基于STC單片機(jī)的智能燈控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)目前眾多公共場(chǎng)所照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，設(shè)計(jì)了一套基于STC單片機(jī)的智能燈控系統(tǒng)。人體紅外熱釋傳感器和可見光照度傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)處理后向照明燈驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送相應(yīng)信號(hào)，控制照明燈的開關(guān)和亮度。本系統(tǒng)具有成本低、運(yùn)行穩(wěn)定及智能化的特點(diǎn)。對(duì)提高用電效率、節(jié)能環(huán)保有很大幫助，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：照明；單片機(jī)；人體紅外熱釋傳感器；可見光照度傳感器；節(jié)能

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，各類能源浪費(fèi)問題日趨嚴(yán)峻，尤為顯著的如，大型地下停車場(chǎng)、公共衛(wèi)生間、樓道等場(chǎng)所照明用電。雖然白熾燈擁有許多優(yōu)點(diǎn)，但是由于其能效過(guò)低，已被世界各國(guó)相繼宣布淘汰。自從澳大利亞2007年率先立法淘汰白熾燈以來(lái)，中國(guó)于2011年也發(fā)布了逐步淘汰白熾燈的路線圖。
隨著普通白熾燈被淘汰，熒光燈、LED和節(jié)能鹵鎢燈成為目前照明燈具市場(chǎng)的三大主流。熒光燈是當(dāng)前替代普通白熾燈最主要也是數(shù)量最多的照明燈，雖然和普通白熾燈相比能節(jié)約80％的電能，但其價(jià)格昂貴，體積較大，發(fā)光面積較大，不是點(diǎn)光源，光譜不連續(xù)，不能做到100％的顯色性。同時(shí)熒光燈含有汞、熒光粉以及大量的電子元器件，廢棄后給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)擔(dān)是不可估量的。近年來(lái)LED的發(fā)展非常迅速，但成本相對(duì)較高，且在技術(shù)上還無(wú)法做到如黑體輻射的連續(xù)光譜，在顯色性、顏色一致性方面依然無(wú)法和節(jié)能鹵鎢燈媲美，所以離大規(guī)模普及仍有一段距離。節(jié)能鹵鎢燈本質(zhì)上仍是白熾燈，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、對(duì)環(huán)境無(wú)害，能直接工作于市電電壓，瞬時(shí)啟動(dòng)，瞬間即可達(dá)到最大光輸出，和普通的白熾燈相比能節(jié)約30％的電能，節(jié)能鹵鎢燈由于其近似于點(diǎn)光源的集中發(fā)光體，幾乎黑體輻射的連續(xù)光譜、100％的顯色性，3 000K左右色溫的柔和色光，無(wú)頻閃，在很多對(duì)照明質(zhì)量要求較高的場(chǎng)所，仍然有不可比擬的優(yōu)越性。
考慮到以上因素，按照節(jié)能、減排、智能和實(shí)用的要求，筆者針對(duì)節(jié)能鹵鎢燈設(shè)計(jì)出基于STC12C5A60S2單片機(jī)的智能燈控系統(tǒng)，利用人體紅外熱釋傳感器和可見光照度傳感器構(gòu)成環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，大大提高了燈控系統(tǒng)的靈敏度、精確度和實(shí)用性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體框架
本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由5 V穩(wěn)壓電路、過(guò)零檢測(cè)電路、人體紅外熱釋傳感器模塊、可見光照度傳感器模塊、照明燈驅(qū)動(dòng)電路和串口調(diào)試模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)工作原理
利用人體紅外熱釋傳感器探測(cè)人體特征，可見光照度傳感器檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境照度，把傳感器檢測(cè)信號(hào)送單片機(jī)處理，根據(jù)處理結(jié)果在單片機(jī)每次中斷時(shí)控制照明燈的開關(guān)和亮度。串口調(diào)試模塊作為人機(jī)交互工具，便于觀察系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 5 V穩(wěn)壓電路
本系統(tǒng)低壓部分電源由220V-9V變壓器引入，經(jīng)過(guò)一個(gè)整流橋獲得9 V直流電源，然后采用三端線性穩(wěn)壓芯片LM7805得到5 V直流電源。5 V穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。

2．2 單片機(jī)最小系統(tǒng)
STC12C5A60S2AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期(IT)的單片機(jī)，是高速／低功耗／超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快高速10位A／D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。其最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和晶振電路組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

2．3 過(guò)零檢測(cè)電路
D2、D3電壓取自220 V-9 V變壓器次級(jí)，經(jīng)全波整流形成脈動(dòng)直流電壓波形，由電阻分壓，再經(jīng)過(guò)電容濾波，形成三極管基極電壓波形。當(dāng)基極電壓低于0．7 V時(shí)，三極管截止，反之，三極管導(dǎo)通。三極管集電極通過(guò)上拉電阻R4形成高電平。通過(guò)三極管的反復(fù)導(dǎo)通和截止，在集電極處輸出100 Hz脈沖電平，供單片機(jī)下降沿中斷。過(guò)零檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。

