基于單片機的智能照明控制系統設計

查成源，馮明春（通訊作者）

（滁州學院機械與電氣工程學院，安徽滁州，239000）

0 引言

在平時生活中我觀察到很多人在下班或出門時不會隨手關燈，這不但是一個不好的生活習慣，而且會造成電力資源的大量浪費[1]。在很多場合下，我們應當做到人走燈滅，所有的照明以滿足人們基本生活為標準，那些公司，超市，學校等在沒人的情況下可以關閉大部分的照明燈光，或者可以設計一款能在固定時間段開燈的裝置，將其應用在政府大樓或者學校等場合，就能夠實現提高能源的使用效率[2]。由于目前國內智能燈光控制系統并沒有普及，設計一個室內智能照明控制系統，能做到白天自動熄燈，夜晚室內有人自動亮燈。而且亮燈的數量可以根據室內人數來控制，滿足日常照明的要求，那么這款設計如果可以普及，不但可以節約大量電能，而且由于智能性，也會讓生活變得更加便捷。

1 系統架構設計

該系統架構主要由如下幾個模塊構成，分別是STM-32F103C8T6單片機模塊，LED燈模塊，按鍵模塊，指示燈模塊，顯示屏模塊，漫反射光電傳感器模塊，光敏傳感器模塊。根據設計方案，系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

相比普通51單片機，STM32F103C8T6單片機性能更加強勁，其工作溫度范圍十分廣闊，能適應大部分工作環境的溫度，并具有如USB控制器等51單片機所不具備的資源，速度也非傳統的51單片機能媲美。且這款單片機程序模塊化，接口也相對簡單。具有高性能，成本低，數字信號處理，低功耗等優點[3]。

2 主要部分設計介紹

2.1 人數統計部分

本設計里此功能的實現主要運用到了漫反射光電傳感器。當漫反射光電傳感器發射端的二極管發射紅外線，傳感器里的檢測電路會判斷接收端是否可以接收到反射回來的紅外線，這樣就可判斷前方是否有物體[4]。那么可以將兩個漫反射光電傳感器分別設定為傳感器一與傳感器二，設定傳感器一先被觸發傳感器二后被觸發為人進入室內，反之為出去。根據這兩個傳感器被觸發的先后順序不同就能實現室內的人數統計功能。

2.2 智能照明部分

此功能運用到了光敏傳感器模塊，光敏傳感器內部裝配有一個精度非常高光電管，如果光電管的兩端受到了反向的固定壓，那么只要受到光照，就能使這個光電管釋放電子。光電管的電流就會隨著外部的光照強度增大而增大。此時電流通過電阻，不同的電流就會在電阻的兩端產生不一樣的電壓。強度不同的電壓會被數模轉換器和采集器所接收，就能給主機發送不同強度的模擬信號，主機就可以判斷外部光照強度的高低[5]。由此可以設定一個閾值，當系統檢測到室內光照強度大于閾值的時候說明室內外部的光照光照強度充足，照明自動關閉，反之說明室內光照強度不夠，此時系統會根據室內人數智能開啟照明燈數量，實現智能照明功能。

2.3 顯示部分

本設計運用的顯示屏為串口觸摸屏，這塊觸摸屏的內層表面和夾層表面都涂有一層導電層的玻璃，用戶用手指觸摸時，人體的電場通過手指與觸摸屏形成耦合電路，手指從觸摸處吸走由屏幕四角電極流出的電流，控制器經過精確計算四角流出的電流與手指的距離就能判斷觸摸點的位置，再通過軟件編寫程序，可以實現用戶觸摸屏幕來實現實物功能操作[6]。串口觸摸屏的內部還集成了單片機的顯示和驅動，同時也集成了時鐘模塊，能夠滿足本設計屏幕上顯示時間，日期等功能，故而選用串口觸摸屏作為本設計的顯示模塊。

3 主程序流程圖

主流程圖說明程序的處理順序和程序的邏輯先后順序，具體描繪了設計的邏輯以及操作步驟。利用程序流程圖的形式描繪程序流向，能更加直觀的表示軟件的總體邏輯，主程序流程圖，如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

