地下车库节能照明系统设计

摘 要：现代城市的发展造就了数以万计的地下车库。目前车库的照明光源基本采用T8或T5直管荧光灯，灯光照明的控制方式大部分均采用集中人工控制的方式，由值班员进行操控。地下车库全天候24小时持续照明，灯管的损耗率非常高，维护工作量大，耗电量极高。针对以上问题，设计一种专用于地下车库的节能照明系统具有非常重要的意义。本文的设计是基于微波感应的地下车库节能照明系统，该系统由STC单片机、数字光强传感器、微波感应传感器和LED灯等组成。单片机根据装在地下车库入口处的数字光强传感器BH1750检测入口处的光照强度，调节入口处LED灯的亮度，光照强度由LCD1602显示。此外，通过微波感应传感器检测地下车库内车辆或人的移动，如果没有检测到车辆或人体移动，单片机控制LED灯的亮度为10%；如果检测到车辆或人移动，则调节LED亮度至90%，以达到节能环保的目的。LED灯亮度通过PID算法和PWM技术控制。最后通过实验证明，系统达到预期的节能效果，可为相关行业提供有益的借鉴。

关键词：微波感应传感器；PID算法；PWM技术

中图分类号：TU964 文献标识码：A 文章编号：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 當前地下车库照明系统运行使用情况

1.1 当前地下车库节能照明系统使用情况

上世纪九十年代，人们用的都是触摸式控制日光灯，但因该控制方式繁琐，声控日光灯由此产生。由于声控容易受外界噪声影响，厂商为迎合市场需求，研发出红外感应日光灯，彻底解决了声控的缺陷与不足。随着科技的进步，因红外线感应容易受到温度的影响，信号在传输中容易产生衰减，影响正常接受距离。为了解决该缺陷，微波感应LED日光灯应运而生。

1.2 地下车库节能照明系统的发展趋势

由于微波感应器件是由电磁波传输，利用了多普勒效应原理、傅里叶变换技术以及精准的高频相位和频率差分析系统准确地对运动物体进行高灵敏性检测，无论是人员还是车辆，只要进行运动就会被感应器件检测，并控制LED日光灯亮起。雷达微波感应技术是当前最先进的智能LED日光灯产品技术之一。微波感应LED灯具有电路工作状态不受自身灯光的影响和安装简易等优点，能够比较好地达到人来灯亮、人走灯灭的效果，有一定的市场推广价值。

随着计算机技术发展的重大突破，信息与控制技术得到快速的发展并广泛应用，智能控制技术在各个领域取得了巨大的发展。在照明行业，LED灯一直以节能环保的优势占据着不可取代的地位。

2 地下车库节能照明系统方案设计总体思路

2.1 方案论证

方案一：对车库公共照明时间进行控制管理

对地下车库照明时间进行控制，常用的方式是采用分时段，全部灯具开启照明，即白天和前半夜将照明灯全部打开，后半夜关闭一半以上的车库照明灯具。此种方法的节能效果不明显，而且需要专人值守。

方案二：减少灯具数量

这种办法简单易行，可以明显降低地下车库照明工程的耗电量。如果过度减少照明灯具数量，将导致整个照明系统光照度不达标。减少灯具数量后会使光照度降低，增加各项安全隐患。所以，这种办法也不适用。

方案三：红外LED感应灯

目前，市场上用的比较多的是LED红外感应灯，它采用高亮LED灯作为发光光源，光效高，寿命长，省电率分别比相同亮度下的白炽灯和荧光灯高60%和40%。

但红外线感应易受到环境红外辐射的干扰，容易引起误判。信号在传输过程中容易衰减，影响正常照明的距离。

方案四：微波感应式LED灯

微波雷达人体感应灯具以多普勒效应为基础，采用最先进的平面天线，可有效抑制高次谐波，减少其他杂波的干扰。其特点是灵敏度较高﹑可靠性能高；安全高效、方便修理﹑智能化、节约能耗。与红外产品比较，雷达开关感应距离比较远，探测角度广，基本没有盲区，可穿透玻璃及较薄的木板，几乎不受环境、温度、尘埃等影响。随着节能减排观念深入人心，微波感应LED日光灯将会在市场逐渐走向顶峰。应用前景良好，LED会越来越向智能化方向发展。综合考虑，本文采用方案四。

