單片機控制的室內照明節能系統設計和實現

殷學麗++王大清

摘 要：本文以單片機AT89C52為控制核心，設計和實現了一個室內照明節能控制裝置。系統采用傳感技術探測光亮度和人體的存在，用單片機控制室內照明。AT89C52單片機作為該系統控制裝置的智能部件，感知人體的存在則是用到了熱釋電紅外傳感器，以光敏元件為主要元件的電路用來檢測光照強度。單片機根據取樣電路采集到的光照強度、人體信號、時鐘電路、時間等信息，控制照明電路的開關操作，從而實現照明節能控制。

關鍵詞：照明控制；傳感技術；熱釋電紅外感知；AT89C52

中圖分類號 TP368.2；TP274+.2 文獻標識碼 A

能源短缺的問題是21世紀所有國家都需要面臨的新挑戰。除了大力尋找新興可代替能源之外，節約現有能源、提高能源利用率也是迎接這一挑戰的有效方法。電能作為日常生活中最基礎、應用最廣泛的能源，如何節省以及高效利用它就成為一個迫切需要解決的問題，辦公室照明的節電問題也是節能的一個重要方面。現實生活中常用的節電方式大都是手工控制、聲控型和太陽能燈等。手工方法操作麻煩，費時費力；聲控型對聲音的判斷不是很準確，當外界有干擾聲響時，也會觸發燈泡點亮，浪費電能；太陽能設備具有高投資、高風險、易壞、成本回收周期長的缺點，且容易受天氣和光照強度的影響，設備效益不穩定。從以上分析可以看出，現有的節能方式還不能很好地滿足人們的需求，因此迫切需要一種方便操作、低成本、可以廣泛適用的新型節能方案。

本文設計了一款辦公室燈光自動控制器，實現辦公室燈光的實時控制，自動判斷是否開燈，最大程度的節電，避免人工控制中因管理不到位而造成電能的浪費。系統能自動感知人體以及外界照明情況的變化，由熱釋電紅外傳感器和光敏晶體管探測，信號傳輸到單片機，以控制和調節燈光。

1.控制系統結構

如圖1所示，系統包括控制器主控芯片、電源模塊、手動調節、燈光驅動電路、熱釋電紅外傳感器、數碼管顯示和光敏原件等模塊。

熱釋電紅外傳感器感知辦公室內是否有人類活動，然后針對這兩種情況進行不同的燈光控制。在特殊情況下的用電要求的時候，光傳感器連接主控單片機，對室內光線強度進行監控，手動控制燈光，可使燈保持一直開啟或是一直關閉的狀態。

數碼管模塊顯示室內光線強度，并按照設定的時間進行無人倒計時。燈光驅動模塊：光電耦合器實現光電之間的相互轉化。220V交流電由電源模塊輸出后，又經過變壓器、全橋整流、穩壓、7805穩壓，得到5V直流電。這個電流就是為單片機、傳感器以及其他元器件提供電能的。

2.單元模塊電路設計

2.1 電源電路設計

輸入為220V交流電，輸出為穩定的5V直流電。可以看出，這個電路的設計十分方便，并且能夠輸出穩定的電壓，最大輸出電流為1A，電路能帶動一定的負載，具有實用性。具體電路如圖2所示。

變壓器的輸入端連接到電源插頭，變壓器后接到橋式整流電路。由于整流后電壓波動較大，所以連接一個330μF/25V的電解電容。三端穩壓器LM7805輸出5V的電壓，其最大輸出電流為1A，內部有限流式短路保護。為了濾波和阻尼，三端穩壓器后連接一個10μF的電容。在最后，C2兩端接了一個輸出電源的插針，這使得它可以與用電端口連接。

2.2 數碼管顯示電路設計

當某一字段的陰極置高時，該字段不發光。把發光二極管的陰極全部連在一起，形成共陰極數碼管。把公共極COM連接到地線GND，如果把某個發光二極管的陽極置高，對應的字段就被點亮；如果置低，該字段就不亮。數碼管顯示電路如圖3所示。

