基于單片機(jī)和HC-SR501的智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江美枝

（武昌職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430200）

0 引言

電能在生活中無(wú)處不在，小到電子產(chǎn)品，大到日常生活、生產(chǎn)、娛樂(lè)等，電能在被廣泛應(yīng)用的同時(shí)，存在著巨大浪費(fèi)。智能家居室內(nèi)照明存在的主要浪費(fèi)行為有光線充足時(shí)仍開(kāi)燈、人走不隨手關(guān)燈等現(xiàn)象。此時(shí)，開(kāi)發(fā)一個(gè)智能化、人性化照明系統(tǒng)，在進(jìn)行人性化控制的同時(shí)，也能減少能源的浪費(fèi)。利用低成本的STC89C52單片機(jī)、低功耗高亮度的LED燈、熱釋電人體感應(yīng)模塊、按鍵模塊、紅外遙控模塊等，對(duì)智能照明系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而減少能源浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

智能照明系統(tǒng)主要是通過(guò)熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊來(lái)確認(rèn)檢測(cè)范圍內(nèi)是否有人。如果有人，光敏電阻開(kāi)始檢測(cè)光線強(qiáng)度，當(dāng)光線弱時(shí)，通過(guò)PWM 技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)照明燈亮度，在節(jié)省能源的同時(shí)，不會(huì)造成光污染，可避免在強(qiáng)光照或沒(méi)人時(shí)照明燈一直開(kāi)啟。若不想自動(dòng)調(diào)節(jié)燈亮度，可切換到手動(dòng)調(diào)節(jié)模式進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣既能滿足人們的實(shí)際生活需要，也符合能源節(jié)約的要求。

1.2 系統(tǒng)整體框架

STC89C52 單片機(jī)作為主芯片，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。系統(tǒng)整體框架如圖1 所示。在STC89C52芯片接收到熱釋電紅外感應(yīng)模塊和光敏檢測(cè)模塊信號(hào)后，會(huì)對(duì)該信息進(jìn)行處理，控制信號(hào)輸出，從而使指示燈和光電控制電路作出相應(yīng)反應(yīng)，而按鍵/無(wú)線控制部分可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)/自動(dòng)模式切換及亮度調(diào)節(jié)功能。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)STC89C5 2 的硬件電路。該系統(tǒng)的硬件部分主要由STC89C52組成的最小系統(tǒng)、光敏檢測(cè)的模數(shù)轉(zhuǎn)換、按鍵模塊及紅外一體接收模塊、熱釋電傳感器模塊等組成。其中，熱釋電傳感器用來(lái)檢測(cè)是否有人存在，如果有人且光線不充足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出點(diǎn)亮燈的信號(hào)。光敏電阻檢測(cè)光線信號(hào)，經(jīng)ADC0832完成模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到主芯片中進(jìn)行處理，從而控制照明燈亮度，系統(tǒng)可根據(jù)室內(nèi)光照強(qiáng)度來(lái)智能控制照明，并實(shí)現(xiàn)人來(lái)自動(dòng)開(kāi)燈、人走自動(dòng)關(guān)燈［1-2］，同時(shí)可通過(guò)按鍵和紅外遙控模塊來(lái)切換手動(dòng)或自動(dòng)模式，并調(diào)節(jié)照明燈亮度。

2.2 HC-SR501熱釋電人體感應(yīng)模塊

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)用到人體感應(yīng)模塊。HCSR501 模塊是自動(dòng)紅外控制裝置，使用LHI778 探頭來(lái)完成設(shè)計(jì)，如圖2 所示，其工作靈敏、可靠，可在略微低壓模式下進(jìn)行工作。該裝置已應(yīng)用于多種自動(dòng)化電器中。

圖2 熱釋電人體感應(yīng)

2.2.1 紅外光譜。自然界中有溫度的物體都會(huì)輻射出紅外光，但不同物體輻射出的紅外波長(zhǎng)有所差異。人體輻射出的紅外波長(zhǎng)在10 000 nm左右，根據(jù)該特性可設(shè)計(jì)出一種探測(cè)儀器（如HC-SR501模塊），只能檢測(cè)10 000 nm左右的波長(zhǎng)，且不受其他光波的影響，可用來(lái)檢測(cè)人體活動(dòng)信息。HC-SR501模塊的檢測(cè)范圍在7 m 內(nèi)，是根據(jù)熱釋電原理制作的，即通過(guò)溫度變化導(dǎo)致電荷發(fā)生變化的原理來(lái)檢測(cè)人體活動(dòng)。

2.2.2 紅外線傳感器。傳統(tǒng)熱釋電傳感器一般使用一元傳感器，但其很容易受到其他不必要雜光、溫度等因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中的效果不好。所以，本研究采用雙元傳感器（具有高靈敏度）。傳感器探測(cè)元由高熱電材料制成，探測(cè)器結(jié)構(gòu)如圖3所示。在每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝有2 個(gè)反極性串聯(lián)的探測(cè)元件，以抑制高溫產(chǎn)生的干擾［3］。同時(shí)輸入紅外線會(huì)被抵消掉，無(wú)信號(hào)輸出，從而降低外部雜光、環(huán)境溫度變化和外部震動(dòng)產(chǎn)生的影響。

圖3 探測(cè)器結(jié)構(gòu)

由于內(nèi)置紅外線傳感器的輸入阻抗高，易產(chǎn)生噪聲。因此，可使用金屬封裝外殼，并進(jìn)行接地，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的電磁屏蔽，最終實(shí)現(xiàn)降噪去雜的目的。為避免受到其他不必要光線的影響，一般情況下，可在傳感器表面添加濾光片。由于人體移動(dòng)緩慢，需要高效率、高聚焦能力的配件，才能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，因此使用菲涅耳透鏡等配件。

