基于單片機(jī)的智能亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

張理?xiàng)?王延玉

（濰坊科技學(xué)院，山東 壽光262700）

隨著人們生活質(zhì)量的提升，對(duì)家庭智能化、信息化的需求日益增強(qiáng)，將各種家居設(shè)備連接起來(lái)，共同構(gòu)建一個(gè)人性化、智能化的居住環(huán)境成為未來(lái)生活的趨勢(shì)。同時(shí)節(jié)能減排是當(dāng)今世界的主題，家庭能源消耗在國(guó)家總能源消耗中占很大比重，因此智能光控窗簾及節(jié)能燈的使用和普及成為必要。

近年來(lái)隨著智能化產(chǎn)品的需求日益提高，單片機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，配合其它外圍部件，以實(shí)現(xiàn)家庭智能化、一體化作為創(chuàng)新點(diǎn)，將光控窗簾和節(jié)能燈進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，構(gòu)建一個(gè)舒適的生活居住環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用光敏傳感器感知室內(nèi)光線(xiàn)強(qiáng)度來(lái)決定窗簾開(kāi)關(guān)，當(dāng)室內(nèi)光源不足時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)能燈來(lái)維持舒適的亮度；同時(shí)通過(guò)紅外傳感器來(lái)感知室內(nèi)是否有人，從而確定進(jìn)入待機(jī)節(jié)能狀態(tài)或者運(yùn)行狀態(tài)，各部分協(xié)調(diào)工作達(dá)到智能、節(jié)能、舒適的效果。

系統(tǒng)主要由STC89C51 單片機(jī)、光敏傳感器、紅外傳感器、步進(jìn)電機(jī)、節(jié)能燈管組成（見(jiàn)圖1）。單片機(jī)通過(guò)紅外傳感器判斷室內(nèi)是否需要智能調(diào)節(jié)；當(dāng)判定為需要調(diào)節(jié)時(shí)，光敏傳感器會(huì)進(jìn)一步感知室內(nèi)亮度，將得到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳送給單片機(jī)，單片機(jī)單片機(jī)將接收到的信號(hào)與程序內(nèi)設(shè)定的合理閾值進(jìn)行分析比對(duì)，根據(jù)分析結(jié)果向步進(jìn)電機(jī)和節(jié)能燈發(fā)出相應(yīng)調(diào)節(jié)信號(hào)，通過(guò)改變步進(jìn)電機(jī)脈沖來(lái)調(diào)節(jié)窗簾的開(kāi)啟或閉合程度；當(dāng)光源不足時(shí)，單片機(jī)控制節(jié)能燈管調(diào)節(jié)亮度維持在一定的舒適范圍內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及原理

2.1 STC89C51 單片機(jī)控制模塊

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，STC89C51 單片機(jī)屬于CHMOS 單片機(jī)，有高性能低功耗的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有空閑方式和掉電方式兩種工作方式，能夠很好滿(mǎn)足本系統(tǒng)節(jié)能和智能的目標(biāo)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 光敏監(jiān)測(cè)模塊

光敏監(jiān)測(cè)模塊主要由光敏電阻和A/D 轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成。光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，光敏電阻的兩極通常會(huì)做成梳狀來(lái)提高靈敏度，在使用時(shí)既可以接入直流電源，也可以接入交流電源，是一個(gè)無(wú)極性的電阻元件。本設(shè)計(jì)采用的ADC0804 是具有8 位分辨率和雙通道A/D 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)具有體積小、兼容廣泛、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性高。光敏電阻將室內(nèi)光強(qiáng)度檢測(cè)得到的模擬信號(hào)傳遞給A/D 轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)化芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸送至單片機(jī)。

2.3 紅外監(jiān)測(cè)模塊

紅外監(jiān)測(cè)模塊通過(guò)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行人員監(jiān)測(cè)，從而確定室內(nèi)是否需要進(jìn)行光控調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足了節(jié)省能源的要求。紅外傳感器是通過(guò)監(jiān)測(cè)人體產(chǎn)生的紅外輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)電信號(hào)變化，本設(shè)計(jì)采用熱釋電紅外傳感器是基于人體具有37 度的恒定體溫和會(huì)發(fā)出9～10μm 紅外輻射的特點(diǎn)，而傳感器接受到紅外輻射時(shí)會(huì)改變自身溫度，溫度變化后傳感器內(nèi)部電荷失衡，向外釋放電荷，從而將產(chǎn)生的電信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。單片機(jī)通過(guò)程序?qū)⑤斎胄盘?hào)與人體正常的溫度區(qū)間引起電荷變化產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)室內(nèi)是否有人的目的。本設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)空間是室內(nèi)，減少了室外其它紅外輻射的干擾，很大程度上提升了紅外傳感器的準(zhǔn)確性。

