基于单片机的智能照明控制器设计

进入二十一世纪，环境和能源问题是人类面临和急需改善的重要问题。对于环境的改善和能源的节约更是国家长期发展的主要目标，节能减排也是国家的重要号召。在众多的能源问题中，用电的紧张和电能的短缺直接影响到我国经济的发展和人民生活的质量。近年来，我国高校事业蓬勃发展，高校每天的用电量也逐渐成为学校压力之一，并且学校长年采用人工管理模式，而且学生有无固定座位和教室的特点，导致教室因过度照明引起照明设施的加速损坏，对未来学生的学习也产生了影响。从上世纪开始，国外就开始研究了智能室内照明系统，并有了相当一部分的成就，拥有低功耗，绿色环保，大大加强了灯具使用寿命短的问题。而且这对于我国的高校目前教室数目庞大的现状，应用此智能照明系统，可以大大的降低高校的用电需求量，从而达到节约电的目的。

基于这一理念从节能减排出发设计了一种基于单片机的教室灯光智能控制系统。此设计采用以STC89C52RC单片机作为核心微处理器，并配合一定数量的光敏电阻，热释电红外传感器，人体红外传感器，位置检测器等集成红外信号采集模块，光照信号采集模块，计数电路模块，通过这些模块的共同参与把数据发送到单片机进行数据处理，然后进行反馈，从而实现智能照明的目的。

智能照明控制器整体设计方案

本文设计的智能照明控制器，以人员出入信号作为输入参数，并能根据室内的具体光照强度对灯组进行控制，同时该系统还加入了手动控制以便人为的控制灯组，还可以根据教室内具体人数控制要亮灯的数量。当有人在教室时，人体红外传感器将信号发送到单片机，单片机通过电路进行采集光强信号，然后判断教室是否需要开灯，若需要开灯，单片机通过继电器来打开灯。另外在房间门内外分别安装一套信号模块来判断人进入房间还是走出房间，以此来计数室内人数，打开与之相对应的灯光数量。热释电红外传感器作为该系统的人员位置检测器。如果无人仍然需要灯光，可以打开手动开关。并且该手动系统不会影响系统程序的正常执行。智能照明控制器总体框图如图1所示。

系统各部分设计方案

图1 智能照明控制器总体框图

信号采集部分主要分成三部分，分别为红外信号采集，光信号采集和计数电路设计，每个部分使用不同的传感器进行工作，保证测量数据的准确性和处理的正确性，对传感器的安装和放置也进行相应设计。

红外信号采集设计

本文针对教室环境进行研究，利用热红外人体感应检测功能进行室内灯光控制。当系统在环境中有人在场的时候，可以通过系统人体热释电红外线控制来感应环境中是否有人存在，以此决定被控制区域内灯的开关情况。本设计采用热释电红外传感器，热释电红外传感器是一种新型敏感元件。热释电红外传感器是由一种广谱材料制成，该传感器的窗口还装有一块干涉滤波片，以此提高对某一波长范围的红外辐射的灵敏度。该滤波片只能通过特定的波长的红外光，从而阻止灯光、自然光和其它波长红外光通过。应用热释电传感器的主要优势是成本较低，不需要其他发射源，且有隐蔽性好、便于安装、灵敏度高、控制范围大的特点。热释电红外传感器利用热释电效应，能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，不仅能把其转化为电压信号，还能检测到运动的生物和其他非生物，为了更清晰直观的说明其工作原理，图2为其工作原理。

图2 热释电红外传感器工作原理

光照信号采集设计

本设计利用数字式光照强度检测模块GY-30，作为光强数据采集传感器，此模块采用5v供电电源，光照强度采集范围在0到65536lx之间，不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性，测量精度可达到1lx，此模块内部集成了16位AD转换器，之间输出数字量，使数据处理计算简单，同时电路简单，节省资源。

本系统的研究以大学教室为例，教室内一般都是单面窗户，室内不同的位置会受到不同的光照。光照传感器的安装要根据由窗户到室内的梯度来安装，并且设定不同的光照阈值来控制开关灯的数量。若要相适应的控制室内灯光的强度，就必须把太阳光的因素考虑进来。但是自然光的变化属于非线性，不是人为可以控制的并且与建筑物和当时的天气状况有相当密切的联系。所以必须合理布置光照度传感器的位置，才能使采集的数据更贴近实际。当自然光照满足人们正常工作需求时，关闭灯具，当自然光不足以满足人们的视觉要求时，才开启灯具。

计数电路设计

所研究教室为单面窗，教室光照由窗到内呈梯度下降，室内的人数和所处位置决定了需要开灯的数量和位置，用红外人体感应传感器完成室内人数的统计，主要方法是将传感器安装在门的两侧，当有人通过时，出和入使传感器检测的先后顺序不同，通过该顺序就可以判断出人出入的状态，通过计数装置进行加减就能统计出室内人员的数量，并依此作为学生进入教室和出教室的依据并统计人员数量。该计数电路采用了两套信号装置。一个安装教室靠近门外的墙壁上，另一个安装在教室门上方并且与地平行。

上述方法的检测是在人体活动规律合理的情况下，在小型室内人数活动较少的环境下比较适用，但在大型教室的人数统计上有很多弊端。尤其是教室作为一个比较随机的场所，且人员流动量大不好控制、人员相对集中并存在几个人一起进入教室的情况，这样就会使传感器只检测一个人进入，使计算的人数产生严重偏差。由此可见，这种方法对于大学教室的智能照明控制是有局限性的。

为了减小这些情况带来的误差，在本系统的设计中，将分为上课和自习两种模式，上课时人员活动集中，自习时相对单一容易检测和计数。红外人体感应传感器安装在室内多个位置进行多点式检测，从而检测出人体活动的规律，在在每个灯管的旁边安装红外人体红外传感器，通过在菲涅尔透镜上加阻挡物， 将每个传感器的检测范围控制在灯具下方的座位区域， 且每个相邻的灯具不存在重叠部分。从而可准确的检测到人的活动方向，使人数的统计准确无误。

图3 主程序流程图

软件设计

由于具体室内的实际情况比较复杂，可分为多种不同的情况，应考虑到各方面的需要。光照，人数，位置的种种因素都会对单片机的处理产生影响。本设计以学生教室为例，在初始化后，直接读取采集的光强信号，需要根据室内人数和具体位置进行开灯的设计，通过热释电红外传感器检测人体具体位置选择性控制led灯组。主程序流程图如图3所示。

结束语

本文对智能照明控制器的控制部分进行了研究，以自然光，人体为数据采集的标准和输入信号，比传统的人工管理更准确和方便，从而降低人力和电的浪费。本控制系统的设计适应于各类高校的大中小教室的灯具控制，并且对一些小型公司的照明管理也有相当作用。在保证装置能稳定可靠工作的前提下，在硬件方面主要选择性价比较高的从而降低成本。对于软件我们采用多任务处理和多信号处理的原则，减少人力的控制，从而实现智能照明的目的。

智能照明系统对于我们所处的社会有着非常重要的意义，在以节约资源为宗旨的前提下进行研究和开发，而且智能照明控制是低功耗，高效率，以及是生活科技化的有效体现。相信在不久的将来，智能照明系统将会得到更好的发展，并且逐渐取代人工照明系统，这在节省人力和资源方面的优越性都得到了充分的体现。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.19.008