智慧照明系统设计

张 倩，葛诗琪，张瑾琪，孟祥辉

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064）

0 引 言

进入21世纪以来，信息化和智能化均取得了质的飞跃[1]，智慧化市场初具规模的同时不同种类的智能化产品也逐渐步入了我们的生活，这既是科技发展的产物又反过来推动了科学技术的进步[2]。研究表明，城市中的照明系统既能够有效抑制破坏行为又可以为人们提供足够的安全感和方向感，在保证区域夜间安全和舒适性等方面发挥着日益重要的作用[3]。但照明系统带来的光污染问题俨然成为了严重的全球性问题。LED绿色照明虽然可以较好地解决这个问题，但是不必要和不舒适照明的存在[4]，也使得LED寿命缩短并造成了电能的极大浪费。综上所述，一个良好的照明系统在现代社会中显得愈发重要，本课题旨在提供一个具有自动调节能力的智慧照明系统，实现室内和室外两种兼容模式，以达到智能和节能的要求[5]。

1 系统方案设计

本文在Keil 4开发环境下分别设计了人体检测、光线检测、数据处理、独立按键操作和屏幕显示等模块，将智慧照明系统分为室外（自动）模式和室内（手动）模式。室外模式利用人体红外模块检测是否有人，若有人，照明灯根据光线强度自动调节亮度；如果无人，照明灯在30 s后熄灭。自动调节通过光敏电阻来检测光线状态，经ADC转换送至单片机处理后，利用PWM调光技术对LED的亮度进行调节。室内模式通过按键实现手动控制照明灯开关及亮暗程度。总体设计如图1所示。

数据处理采用灵活性高且价廉的芯片STC89C52，其具有低功耗闲置模式和掉电模式等（闲置模式下CPU工作停止），拥有片内振荡器和时钟电路[6]。时钟芯片选用使用广泛的DS1302，其具有价格低廉、高性能、接口简单、低功耗、使用方便等特点，具有涓细电流充电（可编程）能力，可掉电保护电源[7]。人体传感器选用HC-SR501人体热释电红外感应模块，其具有较高的灵敏度和较强的可靠性[8]。光线传感器选用具有体积小、质量轻、耐冲击和寿命长等特点的光敏电阻[9]。选用电路芯片ADC0832实现模拟量和数字量的转换[10]。配合单片机使用的液晶屏选用LCD1602，主要用于显示时间和日期、光线强度等级、LED亮度等级，并具备24小时制日期时间调节功能。

图1 总体设计

2 系统软件设计

智慧照明系统采用结构化和模块化的C语言编程，灵活方便且目标程序效率高[11]。系统的按键分为时间调节和灯光控制两部分。程序初始化扫描键盘，如果检测到按下的按键为时间调节模式，则系统进入时间调节模式，然后继续扫描按键，利用按键“加”“减”“确认”来调节时间和日期。当检测到按下的按键为模式切换时，系统进入灯光控制模式，区分此时为手动调节模式还是自动调节模式，如果是手动模式，则程序继续扫描按键，并利用“开”“关”“亮度加”“亮度减”按键进行灯的控制；如果是自动模式，程序进入人体检测模式，如果有人，则利用检测到的光线进行灯的自动调节。系统总流程如图2所示。

图2 系统总流程

2.1 屏幕显示模块

液晶屏显示子流程如图3所示。

图3 液晶屏显示子流程

2.2 光线检测模块

光敏电阻用来检测光线，外界光线越亮，电阻阻值越低，电阻两端的电压作为ADC0832转换器的模拟量输入[12]。0～5 V的模拟电压用256个数字（0～255）来表示，并将256个数字信号值分为10段，间隔为20个数字量。

光线检测分为两部分，一部分将检测到的光线强度区分为0～9共10个等级，用变量Light表示，流程如图4所示。另一部分为自动检测时，根据检测到的光线来定义灯光的亮度，分为10个等级（0～9），用变量pwm表示。灯光亮度由变量pwm决定：pwm为0时灯光亮度等级为0级，灯灭；pwm为9时灯最亮。该过程的流程如图5所示。

图4 光线强度流程

图5 灯的亮度流程

2.3 人体检测模块

人体检测流程如图6所示。

图6 人体检测流程

3 试验结果及分析

本文所设计的居民区智能化照明系统分为室外模式和室内模式两种，并且具备24小时制日期时间调节功能，液晶屏主要用来显示时间和日期、光线强度等级和LED亮度等级。在完成系统硬件电路搭建和单片机程序烧录后，对系统进行功能性检测，系统很好地完成了预设的各项功能。

3.1 电源开关及模式切换

系统电源开关以及模式切换正常，系统电源按键被按下，标有“电源”的LED灯亮，表示系统通电可以正常工作。按下切换按键，系统可切换室外和室内两种模式，即自动和手动模式，切换至哪种模式，则该模式的LED灯亮。

3.2 室外模式

系统置于室外并切换至室外模式（即自动模式），天暗后系统检测到有人通过时，标有“有人”的LED灯亮起，同时自动开启USB灯，根据光线强度自动调节USB灯的亮度；无人时USB灯在30 s后熄灭。

系统根据光线强度进行自动调节，当光线强度等级由9～0变化时，USB灯的亮度相应发生变化。当光源完全消失光线强度为0时，照明系统调节至最亮。

USB灯0～9等级的亮度由亮至暗对比展示如图7所示。

图7 亮度等级对比图

3.3 室内模式

系统置于室内并切换至室内模式（手动模式），按下“手动”开关后，手动指示灯亮；通过调节“亮”“暗”开关来调节USB灯的亮度，显示屏示数相应变化。

3.4 时钟模块测定

液晶显示屏显示年、月、日、时、分、秒和周，连续按下“设置”和“确认”键后，可以对时间和日期进行设置，通过“选择”键来选择需要更改的部分，然后通过“加”“减”按键进行调整，电源关闭后，时钟正常计时。

4 结 语

结合智能化家居、计算机电子技术、传感器等应用背景和照明系统国内外研究现状设计了本文提出的照明方案[13]。设计了系统实现的总体硬件电路，选取了适合的器件并将各部分电路进行了详细阐述，规划了各部分的程序流程，实现了电路仿真，最后进行了全面的系统试验和结果分析。根据不同条件下的测试结果，本设计系统基本满足了方案预设的全部功能，并且具有较高的可靠性。