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由單片機(jī)獲得脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)窗簾開(kāi)啟和關(guān)閉的精準(zhǔn)拉動(dòng)，從而改變室內(nèi)的光線(xiàn)強(qiáng)度。本模塊選用ULN2003 作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器由脈沖發(fā)生控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元等組成，具有耐高壓、帶負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，也提高了步進(jìn)電機(jī)控制的精確度。將單片機(jī)P2.0～P2.3 端口通過(guò)驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)連接，單片機(jī)將分析處理結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)脈沖，并輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器起到接收單片機(jī)脈沖信號(hào)并對(duì)功率進(jìn)行放大傳送給步進(jìn)電機(jī)的作用。在手動(dòng)控制中，單片機(jī)與按鍵電路的結(jié)合，可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)的功能，使窗簾在人為操作下可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟與閉合。將窗簾的手動(dòng)操作和自動(dòng)控制相結(jié)合，很大程度上提升了可控性和簡(jiǎn)便性，滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的要求。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)以STC89C51 單片機(jī)為核心，通過(guò)Keil 軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序編寫(xiě)，此軟件兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。與匯編語(yǔ)言相比，C 語(yǔ)言在功能性、結(jié)構(gòu)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)Keil 軟件提供包括C 編譯器和仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，并通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境將這些方案組合起來(lái)。根據(jù)系統(tǒng)流程圖，對(duì)傳感器控制程序、步進(jìn)電機(jī)控制程序、節(jié)能燈程序以及按鍵程序進(jìn)行分模塊編寫(xiě)。編寫(xiě)完成后運(yùn)用Proteus 軟件進(jìn)行軟硬件協(xié)同仿真，根據(jù)功能要求建立仿真電路圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 系統(tǒng)仿真圖

3.2 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

根據(jù)系統(tǒng)仿真電路圖，本系統(tǒng)具有手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式，當(dāng)對(duì)單片機(jī)P2.5 端口輸入低電平時(shí)為手動(dòng)調(diào)節(jié)，輸入高電平時(shí)為自動(dòng)調(diào)節(jié)。在手動(dòng)調(diào)節(jié)中，單片機(jī)對(duì)按鍵電路進(jìn)行掃描來(lái)判斷按鍵開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當(dāng)點(diǎn)擊連接在P3.5 口的按鍵時(shí)，節(jié)能燈開(kāi)啟并保持，點(diǎn)擊連接在P3.6 口的按鍵時(shí)，節(jié)能燈關(guān)閉并保持；通過(guò)連接在單片機(jī)P0.0～P0.2 口的三個(gè)按鍵分別控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止；在自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，通過(guò)紅外傳感器識(shí)別室內(nèi)是否有人，由于Proteus 仿真元器件庫(kù)中沒(méi)有紅外傳感器，所以將單片機(jī)P2.4 口接入開(kāi)關(guān)來(lái)代替紅外傳感器進(jìn)行仿真，通過(guò)開(kāi)關(guān)接入高電平實(shí)現(xiàn)室內(nèi)有人的效果，在室內(nèi)有人的情況下，由低到高調(diào)節(jié)光敏傳感器所接受光的強(qiáng)度，當(dāng)光的強(qiáng)度低于適宜強(qiáng)度區(qū)間時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)3 秒后停止，同時(shí)節(jié)能燈開(kāi)啟并保持；在光的強(qiáng)度在適宜強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)與節(jié)能燈維持既有狀態(tài)；在光的強(qiáng)度高于適宜強(qiáng)度區(qū)間時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)3 秒后停止，節(jié)能燈保持關(guān)閉。最終實(shí)現(xiàn)將室內(nèi)亮度維持在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，達(dá)到一個(gè)舒適生活居住環(huán)境的效果。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)控制為核心，通過(guò)紅外傳感器和光敏傳感器對(duì)步進(jìn)電機(jī)和節(jié)能燈進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)亮度的智能調(diào)節(jié)，解決了由光的強(qiáng)度過(guò)高或過(guò)低帶給人們的不適問(wèn)題。本設(shè)計(jì)有兩種工作模式，可根據(jù)需要進(jìn)行自主選擇。本設(shè)計(jì)工作運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，而且低成本、低能耗，適合家庭的使用，也有利于節(jié)能減排，踐行低碳環(huán)保的理念。