基于單片機的自動調光燈設計

林興 遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的自動調光燈設計

林興 遼寧錦州渤海大學工學院

在本設計中以AT89C51單片機為主控制器，其主要功能是對輸入信號進行相應的處理，然后得到理想的輸出信號，這個過程主要通過相應的軟件程序來實現。輸入信號主要有兩個，一個是光敏電阻給出的光線亮暗程度信號，另一個則是人體感應模塊給出的是否有人的信號。而單片機的輸出為是否開燈的信號。這樣便可設計出人走燈滅，白天燈滅的燈光控制系統并達到節約能源的效果。

自動調光 單片機 人體感應

1 引言

電能作為日常生活中應用最廣且不可或缺的能源，更加需要節約使用，并且人們節約用電的意識逐步增加。尤其在當今所提倡的低碳生活的背景下，節約能源成為大家的共識。而作為培養人才的高校更應其到帶頭的作用，積極倡導節約能源，并在運用于實踐。設計一套教室燈自動調光實現教室燈光智能化，使得每一度電都用的有價值。因此為了現實的需要以及對社會可持續發展做出貢獻我們必須要開發出價格低廉、結構簡單、實用性強的燈自動調光系統。

2 系統設計

2.1 設計原理

根據之前所學的控制原理可知控制系統包括控制機構、執行機構、輸入機構等，智能燈光控制系統作為控制系統中簡單的一種主要有三部分：執行器、傳感器和控制器，它們各部分分工明確完成不同的工作且要相互通信使之能協調工作，所以它們要遵循一定的控制標準和通信協議以便于實現各單元之間的信息傳送實現燈光智能控制。該系統通過檢測一定區域內的各種狀態參數得到輸入信號，然后將輸入信號傳送給控制單元，經控制單元綜合分析后得出控制信號，控制信號驅動執行單元執行相應的操作，進而根據具體環境狀況對該區域內的燈光狀態進行準確控制。由此可見該系統通過相應的設計可以對不同的光照強度不同的人員分布以及一些其他不同情況下的燈光狀態進行控制和統一管理，充分的實現教室燈光的智能化。

2.2 控制方案

本系統的控制方案是利用單片機制作一個控制器形成智能控制系統對教室里的燈光控制。通過傳感器對教室內的人體紅外射線和光照強度進行檢測，得出人體存在和自然光強度的信號，以此作為主要的參數輸入。實現自然光強度達到一定值時無論是否有人存在都不開燈；在自然光強度低于一定閥值，有人存在且超過一定時間則打開燈光，直到人離開后經過一定的延時然后關閉燈光。

3 硬件設計

3.1 系統總體框圖

在該控制系統中單片機處于核心位置，在其基礎上進行擴展，根據設計要求可知擴展電路主要包括：復位電路、開關電路、光敏電路、系統供電電路、人體感應電路、LED顯示電路、繼電器驅動電路。其中LED顯示電路和繼電器驅動電路負責系統的輸出。各個模塊相互配合協作使教室燈光實現有效的智能控制。其可以根據氣候、光照強度和人體存在信號等全天模糊自動控制教室內照明燈具的開和關。做到光線暗時檢測到有人或陰雨天檢測到有人的情況下打開照明燈，沒有人或晴天教室光線較亮的情況下關閉照明燈。這樣可以確保教室正常照明，也有效防止無人燈亮、晴天燈亮的情況發生，有效節約學校電能。這樣根據相應的輸入輸出和整個系統所需要的模塊可以畫出系統的總體框圖，如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

3.2 光照強度檢測模塊

光照強度檢測模塊是提供系統輸入的重要模塊之一，其核心元件是光敏電阻和LM393雙電壓器集成電路，論文講述到這里大家對光敏電阻應該已經了解的差不多了，其主要特性是阻值會隨光照強度改變而改變，根據這種特性可以把光照強度信號轉化為電信號便于識別。LM393具有增益高、電源電壓范圍寬、頻帶寬等特點，在使用時沒有用到的引腳要與地相連接。而它的輸入可以是大于Vcc的差分電壓，這樣并不會使芯片損壞。LM393的輸出部分是NPN的晶體管，且晶體管的集電極是開路狀態，發射極是接地狀態，驅動輸出負載電阻的電源電壓不會受到Vcc端電壓值的影響。LM393電壓比較器在比較兩個相近的電壓時，輸出電壓會產生躍變，由高電平跳躍到低電平或是從低電平跳躍到高電平。

