基于ATmega2560的多傳感器紅外遙控智能LED控制器

牛 犇，朱文章，沈漢鑫，沈亞鋒，張 帆，謝立寅

(1.廈門理工學院，福建 廈門 361000；2.廈門華聯電子有限公司，福建 廈門 361000)

引言

面對日益嚴重的全球能源短缺和環境污染問題，高效環保已經成為當今的世界的一個關鍵詞。而作為與人類現代生活息息相關的電能，更是考慮的重中之重。據不完全統計，僅僅照明一項用電量就占到全球總用電量的20%左右。在這么巨大的數字面前，推出更加節能環保的照明技術絕對的勢在必行。

與控制理論的三個發展階段相類似，照明理論也經歷了三個發展階段[1]。LED照明技術的產生，因其較高的光效，超長的壽命，環保、快捷等優勢，迅速崛起并走入千家萬戶。近期，美國科銳公司(Nasdaq:CREE)宣布白光功率型LED實驗室光效已達到303lm/W[2]。有研究表明，對于同樣功率的系統而言，由多個低功率的LED組成的分布式結構優于由少量高功率LED組成的集中式結構[3]。

本文在利用上述LED的各項優點的同時，設計了一款紅外遙控的智能LED控制器，該控制器集成多種傳感器，在通過PWM技術進行普通手動調光調色溫的同時，還能通過其集成的多種傳感器實現對光源的自動調節功能，更好的完善了LED光源在照明領域的環保節能作用。

2 系統控制方案設計

總體設計思路如下：

可以利用紅外遙控或墻面開關對LED燈進行調光調色溫的控制(三路PWM有條件也可對RGB顏色進行控制[4])；可通過遙控手動開啟或關閉傳感器，開啟傳感器后，人體紅外熱釋電傳感器可以在適當的時間段內(時間段可通過程序調節)，實現人來燈亮，人走燈滅的控制效果；光敏傳感器可每隔一段時間(時間段可通過程序調節)檢測一次外界光照強度，并將信號反饋回單片機，經單片機處理后，即可根據外界不同環境光照對LED燈光亮度進行調節；溫濕度傳感器可檢測當前環境的溫濕度，并反映到顯示屏上，光源色溫可設定為根據外界溫度進行調節(可選功能)，同時，當外界環境溫濕度超過預設定正常溫濕度范圍后，外置蜂鳴器會發出報警音，對用戶起到一定提醒警示作用。

該控制器的系統結構框圖如圖1所示，系統結構主要由三部分組成：傳感器部分(包括顯示部分)，控制部分，驅動電路和光源部分。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 The system hardware structure diagram

3 系統硬件設計

3.1 傳感器部分

3.1.1 人體紅外傳感器

本設計采用HC-SR501人體紅外感應模塊，此模塊采用德國進口的LHI778頭對紅外信號進行采集，并通過紅外熱釋電處理芯片BISS0001對信號進行處理，并輸出高低電平。模塊電路原理圖如圖2所示。

在處理本案的時候出現了兩種不同觀點：第一種觀點依據的是裁判官法的原則，保羅將其表述為兩點：1.指任人為自己辯護而提出的論點是：放貸的媒介行并不屬于指任的范圍，因此他不會為此承擔責任；2.在批評生活資料供應官作出判決的理由之時，此等媒介活動似為擔保之一類，故此，只要他未曾向奴隸作過這方面的委托，一般不授予針對指任人的總管之訴。顯然，在這類論點看來，指任具有的意志論因素具有根本性的排他地位。

圖2 HC-SR501原理圖Fig.2 The schematic diagram of HC-SR501

模塊參數特點如下：

工作直流電壓4.5～20V;靜態電流為50μA；輸出高電平3.3V,低電平0V;通過跳冒切換可選擇L(不可重復觸發)和H(可重復觸發)兩種觸發方式；5～200s可調延時時間范圍；零點幾秒到幾十秒可調封鎖時間范圍；感應角度小于100度錐角；-15℃～+70℃工作溫度范圍；檢測距離3～7米可調；板型尺寸為32mm×24mm。

可選功能如下：

a.可設置光敏電阻測光功能，出廠時未設置，但留有光敏電阻位置(CDS)，需要時可自行焊接光敏電阻，隨之可實現光照強度適當時，傳感器開啟功能。

b.可設置溫度補償，出廠時未設置，但留有傳感器位置(RT)，需要時自行焊接即可。溫度補償功能開啟后，在外界環境溫度為30℃～32℃時，探測距離稍微變短，可起到一定性能補償作用。

工作原理如下：

自然界中，一切高于絕對溫度(-273℃)都會釋放紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外波長不同，人體是恒溫動物，通常發出波長10um左右的紅外線[5]，此模塊通過菲涅爾透鏡和紅外探頭將一定波長的紅外線采集到熱釋電處理芯片上，經過一定的算法處理，輸出高/低電平，供給外部單片機等處理器再處理。

