基于51系列單片機的智能照明控制系統設計方案

目前我國高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明系統大多采用定時(shí)方式控制，存在電能的大量浪費和照明模式不靈活等問(wèn)題。本文基于51單片機，通過(guò)設置時(shí)間、感應光照與聲音，針對教學(xué)樓和宿舍的不同需求設定照明狀態(tài)，實(shí)現對照明系統智能動(dòng)態(tài)的控制。測試結果表明該系統可以在不同條件下改變照明狀態(tài)，適應不同場(chǎng)所的需求，達到智能控制的目的。

在當今經(jīng)濟快速發(fā)展的社會(huì )，電力能源大量地消耗使其已成為緊缺資源，如何節能降耗成為近年來(lái)照明系統研究的熱點(diǎn)。目前我國高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明系統大多采用定時(shí)方式控制，雖然控制簡(jiǎn)單且易于實(shí)現，但同時(shí)存在很多問(wèn)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;此外，定時(shí)照明方式使照明系統工作狀態(tài)不能靈活調整，尤其在雷雨和霧霾天氣時(shí)，帶來(lái)安全隱患。本文所設計的智能照明控制系統，能夠根據學(xué)校不同區域的不同功能需求，設置照明模式與照明時(shí)間，實(shí)現對照明系統的動(dòng)態(tài)智能化管理。

1 系統硬件模塊

本系統的設計是基于51系列單片機，由7個(gè)硬件模塊構成，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)現對外界光、聲信號的采集與判斷;定時(shí)實(shí)現照明系統的照明時(shí)間控制;控制模塊采用STC89C52單片機，根據外界光、聲及定時(shí)信號控制照明電路，切換不同的工作狀態(tài)以適應外界需求。照明系統架構如圖1所示。

1.1 控制模塊

本文采用STC89C52單片機，具有8位CPU和系統內可編程Flash，是一種低功耗、高性能微控制器。在本文的設計中，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，通過(guò)判斷照明級別，控制照明燈的工作狀態(tài)，實(shí)現照明系統的智能動(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，即使在單片機斷電的情況下它也不會(huì )停止計時(shí)。同時(shí)也便于系統對于當前是否到達設定的夜間時(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(lái)采集光信號，并使用LM393比較器對光信號強度進(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(méi)有自然光照的情況下調整電位器，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。當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。通過(guò)比較器輸出信號至單片機P1.4端口，單片機可以判斷外界光強是否到達閾值強度，以此來(lái)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(huà)筒(圖3中用R6電阻替代)采集聲信號，它是電容話(huà)筒的一種，靈敏度高。聲信號強度的判斷采用LM393，原理同光控電路，最后信號輸出至單片機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)調節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(lái)模擬照明燈的3種工作狀態(tài)：熄滅、間隔亮與全亮。當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;當需要間隔亮時(shí)，2排LED燈亮起1排，提供強度相對較小的照明。

2 系統軟件設計

智能照明系統將時(shí)間、光照、聲音結合起來(lái)判斷外界環(huán)境的變化，并且為照明燈設置3種工作狀態(tài)以提供不同的照明強度，分別為全亮、間隔亮和熄滅狀態(tài)。系統運行流程如圖5所示。

在照明燈工作狀態(tài)控制中，對宿舍樓設置時(shí)間為18：00～次日6：00，教學(xué)樓設置時(shí)間為18：00～24：00，稱(chēng)為夜間模式，在設定時(shí)間內，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強度大于閾值強度，說(shuō)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)，提供高強度的照明，并且在聲音信號消失后，還會(huì )延時(shí)5 s再恢復間隔亮的工作狀態(tài)，以保證夜間活動(dòng)對照明的需求。

在設定時(shí)間之外，如遇到雷雨或霧霾天氣，照明系統對外界的自然光強度進(jìn)行采集與判斷，即使未在夜間模式也需要一定的照明，因此當光控模塊采集的光強強度小于閾值強度時(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(guò)對聲音信號的采集和判斷，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 系統測試

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

當未到設定時(shí)間、光強>閾值時(shí)，LED燈熄滅;

當未到設定時(shí)間、光強閾值、聲強閾值時(shí)，LED燈間隔亮;

當未到設定時(shí)間、光強閾值、聲強>閾值時(shí)，LED燈全亮;

當到達設定時(shí)間、聲強閾值時(shí)，LED燈間隔亮;

當到達設定時(shí)間、聲強>閾值時(shí)，LED燈全亮。

由此可見(jiàn)，本系統在各種情況下均按照要求切換工作狀態(tài)，符合設計要求。

4 結束語(yǔ)

本文根據高校的教學(xué)樓和學(xué)生宿舍的照明需求，設計的智能照明系統可以根據設置時(shí)間和外界環(huán)境光、聲的變化自適應地調整照明系統的工作狀態(tài)，實(shí)現對照明系統的動(dòng)態(tài)化管理。本系統還可以應用于公共場(chǎng)所的照明，具有成本低、操作方便、易于擴展功能等特點(diǎn)，最大限度地節約電力能源。