基于单片机的照明自动控制系统设计与实现

摘 要：为降低传统照明系统的能耗、提高其能源利用效率，设计了一种基于单片机的照明自动控制系统。该系统采用STC89C52单片机作为主控芯片，太阳能板和太阳能蓄电池作为功能装置，集成GY30光照传感器以采集环境的光照强度，利用SNR8016VR-M语音识别模块实现语音控制。测试结果表明，该系统实现了照明的自动化控制，并能有效降低照明的能耗。

关键词：照明控制；太阳能；光照传感器；语音识别；自动化控制；STC89C52

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）04-0-03

0 引 言

随着农业种植面积和养殖面积的扩大，出现了用电多、电费贵、大量电力资源浪费等一系列问题。在这一背景下，为切实解决民生问题，考虑降低传统照明系统的能耗。

本文结合多种照明系统，设计了一种具有节能[1-4]及自动化[5-7]功能的照明系统。文献[8]设计了一款照度稳定可调的LED照明灯和数字显示照度表，采用旋转编码器和PWM电路进行调光控制，实现了对LED照明灯亮度的调控。文献[9]设计了一款低功耗便携式智能节能灯光控制器，采用USB供电，利用光数字传感器和人体红外线接近感应器，实现灯光的智能化控制。然而，目前这两个系统都不具备语音控制功能。文献[10]通过光敏电阻采集外部光线强度，利用ADC0808将其转换成数字信号，以此判断当前为白天或夜晚，并根据判断结果控制灯的亮灭。然而，该系统存在高耗能问题。文献[11]设计了一款基于51单片机的灯光控制器，需利用光敏电阻、集成电压比较器以及人体红外线集成感应器等设备，单片机经过信息处理和分析后，实现对灯光的智能控制。当环境光线昏暗时，实现“人来灯开，人走灯灭”的效果。然而，该系统设计方式过于复杂。

由此可见，现有的研究存在不足，不仅缺乏语音控制功能，也存在高耗能以及当前设计方式过于复杂的问题。因此，需要对系统进行扩充，以简化设计方式，提高系统的可维护性和可扩展性。

基于现有照明系统的上述问题，本文将设计一款实用的低能耗新型系统，该系统采用太阳能板和太阳能蓄电池作为能源来源，集成了传感模块和语音控制模块，支持自动调节照明特性和控制模式，完成了基于单片机的照明自动化控制，能够实现能源消耗的最小化和照明效果的最大化。

1 系统硬件设计

1.1 系统整体框架

基于单片机的控制系统整体结构包括主控芯片、输入模块、输出模块，如图1所示。

输入模块主要包括：光照传感器、薄膜矩阵键盘和语音子模块。光照传感器用于检测环境的照明强度，薄膜矩阵键盘和语音子模块用于接收用户的指令。

输出模块主要包括：照明子模块和显示屏。照明子模块用于照明，显示屏用于显示输入模块传送的数据。

照明系统的整体运行流程：通过输入模块采集环境数据和接收用户指令，将采集的数据和信息传给主控芯片，主控芯片对数据进行解析和处理，再将数据传输给发送设备进行输出显示。

1.2 主控芯片

本系统使用的主控芯片具备核心控制和数据处理功能，其型号为STC89C52，工作电压范围为3.3～5 V，晶振频率为12 MHz，接收电流为20 mA，发送电流为10 mA，串口波特率可通过设置指令调整，串口为8数据位，拥有1停止位。该芯片具有成本低廉、功能强大、功耗低、抗干扰能力强等优点，支持多种编程方式。其核心控制作用表现在：对输入模块传来的数据进行解析和处理，再将数据传输给发送设备，保证系统按照预定的工作方式运行。

1.3 输入模块

输入模块电路如图2所示。

1.3.1 光照传感器

本系统采用光照传感器作为输入子模块，用于采集环境的光照强度，设备型号为GY30，工作电压范围为3～5 V，光照范围为0～65 535 lx，传感器内置16 bit A/D转换器，与5 V单片机I/O口直接相连。该传感器具有数字输出、高分辨率、宽动态范围、低功耗、简单易用等特点，待检测环境的照明强度后，将检测结果反馈给主控芯片，从而实时调整照明设备的照明强度，让系统运行更智能、更高效。该传感器的DO口用于输出测量的光照强度数字信号，与单片机的P3.3口连接进行信息传输。

1.3.2 薄膜矩阵键盘

本系统采用薄膜矩阵键盘作为输入子模块，能够更好地实现用户交互功能，其具有低成本、轻便等特点，用户可通过薄膜矩阵键盘自定义照明时长，实现照明系统的灵活控制和节能环保。薄膜矩阵键盘使用标准的电气接口，如USB、PS/2、RS 232等，通过P0口与单片机连接。

