基于51系列單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

目前我國高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明系統(tǒng)大多采用定時(shí)方式控制，存在電能的大量浪費(fèi)和照明模式不靈活等問題。本文基于51單片機(jī)，通過設(shè)置時(shí)間、感應(yīng)光照與聲音，針對教學(xué)樓和宿舍的不同需求設(shè)定照明狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)智能動(dòng)態(tài)的控制。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)可以在不同條件下改變照明狀態(tài)，適應(yīng)不同場所的需求，達(dá)到智能控制的目的。

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的社會(huì)，電力能源大量地消耗使其已成為緊缺資源，如何節(jié)能降耗成為近年來照明系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。目前我國高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明系統(tǒng)大多采用定時(shí)方式控制，雖然控制簡單且易于實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)存在很多問題：在夜間人流量很少時(shí)，燈具全部點(diǎn)亮將造成電能的大量浪費(fèi);此外，定時(shí)照明方式使照明系統(tǒng)工作狀態(tài)不能靈活調(diào)整，尤其在雷雨和霧霾天氣時(shí)，帶來安全隱患。本文所設(shè)計(jì)的智能照明控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)學(xué)校不同區(qū)域的不同功能需求，設(shè)置照明模式與照明時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)智能化管理。

1 系統(tǒng)硬件模塊

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于51系列單片機(jī)，由7個(gè)硬件模塊構(gòu)成，分別為控制、定時(shí)、光控、聲控、按鍵、顯示、照明。其中光控、聲控模塊實(shí)現(xiàn)對外界光、聲信號(hào)的采集與判斷;定時(shí)實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的照明時(shí)間控制;控制模塊采用STC89C52單片機(jī)，根據(jù)外界光、聲及定時(shí)信號(hào)控制照明電路，切換不同的工作狀態(tài)以適應(yīng)外界需求。照明系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 控制模塊

本文采用STC89C52單片機(jī)，具有8位CPU和系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，是一種低功耗、高性能微控制器。在本文的設(shè)計(jì)中，控制模塊接收定時(shí)模塊的時(shí)間及外部環(huán)境的光、聲信號(hào)，通過判斷照明級(jí)別，控制照明燈的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的智能動(dòng)態(tài)化管理。

1.2 輸入模塊

1.2.1 定時(shí)模塊

定時(shí)模塊采用了DS1302芯片，用于給整個(gè)系統(tǒng)提供日期與時(shí)間信息，它不僅功耗低，高性能，還具有掉電走時(shí)的功能，即使在單片機(jī)斷電的情況下它也不會(huì)停止計(jì)時(shí)。同時(shí)也便于系統(tǒng)對于當(dāng)前是否到達(dá)設(shè)定的夜間時(shí)間進(jìn)行判斷。

1.2.2 光控模塊

光控模塊中使用光敏電阻來采集光信號(hào)，并使用LM393比較器對光信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行判斷。圖2為光控電路，比較器的同相輸入和反相輸入端連有電位器，在沒有自然光照的情況下調(diào)整電位器，將兩個(gè)輸入端的電位保持一致，此時(shí)比較器會(huì)輸出低電平信號(hào)。當(dāng)光敏電阻被自然光照射時(shí)，其阻值會(huì)大幅度的減小，從而使得比較器的同相輸入端電位升高，比較器輸出高電平信號(hào)。通過比較器輸出信號(hào)至單片機(jī)P1.4端口，單片機(jī)可以判斷外界光強(qiáng)是否到達(dá)閾值強(qiáng)度，以此來控制照明模塊工作狀態(tài)的改變。

1.2.3 聲控模塊

聲控模塊中采用駐極體話筒(圖3中用R6電阻替代)采集聲信號(hào)，它是電容話筒的一種，靈敏度高。聲信號(hào)強(qiáng)度的判斷采用LM393，原理同光控電路，最后信號(hào)輸出至單片機(jī)P1.3端口，如圖3所示。

1.3 輸出模塊

1.3.1 顯示模塊

如圖4所示，顯示電路采用LCD1602液晶顯示當(dāng)前的日期與時(shí)間，LCD1602液晶可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，外加的電位器可以隨時(shí)調(diào)節(jié)液晶顯示屏的對比度。

1.3.2 照明模塊

如圖4所示，照明模塊是用2排8個(gè)LED燈來模擬照明燈的3種工作狀態(tài)：熄滅、間隔亮與全亮。當(dāng)工作在熄滅或全亮狀態(tài)時(shí)，8個(gè)LED燈全部熄滅或點(diǎn)亮;當(dāng)需要間隔亮?xí)r，2排LED燈亮起1排，提供強(qiáng)度相對較小的照明。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能照明系統(tǒng)將時(shí)間、光照、聲音結(jié)合起來判斷外界環(huán)境的變化，并且為照明燈設(shè)置3種工作狀態(tài)以提供不同的照明強(qiáng)度，分別為全亮、間隔亮和熄滅狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖5所示。

在照明燈工作狀態(tài)控制中，對宿舍樓設(shè)置時(shí)間為18：00～次日6：00，教學(xué)樓設(shè)置時(shí)間為18：00～24：00，稱為夜間模式，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)，照明燈工作在間隔亮狀態(tài)，提供夜間基本的照明。如果此時(shí)聲控模塊采集到的聲強(qiáng)強(qiáng)度大于閾值強(qiáng)度，說明教學(xué)樓或宿舍的人流量較大，照明模塊會(huì)切換至全亮狀態(tài)，提供高強(qiáng)度的照明，并且在聲音信號(hào)消失后，還會(huì)延時(shí)5 s再恢復(fù)間隔亮的工作狀態(tài)，以保證夜間活動(dòng)對照明的需求。

在設(shè)定時(shí)間之外，如遇到雷雨或霧霾天氣，照明系統(tǒng)對外界的自然光強(qiáng)度進(jìn)行采集與判斷，即使未在夜間模式也需要一定的照明，因此當(dāng)光控模塊采集的光強(qiáng)強(qiáng)度小于閾值強(qiáng)度時(shí)，照明模塊便會(huì)工作在間隔亮的狀態(tài)，保證教學(xué)樓或宿舍的基本照明;再通過對聲音信號(hào)的采集和判斷，如果人流量較大，則照明模塊又會(huì)再切換至全亮狀態(tài)。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對系統(tǒng)在所有情況下的工作狀態(tài)(預(yù)置的設(shè)定時(shí)間為18：00～6：00)進(jìn)行測試，測試電路如圖6所示。

當(dāng)未到設(shè)定時(shí)間、光強(qiáng)>閾值時(shí)，LED燈熄滅;

當(dāng)未到設(shè)定時(shí)間、光強(qiáng)閾值、聲強(qiáng)閾值時(shí)，LED燈間隔亮;

當(dāng)未到設(shè)定時(shí)間、光強(qiáng)閾值、聲強(qiáng)>閾值時(shí)，LED燈全亮;

當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間、聲強(qiáng)閾值時(shí)，LED燈間隔亮;

當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間、聲強(qiáng)>閾值時(shí)，LED燈全亮。

由此可見，本系統(tǒng)在各種情況下均按照要求切換工作狀態(tài)，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明需求，設(shè)計(jì)的智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)置時(shí)間和外界環(huán)境光、聲的變化自適應(yīng)地調(diào)整照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化管理。本系統(tǒng)還可以應(yīng)用于公共場所的照明，具有成本低、操作方便、易于擴(kuò)展功能等特點(diǎn)，最大限度地節(jié)約電力能源。