在系統開始后進行系統初始化，此時系統會判斷目前是否為手動模式。如果此時是手動模式，那么就可以手動控制系統燈光，比如開啟幾盞照明燈。手動模式與自動模式可以用按鍵進行切換。如果系統判定為自動模式，那么系統會開始判斷室內光照強度大小。設定了一個初始值，當光強大于設定初始值的時候，說明室內光照強度較大，不需要開啟照明燈。此時系統會自動關閉所有燈光。若系統檢測到室內光照強度小于設定的初始值時，系統會自動檢測進入人數，同時也會檢測出去人數，再綜合得到目前室內總人數。如果此時室內人數在0~10人，系統會發出指令，此時只開一盞燈。若此時室內人數在10~20人之間，系統會打開兩盞燈。如果系統監測人數在20~30人之間，系統會開三盞燈，如果系統檢測人數大于30人，系統會打開四盞燈。接著仍然可以通過按鍵切換手動模式。

4 實物調試

4.1 實物介紹

在設計好實物編寫好程序后，接著就是實物調試，實物圖如圖3所示。

如圖3所示，實物正上方為一個LCD顯示屏，下方四個燈珠模擬室內四盞照明燈，兩個黑黃相間的為漫反射光電傳感器，下方藍色部分為光敏傳感器。如圖4所示，位于單片機黃色部分上方按鍵為復位按鍵，下方黑色按鍵是模式切換按鍵，按鍵旁邊有一個紅色指示燈。

圖3 實物圖

圖4 單片機按鍵圖

4.2 開機顯示

運行程序后，STM32F103C8T6單片機顯示開機畫面，此時需要滑動解鎖開機。滑動解鎖圖片設定為滁州學院及英文名稱，旁邊還有滁州學院校徽。滑動解鎖，如圖5所示。

圖5 滑動解鎖圖

圖6 屏幕顯示圖

滑動解鎖后，屏幕顯示如圖6所示，此時屏幕顯示日期，時間，星期，人數，模式顯示為模式0，燈光顯示為0，設定時間顯示為00-00，此時按下復位鍵，再將設定時間為00到21時，設定時間可通過LCD顯示屏直接觸摸操作，如圖7所示。

圖7 觸摸屏操作圖

此時已設定自動模式，再將光敏傳感器遮住，模擬夜間場景，現可進行功能測試。

4.3 自動模式

當漫反射光電傳感器檢測室到內有人進入時，屏幕會顯示當前室內人數。漫反射光電傳感器不但可以檢測進入室內的人數，也可以檢測離開室內的人數。如果室內人數到達一定值，燈光也會隨之變化。當室內人數在0~10人時照明系統會打開一盞燈，當室內人數在10~20人時，照明系統會打開兩盞燈，當室內人數在20~29人時，照明系統會打開三盞燈，當室內人數大于等于30人時照明系統會打開四盞燈，如圖8所示。

圖8 功能測試圖

當去除遮擋光敏電阻的遮擋物時，若此時外界光照強度比較強，則此時即使室內有人，因為智能照明控制系統判斷此時光照強度充足，所以智能照明控制系統不會開燈，但人數統計依然有效，如圖9所示。

圖9 室內光照強度大時照明圖

4.4 手動模式

打開手動模式需要按一下切換按鍵，此時不會立馬切換手動模式，需要有人觸發漫反射光電傳感器才能觸發手動模式。手動模式觸發后屏幕模式顯示為模式1，且手動模式指示燈亮起。此時我們可以通過觸摸屏幕設置需要開啟照明燈數量，如圖10所示。當系統檢測到有人進出，智能照明系統會打開剛剛設置的照明燈數量，如圖11所示。

圖10 手動模式設置照明燈數量圖

通過以上測試可知，顯示功能基本實現，且實現情況良好。

5 結論

該智能燈光控制系統采用STM32F103C8T6單片機作為系統的主控芯片，采用兩個漫反射光電傳感器判斷室內人員流動，從而達到計算室內人數的效果。再利用光敏傳感器判斷室內光照強度是否充足，可以實現在光照強度充足的時候關閉燈光，在光照強度不足的時候按照室內人數智能開啟燈光，既保證了燈光充足，又不會造成電力的浪費。該設計實現的功能符合設計要求，達到了預期結果。