基于单片机的自动调光灯设计

林兴 辽宁锦州渤海大学工学院

基于单片机的自动调光灯设计

林兴 辽宁锦州渤海大学工学院

在本设计中以AT89C51单片机为主控制器，其主要功能是对输入信号进行相应的处理，然后得到理想的输出信号，这个过程主要通过相应的软件程序来实现。输入信号主要有两个，一个是光敏电阻给出的光线亮暗程度信号，另一个则是人体感应模块给出的是否有人的信号。而单片机的输出为是否开灯的信号。这样便可设计出人走灯灭，白天灯灭的灯光控制系统并达到节约能源的效果。

自动调光 单片机 人体感应

1 引言

电能作为日常生活中应用最广且不可或缺的能源，更加需要节约使用，并且人们节约用电的意识逐步增加。尤其在当今所提倡的低碳生活的背景下，节约能源成为大家的共识。而作为培养人才的高校更应其到带头的作用，积极倡导节约能源，并在运用于实践。设计一套教室灯自动调光实现教室灯光智能化，使得每一度电都用的有价值。因此为了现实的需要以及对社会可持续发展做出贡献我们必须要开发出价格低廉、结构简单、实用性强的灯自动调光系统。

2 系统设计

2.1 设计原理

根据之前所学的控制原理可知控制系统包括控制机构、执行机构、输入机构等，智能灯光控制系统作为控制系统中简单的一种主要有三部分：执行器、传感器和控制器，它们各部分分工明确完成不同的工作且要相互通信使之能协调工作，所以它们要遵循一定的控制标准和通信协议以便于实现各单元之间的信息传送实现灯光智能控制。该系统通过检测一定区域内的各种状态参数得到输入信号，然后将输入信号传送给控制单元，经控制单元综合分析后得出控制信号，控制信号驱动执行单元执行相应的操作，进而根据具体环境状况对该区域内的灯光状态进行准确控制。由此可见该系统通过相应的设计可以对不同的光照强度不同的人员分布以及一些其他不同情况下的灯光状态进行控制和统一管理，充分的实现教室灯光的智能化。

2.2 控制方案

本系统的控制方案是利用单片机制作一个控制器形成智能控制系统对教室里的灯光控制。通过传感器对教室内的人体红外射线和光照强度进行检测，得出人体存在和自然光强度的信号，以此作为主要的参数输入。实现自然光强度达到一定值时无论是否有人存在都不开灯；在自然光强度低于一定阀值，有人存在且超过一定时间则打开灯光，直到人离开后经过一定的延时然后关闭灯光。

3 硬件设计

3.1 系统总体框图

在该控制系统中单片机处于核心位置，在其基础上进行扩展，根据设计要求可知扩展电路主要包括：复位电路、开关电路、光敏电路、系统供电电路、人体感应电路、LED显示电路、继电器驱动电路。其中LED显示电路和继电器驱动电路负责系统的输出。各个模块相互配合协作使教室灯光实现有效的智能控制。其可以根据气候、光照强度和人体存在信号等全天模糊自动控制教室内照明灯具的开和关。做到光线暗时检测到有人或阴雨天检测到有人的情况下打开照明灯，没有人或晴天教室光线较亮的情况下关闭照明灯。这样可以确保教室正常照明，也有效防止无人灯亮、晴天灯亮的情况发生，有效节约学校电能。这样根据相应的输入输出和整个系统所需要的模块可以画出系统的总体框图，如图1所示。

图1 系统总体框图

3.2 光照强度检测模块

光照强度检测模块是提供系统输入的重要模块之一，其核心元件是光敏电阻和LM393双电压器集成电路，论文讲述到这里大家对光敏电阻应该已经了解的差不多了，其主要特性是阻值会随光照强度改变而改变，根据这种特性可以把光照强度信号转化为电信号便于识别。LM393具有增益高、电源电压范围宽、频带宽等特点，在使用时没有用到的引脚要与地相连接。而它的输入可以是大于Vcc的差分电压，这样并不会使芯片损坏。LM393的输出部分是NPN的晶体管，且晶体管的集电极是开路状态，发射极是接地状态，驱动输出负载电阻的电源电压不会受到Vcc端电压值的影响。LM393电压比较器在比较两个相近的电压时，输出电压会产生跃变，由高电平跳跃到低电平或是从低电平跳跃到高电平。

