单片机控制的室内照明节能系统设计和实现

　能源短缺的问题是21世纪所有国家都需要面临的新挑战。除了大力寻找新兴可代替能源之外，节约现有能源、提高能源利用率也是迎接这一挑战的有效方法。电能作为日常生活中最基础、应用最广泛的能源，如何节省以及高效利用它就成为一个迫切需要解决的问题，办公室照明的节电问题也是节能的一个重要方面。现实生活中常用的节电方式大都是手工控制、声控型和太阳能灯等。手工方法操作麻烦，费时费力；声控型对声音的判断不是很准确，当外界有干扰声响时，也会触发灯泡点亮，浪费电能；太阳能设备具有高投资、高风险、易坏、成本回收周期长的缺点，且容易受天气和光照强度的影响，设备效益不稳定。从以上分析可以看出，现有的节能方式还不能很好地满足人们的需求，因此迫切需要一种方便操作、低成本、可以广泛适用的新型节能方案。 

　　本文设计了一款办公室灯光自动控制器，实现办公室灯光的实时控制，自动判断是否开灯，最大程度的节电，避免人工控制中因管理不到位而造成电能的浪费。系统能自动感知人体以及外界照明情况的变化，由热释电红外传感器和光敏晶体管探测，信号传输到单片机，以控制和调节灯光。 

　　1.控制系统结构 

　　如图1所示，系统包括控制器主控芯片、电源模块、手动调节、灯光驱动电路、热释电红外传感器、数码管显示和光敏原件等模块。 

　　热释电红外传感器感知办公室内是否有人类活动，然后针对这两种情况进行不同的灯光控制。在特殊情况下的用电要求的时候，光传感器连接主控单片机，对室内光线强度进行监控，手动控制灯光，可使灯保持一直开启或是一直关闭的状态。 

　　数码管模块显示室内光线强度，并按照设定的时间进行无人倒计时。灯光驱动模块：光电耦合器实现光电之间的相互转化。220V交流电由电源模块输出后，又经过变压器、全桥整流、稳压、7805稳压，得到5V直流电。这个电流就是为单片机、传感器以及其他元器件提供电能的。 

　　2.单元模块电路设计 

　　2.1 电源电路设计 

　　输入为220V交流电，输出为稳定的5V直流电。可以看出，这个电路的设计十分方便，并且能够输出稳定的电压，最大输出电流为1A，电路能带动一定的负载，具有实用性。具体电路如图2所示。 

　　变压器的输入端连接到电源插头，变压器后接到桥式整流电路。由于整流后电压波动较大，所以连接一个330μF/25V的电解电容。三端稳压器LM7805输出5V的电压，其最大输出电流为1A，内部有限流式短路保护。为了滤波和阻尼，三端稳压器后连接一个10μF的电容。在最后，C2两端接了一个输出电源的插针，这使得它可以与用电端口连接。 

　　2.2 数码管显示电路设计 

　　当某一字段的阴极置高时，该字段不发光。把发光二极管的阴极全部连在一起，形成共阴极数码管。把公共极COM连接到地线GND，如果把某个发光二极管的阳极置高，对应的字段就被点亮；如果置低，该字段就不亮。数码管显示电路如图3所示。 

　　2.3 感光电路设计 

　　光敏器件采集环境光照信息，经过A/D转换后直接发送给主控单片机。感光电路如图4所示。 

　　2.4 人体感应电路设计 

　　人的体表温度通常为37℃左右，发出的红外线波长为10μm左右。人体发射的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。本系统采用CS9803GP热释电红外控制电路。电路通过连接了热释电红外传感器和少量外接元器件，可以起到开关的作用。 

　　2.5 复位电路设计 

　　本系统采用上电按钮复位方式，按下复位按钮前，第9管脚接地，输入低电平，按下复位按钮后，第9引脚点位提升到+5V，输入高电平，复位生效，单片机执行复位命令。复位电路的具体电路如图5所示。 

　　2.6 时钟电路设计 

　　由于在室内使用，所以该系统还受时间的控制，因此需要加入硬件时钟电路来确保系统的智能化运行。采用具有充电功能的时钟芯片DS1302作为RAM寄存器临时性存放数据，在停电时为时钟电路提供电源。 

　　单片机和DS1302的连接电路如图6所示。在这里VCC2外接3.6V可充电的锂电池，作为DS1302的备用电源。VCC1外接+5V稳定电压，这是DS1302的主要电能来源。DS1302由VCC1和VCC2两者中较大者供电。系统正常运行时，VCC1是大于VCC2的，此时由VCC1给DS1302供电；主电源意外关闭的情况时，VCC2向DS1302供电，这是为了确保时钟的持续运行。X1和X2作为振荡源，外接32.768kHz的晶振。RST是复位片选线，如果把RST输入驱动置高，就会启动所数据传送。RST与单片机的复位信号相连。时钟输入端SCLK接单片机的P1.5引脚，实现时钟控制。 

　　由于51单片机内部没有晶振源，所以需要外加晶振为单片机供应时钟信号。晶振两端接上负载电容构成三点式电容振荡是为了帮助晶振起振，C1，C2两个负载电容为30pF。当晶振提供的时钟信号稳定后，单片机就可以随着晶振的频率一步一步地从ROM中读取指令来执行程序。时钟电路如图7所示。 

　　2.7 灯光驱动电路设计 

　　光电耦合器由发光源和受光器构成灯光驱动电路如图8所示。 

　　3.系统控制模块的软件设计 

　　系统软件采用自上至下的设计，首先设计好主程序，然后将各部分展开形成子程序，最后对各个小模块分别进行设计和编程。 

　　如图9所示，程序在运行之初，先进行系统初始化；然后光强度采集子程序读取数据，显示当前光线强度，判断是否到达极值，若高于极值则直接关灯，若低于极值则转入人体存在子程序进行判断，若有人则再次循环，若无人则开始倒计时；倒计时期间依然运行人体存在子程序判断，若有人则重新开始倒计时，若无人则一直倒计时到零，关灯，运行结束。 

　　光敏电阻采集的光照度的模拟信号经A/D转换器将变换成数字位流以进行处理、传输等，并根据是否有人执行动作。单片机把实时监控检测采集的两路数据分别与设定值进行比较，然后根据结果判断是否有人启动相关开关。光照检测程序的流程图如图10所示。 

　　结论 

　　本系统以环境的光照强度、人体是否存在等外界环境为参数输入控制器，设计了室内灯光控制系统。实验证明，该系统大大降低了办公室灯所需电能，添加的时间控制参数，使办公室灯光的控制更加科学合理。系统采用AT89C52作为单片机主控单元，经过有关电路的驱动，实现了系统对照明设施的控制。感光元件选择光敏电阻，通过A/D转换，完成了系统对信息的采集。以CS9803GP作为热释电红外控制电路，增加了少量外接元器件共同形成了热释电红外开关，完成了对人体感应信息的采集。以MOC3023为光电耦合器，完成系统对灯光的驱动。整个系统通过数码管不停闪烁把工作状态显示出来，完成了系统对室内灯光的自动开与关的操作。本系统便于功能扩展，可移植性较好，有一定的市场广泛应用前景。 

　　参考文献 

　　[1]胡琥，陈彬，韩利红，等.基于人行为习惯的图书馆照明节能控制系统设计[J].建筑節能， 2015（3）：96-98. 

　　[2]刘智旸，陈华丽. 教室照明节能控制系统的智能化和可视化设计[J].智能计算机与应用，2014（2）：102-105. 

　　[3]王金，赵彬杉，吴小康.基于单片机的教室照明智能控制系统[J].湖南农机，2011，38（5）： 57-58.