2.2 总体方案设计

本系统应用在地下车库，由微波感应电路、单片机、光强感应电路、电源模块、显示模块、调试接口及LED驱动电路构成。系统方案如图1所示。

光强度传感器置放于车库入口处，并在车库入口安装微波感应传感器，启动该传感器检测外部光照强度。其余位置微波传感器与LED一起放置，当检测到相应的物体移动时，启动相应位置的LED灯。地下车库模拟示例如图2所示。

系统的每一个模块由硬件，软件两个部分构成。硬件部分为系统工作运行的基础环境，软件部分为系统提供控制算法。其功能如下所述。

（1）核心控制模块：采用STC最新研发的IAP15F 2K61S2作为本系统的核心模块，并通过微波感应电路模块产生外部中断，启动光强度传感器采集外部光亮强度作为PWM调光的亮度等级依据；

（2）微波感应模块：对外界物体的行为进行检测，当有运动的物体经过探测范围时，由输出引脚产生一个下降沿信号；

（3）光强感应模块：获取外界光亮强度，并作为PWM调光算法依据；

（4）电源管理模块：对系统电压进行检测，并提供可供系统稳定运行的电源电压；

（5）调试接口模块：为软件仿真提供简单易行的接口；

（6）LED驱动模块：根据单片机产生的PWM信号稳定控制LED灯的亮度；

（7）LCD显示模块：将系统运行状态以及外部光强强度显示出来。

3 地下车库节能照明系统硬件设计

硬件设计是系统工作所需要的运行环境，以STC公司15系列可在线仿真的8位单片机IAP15F2K61S2作为核心控制处理器，并在此基础上增加各种外设接口电路组成整个硬件系统。微波感应LED灯主要由核心控制模块、电源控制管理模块、微波感应模块、光强感应模块、显示模块、调试模块和LED驱动模块等组成。基于微波感应的地下车库节能照明系统各个子功能模块的硬件设计方案如图3所示。

3.1 电源管理模块

电源提供整个系统稳定运行必需的工作电压，以保证系统核心控制器以及各个传感器和LED等正常工作，由此可见电源模块的重要性。本系统采用的电源是市电220V交流电。经过变压器降压后，再经过整流滤波稳压输出，可供LED灯正常工作的电压值7V，由于电路中的不同电路模块所需要的工作电压各不相同，因此电源模块应包含多个参数不同的稳压电路，将7V电压转换成各个模块所需要的电压。单片机系统、传感器电路需要5V电压，LED灯工作电压范围为5～8V，为保证稳定运行不烧坏灯泡，故选用7V作为LED驱动电路电压。

3.1.1 7V稳压电源设计

由于LED灯驱动电路采用7V电压供电，在PWM调节脉宽的过程中，可能造成电路电压出现波动，对电源进行滤波稳压处理显得尤为重要。为了不让电路中波动的电流影响到其它模块，所以本文选择LM2596S-ADJ可调降压芯片开关电源作为7V的供电电源。

3.1.2 5V稳压电源设计

在系统中，微控制器、微波传感器和光强传感器均采用5V电压供电。为了满足系统设计要求，采用UNISONIC公司LM7805集成稳压器为微控制器及其相关传感器提供可靠的工作电压。该芯片最高输出电流可达1A，由LM7805构成5V稳压电路。

3.2 核心控制模块

基于微波感应的地下车库节能照明系统采用IAP15F 2K61S2单片机作为整个系统的主控制芯片，该芯片由宏晶科技設计生产的单时钟/机器周期单片机，是具有较高的可靠性能和超强的抗干扰能力的新一代80C51单片机。该芯片采用宏晶科技第八代芯片加密技术，加密性超强，可与传统8051指令集兼容，速度快6～12倍，内部集成高精度R/C时钟，常温下温漂1%，ISP编程时5MHz～35MHz宽范围可设置。

3.3 传感器模块

本系统以微波传感器检测外部物体行为，以光强传感器检测外界光照强度，以便对白天、黑夜以及外部光亮度进行判别，可减轻人眼在暗适应过程中产生的不适。

3.3.1 微波传感器MS-CRFS

微波感应器采用平面天线发射及接收回波，为主动式传感器，感应器发射高频电磁波（5.8GHz），并接收回波。微波传感器为多普勒效应自动感应技术传感器。此感应器探测回波内微小的物体移动，触发微处理器，执行相应指令。信号透过门、玻璃板及薄的墙壁都有可能被探测到，人体或物体向着感应器移动时的探测效果最佳。产品抗干扰能力强，几乎不受风、热等外界环境因素的干扰。由探头监测探测范围内物体地移动，并以电压形式输出，经由LM324集成运放放大后，再由电压比较器比较输出。

