光敏感应技术以及PWM调压技术，实现对LED灯的自动开关、自动亮度调节等功能。该系统结构简单、低成本、小体积、操作方便，具有一定的工程实用价值。

单片机；智能控制；节能；现代建筑

0 引言

随着智慧城市的建设与发展，对建筑节能环保的设计要求也越来越高。建筑照明作为建筑耗能的主要部分之一，对其节能性也提出了较高要求。例如，高校中教室数量众多，学生进出教室是随机不固定的，传统的灯光开关控制不可避免会出现无人或人少灯光全开的浪费现象。LED灯具有寿命长能耗低的特点，相对传统白炽灯具有明显的节能优势。然而，传统的灯光控制方式很难实现节能的最大化，智能调光控制系统必定成为未来灯光控制发展方向。

1 控制系统整体方案

灯光智能控制系统的主要功能是能够采集室内光照强度，判断是否开灯以及调节灯光强度；采集灯下是否有人员存在，判决是否开灯；同时，可以进行自动控制和手动控制的切换。在室内亮度不足需要开灯的情况下，有人员处于灯光照射范围内，系统可自动打开灯光并调节预设的亮度；当人员离开后，可自动关闭灯光。若在无人的情况下需要强制控制灯光，可通过开关切换到手动模式，根据需要手动控制灯的开关。

系统以51系列单片机为核心控制其，利用PIR红外传感器检测灯下是否有人员存在，利用光敏电阻检测室内环境的亮度，以判决是否需要开灯照明。另外，利用PWM占空比调压技术控制LED驱动模块，以调节LED等的亮度。系统总体设计方案结构框图如图1所示。

图1 灯光智能控制系统整体设计

1.1 控制器

系统核心控制器选择C8051单片机，该类芯片内部资源丰富，片内集成的两路10位A/D转换器可连接光敏检测信号和红外检测信号，以检测室内亮度和判决灯下是否有人存在。片内可编程计数器模块可用来产生并输出占空比可调的PWM波，以控制驱动LED灯的亮度。本系统采用PWM的工作频率为1000Hz，利用8位寄存器调节PWM的占空比，其中零占空比对应灯完全熄灭，100%占空比对应灯全开，灯光亮度具有256分辨率。

1.2 光敏检测

光敏检测模块的核心是光敏电阻，主要利用光敏电阻会随着光照强度变化其阻值发生变化的特性。将光敏电阻与适当的横值偏置电阻串联，两端加上适当参考电压，随着光照强度的变化，光敏电阻的阻值会随之线性改变，电阻分压压值也会发生变化，配合相应的运放即可调制输出供控制器采集的光敏信号。

1.3 红外检测

物体均会辐射红外线，随着物体温度的升高，其辐射的红外强度也越强。人体体温在37℃左右，一般相对周围的桌椅等物品温度均偏高，会辐射出波长10μ m红外线，可利用人体辐射的红外线强度判断灯下是否有人存在。红外线检测模块的核心部件是热释电元件，当有人出于灯下时，红外感应器会产生一个高电平脉冲，当人离开后，红外传感器出于低电平状态，可根据高低电平状态判断是否有人在灯下。

1.4 LED驱动器

控制器通过调节PWM占空比，进行调压控制LED灯的亮度，LED灯驱动器的功率取决与所控制的LED等大小，本文选自PT4115作为LED驱动。PWM是以不断开断的脉冲控制灯的亮度，人眼识别灯光闪烁的频率是100Hz，为了防止人眼感觉灯光闪烁，PWM频率选择1000Hz，所选LED驱动器必须具有相应速度的开关能力，同时要与所控制的LED灯功率相匹配。

2 软件设计

软件设计是控制系统的重要内容之一，软件设计的优劣决定了系统的可靠性、稳定性、功能是否齐全以及人性化的设计。同时，系统性能的调试，需要进行软件的反复修改和验证，是系统的主要工作量之一。优质的软件设计不仅要有严谨的逻辑设计，规范的书写格式，同时要考虑系统的可靠性、灵活性、易操作性设计。需要开发者在程序编译前，进行严密的逻辑推理和模块流程规划。本系统采用C语言进行编程，利用C语言程序模块化设计的优点进行程序设计。程序块主要包括光敏检测、红外检测、PWM调光、手动模式等程序子程序，采用过程流水控制方式，系统主程序流程图如图2所示。