2．4 人體紅外熱釋傳感器模塊
人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，所以會(huì)發(fā)射出特定波長(zhǎng)10μm左右的紅外線。人體紅外熱釋傳感器能以非接觸形式檢測(cè)到人體發(fā)射的紅外線，在其上安裝菲涅耳透鏡，可以將熱釋的紅外信號(hào)折射(反射)在紅外熱釋傳感器上，也能將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在紅外熱釋傳感器上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)，這樣紅外熱釋傳感器就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)。
本系統(tǒng)的人體紅外熱釋傳感器元件采用HC-SR501，以BISS0001集成芯片再配以相應(yīng)外接阻容元件構(gòu)成傳感器的信號(hào)處理電路。把BISS00 01的1腳接高電平，設(shè)置本電路為可重復(fù)觸發(fā)。輸出延遲時(shí)間可以通過(guò)改變R11的大小來(lái)調(diào)節(jié)。人體紅外熱釋傳感器將感應(yīng)到的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)BISS0001的2腳輸出。當(dāng)有人在警戒區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)模塊輸出3．3 V電壓，沒人時(shí)模塊輸出低電平。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該模塊感應(yīng)最遠(yuǎn)距離可達(dá)8 m，最大角度為110°。人體紅外熱釋傳感器模塊原理圖如圖5所示。

2．5 可見光照度傳感器模塊
可見光照度傳感器采用ON9658，它是一個(gè)光電集成傳感器，典型入射波長(zhǎng)為520 nm，可見光范圍內(nèi)高度敏感，內(nèi)置雙敏感元接收器、微信號(hào)CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流隨照度呈線性變化。溫度穩(wěn)定性好。

由于該傳感器輸出信號(hào)是峰值隨照度變化的正弦波。因此采用肖特基二極管加阻容元件構(gòu)成的硬件檢波電路來(lái)獲取傳感器輸出電壓的峰值，最后輸出幅值為正弦波峰值的直流電壓信號(hào)?？梢姽庹斩葌鞲衅髂K原理圖如圖6所示。
2．6 照明燈驅(qū)動(dòng)電路
照明燈驅(qū)動(dòng)電路主要由250 V雙向光電耦合器MOC3021和雙向晶閘管BT136構(gòu)成，其中R7和R8串聯(lián)構(gòu)成雙向晶閘管的門極電阻，當(dāng)雙向晶閘管靈敏度較高時(shí)，門極阻抗也很高，并上這兩個(gè)電阻可提高抗干擾能力。R8和C6組成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞雙向晶閘管。單片機(jī)的一個(gè)I／O口輸出照明控制信號(hào)，觸發(fā)光電耦合器MOC3021來(lái)控制雙向晶閘管BT136的通斷，這樣便能控制照明燈的開關(guān)和亮度。照明燈驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

2．7 串口調(diào)試模塊
本系統(tǒng)的串口調(diào)試模塊采用RS-232串口通信，其最遠(yuǎn)傳輸距離是50英尺，最高傳輸速率是20 kbps。能做到雙向傳輸，全雙工通信。因?yàn)镽S-232上傳輸?shù)臄?shù)字量采用負(fù)邏輯，只與地對(duì)稱，所以與單片機(jī)連接時(shí)需要加入電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。串口調(diào)試模塊原理圖如圖8所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件程序使用C語(yǔ)言編程，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了A／D轉(zhuǎn)換程序、I／O口輸出照明控制程序、串口發(fā)送程序及中斷函數(shù)4個(gè)模塊。主程序流程圖、中斷函數(shù)流程圖如圖9、圖10所示。

3．1 主程序
系統(tǒng)開始工作后主程序首先對(duì)系統(tǒng)功能初始化，啟動(dòng)看門狗以防止程序以外跑飛，然后開啟下降沿中斷。接下來(lái)循環(huán)調(diào)用各個(gè)功能模塊函數(shù)，并執(zhí)行喂狗程序。
3．2 A／D轉(zhuǎn)換程序
A／D轉(zhuǎn)換程序主要用于人體紅外熱釋傳感器和可見光照度傳感器檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。主程序每次調(diào)用各傳感器對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換程序時(shí)，將其檢測(cè)信號(hào)的模擬量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量．供其它程序使用。
3．3 I／O口輸出照明控制程序
此程序模塊的功能主要在于接收兩個(gè)傳感器經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號(hào)，然后由此信號(hào)依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的規(guī)則計(jì)算出照明燈在一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間，供中斷函數(shù)使用。主程序流程圖中的T即是照明燈在一個(gè)周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間，X即是可見光照度傳感器的檢測(cè)信號(hào)。
3．4 串口發(fā)送程序
串口發(fā)送程序把兩個(gè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)，便于實(shí)際參數(shù)觀察和軟件調(diào)試。
3．5 中斷函數(shù)
中斷函數(shù)利用主程序中得到照明燈在一個(gè)中斷周期內(nèi)的關(guān)斷時(shí)間T來(lái)控制照明燈的開關(guān)和亮度。

4 結(jié)論
本智能燈控系統(tǒng)以節(jié)能減排為背景、選用節(jié)能鹵鎢燈作為照明燈，主要針對(duì)眾多公共場(chǎng)所照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象而設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)達(dá)到了良好的照明，節(jié)能和環(huán)保效果。既消除了傳統(tǒng)聲控?zé)舻臄_民問題，又解決了以控制照明燈的開關(guān)和亮度來(lái)節(jié)省能源的問題。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)體積小、工作穩(wěn)定、無(wú)誤動(dòng)作、自動(dòng)化程度高，是一種具有較高實(shí)用價(jià)值的智能燈控制系統(tǒng)。