3.3 人体感应模块

根据传感器的不同工作原理将其分为热型和量子型两类，本系统采用被动红外传感器。被动红外传感器又叫做热型红外传感器，它的生产成本比较低工作条件宽松应用范围很是广泛，并且它能够不分昼夜地检测周围的环境状况，持久耐用功能强大。

被动式红外探头通过感应人体散发的红外线进行工作，为了使其对人体的感应效果达到最好我们将它设置为锥面形状。感应探头在实际工作中还需要加上菲涅尔滤光片，因为人体辐射的红外线能量比较弱，直接感应会受到其他光线的干扰，所以我们利用菲涅尔滤光片增强人体辐射的红外线同时抑制其他无关光线。而当采用热释电元件制成的红外感应源感应到人体红外线时，其内部电荷平衡会被打破并向外释放电能，经相应的检测电路处理后就可以得出一个能够确定环境中是否有人存在的信号。这就是传感器红外探头的工作原理。

3.4 LED指示电路

本系统中绿色的LED用来显示整个系统的工作状态，当绿色LED处于熄灭状态则表示系统正在进行自动控制不需要人来开关照明灯；当绿色LED处于亮起状态则说明系统已经切换到了手动模式，只能手动开启和关闭灯光。而它们的电路原理图基本相同，都是如图2所示，其中一个LED两个电阻，电阻起到分压和分流的作用让通过LED的电流足以驱动LED，同时又能保护电路使之长久运行。

图2 LED指示电路图

3.5 继电器驱动模块

电磁继电器是一种弱电控制强电的电气元件，它的组成元件包括铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等。当继电器的线圈得电后，根据电磁效应可知此时的线圈等同于一个磁体能够将衔铁吸合，继电器的常开点闭合常闭电断开，线圈失电后磁力消失原来的受力平衡状态被打破，在弹簧的单向作用力下衔铁断开触点恢复到原来的状态。这样对电路的闭合断开起到控制效果。根据相应的程序设计以及人们习惯继电器吸合就等同于开关开启，所以输出开灯命令时继电器要吸合灯具要开启，这就要求系统的驱动电路接在继电器的常开点上。电磁继电器驱动模块原理图如图3所示。

图3 继电器驱动电路图

4 软件设计

4.1 设计流程

根据系统需要实现的目的，先设计整程序的流程图，在程序的编写的过程中采用模块化设计，不同模块实现不同的功能，最后把所有的模块整合在一起，形成完整的程序。程序的运行过程大体是当光敏和人体传感器得到相应的信号后，单片机对相应的引脚进行扫描，得到两个输入量，然后根据设定好的算法计算出输出信号，通过一个引脚将信号从单片机中输出进而决定继电器线圈是否得电吸合使灯具开启。

4.2 程序编译

本系统的程序编译是通过KeilC51平台完成的。KeilC51是功能强大的集成开发调试工具，其开发的流程包括编辑、编译、连接、调试、仿真等，并且它能够高效率生成紧凑易理解的目标代码。Keil平台上程序编写可以选择C语言也可以选择汇编语言，考虑到C语言功能强易理解好编写的特点，故该系统的程序通过C语言进行编写。充分考虑系统程序的流程图以及需要实现的功能，我们分模块编写系统程序，方便功能扩充，有利于改善程序的可读性，更使得设计、编制和调试的便利。同时对整个程序代码的优化创造出许多有利的条件。部分程序代码如下：

[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社,2003.3

[2]徐新艳.单片机原理应用与实践[M].北京：高等教育出版社,2005

[3]赵亮,侯国瑞.单片机C语言编程技术与实例,人民邮电出版社,2003

[4]冯博琴.微型计算机原理与接口技术[M].北京：清华大学出版社,2004