此感應模塊通電后需要一分鐘左右的預熱時間，在此過程中會間隔輸出0～3次左右的信號，之后進入待機狀態。L和H兩種工作模式，可通過跳冒選擇，產品化時，在選擇好一種固定模式后，可以通過將其中一端的銅皮割斷，另一端短路即可。模塊默認最大探測距離是7m，有些模塊出場時沒有焊接電位器，如果要調節距離，自行焊接電位器即可。感應封鎖時間默認為2.5s，可自行設置合適的時間使“感應輸出時間”和“封鎖時間”合理搭配進行，這樣可以起到很好的抗干擾作用。

3.1.2 溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包含一個電阻性感濕原件，一個NTC測溫元件和一個高性能8位單片機，且每個模塊都會在精確的溫濕度校驗室中進行精確的校驗，標準數據以程序的形式存儲在OTP內存中，方便檢測信號處理過程中的調用，具有抗干擾能力強，響應快，體積小，功耗低等優點，在擁有較高的性價比的基礎上，能保證極高的可靠性和長期的工作穩定性。單線制串行接口，方便集成，傳輸距離可達20m以上，適應很多苛刻環境。

模塊參數特點如下：

工作電壓3～5.5V；工作電流0.5～2.5mA；待機電流100～150μA;采樣周期1s;測量分辨率8bit；元件封裝尺寸：12mm×15.5mm×5.5mm(不含針腳)；針腳長8mm。

DHT11應用電路設計如圖3所示，在信號傳輸距離小于20m時需接5K上拉電阻，信號傳輸距離大于20m時，根據實際情況選用合適的上拉電阻。

圖3 溫濕度傳感器應用電路Fig.3 The application circuit design of temperature and humidity sensor

3.1.3 光敏傳感器

光敏傳感器采用KY-018光敏電阻模塊，此模塊靈敏度高，響應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點，能夠在高溫，潮濕條件下保持較高的穩定性，能廣泛應用于多種自動開關控制領域。其應用電路設計如圖4所示。

圖4 光敏電阻傳感器應用電路Fig.4 The application circuit design of photosensitive sensor

3.1.4 顯示部分

顯示部分考慮到顯示內容多少及成本問題，此處選用LCTD1602工業字符型液晶顯示器，此顯示器能夠同時顯示16×2即32個字符，可以滿足本設計的顯示要求。其電路設計如圖5所示。

3.2 主控制電路設計

芯片采用Atmel公司的ATmega2560 8位單片機。此單片機具有56路數字I/O接口，其中14路PWM接口，16路模擬輸入接口，4路UART接口，6路外部中斷，4路串口通信，4路SPI通信接口，支持I2C通信，串口通信，SPI通信，有3.3V和5V兩種電源接口，適用于大量IO接口設計和PWM需求。

選擇此款芯片，主要考慮其方便的PWM功能及其A/D轉換功能，以及ATmega2560系列芯片程序設計的簡化，PWM信號可直接與外部設備相連，使得所設計的外圍電路得到大大簡化，程序設計方便，成本得到降低。其主控電路設計如圖6所示。

圖5 LCD1602應用電路Fig.5 The application circuit design of LCD1602

圖6 系統控制電路及驅動Fig.6 The design of system control circuit and driver circuit

4 軟件設計

本程序采用了模塊化的設計思想，主程序分為兩個模塊的子程序，在兩個子程序中又分為幾個模塊，使不同的功能在遵循子程序的基礎上分模塊得以實現，大大簡化了程序的設計。程序流程圖設計如圖7所示。

其中，為避免干擾，光照傳感器若開啟，則在開始后每隔一個小時匯總一次數據，即開始后的每小時開頭，每隔200ms采集一次數據，共采集十次數據，取平均值，作為此小時段內的調光基準[6]；溫濕度傳感器若開啟，則每隔一小時采集一次數據，這里，熱體紅外傳感器采用不可重復觸發模式。

圖7 程序流程圖Fig.7 The program flow chart

5 結論

經試驗驗證，本系統的能較為穩定的完成預期的功能，三路PWM能穩定的輸出18MA直流電對指定的光源進行調節，在LED的綠色節能基礎上，進一步提高了對LED燈的能源利用率，在解決家庭照明的基礎，集成了一些智能化功能，在節能省電的基礎上，進一步方便了居家日常生活。

該系統結構簡單，操作方便，工作穩定性高，可廣泛應用于居家照明，公共場所照明等日常照明，能夠在環保節能的基礎上，達到一定程度上的智能化效果。

[1] 方景， 邴赫亮， 肖輝.照明控制技術的進展[J].照明工程學報，2014,25(2):10-14.

[2] 當LED光源的光效達到303lm/W我們能做些什么[OL]. http: //www.qianjia.com/html/ 2014-05/04_229657.html ,2014.

[3] WU Chen，HUI SYR. A dimmable light-emitting diode (LED) driver with map-amp post-regulators for multi string applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26 (6):1714-1722.

[4] 吳玉香，尚俊，羅婉霞，等.一種LED智能控制模塊的設計[J].照明工程學報，2014,25(2)：27-31.

[5] 賈冬穎，王巍.基于STC單片機LED智能照明系統的設計[J]. 照明工程學報，2010,21(2):71-74.

[6] 趙祖明，李歧強，王榮麗.無線傳感網絡與模糊控制在照明系統中的應用[J].照明工程學報，2014,25(2):102-106.