室內智能照明控制器的設計

莫慧芳 鄭英儀

(廣州科技貿易職業學院智能制造學院 廣東廣州 511442)

當今世界面臨能源嚴重短缺的問題，傳統的手動開關照明控制方式已經難以滿足人們對節能控制系統的要求。教室的照明系統多為開放式管理，照明控制方式大都是采用傳統的開關面板手動控制。這種手動的照明管理方式較為落后，經常會出現管理不及時、不到位的情況，電能存在浪費的現象。目前，室內的主要耗能電器為傳統熒光燈和白熾燈。目前，大多數采用人力機械式開關控制傳統熒光燈的亮滅，這需要人們根據天氣和光照條件自覺改變亮燈的數量。傳統的控制方法造成了用電的巨大浪費。

現代照明系統除了滿足人的基本生活，學習以及工作要求之外，會更加注重能源上的節省以及對人們個性方面的生活要求。LED節能燈雖然已經普遍使用，隨著調光技術的出現，能夠簡單實現對燈光的需求，但這樣也無法實現對燈光的智能調節，如在日光強度足夠的情況下使用照明燈具也是對資源的一種浪費，這也顯得研發室內智能照明系統的重要性，實現對燈光亮度的智能調節。

一、系統工作原理

隨著第二次工業革命“電氣時代”的結束，標志著一種新能源的誕生——電能。在全球科技發展的新時期，科技發展逐漸向智能化，信息化靠攏。與此同時，“電能”也被人們廣泛使用，導致電能的浪費現象尤為嚴重。因此，面對當前電能浪費的問題，結合當前信息化，智能化時代，本項目設計了一款以單片機STC89C52為主控核心，以模擬室內對照明系統等涉及電能設備進行智能化控制的室內智能照明控制器。該控制器主要由主控單片機STC89C52最小系統為主控模塊，以電源模塊，測溫模塊，光照人數檢測模塊，模擬照明模塊，感應檢測模塊，無線WiFi模塊為子模塊而設計的智能化控制器。采用單片機STC89C52最小系統作為主控模塊，能對其余子模塊進行準確控制并進行數據信息采集和數據處理，進而通過系統界面的液晶顯示屏將溫度，光照，電源，人數等環境數據進行實時顯示。溫度檢測模塊與光照檢測模塊分別采用溫度傳感器以及光敏傳感器進行數據采集，采用紅外對管檢測電壓進行當前使用環境特定地點進行人數檢測和統計，并使用熱釋電紅外傳感器檢測人體活動光譜的變化，通過主模塊進行對控制器功能進行開關的智能控制，有效節省了空閑時間的能源浪費[1][2]。

圖1 系統方框圖

二、硬件電路設計

（一）核心電路設計

本控制器是利用STC89C52單片機為基礎來實現對照明系統的節能控制。STC89C52RC是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，其最高運作頻率為35MHz，具有8K字節系統可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。該控制器是集傳感探測技術，電路控制技術以及智能控制技術，物聯網技術為一體的控制裝置。其總電路原理圖如圖2所示[3]。

圖2 總電路原理圖

（二）測溫模塊

通過DS18B20傳感器采集到室內的實時溫度，將其溫度數據通過物聯網進行數據采集而后傳輸至單片機。通過單片機將數據處理完成后送至顯示模塊將其顯示出實時溫度量，測溫電路如圖3所示。

圖3 測溫電路圖

（二）光照及人數檢測模塊

該模塊是由光照檢測以及人數檢測集合而成的模塊。光照檢測采用了光敏電阻作為檢測當前環境的光線強度信息的元件，再進而通過LM399電壓比較器對其當前采集到的光線強度進行相對應的比較，再通過LM399電壓比較器輸出給單片機主模塊，由單片機主模塊對當前采集到的數據信息進行模擬量處理后輸出顯示在顯示屏上，做到實時反饋當前環境的光照強度。

在人數檢測功能上，采用的是一對紅外對管來實現該功能。紅外對管通過檢測人體經過控制器時的導通電壓與固定電壓進行相對應的吧比較，隨后通過LM399電壓比較器輸出給單片機主模塊，單片機主模塊接收電平信號，以高低電平為準對人數進行統計，當產生高電平時，則通過單片機主模塊控制輸出至顯示屏作為計數+1；若為低電平，單片機主模塊則返回到等待掃描檢測，等待接收信號的初始掃描狀態。該模塊可通過物聯網通過與單片機進行MODBUS協議或者Zigbee協議進行數據的接收，將其數據反饋給用戶[4]。

圖4 光照及人數檢測電路圖

（三）模擬照明模塊

本模塊是采用了LED發光二極管來進行對室內或者特定環境的模擬照明，可以幫助用戶更方便地了解當前所需要大概的光照強度是多少。當控制器系統判斷到當前環境條件等因素符合開啟照明時，會通過單片機主模塊在其顯示屏上顯示其應當開啟多少盞數的燈以及開啟相對應盞數的燈來模擬當前使用環境的照明情況。

采用了兩個LED發光二極管作為遠程控制/自動模式的指示燈，當系統處于遠程控制模式或自動模式下時，系統則會開啟相對應模式指示燈。當單片機接收環境光強度檢測器輸出的光強信號和熱釋電紅外傳感器輸出的人體存在信號，當檢測到教室內照度X＞300lux時，所有燈都保持關閉的狀態；檢測教室內照度X＜300lux時，若室內沒有人，所有燈都關閉；若某個區域有人則分區域開燈。可通過遠程APP控制對電路進行可控調節從而達到對不同環境的應用。

（四）自動感應模塊

采用靈敏度高，可靠性強的熱釋電紅外距離傳感器，探測人體活動紅外線光譜變化，使開關自動接通負載，在延時時間段內，如有人在有效感應范圍內活動時，開關將持續接通，直到人離開后，延時自動關閉負載，實現了人來燈亮，人走燈熄的智能控制功能[5]。

（五）無線WIFI模塊（APP）

用戶可通過無線WIFI模塊與該控制器的系統進行匹配連接，通過物聯網反饋的信息可以清晰地知道目前室內的照明處于哪種狀態。并且通過手機APP功能可以進行對自動控制模式和遠程控制模式的切換，當切換為遠程控制模式后，可通過APP進行對應使用場景所需的照明需求進行切換，調整亮度及色溫等參數，當目前亮度會影響眼睛等健康狀況時會進行實時提醒，從而滿足不同用戶的不同使用需求。

三、軟件電路設計

控制軟件由一個主程序和若干個子程序組成，子程序包括人數統計流程圖，照明系統流程圖等，主程序控制流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

四、結束語

本項目是設計以單片機為核心的模擬室內照明智能化控制器，可有效改進控制室內照明控制系統的管理方式，減少電能的浪費和電能的經費支出，并且相對現在市面上的智能照明控制器功能和使用更加齊全。

該控制器可自動感應光照，顯示實時時間，測量實時溫度，具有人數檢測功能，根據時間、光照強度、溫度，人數來實現控制室內照明功能；支持手機APP進行遠程控制，用戶可用手機APP及時知曉室內照明的參數如色溫，亮度等并且可通過APP進行模式切換而對這些參數進行可控調節，以達到滿足用戶所需的照明要求。