3.3.2 光强度传感器

光强度传感器（BH1750）模块是一种基于双线串行总线接口（IIC），具有数字型光强度传感器的集成电路。实际开发过程中利用它的高分辨率可以探测较大范围（1-65535 LX）的光强度变化。该传感器支持IIC BUS接口（F/S Mode Support），拥有接近于视觉灵敏度的光谱灵敏度特性，峰值的灵敏度波长典型值为560nm，无需其他部件，通过50Hz/60Hz除光噪音功能，可实现稳定测定输出对应亮度的数字值。

BH1750经过内部转换输出16位高精度测量结果，无须A/D转换电路，可避免A/D转换系统线路噪声带来的误差。

3.4 LED驱动电路

在实际应用中，如果将LED灯直接接入电路进行脉宽调制，在高速的PWM频率下，容易产生频闪现象，因此，驱动LED灯需要恒流恒压条件，才不会在控制亮度的同时产生闪烁现象。驱动电路中直流电压经无频闪电路二次稳压，供给LED灯珠，通过PWM信号控制，最终输出稳定的直流电压供给灯珠，以保证其稳定正常工作。

3.5 LCD1602液晶显示屏

为了更好地监测系统运行状态，以便对系统运行进行判别与监测，设计时引入1602液晶以便于显示。LCD1602精简易用、驱动简单，能够在器件上以两行每行16个字符的形式显示出所有包括英文字母以及数字在内的信息，方便对系统进行监测。

4 地下车库节能照明系统软件设计

基于硬件电路的运行环境，需要有软件的支持才能真正意义上驱动各个外设完成相应的工作。在编程时，选用Keil软件作为编译器，该集成的开发环境支持高级的编程C语言和汇编语言，也支持两种语言的交叉结构编程。为了提高程序的可读性能以及可移植性，本文软件设计主要采用C语言进行编程。

4.1 系统软件的整体结构

在编程过程中，采用结构化思想，将程序模块化进行编程，以便于后续维护和调试。主程序流程图如图4所示。从结构上看，系统程序主要包括主程序入口、各模块初始化程序、中断服务子程序和脉宽调制程序等。

4.2 LCD1602液晶驱动程序

通过对数据手册中模块操作时序的分析可知，利用RS、RW、EN的不同状态可以对1602执行4种操作。在硬件电路上，使用P0口作为数据总线，使用P1.0作为液晶的使能端（EN），P1.1作为读/写选通端（RW），P1.2作为数据/命令选择端（RS）。根据阅读模块数据手册可知，显示器首字符RAM地址为0X80，每次送数前均通过判断数据总线最后一位是否为高电平而判断液晶是否处于繁忙状态，所以将0X80作为对显示器写入数据的物理地址，并对相应的地址送数，从而显示对应的字符。

因其操作前需对数据总线第八位进行判断，若该位为高电平，则一直等待其进入低电平状态。因单片机读取外部数据时，须先向I/O口写入1，故读取前，先向数据总线DB写入0xFF，然后让控制线进入控制准备状态。

根据数据手册时序图，封装如上子函数，在后续模块中可以直接调用子函数实现相应的功能，也方便后期维护和调整。

4.3 微波传感器程序驱动模块

微波传感器硬件电路与微控制器接口以中断方式实现，在正常模式下，该引脚输出并保持高电平直至物体移动引起传感器产生外部中断，出现下降沿时，向微控制器发出中断请求。外部中断0的优先级默认为系统最高级，当微控制器响应中断后，CPU当即放下手头正在执行的其他程序（除中断子程序之外），转而进入外部中断0的中断服务程序。在外部中断0中断服务子程序中，先令其向液晶写入新的工作状态提示符，并启动数字光强度传感器采集数据。

4.4 数字光强度传感器驱动程序

8051内核单片机并未集成硬件IIC通信外设接口，但在硬件电路中，数字光强度传感器与微控制器通信采用飞利浦公司的IIC双线通信协议进行数据交换。因此，只能通过对IIC通信时序的分析，使用8051单片机普通I/O口，以程序的形式模拟IIC通信。IIC通信过程中，主机与从机进行通信，主要通过主机产生起始信号、停止信号、发送应答信号和接收应答信号实现数据传送。在实现普通I/O口模拟IIC通信后，需要以IIC通信为基础，驱动数字光强度传感器。因IIC使用的是双线通信，时钟线与数据线分开，因此，每一个时钟周期仅能在总线上接收一位数据，但因为单片机需要处理的是一个字节的数据，因此需要总线循环8次读取数据。

