智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 壹，張栩嘉，田 焱，吳祎林，馬志軍

（山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院，山西 太原 030006）

目前，國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)的大、中、小學(xué)校教室，一般的公共場(chǎng)合，以及公寓、賓館都普遍存在著照明燈具管理不善的問題，這其中包括照明時(shí)間設(shè)置的不妥和人為節(jié)能意識(shí)的不足，因此造成了能源的浪費(fèi)。為了合理利用能源，節(jié)約能源，我們初步研究與設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉功耗較低，能夠在學(xué)校和公共場(chǎng)合普及的智能照明系統(tǒng)，從而解決公共場(chǎng)合的能源浪費(fèi)的問題。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分，它們分別是:獨(dú)立感應(yīng)控制部分、局部感應(yīng)控制部分和整體控制部分。這三者呈逐步遞進(jìn)的關(guān)系。其中在獨(dú)立感應(yīng)控制部分中采用熱式紅外感應(yīng)器、光敏電阻分別對(duì)周圍環(huán)境的紅外源（人員出入）與光照變化進(jìn)行感應(yīng)，并以此做出系統(tǒng)開啟的控制。如圖1所示，邏輯分析電路通過(guò)分析紅外傳感器和光傳感器采集的信號(hào)做出照明電路的開啟判斷，從而控制照明電路的合理利用，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 獨(dú)立感應(yīng)控制部分的設(shè)計(jì)

圖1 獨(dú)立感應(yīng)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of independent induction control system

該部分是基于re200b熱釋紅外[1]為主的感應(yīng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括兩個(gè)感應(yīng)器：熱釋紅外感應(yīng)器和光傳感器，熱釋紅外傳感器是一種新型敏感元件，它是由高熱電系數(shù)材料，配以濾光鏡片盒，阻抗匹配用場(chǎng)效應(yīng)管組成。它能以非接觸方式檢測(cè)出來(lái)自人體發(fā)出的紅外輻射，將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸出，并可有效抑制人體輻射波長(zhǎng)意外的干擾輻射，如陽(yáng)光、燈光及其反射光，而光傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)白天與黑夜的總控制。熱釋紅外感應(yīng)器來(lái)感應(yīng)人體的溫度，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)人體在距離紅外感應(yīng)探頭兩米遠(yuǎn)的時(shí)候，探頭會(huì)產(chǎn)生電流，該電流通過(guò)放大電路產(chǎn)生一個(gè)模擬波，輸出一個(gè)+5 V的方波。在該部分當(dāng)中要用到的熱釋紅外感應(yīng)器RE200b采用的是熱釋電材料極化溫度的特性探測(cè)紅外輻射，并配合雙靈敏元互補(bǔ)方法抑制溫度變化產(chǎn)生的干擾，提高了傳感器的工作穩(wěn)定性。其中RE200b的主要參數(shù)如下：基片材料 硅；基片厚度 0.5 mm；工作波長(zhǎng) 7～14 μm；平均透過(guò)率 >75%；噪聲 <200 mV （mVp－p）（25℃）；輸出信號(hào) >2.5 V，工作電壓 2.2～15 V；平衡度 <20%；源極電壓 0.4～1.1 V （VD=10 V，Rs=47 kΩ，25℃）； 工作電壓8.5～24（VD=10 V，Rs=47 kΩ，25 ℃）；工作溫度 －20～+70 ℃；視場(chǎng) 139°×126°。

按照?qǐng)D2連接電路圖進(jìn)行反復(fù)測(cè)試RE200b，掌握了RE200b的準(zhǔn)確的輸出信號(hào)的大小，即輸出信號(hào)>2.5 V（420°k黑體1 Hz調(diào)制頻率0.3～3.0 Hz帶寬72.5 db增益）和產(chǎn)生信號(hào)的特點(diǎn)——當(dāng)人側(cè)向沿著探頭走過(guò)時(shí)，感應(yīng)到的電壓幅度最大即最敏感。

而紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001正是應(yīng)用于熱釋紅外開關(guān)，來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外感應(yīng)器信號(hào)的采集、放大、并將其進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的芯片。我們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的電路實(shí)現(xiàn)感應(yīng)信號(hào)的放大后再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換形成一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)。如圖3，即為采用BISS0001所連接的電路圖[2]。