2.2.3 紅外感應(yīng)模塊。熱釋電人體紅外感應(yīng)模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。該模塊由輸出電路、光控電路、比較器、帶通放大器、熱釋電傳感器、菲涅爾透鏡等組成，具有體積小、使用方便、可靠、探測(cè)角度大等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)

2.3 光敏檢測(cè)模塊

2.3.1 光敏電阻。使用光敏電阻對(duì)室內(nèi)開(kāi)關(guān)燈條件進(jìn)行檢測(cè)，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明的智能控制［4］。光敏電阻工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)的，通常也被稱為光導(dǎo)管，隨著光線作用時(shí)間增長(zhǎng)，其阻值會(huì)變小。為增加靈敏度，將2 個(gè)電極做成梳狀。在制作光敏電阻時(shí)，通常使用硫化鎘、硒等材料。這些材料在一定波長(zhǎng)的光線照射下，電阻值會(huì)迅速降低，即在光照條件下，其內(nèi)部產(chǎn)生載流子，載流子在外電場(chǎng)的作用下會(huì)發(fā)生漂移，電子運(yùn)動(dòng)到電源正極，空穴運(yùn)動(dòng)到電源負(fù)極。當(dāng)光照消失后，產(chǎn)生的載流子電子和空穴復(fù)合為原來(lái)的電子-空穴對(duì)狀態(tài)，從而使光敏電阻的阻值上升，恢復(fù)到原來(lái)的阻值大小［5］。光敏電阻不分極性，僅僅作為電阻器，在使用時(shí)既可加直流電，也可加交流電。

一個(gè)光敏電阻串聯(lián)一個(gè)分壓電阻，并連接到電源端，光敏電阻分得的電壓輸入到ADC0832 芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，再送到主芯片STC89C52 進(jìn)行處理，并輸出控制信號(hào)，如圖5 所示。在不同亮度環(huán)境下，光敏電阻的阻值不一樣，導(dǎo)致分得的電壓也不一樣。利用該原理來(lái)控制照明燈亮度，從而實(shí)現(xiàn)智能化照明。

圖5 光敏電路

2.3.2 PWM 技術(shù)。該智能照明系統(tǒng)主要通過(guò)LED 驅(qū)動(dòng)器的PWM 技術(shù)來(lái)控制占空比，從而調(diào)節(jié)電壓大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 亮暗程度的控制［6-7］。由于PWM 技術(shù)具有顏色一致性好、亮度級(jí)別高、調(diào)光范圍大、線性度好、LED 驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛用于調(diào)光。LED 發(fā)光的光通量會(huì)隨流過(guò)的電流增加而增加，利用PWM技術(shù)調(diào)整流過(guò)LED的正向電流占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈亮度的調(diào)節(jié)。PWM 的輸出占空比波形如圖6 所示，T為脈沖周期，ton為脈沖寬度（高電平），即占空比為ton/T，通過(guò)控制輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度的分級(jí)調(diào)節(jié)。脈寬調(diào)制是通過(guò)控制輸出信號(hào)中每周期內(nèi)輸出高電平的比例，即控制LED的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)分級(jí)亮度調(diào)節(jié)的［8］。系統(tǒng)將燈的亮度分為10 個(gè)等級(jí)，從而控制燈亮度的調(diào)節(jié)，每個(gè)等級(jí)相差10%的占空比。

圖6 PWM輸出占空比波形

2.4 紅外遙控

紅外遙控發(fā)射電路是利用紅外發(fā)光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該電路發(fā)出經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外波，紅外接收電路（主要由二極管、三極管或硅光電池組成）將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行放大處理。發(fā)送和接收的紅外光為不可見(jiàn)光，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響小，且這種光比無(wú)線電波的波長(zhǎng)更短，在使用時(shí)不會(huì)影響到其他家用電器或無(wú)線設(shè)備的正常使用。

紅外遙控模塊具有電路簡(jiǎn)單、使用方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可通過(guò)程序直接識(shí)別出相應(yīng)按鍵，從而控制實(shí)現(xiàn)照明燈模式的切換和燈亮度的調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖7 所示。開(kāi)始后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，先判斷系統(tǒng)的工作模式（自動(dòng)或手動(dòng)），若為自動(dòng)模式，判斷是否有人，有人就讀取AD值，利用PWM 技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)燈光，沒(méi)人就回到初始化狀態(tài)。若為手動(dòng)模式，掃描按鍵的狀態(tài)（按下與否）或判斷接收到遙控的信號(hào)，從而調(diào)節(jié)燈的亮度。在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)使用2 個(gè)定時(shí)器，分別為定時(shí)器0 的方式1 和定時(shí)器1 的方式2。定時(shí)器0 只用作串口通信，用于接收、存儲(chǔ)紅外遙控傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。定時(shí)器1 在外部中斷時(shí)使用，根據(jù)檢查到的光線強(qiáng)度來(lái)調(diào)節(jié)燈的亮度。

圖7 主程序流程

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行硬件連接測(cè)試，在所處環(huán)境的檢測(cè)范圍內(nèi)，當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí)，判斷檢測(cè)范圍內(nèi)是否有人，當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)，讀取外界光照強(qiáng)度，通過(guò)PWM技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)燈的亮度。當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí)，可通過(guò)紅外遙控手動(dòng)按鍵進(jìn)行處理。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)功能調(diào)試，在自動(dòng)模式下，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)出是否有人存在，并完成燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)，當(dāng)沒(méi)人時(shí)，可自動(dòng)關(guān)燈。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的自動(dòng)化管理，功能調(diào)試效果良好，能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，能穩(wěn)定進(jìn)行亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，具有較好的實(shí)用性。