地下車庫節能照明系統設計

摘 要：現代城市的發展造就了數以萬計的地下車庫。目前車庫的照明光源基本采用T8或T5直管熒光燈，燈光照明的控制方式大部分均采用集中人工控制的方式，由值班員進行操控。地下車庫全天候24小時持續照明，燈管的損耗率非常高，維護工作量大，耗電量極高。針對以上問題，設計一種專用于地下車庫的節能照明系統具有非常重要的意義。本文的設計是基于微波感應的地下車庫節能照明系統，該系統由STC單片機、數字光強傳感器、微波感應傳感器和LED燈等組成。單片機根據裝在地下車庫入口處的數字光強傳感器BH1750檢測入口處的光照強度，調節入口處LED燈的亮度，光照強度由LCD1602顯示。此外，通過微波感應傳感器檢測地下車庫內車輛或人的移動，如果沒有檢測到車輛或人體移動，單片機控制LED燈的亮度為10%；如果檢測到車輛或人移動，則調節LED亮度至90%，以達到節能環保的目的。LED燈亮度通過PID算法和PWM技術控制。最后通過實驗證明，系統達到預期的節能效果，可為相關行業提供有益的借鑒。

關鍵詞：微波感應傳感器；PID算法；PWM技術

中圖分類號：TU964 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）08-0032-05

Abstract：The development of modern cities has created tens of thousands of underground garages. At present，the lighting source of the garage is basically using T8 or T5 direct tube fluorescent lamp，and the control mode of light lighting is mostly controlled by centralized manual control，which is controlled by the duty officer. The underground garage has 24 hours of continuous illumination，and the wastage rate of the lamp is very high. The maintenance workload is large and the power consumption is extremely high. In view of the above problems，it has a great significance to design an energy-efficient lighting system dedicated to underground garage. The design of this paper is based on the microwave induction of the underground garage energy saving lighting system. The system is composed of STC microcontroller，digital light intensity sensor，microwave induction sensor，LED lamp and so on. According to the digital intensity sensor BH1750 which is installed at the entrance of the underground garage，the MCU detects the light intensity at the entrance，and regulates the brightness of the LED lamp at the entrance，and the intensity of light is displayed by LCD1602. In addition，the vehicle or human movement in the underground garage is detected by the microwave induction sensor. If the vehicle or human movement is not detected，the brightness of the LED lamp is 10%. If the vehicle or the person is moved，the brightness of the LED is adjusted to 90% to achieve the goal of energy conservation and environmental protection. The luminance of the LED lamp is controlled by the PID algorithm and the PWM technology. Finally，through the test，the system achieves the expected energy saving effect，which can provide useful reference for the related industries.

Keywords：microwave induction sensor；PID algorithm；PWM technology

1 當前地下車庫照明系統運行使用情況

1.1 當前地下車庫節能照明系統使用情況

上世紀九十年代，人們用的都是觸摸式控制日光燈，但因該控制方式繁瑣，聲控日光燈由此產生。由于聲控容易受外界噪聲影響，廠商為迎合市場需求，研發出紅外感應日光燈，徹底解決了聲控的缺陷與不足。隨著科技的進步，因紅外線感應容易受到溫度的影響，信號在傳輸中容易產生衰減，影響正常接受距離。為了解決該缺陷，微波感應LED日光燈應運而生。

1.2 地下車庫節能照明系統的發展趨勢

由于微波感應器件是由電磁波傳輸，利用了多普勒效應原理、傅里葉變換技術以及精準的高頻相位和頻率差分析系統準確地對運動物體進行高靈敏性檢測，無論是人員還是車輛，只要進行運動就會被感應器件檢測，并控制LED日光燈亮起。雷達微波感應技術是當前最先進的智能LED日光燈產品技術之一。微波感應LED燈具有電路工作狀態不受自身燈光的影響和安裝簡易等優點，能夠比較好地達到人來燈亮、人走燈滅的效果，有一定的市場推廣價值。

隨著計算機技術發展的重大突破，信息與控制技術得到快速的發展并廣泛應用，智能控制技術在各個領域取得了巨大的發展。在照明行業，LED燈一直以節能環保的優勢占據著不可取代的地位。

