基于單片機的照明自動控制系統設計與實現

摘 要：為降低傳統照明系統的能耗、提高其能源利用效率，設計了一種基于單片機的照明自動控制系統。該系統采用STC89C52單片機作為主控芯片，太陽能板和太陽能蓄電池作為功能裝置，集成GY30光照傳感器以采集環境的光照強度，利用SNR8016VR-M語音識別模塊實現語音控制。測試結果表明，該系統實現了照明的自動化控制，并能有效降低照明的能耗。

關鍵詞：照明控制；太陽能；光照傳感器；語音識別；自動化控制；STC89C52

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-0-03

0 引 言

隨著農業種植面積和養殖面積的擴大，出現了用電多、電費貴、大量電力資源浪費等一系列問題。在這一背景下，為切實解決民生問題，考慮降低傳統照明系統的能耗。

本文結合多種照明系統，設計了一種具有節能[1-4]及自動化[5-7]功能的照明系統。文獻[8]設計了一款照度穩定可調的LED照明燈和數字顯示照度表，采用旋轉編碼器和PWM電路進行調光控制，實現了對LED照明燈亮度的調控。文獻[9]設計了一款低功耗便攜式智能節能燈光控制器，采用USB供電，利用光數字傳感器和人體紅外線接近感應器，實現燈光的智能化控制。然而，目前這兩個系統都不具備語音控制功能。文獻[10]通過光敏電阻采集外部光線強度，利用ADC0808將其轉換成數字信號，以此判斷當前為白天或夜晚，并根據判斷結果控制燈的亮滅。然而，該系統存在高耗能問題。文獻[11]設計了一款基于51單片機的燈光控制器，需利用光敏電阻、集成電壓比較器以及人體紅外線集成感應器等設備，單片機經過信息處理和分析后，實現對燈光的智能控制。當環境光線昏暗時，實現“人來燈開，人走燈滅”的效果。然而，該系統設計方式過于復雜。

由此可見，現有的研究存在不足，不僅缺乏語音控制功能，也存在高耗能以及當前設計方式過于復雜的問題。因此，需要對系統進行擴充，以簡化設計方式，提高系統的可維護性和可擴展性。

基于現有照明系統的上述問題，本文將設計一款實用的低能耗新型系統，該系統采用太陽能板和太陽能蓄電池作為能源來源，集成了傳感模塊和語音控制模塊，支持自動調節照明特性和控制模式，完成了基于單片機的照明自動化控制，能夠實現能源消耗的最小化和照明效果的最大化。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體框架

基于單片機的控制系統整體結構包括主控芯片、輸入模塊、輸出模塊，如圖1所示。

輸入模塊主要包括：光照傳感器、薄膜矩陣鍵盤和語音子模塊。光照傳感器用于檢測環境的照明強度，薄膜矩陣鍵盤和語音子模塊用于接收用戶的指令。

輸出模塊主要包括：照明子模塊和顯示屏。照明子模塊用于照明，顯示屏用于顯示輸入模塊傳送的數據。

照明系統的整體運行流程：通過輸入模塊采集環境數據和接收用戶指令，將采集的數據和信息傳給主控芯片，主控芯片對數據進行解析和處理，再將數據傳輸給發送設備進行輸出顯示。

1.2 主控芯片

本系統使用的主控芯片具備核心控制和數據處理功能，其型號為STC89C52，工作電壓范圍為3.3～5 V，晶振頻率為12 MHz，接收電流為20 mA，發送電流為10 mA，串口波特率可通過設置指令調整，串口為8數據位，擁有1停止位。該芯片具有成本低廉、功能強大、功耗低、抗干擾能力強等優點，支持多種編程方式。其核心控制作用表現在：對輸入模塊傳來的數據進行解析和處理，再將數據傳輸給發送設備，保證系統按照預定的工作方式運行。

1.3 輸入模塊

輸入模塊電路如圖2所示。

1.3.1 光照傳感器

本系統采用光照傳感器作為輸入子模塊，用于采集環境的光照強度，設備型號為GY30，工作電壓范圍為3～5 V，光照范圍為0～65 535 lx，傳感器內置16 bit A/D轉換器，與5 V單片機I/O口直接相連。該傳感器具有數字輸出、高分辨率、寬動態范圍、低功耗、簡單易用等特點，待檢測環境的照明強度后，將檢測結果反饋給主控芯片，從而實時調整照明設備的照明強度，讓系統運行更智能、更高效。該傳感器的DO口用于輸出測量的光照強度數字信號，與單片機的P3.3口連接進行信息傳輸。

1.3.2 薄膜矩陣鍵盤

本系統采用薄膜矩陣鍵盤作為輸入子模塊，能夠更好地實現用戶交互功能，其具有低成本、輕便等特點，用戶可通過薄膜矩陣鍵盤自定義照明時長，實現照明系統的靈活控制和節能環保。薄膜矩陣鍵盤使用標準的電氣接口，如USB、PS/2、RS 232等，通過P0口與單片機連接。