1.3.3 语音识别子模块

本系统采用语音模块作为输入子模块，用于实现语音控制，型号为SNR8016VR-M，工作电压为5 V，待机电流为50 mA，音频时长240 s，模块尺寸为28 mm×40 mm，语音指令共160个。该模块具有简单易用、可定制等特点，技术人员提前录入语音指令，用户通过输入相应语音指令便可控制特定区域的照明，从而实现照明系统的语音控制。该语音模块的OUT1口和OUT2口为输出口，分别与单片机的P3.0口和P3.1口连接进行信息传输。

1.4 输出模块

输出模块电路如图3所示。

1.4.1 照明子模块

本系统的照明子模块主要采用 LED 灯作为光源器件，其工作电压为3 V，与白炽灯、节能灯等其他光源器件相比，具有使用寿命长、能耗低、电源光效高、光照效率高等特点，通过太阳能发电系统的供电便可实现夜晚照明。该照明模块通过P1.4口、P1.5口与单片机连接。

1.4.2 显示屏

本系统采用显示屏作为输出设备，用于显示输入设备传来的重要参数，型号为LCD1602，逻辑工作电压范围为4.8～5.2 V，驱动电压为5 V，非背光时工作电流（背光除外）为1.7 mA，背光时工作电流为24.0 mA，具有显示清晰、低功耗、低成本等特点。LCD1602 显示屏用于显示输入装置传来的数据，如：光照强度、温湿度、用户设置的照明时长等，从而提高用户使用的便捷性。该LCD1602显示屏的RS口用于选择数据的类型，与单片机的P1.1口连接；RW口用于选择读写操作，与单片机的P1.2口连接；DB口用于传输数据（并行数据线），与单片机的P2口连接；BLA口和BLK口是用于控制背光的接口，分别与单片机的电源正负极连接。

2 系统软件设计

2.1 主流程

启动系统后，将进行系统初始化。在这一过程中，系统将逐一初始化单片机、薄膜矩阵键盘以及语音模块，确保它们处于最佳工作状态，为后续的用户交互和LED控制做好准备。

接下来，程序进入等待用户输入的状态。通过薄膜矩阵键盘，程序不断扫描用户的按键动作，并等待用户输入控制命令，当检测到按键动作时，程序立即读取按键值，并将其视为用户输入的控制命令传给单片机；在扫描薄膜矩阵键盘的同时，系统对语音模块保持监听，判断语音模块是否识别到语音命令，当语音模块识别到命令时，将获取的命令传回单片机。

下一步将检测指令是否正确。为了将用户输入的控制命令转化为具体的LED灯亮灭时间，程序会解析按键输入，并根据预设的映射关系或算法，将用户输入的按键值转换成相应的LED灯亮灭时间，该映射关系或算法涉及到一些简单的编码规则；与解析按键输入类似，系统需要解析语音命令，识别出用户想要控制的LED灯以及对应的亮灭状态，这需要使用语音识别库或者API来实现。通过解析按键输入和语音输入，将解析后的指令与指令库进行比较，如果符合要求则进入下一步骤，如果不符合则返回到用户输入步骤，重新输入指令。

接下来将判断指令是否为语音。如果不是语音指令，系统将其判定为通过解析按键输入得到的指令，程序会进入控制LED灯亮灭时间的阶段，在这一阶段，程序会根据用户输入的亮灭时间，通过单片机的GPIO口控制LED灯的开关状态；如果是语音指令，则程序进入控制LED灯亮灭状态的阶段，在这一阶段，程序会根据语音控制指令来控制LED灯的亮灭状态，包括根据指令开启或关闭LED灯、调整LED灯的亮度以及实现其他可能的灯光效果等。

完成以上步骤后，程序会返回到系统初始化阶段，继续监听用户的操作，由此形成了一个循环，可以不断接收用户按键输入的指令或语音控制命令，并控制相应LED灯的亮灯时间和亮灭状态。当程序结束后，程序退出循环并释放相关资源。在这一过程中，程序始终保持对用户按键输入和语音控制的响应，为用户提供便捷的LED灯自动化控制体验。系统主流程如图4所示。

2.2 语音子模块控制流程

语音子模块控制流程如图5所示。

该模块接收语音指令后首先进行初步判断，将接收的语音与技术员提前录入的语音库指令进行对比，如果不是预设语音则重新接收语音指令，如果是预设语音则继续执行接下来的流程。

判断接收的语音是否为中文。如果是中文则继续判断语音指令，如语音指令为“打开”则进行打开LED的操作，否则LED仍保持之前的状态；如果接收的语音不是中文，则默认为英文，如果语音指令为“ON”则进行打开LED的操作，否则LED仍保持之前的状态。

3 结 语

本文设计了基于STC89C52单片机的照明自动控制系统，该照明自动控制系统以STC89C52为主控制器，集成了以下三大模块：输入模块、输出模块以及太阳能发电系统，具有低成本、低能耗、自动化控制等特点，可广泛用于智能家居、工业、农业及商业等领域，具有广阔的应用前景。

参考文献

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