2 地下車庫節能照明系統方案設計總體思路

2.1 方案論證

方案一：對車庫公共照明時間進行控制管理

對地下車庫照明時間進行控制，常用的方式是采用分時段，全部燈具開啟照明，即白天和前半夜將照明燈全部打開，后半夜關閉一半以上的車庫照明燈具。此種方法的節能效果不明顯，而且需要專人值守。

方案二：減少燈具數量

這種辦法簡單易行，可以明顯降低地下車庫照明工程的耗電量。如果過度減少照明燈具數量，將導致整個照明系統光照度不達標。減少燈具數量后會使光照度降低，增加各項安全隱患。所以，這種辦法也不適用。

方案三：紅外LED感應燈

目前，市場上用的比較多的是LED紅外感應燈，它采用高亮LED燈作為發光光源，光效高，壽命長，省電率分別比相同亮度下的白熾燈和熒光燈高60%和40%。

但紅外線感應易受到環境紅外輻射的干擾，容易引起誤判。信號在傳輸過程中容易衰減，影響正常照明的距離。

方案四：微波感應式LED燈

微波雷達人體感應燈具以多普勒效應為基礎，采用最先進的平面天線，可有效抑制高次諧波，減少其他雜波的干擾。其特點是靈敏度較高﹑可靠性能高；安全高效、方便修理﹑智能化、節約能耗。與紅外產品比較，雷達開關感應距離比較遠，探測角度廣，基本沒有盲區，可穿透玻璃及較薄的木板，幾乎不受環境、溫度、塵埃等影響。隨著節能減排觀念深入人心，微波感應LED日光燈將會在市場逐漸走向頂峰。應用前景良好，LED會越來越向智能化方向發展。綜合考慮，本文采用方案四。

2.2 總體方案設計

本系統應用在地下車庫，由微波感應電路、單片機、光強感應電路、電源模塊、顯示模塊、調試接口及LED驅動電路構成。系統方案如圖1所示。

光強度傳感器置放于車庫入口處，并在車庫入口安裝微波感應傳感器，啟動該傳感器檢測外部光照強度。其余位置微波傳感器與LED一起放置，當檢測到相應的物體移動時，啟動相應位置的LED燈。地下車庫模擬示例如圖2所示。

系統的每一個模塊由硬件，軟件兩個部分構成。硬件部分為系統工作運行的基礎環境，軟件部分為系統提供控制算法。其功能如下所述。

（1）核心控制模塊：采用STC最新研發的IAP15F 2K61S2作為本系統的核心模塊，并通過微波感應電路模塊產生外部中斷，啟動光強度傳感器采集外部光亮強度作為PWM調光的亮度等級依據；

（2）微波感應模塊：對外界物體的行為進行檢測，當有運動的物體經過探測范圍時，由輸出引腳產生一個下降沿信號；

（3）光強感應模塊：獲取外界光亮強度，并作為PWM調光算法依據；

（4）電源管理模塊：對系統電壓進行檢測，并提供可供系統穩定運行的電源電壓；

（5）調試接口模塊：為軟件仿真提供簡單易行的接口；

（6）LED驅動模塊：根據單片機產生的PWM信號穩定控制LED燈的亮度；

（7）LCD顯示模塊：將系統運行狀態以及外部光強強度顯示出來。

3 地下車庫節能照明系統硬件設計

硬件設計是系統工作所需要的運行環境，以STC公司15系列可在線仿真的8位單片機IAP15F2K61S2作為核心控制處理器，并在此基礎上增加各種外設接口電路組成整個硬件系統。微波感應LED燈主要由核心控制模塊、電源控制管理模塊、微波感應模塊、光強感應模塊、顯示模塊、調試模塊和LED驅動模塊等組成?；谖⒉ǜ袘牡叵萝噹旃澞苷彰飨到y各個子功能模塊的硬件設計方案如圖3所示。