4.5 PID算法

当执行机构需要的不是控制量的绝对值，而是控制量的增量（例如PWM驱动外设）时，需要用PID的“增量算法”。

4.6 脈冲宽度调制

STC单片机中，需要采用定时器产生PWM信号。单片机定时计数器功能选择由特殊功能寄存器TMOD的控制位C/T进行选择，通过设定定时器特殊功能定时器TMOD第4至6位，使定时器工作于16位不可重装载模式，其可调制时钟频率范围为1～65535Hz。

程序设计中，设定PWM频率为10KHz。定时器初始化时设置TMOD寄存器，使其定时器1工作于16位定时器功能状态，并且开启定时器中断和全局中断。当外部产生中断信号时，CPU响应中断并载入初值，之后调用PWM算法程序，对LED亮度进行调控。

5 地下车库节能照明系统调试

在整个系统的研发过程中，系统的调试会占据很多时间。在后期的开发阶段，调试对系统的各项性能和系统的稳定性起到决定性作用。系统的调试效率对系统整个开发进度有一定的影响，可以通过调试修正相关参数。

硬件与软件调试。对硬件进行调试的过程中，仅需要对硬件各个模块进行基本的测试，经过与原理图进行对比，以及万用表测量其电路的连通性，确保硬件电路无断路、无短路现象。

微波模块用于检测外部物体运行行为，该模块有三根引脚与主控电路相接，分别为电源正负极及其中断信号输出引脚；光强度传感器用于检测外部光线强度的信号，并以IIC数据通讯接口形式输出相关光强流明度至主控制器。该模块除了具有电源正负极引脚之外，还具有IIC通讯接口SDA与SCL引脚，同时还具有器件地址控制引脚ADD；LED模块作为显示器件，在系统中起着举足轻重的作用，其显示亮度是PWM信号的反馈依据之一，该模块除了具有电源正负极，同时具有PWM信号输入引脚，以便于脈冲调宽对灯泡亮度的调控。

在整个系统的运行中，少不了主控模块对各个外设进行调控，其主控模块STC单片机作为主控制器，其芯片封装为DIP40双列直插式封装。在主控制模块上同时具有LCD1602液晶显示模块，以便在主控模块上观察各个模块的运行状态以及数据采集情况。

本系统采用软件平台Keil uVision 5为程序编译工具，通过串口将单片机与电脑进行连接，并使用Keil自带的Debug功能实现在线仿真功能，亦可使用STC专用烧录软件ISP程序对芯片进行烧录，并选择内部运行时钟频率。

6 结 论

本系统设计了以多普勒原理为理论基础的、基于微波感应的地下车库节能照明系统，该系统采用STC最新研发的单片机IAP15F2K61S2作为整个系统的核心控制模块，配合以微波传感器与光强度传感器对LED灯进行脉冲宽度调制，使其发出不同等级的光亮，适合地下车库等公共场所使用。LED灯可以在微波传感器的干预下，从其静态时保持百分之十的亮度转变为与外界光亮强度相关的不同等级层次的亮度级别。本文从系统结构、系统硬件设计、系统软件设计和系统调试仿真等几个方面进行了研究。硬件设计充分利用单片机内部中断资源，采用模块化设计思想，从而简化了系统外围电路的设计。软件设计采用中断触发方式，使CPU内核占用率大大降低，并保证了最佳的系统运行效果。

本设计是在微波传感器与STC单片机的基础上，结合相应的控制技术进行的研发与创新。本设计采用STC单片机为主控制器，控制方式较为单一，其运行状态仅能在主控制端观察，下一步考虑采用STM32较为高级的单片机或更高级的芯片作为主控制器。此外，本文设计的有物体移动与无物体移动所对应的两个LED灯亮度是固定的，下一步考虑采用无线通信控制方式，并设计一个上位机，由值班室人员根据实际情况设定LED灯亮度值。在此基础上，亦可将数据实时传输至上位机中显示。

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作者简介：陈耀从（1974.11-），男，福建泉州人，晋江城城置业有限公司副总经理、物业工程总监；福建省兴泰物业管理有限公司物业顾问师；管理高级工程师、高级经济师（房地产业）、安全生产管理工程师、工程设备管理工程师、工程建设管理工程师、高级安全评价师、高级职业指导师、高级企业培训师，高级项目管理师、维修电工高级技师、国家职业经理人、物业管理师。研究方向：房地产业经济、咨询（投资）管理工程、建筑经济、物业管理、物业顾问服务、工程技术、科技管理（安全生产管理）、质量管理、物业机电设备管理。