基于单片机的智能亮度调节系统的研究与设计

张理栋 王延玉

（潍坊科技学院，山东 寿光262700）

随着人们生活质量的提升，对家庭智能化、信息化的需求日益增强，将各种家居设备连接起来，共同构建一个人性化、智能化的居住环境成为未来生活的趋势。同时节能减排是当今世界的主题，家庭能源消耗在国家总能源消耗中占很大比重，因此智能光控窗帘及节能灯的使用和普及成为必要。

近年来随着智能化产品的需求日益提高，单片机的应用更加广泛。本系统以单片机为控制核心，配合其它外围部件，以实现家庭智能化、一体化作为创新点，将光控窗帘和节能灯进行联合设计，构建一个舒适的生活居住环境。

1 系统总体设计

本设计使用光敏传感器感知室内光线强度来决定窗帘开关，当室内光源不足时，调节节能灯来维持舒适的亮度；同时通过红外传感器来感知室内是否有人，从而确定进入待机节能状态或者运行状态，各部分协调工作达到智能、节能、舒适的效果。

系统主要由STC89C51 单片机、光敏传感器、红外传感器、步进电机、节能灯管组成（见图1）。单片机通过红外传感器判断室内是否需要智能调节；当判定为需要调节时，光敏传感器会进一步感知室内亮度，将得到的光信号转化为数字信号传送给单片机，单片机单片机将接收到的信号与程序内设定的合理阈值进行分析比对，根据分析结果向步进电机和节能灯发出相应调节信号，通过改变步进电机脉冲来调节窗帘的开启或闭合程度；当光源不足时，单片机控制节能灯管调节亮度维持在一定的舒适范围内。

2 系统硬件设计及原理

2.1 STC89C51 单片机控制模块

本设计以单片机为核心，STC89C51 单片机属于CHMOS 单片机，有高性能低功耗的优点，同时具有空闲方式和掉电方式两种工作方式，能够很好满足本系统节能和智能的目标。

图1 系统结构框图

2.2 光敏监测模块

光敏监测模块主要由光敏电阻和A/D 转换芯片构成。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，光敏电阻的两极通常会做成梳状来提高灵敏度，在使用时既可以接入直流电源，也可以接入交流电源，是一个无极性的电阻元件。本设计采用的ADC0804 是具有8 位分辨率和双通道A/D 转换器，同时具有体积小、兼容广泛、性价比高的优点，转换速度快且稳定性高。光敏电阻将室内光强度检测得到的模拟信号传递给A/D 转换芯片，通过A/D 转化芯片转化为数字信号输送至单片机。

2.3 红外监测模块

红外监测模块通过对室内进行人员监测，从而确定室内是否需要进行光控调节，满足了节省能源的要求。红外传感器是通过监测人体产生的红外辐射来实现电信号变化，本设计采用热释电红外传感器是基于人体具有37 度的恒定体温和会发出9～10μm 红外辐射的特点，而传感器接受到红外辐射时会改变自身温度，温度变化后传感器内部电荷失衡，向外释放电荷，从而将产生的电信号传输到单片机中。单片机通过程序将输入信号与人体正常的温度区间引起电荷变化产生的信号进行比对，实现监测室内是否有人的目的。本设计的监测空间是室内，减少了室外其它红外辐射的干扰，很大程度上提升了红外传感器的准确性。

2.4 步进电机驱动模块

步进电机驱动模块由单片机获得脉冲驱动信号驱动步进电机，实现对窗帘开启和关闭的精准拉动，从而改变室内的光线强度。本模块选用ULN2003 作为步进电机驱动器，该驱动器由脉冲发生控制单元、功率驱动单元等组成，具有耐高压、带负载能力强等优点，也提高了步进电机控制的精确度。将单片机P2.0～P2.3 端口通过驱动器与步进电机连接，单片机将分析处理结果转化为相应的电信号脉冲，并输出到步进电机驱动器，驱动器起到接收单片机脉冲信号并对功率进行放大传送给步进电机的作用。在手动控制中，单片机与按键电路的结合，可以手动实现步进电机正转、停止、反转的功能，使窗帘在人为操作下可以实现开启与闭合。将窗帘的手动操作和自动控制相结合，很大程度上提升了可控性和简便性，满足不同场合的要求。

3 软件程序设计

3.1 主控模块设计

本设计系统以STC89C51 单片机为核心，通过Keil 软件对单片机进行程序编写，此软件兼容单片机C 语言开发系统。与汇编语言相比，C 语言在功能性、结构性等方面具有明显的优势；同时Keil 软件提供包括C 编译器和仿真调试器在内的完整开发方案，并通过集成开发环境将这些方案组合起来。根据系统流程图，对传感器控制程序、步进电机控制程序、节能灯程序以及按键程序进行分模块编写。编写完成后运用Proteus 软件进行软硬件协同仿真，根据功能要求建立仿真电路图（见图2）。

图2 系统仿真图

3.2 实现过程

根据系统仿真电路图，本系统具有手动调节和自动调节两种方式，当对单片机P2.5 端口输入低电平时为手动调节，输入高电平时为自动调节。在手动调节中，单片机对按键电路进行扫描来判断按键开关状态，当点击连接在P3.5 口的按键时，节能灯开启并保持，点击连接在P3.6 口的按键时，节能灯关闭并保持；通过连接在单片机P0.0～P0.2 口的三个按键分别控制步进电机的正转、反转和停止；在自动调节过程中，通过红外传感器识别室内是否有人，由于Proteus 仿真元器件库中没有红外传感器，所以将单片机P2.4 口接入开关来代替红外传感器进行仿真，通过开关接入高电平实现室内有人的效果，在室内有人的情况下，由低到高调节光敏传感器所接受光的强度，当光的强度低于适宜强度区间时，步进电机正转3 秒后停止，同时节能灯开启并保持；在光的强度在适宜强度区间内时，步进电机与节能灯维持既有状态；在光的强度高于适宜强度区间时，步进电机反转3 秒后停止，节能灯保持关闭。最终实现将室内亮度维持在一个区间内，达到一个舒适生活居住环境的效果。

4 结论

本系统的设计以单片机控制为核心，通过红外传感器和光敏传感器对步进电机和节能灯进行控制，实现了室内亮度的智能调节，解决了由光的强度过高或过低带给人们的不适问题。本设计有两种工作模式，可根据需要进行自主选择。本设计工作运行相对稳定，而且低成本、低能耗，适合家庭的使用，也有利于节能减排，践行低碳环保的理念。