3.3 人體感應模塊

根據傳感器的不同工作原理將其分為熱型和量子型兩類，本系統采用被動紅外傳感器。被動紅外傳感器又叫做熱型紅外傳感器，它的生產成本比較低工作條件寬松應用范圍很是廣泛，并且它能夠不分晝夜地檢測周圍的環境狀況，持久耐用功能強大。

被動式紅外探頭通過感應人體散發的紅外線進行工作，為了使其對人體的感應效果達到最好我們將它設置為錐面形狀。感應探頭在實際工作中還需要加上菲涅爾濾光片，因為人體輻射的紅外線能量比較弱，直接感應會受到其他光線的干擾，所以我們利用菲涅爾濾光片增強人體輻射的紅外線同時抑制其他無關光線。而當采用熱釋電元件制成的紅外感應源感應到人體紅外線時，其內部電荷平衡會被打破并向外釋放電能，經相應的檢測電路處理后就可以得出一個能夠確定環境中是否有人存在的信號。這就是傳感器紅外探頭的工作原理。

3.4 LED指示電路

本系統中綠色的LED用來顯示整個系統的工作狀態，當綠色LED處于熄滅狀態則表示系統正在進行自動控制不需要人來開關照明燈；當綠色LED處于亮起狀態則說明系統已經切換到了手動模式，只能手動開啟和關閉燈光。而它們的電路原理圖基本相同，都是如圖2所示，其中一個LED兩個電阻，電阻起到分壓和分流的作用讓通過LED的電流足以驅動LED，同時又能保護電路使之長久運行。

圖2 LED指示電路圖

3.5 繼電器驅動模塊

電磁繼電器是一種弱電控制強電的電氣元件，它的組成元件包括鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等。當繼電器的線圈得電后，根據電磁效應可知此時的線圈等同于一個磁體能夠將銜鐵吸合，繼電器的常開點閉合常閉電斷開，線圈失電后磁力消失原來的受力平衡狀態被打破，在彈簧的單向作用力下銜鐵斷開觸點恢復到原來的狀態。這樣對電路的閉合斷開起到控制效果。根據相應的程序設計以及人們習慣繼電器吸合就等同于開關開啟，所以輸出開燈命令時繼電器要吸合燈具要開啟，這就要求系統的驅動電路接在繼電器的常開點上。電磁繼電器驅動模塊原理圖如圖3所示。

圖3 繼電器驅動電路圖

4 軟件設計

4.1 設計流程

根據系統需要實現的目的，先設計整程序的流程圖，在程序的編寫的過程中采用模塊化設計，不同模塊實現不同的功能，最后把所有的模塊整合在一起，形成完整的程序。程序的運行過程大體是當光敏和人體傳感器得到相應的信號后，單片機對相應的引腳進行掃描，得到兩個輸入量，然后根據設定好的算法計算出輸出信號，通過一個引腳將信號從單片機中輸出進而決定繼電器線圈是否得電吸合使燈具開啟。

4.2 程序編譯

本系統的程序編譯是通過KeilC51平臺完成的。KeilC51是功能強大的集成開發調試工具，其開發的流程包括編輯、編譯、連接、調試、仿真等，并且它能夠高效率生成緊湊易理解的目標代碼。Keil平臺上程序編寫可以選擇C語言也可以選擇匯編語言，考慮到C語言功能強易理解好編寫的特點，故該系統的程序通過C語言進行編寫。充分考慮系統程序的流程圖以及需要實現的功能，我們分模塊編寫系統程序，方便功能擴充，有利于改善程序的可讀性，更使得設計、編制和調試的便利。同時對整個程序代碼的優化創造出許多有利的條件。部分程序代碼如下：

[1]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社,2003.3

[2]徐新艷.單片機原理應用與實踐[M].北京：高等教育出版社,2005

[3]趙亮,侯國瑞.單片機C語言編程技術與實例,人民郵電出版社,2003

[4]馮博琴.微型計算機原理與接口技術[M].北京：清華大學出版社,2004