3.1 電源管理模塊

電源提供整個系統穩定運行必需的工作電壓，以保證系統核心控制器以及各個傳感器和LED等正常工作，由此可見電源模塊的重要性。本系統采用的電源是市電220V交流電。經過變壓器降壓后，再經過整流濾波穩壓輸出，可供LED燈正常工作的電壓值7V，由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓各不相同，因此電源模塊應包含多個參數不同的穩壓電路，將7V電壓轉換成各個模塊所需要的電壓。單片機系統、傳感器電路需要5V電壓，LED燈工作電壓范圍為5～8V，為保證穩定運行不燒壞燈泡，故選用7V作為LED驅動電路電壓。

3.1.1 7V穩壓電源設計

由于LED燈驅動電路采用7V電壓供電，在PWM調節脈寬的過程中，可能造成電路電壓出現波動，對電源進行濾波穩壓處理顯得尤為重要。為了不讓電路中波動的電流影響到其它模塊，所以本文選擇LM2596S-ADJ可調降壓芯片開關電源作為7V的供電電源。

3.1.2 5V穩壓電源設計

在系統中，微控制器、微波傳感器和光強傳感器均采用5V電壓供電。為了滿足系統設計要求，采用UNISONIC公司LM7805集成穩壓器為微控制器及其相關傳感器提供可靠的工作電壓。該芯片最高輸出電流可達1A，由LM7805構成5V穩壓電路。

3.2 核心控制模塊

基于微波感應的地下車庫節能照明系統采用IAP15F 2K61S2單片機作為整個系統的主控制芯片，該芯片由宏晶科技設計生產的單時鐘/機器周期單片機，是具有較高的可靠性能和超強的抗干擾能力的新一代80C51單片機。該芯片采用宏晶科技第八代芯片加密技術，加密性超強，可與傳統8051指令集兼容，速度快6～12倍，內部集成高精度R/C時鐘，常溫下溫漂1%，ISP編程時5MHz～35MHz寬范圍可設置。

3.3 傳感器模塊

本系統以微波傳感器檢測外部物體行為，以光強傳感器檢測外界光照強度，以便對白天、黑夜以及外部光亮度進行判別，可減輕人眼在暗適應過程中產生的不適。

3.3.1 微波傳感器MS-CRFS

微波感應器采用平面天線發射及接收回波，為主動式傳感器，感應器發射高頻電磁波（5.8GHz），并接收回波。微波傳感器為多普勒效應自動感應技術傳感器。此感應器探測回波內微小的物體移動，觸發微處理器，執行相應指令。信號透過門、玻璃板及薄的墻壁都有可能被探測到，人體或物體向著感應器移動時的探測效果最佳。產品抗干擾能力強，幾乎不受風、熱等外界環境因素的干擾。由探頭監測探測范圍內物體地移動，并以電壓形式輸出，經由LM324集成運放放大后，再由電壓比較器比較輸出。

3.3.2 光強度傳感器

光強度傳感器（BH1750）模塊是一種基于雙線串行總線接口（IIC），具有數字型光強度傳感器的集成電路。實際開發過程中利用它的高分辨率可以探測較大范圍（1-65535 LX）的光強度變化。該傳感器支持IIC BUS接口（F/S Mode Support），擁有接近于視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，峰值的靈敏度波長典型值為560nm，無需其他部件，通過50Hz/60Hz除光噪音功能，可實現穩定測定輸出對應亮度的數字值。

BH1750經過內部轉換輸出16位高精度測量結果，無須A/D轉換電路，可避免A/D轉換系統線路噪聲帶來的誤差。

3.4 LED驅動電路

在實際應用中，如果將LED燈直接接入電路進行脈寬調制，在高速的PWM頻率下，容易產生頻閃現象，因此，驅動LED燈需要恒流恒壓條件，才不會在控制亮度的同時產生閃爍現象。驅動電路中直流電壓經無頻閃電路二次穩壓，供給LED燈珠，通過PWM信號控制，最終輸出穩定的直流電壓供給燈珠，以保證其穩定正常工作。