圖2 感應(yīng)模塊控制電路Fig.2 Control circuit induction module

通過(guò)采用以上實(shí)驗(yàn)得出，在沒有BISS0001時(shí)，感應(yīng)距離為1 cm，使用BISS0001后感應(yīng)距離被放大為2 m。根據(jù)實(shí)際情況，2 m的感應(yīng)范圍可以較準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)進(jìn)出人數(shù)。

圖3 BISS0001連接電路Fig.3 Circuit of BISS00001

2.2 局部感應(yīng)控制部分的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)該部分主要是采用89c51單片機(jī)[3]作為控制總體電路的核心部分，該核心部分把環(huán)境當(dāng)中各種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析，進(jìn)而達(dá)到控制的目的。通過(guò)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，使之能夠?qū)Ω袘?yīng)器探測(cè)到的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可分析的數(shù)字信號(hào)。例如，光敏電阻通過(guò)光強(qiáng)改變而對(duì)局部控制系統(tǒng)輸入不同的信號(hào)，只有當(dāng)達(dá)到一定的程度時(shí)才會(huì)使單片機(jī)執(zhí)行對(duì)照明系統(tǒng)控制的操作。

2.3 總控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

總控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是以物聯(lián)網(wǎng)為出發(fā)點(diǎn)開始的。基于傳感網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)主要是指無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)由分布在自由空間里的一組“自治的”無(wú)線傳感器組成，共同協(xié)作完成對(duì)特定周邊環(huán)境狀況的監(jiān)控。本項(xiàng)目之中，主要利用計(jì)算機(jī)與外設(shè)的端口通信，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的信息共享來(lái)實(shí)現(xiàn)一定程度上的局域網(wǎng)絡(luò)連接控制。

3 感應(yīng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序分為4個(gè)部分：初始化、自檢、模擬參數(shù)掃描、觸發(fā)響應(yīng)、中斷響應(yīng)。CPU初始化和自檢后，主程序執(zhí)行鍵盤掃描和按鍵響應(yīng)程序，有中斷請(qǐng)求時(shí)，執(zhí)行中斷服務(wù)程序。圖4為電路程序框圖。實(shí)現(xiàn)單片機(jī)智能感應(yīng)控制的部分程序如下[4－5]，該程序?qū)崿F(xiàn)了當(dāng)熱釋紅外傳感器感應(yīng)到人體恒溫37°信號(hào)后，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，再由單片機(jī)分析控制照明裝置開啟的效果。

圖4 軟件控制流程圖Fig.4 Flow chart of software control

#include

void delay（）；

sbit CONT=P0^2；

sbit SUN=P0^1；

sbit BODY=P0^0；

sbit body=P1^0；

sbit BEEP=P3^5；

sbit LIGHT=P3^6；

void main （void）

{

LIGHT=1；

BEEP=1；

while （1） {BODY=!body；

if （CONT==1&&SUN==1&&BODY==1） {BEEP=1；LIGHT=1；}

else if（CONT==1&&SUN==1&&BODY==0） {BEEP=1；LIGHT=1；}

else if（CONT==1&&SUN==0&&BODY==1） {BEEP=1；LIGHT=1；}

else if（CONT==1&&SUN==0&&BODY==0） {BEEP=1；LIGHT=1；}

else if（CONT==0&&SUN==1&&BODY==1） {BEEP=1；LIGHT=1；}

else if（CONT==0&&SUN==1&&BODY==0） {BEEP=1；LIGHT=1；}

else if （CONT==0&&SUN==0&&BODY==1） {BEEP=1；LIGHT=1；}

else if（CONT==0&&SUN==0&&BODY==0） {BEEP=1；LIGHT=0；}

else{BEEP=0；LIGHT=0；}

}

}

void delay（）

{

int t，ms；

ms=65535；

while（ms--）

{

for（t=0； t<3； t++）；

}}

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的智能照明控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種照明效果，改善工作環(huán)境、提高工作效率，具有非常優(yōu)秀的節(jié)能效果，在今后照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用將非常廣泛。可以結(jié)合辦公樓宇的自動(dòng)控制系統(tǒng)、多媒體系統(tǒng)、探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)共同構(gòu)成照明智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

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