室內(nèi)智能照明控制裝置

北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192

一、引言

長(zhǎng)期以來(lái)，與天然光相結(jié)合的人工照明領(lǐng)域的研究在國(guó)內(nèi)一直被忽略，大部分建筑物仍然采用傳統(tǒng)的照明控制方式，存在一定程度的能源浪費(fèi)現(xiàn)象[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源緊缺的現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，電力供應(yīng)也比較緊張，電荒現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。隨著我國(guó)社會(huì)發(fā)展和人們生活水平的提高，照明用電占到了在社會(huì)總用電量的20%，并逐年提高，因此利用智能照明控制算法，充分利用天然光照明，減少用電消耗，有很好的應(yīng)用價(jià)值[2-5]。

本文所介紹的室內(nèi)智能照明控制裝置，采用紅外傳感器模塊來(lái)判斷是否有人在室內(nèi)，確定控制裝置工作在有人模式或者無(wú)人模式。無(wú)人模式可以解決外出忘記關(guān)燈的問(wèn)題，避免電能的浪費(fèi)。在有人模式中，通過(guò)智能開(kāi)關(guān)和手機(jī)的配合使用來(lái)滿足睡眠、夜景、喚醒、起床等多種不同狀態(tài)的要求。此外通過(guò)按鍵可以完全的手動(dòng)控制窗簾電機(jī)和日光燈的開(kāi)關(guān)。

二、系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，HC6800-MS功能板包含完整的單片機(jī)最小系統(tǒng)。

控制信號(hào)輸入部分由紅外傳感模塊，室外光敏傳感器模塊和智能開(kāi)關(guān)組成。采集到的輸入數(shù)據(jù)，與單片機(jī)中設(shè)定的狀態(tài)對(duì)應(yīng)表進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)所處的狀態(tài)從I/O口輸出控制信號(hào)。控制信號(hào)通過(guò)繼電器對(duì)窗簾電機(jī)和日光燈開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制。

智能控制開(kāi)關(guān)使用一個(gè)不對(duì)稱U形結(jié)構(gòu)作為外殼，分別有兩個(gè)光敏傳感器嵌在外殼的內(nèi)表面，來(lái)檢測(cè)手機(jī)的亮滅，如圖2所示。

三、系統(tǒng)硬件選型

主要器件：HC6800-MS功能板、紅外傳感模塊、光敏傳感器模塊、繼電器。

1、HC6800-MS功能板

HC6800-MS功能板以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，集成了高效率的單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。而STC12C5A60S2單片機(jī)該是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。由于其性價(jià)比極高，在室內(nèi)智能控光裝置中可以出色的完成全部功能，所以在選型中該功能板是不二之選。HC6800-MS功能板連線圖如圖3所示。

2、紅外傳感器

紅外傳感器采用的是Risym公司的產(chǎn)品，型號(hào)是HC-SR501，選用此模塊的原因是它性價(jià)比較高，穩(wěn)定性較好，應(yīng)用的范圍比較廣。主要指標(biāo)如下：

工作電壓 5V～20V DC靜態(tài)功耗 65μA電平輸出 高3.3V，低0V延時(shí)時(shí)間 可調(diào)(0.3s～18s)封鎖時(shí)間 3s觸發(fā)方式 L不可重復(fù)，H可重復(fù)，默認(rèn)值為H感應(yīng)范圍 小于120°錐角，7m以內(nèi)工作溫度 -15～+70℃PCB外形尺寸 32*24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應(yīng)透鏡尺寸：(直徑)23mm(默認(rèn))

3、光敏傳感器模塊

telesky光敏傳感器模塊對(duì)環(huán)境光強(qiáng)敏感，一般用來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境的亮度和光強(qiáng)；模塊在無(wú)光條件或者光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO口輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，模塊DO輸出低電平；小板數(shù)字量輸出DO可以與單片機(jī)直接相連，通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)環(huán)境的光強(qiáng)改變；小板模擬量輸出AO可以和ADC模塊相連，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，可以獲得環(huán)境光強(qiáng)更精準(zhǔn)的數(shù)值，如圖4所示。

4、繼電器

4路繼電器模塊（5V，低電平觸發(fā)）與單片機(jī)I/O口相連來(lái)控制窗簾電機(jī)正反轉(zhuǎn)和日光燈的打開(kāi)和關(guān)閉，繼電器如圖5所示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

表1 軟件調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)初始化（包括檢測(cè)是否有中斷、端口的初始化等）、按鍵檢測(cè)模塊、紅外傳感器模塊、室外光敏模塊和智能開(kāi)關(guān)的光敏模塊組成。系統(tǒng)首先檢測(cè)與紅外傳感器模塊相連的I/O端口的狀態(tài)，低電平為無(wú)人模式，高電平進(jìn)入有人模式。在無(wú)人模式中，室外光敏檢測(cè)到有光亮，執(zhí)行關(guān)燈開(kāi)窗簾的操作，無(wú)光時(shí)執(zhí)行關(guān)燈關(guān)窗簾。此模式避免了出門忘記關(guān)燈造成的電能浪費(fèi)。在有人模式中，通過(guò)按下按鍵可以進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)控制切換。自動(dòng)模式中，安放在臥室的智能開(kāi)關(guān)與手機(jī)的配合使用方法如下：在手機(jī)出現(xiàn)鬧鐘提示后，智能開(kāi)關(guān)光敏傳感器1被遮擋感受不到光照，光敏傳感器2被手機(jī)屏幕照亮，執(zhí)行開(kāi)燈，窗簾關(guān)閉。這一狀態(tài)為喚醒狀態(tài)，直到穿戴好衣物，拿走手機(jī)，智能開(kāi)關(guān)光敏1受到室內(nèi)的光照，光敏2無(wú)光照，執(zhí)行關(guān)燈開(kāi)窗簾，起床完畢。在夜晚無(wú)光時(shí)，同樣可以通過(guò)手機(jī)的不同照亮方式來(lái)實(shí)現(xiàn)睡眠，夜景等功能。通過(guò)控制的每個(gè)模塊對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行都很重要。整體流程圖如圖6所示。

五、系統(tǒng)的調(diào)試及測(cè)試

一個(gè)系統(tǒng)要能夠正常工作并且達(dá)到預(yù)期的工作狀態(tài)是其硬件設(shè)計(jì)合理并結(jié)合軟件設(shè)計(jì)才能達(dá)到的，系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。

1、硬件調(diào)試。首先對(duì)購(gòu)買的傳感器集成模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試硬件是否能正常使用，器件的電壓是否足夠大，驅(qū)動(dòng)能力是否足夠，確認(rèn)無(wú)誤后根據(jù)電路原理圖進(jìn)行安裝。將單片機(jī)I/O口與傳感器模塊，繼電器，開(kāi)關(guān)，窗簾電機(jī)和日光燈匹配好，然后進(jìn)行硬件間的連線和焊接。

2、軟件調(diào)試。主要包括對(duì)各控制量的輸入和被控對(duì)象的狀態(tài)的檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

六、結(jié)論

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的整體調(diào)試，包括有人/無(wú)人模式的切換，不同狀態(tài)下的窗簾電機(jī)的開(kāi)關(guān)和日光燈的亮滅，成功實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)智能控光裝置設(shè)計(jì)的目的：節(jié)能環(huán)保、高效智能。如果將光照強(qiáng)度做細(xì)分，增加有光和無(wú)光之外的其他光照狀態(tài)來(lái)進(jìn)行控制，將會(huì)更加人性化，舒適化。