3.5 LCD1602液晶顯示屏

為了更好地監測系統運行狀態，以便對系統運行進行判別與監測，設計時引入1602液晶以便于顯示。LCD1602精簡易用、驅動簡單，能夠在器件上以兩行每行16個字符的形式顯示出所有包括英文字母以及數字在內的信息，方便對系統進行監測。

4 地下車庫節能照明系統軟件設計

基于硬件電路的運行環境，需要有軟件的支持才能真正意義上驅動各個外設完成相應的工作。在編程時，選用Keil軟件作為編譯器，該集成的開發環境支持高級的編程C語言和匯編語言，也支持兩種語言的交叉結構編程。為了提高程序的可讀性能以及可移植性，本文軟件設計主要采用C語言進行編程。

4.1 系統軟件的整體結構

在編程過程中，采用結構化思想，將程序模塊化進行編程，以便于后續維護和調試。主程序流程圖如圖4所示。從結構上看，系統程序主要包括主程序入口、各模塊初始化程序、中斷服務子程序和脈寬調制程序等。

4.2 LCD1602液晶驅動程序

通過對數據手冊中模塊操作時序的分析可知，利用RS、RW、EN的不同狀態可以對1602執行4種操作。在硬件電路上，使用P0口作為數據總線，使用P1.0作為液晶的使能端（EN），P1.1作為讀/寫選通端（RW），P1.2作為數據/命令選擇端（RS）。根據閱讀模塊數據手冊可知，顯示器首字符RAM地址為0X80，每次送數前均通過判斷數據總線最后一位是否為高電平而判斷液晶是否處于繁忙狀態，所以將0X80作為對顯示器寫入數據的物理地址，并對相應的地址送數，從而顯示對應的字符。

因其操作前需對數據總線第八位進行判斷，若該位為高電平，則一直等待其進入低電平狀態。因單片機讀取外部數據時，須先向I/O口寫入1，故讀取前，先向數據總線DB寫入0xFF，然后讓控制線進入控制準備狀態。

根據數據手冊時序圖，封裝如上子函數，在后續模塊中可以直接調用子函數實現相應的功能，也方便后期維護和調整。

4.3 微波傳感器程序驅動模塊

微波傳感器硬件電路與微控制器接口以中斷方式實現，在正常模式下，該引腳輸出并保持高電平直至物體移動引起傳感器產生外部中斷，出現下降沿時，向微控制器發出中斷請求。外部中斷0的優先級默認為系統最高級，當微控制器響應中斷后，CPU當即放下手頭正在執行的其他程序（除中斷子程序之外），轉而進入外部中斷0的中斷服務程序。在外部中斷0中斷服務子程序中，先令其向液晶寫入新的工作狀態提示符，并啟動數字光強度傳感器采集數據。

4.4 數字光強度傳感器驅動程序

8051內核單片機并未集成硬件IIC通信外設接口，但在硬件電路中，數字光強度傳感器與微控制器通信采用飛利浦公司的IIC雙線通信協議進行數據交換。因此，只能通過對IIC通信時序的分析，使用8051單片機普通I/O口，以程序的形式模擬IIC通信。IIC通信過程中，主機與從機進行通信，主要通過主機產生起始信號、停止信號、發送應答信號和接收應答信號實現數據傳送。在實現普通I/O口模擬IIC通信后，需要以IIC通信為基礎，驅動數字光強度傳感器。因IIC使用的是雙線通信，時鐘線與數據線分開，因此，每一個時鐘周期僅能在總線上接收一位數據，但因為單片機需要處理的是一個字節的數據，因此需要總線循環8次讀取數據。

4.5 PID算法

當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如PWM驅動外設）時，需要用PID的“增量算法”。

4.6 脈沖寬度調制

STC單片機中，需要采用定時器產生PWM信號。單片機定時計數器功能選擇由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/T進行選擇，通過設定定時器特殊功能定時器TMOD第4至6位，使定時器工作于16位不可重裝載模式，其可調制時鐘頻率范圍為1～65535Hz。

程序設計中，設定PWM頻率為10KHz。定時器初始化時設置TMOD寄存器，使其定時器1工作于16位定時器功能狀態，并且開啟定時器中斷和全局中斷。當外部產生中斷信號時，CPU響應中斷并載入初值，之后調用PWM算法程序，對LED亮度進行調控。