2.3 感光電路設計

光敏器件采集環境光照信息，經過A/D轉換后直接發送給主控單片機。感光電路如圖4所示。

2.4 人體感應電路設計

人的體表溫度通常為37℃左右，發出的紅外線波長為10μm左右。人體發射的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。本系統采用CS9803GP熱釋電紅外控制電路。電路通過連接了熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件，可以起到開關的作用。

2.5 復位電路設計

本系統采用上電按鈕復位方式，按下復位按鈕前，第9管腳接地，輸入低電平，按下復位按鈕后，第9引腳點位提升到+5V，輸入高電平，復位生效，單片機執行復位命令。復位電路的具體電路如圖5所示。

2.6 時鐘電路設計

由于在室內使用，所以該系統還受時間的控制，因此需要加入硬件時鐘電路來確保系統的智能化運行。采用具有充電功能的時鐘芯片DS1302作為RAM寄存器臨時性存放數據，在停電時為時鐘電路提供電源。

單片機和DS1302的連接電路如圖6所示。在這里VCC2外接3.6V可充電的鋰電池，作為DS1302的備用電源。VCC1外接+5V穩定電壓，這是DS1302的主要電能來源。DS1302由VCC1和VCC2兩者中較大者供電。系統正常運行時，VCC1是大于VCC2的，此時由VCC1給DS1302供電；主電源意外關閉的情況時，VCC2向DS1302供電，這是為了確保時鐘的持續運行。X1和X2作為振蕩源，外接32.768kHz的晶振。RST是復位片選線，如果把RST輸入驅動置高，就會啟動所數據傳送。RST與單片機的復位信號相連。時鐘輸入端SCLK接單片機的P1.5引腳，實現時鐘控制。

由于51單片機內部沒有晶振源，所以需要外加晶振為單片機供應時鐘信號。晶振兩端接上負載電容構成三點式電容振蕩是為了幫助晶振起振，C1，C2兩個負載電容為30pF。當晶振提供的時鐘信號穩定后，單片機就可以隨著晶振的頻率一步一步地從ROM中讀取指令來執行程序。時鐘電路如圖7所示。

2.7 燈光驅動電路設計

光電耦合器由發光源和受光器構成燈光驅動電路如圖8所示。

3.系統控制模塊的軟件設計

系統軟件采用自上至下的設計，首先設計好主程序，然后將各部分展開形成子程序，最后對各個小模塊分別進行設計和編程。

如圖9所示，程序在運行之初，先進行系統初始化；然后光強度采集子程序讀取數據，顯示當前光線強度，判斷是否到達極值，若高于極值則直接關燈，若低于極值則轉入人體存在子程序進行判斷，若有人則再次循環，若無人則開始倒計時；倒計時期間依然運行人體存在子程序判斷，若有人則重新開始倒計時，若無人則一直倒計時到零，關燈，運行結束。

光敏電阻采集的光照度的模擬信號經A/D轉換器將變換成數字位流以進行處理、傳輸等，并根據是否有人執行動作。單片機把實時監控檢測采集的兩路數據分別與設定值進行比較，然后根據結果判斷是否有人啟動相關開關。光照檢測程序的流程圖如圖10所示。

結論

本系統以環境的光照強度、人體是否存在等外界環境為參數輸入控制器，設計了室內燈光控制系統。實驗證明，該系統大大降低了辦公室燈所需電能，添加的時間控制參數，使辦公室燈光的控制更加科學合理。系統采用AT89C52作為單片機主控單元，經過有關電路的驅動，實現了系統對照明設施的控制。感光元件選擇光敏電阻，通過A/D轉換，完成了系統對信息的采集。以CS9803GP作為熱釋電紅外控制電路，增加了少量外接元器件共同形成了熱釋電紅外開關，完成了對人體感應信息的采集。以MOC3023為光電耦合器，完成系統對燈光的驅動。整個系統通過數碼管不停閃爍把工作狀態顯示出來，完成了系統對室內燈光的自動開與關的操作。本系統便于功能擴展，可移植性較好，有一定的市場廣泛應用前景。

參考文獻

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