1.3.3 語音識別子模塊

本系統采用語音模塊作為輸入子模塊，用于實現語音控制，型號為SNR8016VR-M，工作電壓為5 V，待機電流為50 mA，音頻時長240 s，模塊尺寸為28 mm×40 mm，語音指令共160個。該模塊具有簡單易用、可定制等特點，技術人員提前錄入語音指令，用戶通過輸入相應語音指令便可控制特定區域的照明，從而實現照明系統的語音控制。該語音模塊的OUT1口和OUT2口為輸出口，分別與單片機的P3.0口和P3.1口連接進行信息傳輸。

1.4 輸出模塊

輸出模塊電路如圖3所示。

1.4.1 照明子模塊

本系統的照明子模塊主要采用 LED 燈作為光源器件，其工作電壓為3 V，與白熾燈、節能燈等其他光源器件相比，具有使用壽命長、能耗低、電源光效高、光照效率高等特點，通過太陽能發電系統的供電便可實現夜晚照明。該照明模塊通過P1.4口、P1.5口與單片機連接。

1.4.2 顯示屏

本系統采用顯示屏作為輸出設備，用于顯示輸入設備傳來的重要參數，型號為LCD1602，邏輯工作電壓范圍為4.8～5.2 V，驅動電壓為5 V，非背光時工作電流（背光除外）為1.7 mA，背光時工作電流為24.0 mA，具有顯示清晰、低功耗、低成本等特點。LCD1602 顯示屏用于顯示輸入裝置傳來的數據，如：光照強度、溫濕度、用戶設置的照明時長等，從而提高用戶使用的便捷性。該LCD1602顯示屏的RS口用于選擇數據的類型，與單片機的P1.1口連接；RW口用于選擇讀寫操作，與單片機的P1.2口連接；DB口用于傳輸數據（并行數據線），與單片機的P2口連接；BLA口和BLK口是用于控制背光的接口，分別與單片機的電源正負極連接。

2 系統軟件設計

2.1 主流程

啟動系統后，將進行系統初始化。在這一過程中，系統將逐一初始化單片機、薄膜矩陣鍵盤以及語音模塊，確保它們處于最佳工作狀態，為后續的用戶交互和LED控制做好準備。

接下來，程序進入等待用戶輸入的狀態。通過薄膜矩陣鍵盤，程序不斷掃描用戶的按鍵動作，并等待用戶輸入控制命令，當檢測到按鍵動作時，程序立即讀取按鍵值，并將其視為用戶輸入的控制命令傳給單片機；在掃描薄膜矩陣鍵盤的同時，系統對語音模塊保持監聽，判斷語音模塊是否識別到語音命令，當語音模塊識別到命令時，將獲取的命令傳回單片機。

下一步將檢測指令是否正確。為了將用戶輸入的控制命令轉化為具體的LED燈亮滅時間，程序會解析按鍵輸入，并根據預設的映射關系或算法，將用戶輸入的按鍵值轉換成相應的LED燈亮滅時間，該映射關系或算法涉及到一些簡單的編碼規則；與解析按鍵輸入類似，系統需要解析語音命令，識別出用戶想要控制的LED燈以及對應的亮滅狀態，這需要使用語音識別庫或者API來實現。通過解析按鍵輸入和語音輸入，將解析后的指令與指令庫進行比較，如果符合要求則進入下一步驟，如果不符合則返回到用戶輸入步驟，重新輸入指令。

接下來將判斷指令是否為語音。如果不是語音指令，系統將其判定為通過解析按鍵輸入得到的指令，程序會進入控制LED燈亮滅時間的階段，在這一階段，程序會根據用戶輸入的亮滅時間，通過單片機的GPIO口控制LED燈的開關狀態；如果是語音指令，則程序進入控制LED燈亮滅狀態的階段，在這一階段，程序會根據語音控制指令來控制LED燈的亮滅狀態，包括根據指令開啟或關閉LED燈、調整LED燈的亮度以及實現其他可能的燈光效果等。

完成以上步驟后，程序會返回到系統初始化階段，繼續監聽用戶的操作，由此形成了一個循環，可以不斷接收用戶按鍵輸入的指令或語音控制命令，并控制相應LED燈的亮燈時間和亮滅狀態。當程序結束后，程序退出循環并釋放相關資源。在這一過程中，程序始終保持對用戶按鍵輸入和語音控制的響應，為用戶提供便捷的LED燈自動化控制體驗。系統主流程如圖4所示。

2.2 語音子模塊控制流程

語音子模塊控制流程如圖5所示。

該模塊接收語音指令后首先進行初步判斷，將接收的語音與技術員提前錄入的語音庫指令進行對比，如果不是預設語音則重新接收語音指令，如果是預設語音則繼續執行接下來的流程。

判斷接收的語音是否為中文。如果是中文則繼續判斷語音指令，如語音指令為“打開”則進行打開LED的操作，否則LED仍保持之前的狀態；如果接收的語音不是中文，則默認為英文，如果語音指令為“ON”則進行打開LED的操作，否則LED仍保持之前的狀態。

3 結 語

本文設計了基于STC89C52單片機的照明自動控制系統，該照明自動控制系統以STC89C52為主控制器，集成了以下三大模塊：輸入模塊、輸出模塊以及太陽能發電系統，具有低成本、低能耗、自動化控制等特點，可廣泛用于智能家居、工業、農業及商業等領域，具有廣闊的應用前景。

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