5 地下車庫節能照明系統調試

在整個系統的研發過程中，系統的調試會占據很多時間。在后期的開發階段，調試對系統的各項性能和系統的穩定性起到決定性作用。系統的調試效率對系統整個開發進度有一定的影響，可以通過調試修正相關參數。

硬件與軟件調試。對硬件進行調試的過程中，僅需要對硬件各個模塊進行基本的測試，經過與原理圖進行對比，以及萬用表測量其電路的連通性，確保硬件電路無斷路、無短路現象。

微波模塊用于檢測外部物體運行行為，該模塊有三根引腳與主控電路相接，分別為電源正負極及其中斷信號輸出引腳；光強度傳感器用于檢測外部光線強度的信號，并以IIC數據通訊接口形式輸出相關光強流明度至主控制器。該模塊除了具有電源正負極引腳之外，還具有IIC通訊接口SDA與SCL引腳，同時還具有器件地址控制引腳ADD；LED模塊作為顯示器件，在系統中起著舉足輕重的作用，其顯示亮度是PWM信號的反饋依據之一，該模塊除了具有電源正負極，同時具有PWM信號輸入引腳，以便于脈沖調寬對燈泡亮度的調控。

在整個系統的運行中，少不了主控模塊對各個外設進行調控，其主控模塊STC單片機作為主控制器，其芯片封裝為DIP40雙列直插式封裝。在主控制模塊上同時具有LCD1602液晶顯示模塊，以便在主控模塊上觀察各個模塊的運行狀態以及數據采集情況。

本系統采用軟件平臺Keil uVision 5為程序編譯工具，通過串口將單片機與電腦進行連接，并使用Keil自帶的Debug功能實現在線仿真功能，亦可使用STC專用燒錄軟件ISP程序對芯片進行燒錄，并選擇內部運行時鐘頻率。

6 結 論

本系統設計了以多普勒原理為理論基礎的、基于微波感應的地下車庫節能照明系統，該系統采用STC最新研發的單片機IAP15F2K61S2作為整個系統的核心控制模塊，配合以微波傳感器與光強度傳感器對LED燈進行脈沖寬度調制，使其發出不同等級的光亮，適合地下車庫等公共場所使用。LED燈可以在微波傳感器的干預下，從其靜態時保持百分之十的亮度轉變為與外界光亮強度相關的不同等級層次的亮度級別。本文從系統結構、系統硬件設計、系統軟件設計和系統調試仿真等幾個方面進行了研究。硬件設計充分利用單片機內部中斷資源，采用模塊化設計思想，從而簡化了系統外圍電路的設計。軟件設計采用中斷觸發方式，使CPU內核占用率大大降低，并保證了最佳的系統運行效果。

本設計是在微波傳感器與STC單片機的基礎上，結合相應的控制技術進行的研發與創新。本設計采用STC單片機為主控制器，控制方式較為單一，其運行狀態僅能在主控制端觀察，下一步考慮采用STM32較為高級的單片機或更高級的芯片作為主控制器。此外，本文設計的有物體移動與無物體移動所對應的兩個LED燈亮度是固定的，下一步考慮采用無線通信控制方式，并設計一個上位機，由值班室人員根據實際情況設定LED燈亮度值。在此基礎上，亦可將數據實時傳輸至上位機中顯示。

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作者簡介：陳耀從（1974.11-），男，福建泉州人，晉江城城置業有限公司副總經理、物業工程總監；福建省興泰物業管理有限公司物業顧問師；管理高級工程師、高級經濟師（房地產業）、安全生產管理工程師、工程設備管理工程師、工程建設管理工程師、高級安全評價師、高級職業指導師、高級企業培訓師，高級項目管理師、維修電工高級技師、國家職業經理人、物業管理師。研究方向：房地產業經濟、咨詢（投資）管理工程、建筑經濟、物業管理、物業顧問服務、工程技術、科技管理（安全生產管理）、質量管理、物業機電設備管理。