智能LED照明控制系統(tǒng)開發(fā)

電能被廣泛用于人們的日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域，從工作到娛樂無處不在，因而，電能的浪費(fèi)也存在于各行各業(yè)中，然而往往由于不合理的控制產(chǎn)生照明浪費(fèi)的電能，通常十分巨大而又不必要。對于學(xué)校教室內(nèi)的照明，電能的浪費(fèi)主要體現(xiàn)在各個(gè)教室的“白天室內(nèi)光線充足，但仍然燈全開”，或者“無人也亮燈”的現(xiàn)象。這就需要有一個(gè)既能夠人工管理教室燈光又能夠根據(jù)教室的當(dāng)前照度和人數(shù)來調(diào)節(jié)教室燈光亮度的系統(tǒng)，通過改進(jìn)燈的人性化控制來減少電能的浪費(fèi)。智能LED照明可以通過可編程的控制器根據(jù)實(shí)際需求提供照明使照明更加智能化及人性化。本文基于STC89C52單片機(jī)，通過硬件和軟件設(shè)計(jì)了一套人性化的燈光控制系統(tǒng)。

一、室內(nèi)LED照明智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)整體上是要實(shí)現(xiàn)的基本功能是根據(jù)教室內(nèi)的具體人數(shù)和自然光照的情況對教室的燈光進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)出帶有自己創(chuàng)意的燈光控制方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖如圖1所示，電源模塊經(jīng)過開關(guān)模塊的控制為人數(shù)計(jì)算模塊、控制模塊和光強(qiáng)檢測模塊等提供電能，光強(qiáng)檢測模塊和人數(shù)計(jì)算模塊將數(shù)據(jù)傳送給控制模塊，控制模塊再根據(jù)這兩者的數(shù)據(jù)對照明模塊和顯示模塊進(jìn)行相應(yīng)的控制。

二、智能LED照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體硬件主要分為控制器電路模塊、傳感器電路模塊以及顯示電路模塊。其整體電路硬件原理圖如圖2所示。本次設(shè)計(jì)筆者制作了LED燈供電電壓為5V的模型，模擬了教室照明。

2.1控制器電路設(shè)計(jì)

在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了STC89C52作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。該單片機(jī)的工作頻率為8MHZ，理論上是可以滿足自適應(yīng)照明調(diào)光的。

2.2LED燈電源設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)的主要目的就是給LED提供穩(wěn)定的直流電源，市場上比較常見的智能照明系統(tǒng)主要是通過LED驅(qū)動(dòng)器的PWM（脈寬調(diào)制）功能控制占空比來調(diào)節(jié)電壓的大小從而控制LED的亮暗程度，來實(shí)現(xiàn)教室的亮度調(diào)節(jié)。由于教室里的電都是220v的交流電，而LED只有在直流電的情況下才能正常工作，所以要經(jīng)過電路設(shè)計(jì)將交流電轉(zhuǎn)化成要求的直流電。為了實(shí)現(xiàn)教室既能夠讓管理人員對教室燈光進(jìn)行控制又可以進(jìn)行智能調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光，盡最大限度的去節(jié)約照明用電量，電源模塊大致可以將它分為兩個(gè)部分：當(dāng)單刀雙擲開關(guān)處于默認(rèn)的情況下，就是接通電路圖的上半部分控制電路，系統(tǒng)進(jìn)入燈光自動(dòng)控制狀態(tài)，220v的電壓的電流經(jīng)過開關(guān)進(jìn)入整流橋整流將原來的交流電流變?yōu)橹绷麟娏鳎娏髟俳?jīng)過C1濾波，進(jìn)入LM317集成塊中將整個(gè)電路的電流控制在一個(gè)恒定不變的環(huán)境中，從而為LED提供了穩(wěn)定的工作環(huán)境。

否則，系統(tǒng)進(jìn)入人工控制狀態(tài)，220v交流電壓經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換為24v的交流電壓，9v的交流電在經(jīng)過整流橋?qū)⒔涣鬓D(zhuǎn)換為直流、濾波后，通過LM7805集成塊將9v電壓轉(zhuǎn)換為5v的穩(wěn)定恒壓源為LED燈供電。

2.3數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)采集的部分有兩個(gè)，第一個(gè)是檢測室內(nèi)燈光的照度，第二個(gè)則是對人員數(shù)量的計(jì)算檢測，這兩個(gè)部分相互配合，相互影響共同工作滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求。光照度的檢測采用的傳感器是PCF8591集成塊，、它集成了光敏電阻、熱敏電阻等等，功能比較強(qiáng)大且相對于目前市場上的一些其他產(chǎn)品它不需要外接AD轉(zhuǎn)換器，直接可以將光敏電阻的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量數(shù)據(jù)輸出。PCF8591進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制時(shí)，必須要經(jīng)過IIC總線接口。

其中熱敏電阻接的是PCF8591的AIN1針腳，光敏電阻接的是PCF8591的AIN0針腳，輸出針腳分別為SC-和SDA用于IIC總線協(xié)議的通信，SCL是時(shí)鐘接口，SDA為數(shù)據(jù)接口，單片機(jī)軟件編程模擬IIC總線的通訊協(xié)議通過SDA接口獲取數(shù)據(jù)。

2.4人數(shù)計(jì)算模塊電路設(shè)計(jì)

對于該模塊的設(shè)計(jì)主要用了兩個(gè)紅外對射管集成塊來實(shí)現(xiàn)計(jì)算教室的人數(shù)的功能，其主要設(shè)計(jì)在于軟件設(shè)計(jì)方面。該模塊硬件為傳感器模塊，其外表是一個(gè)黑色管和一個(gè)透明管，它們分別是發(fā)射管和接收管，即發(fā)射管發(fā)射出固定頻率的紅外線，接收管用來接收該頻率的紅外線。當(dāng)有障礙物經(jīng)過時(shí)信號(hào)經(jīng)過比較器即下圖中的LM393，比較之后在輸出端發(fā)送出低電平，方便控制器進(jìn)行識(shí)別。

2.5顯示模塊電路設(shè)計(jì)

該模塊的主要功能就是通過LCD屏顯示當(dāng)前教室的人數(shù)，這樣既方便了觀察者對整個(gè)教室人數(shù)的統(tǒng)計(jì)，又可以方便管理人員來識(shí)別教室燈光自適應(yīng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。該顯示模塊主要是通過LCD1602來顯示的，在該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，顯示當(dāng)前教室人數(shù)、當(dāng)前教室照度和當(dāng)前教室溫度等等。

三、LED智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先該系統(tǒng)要結(jié)合一些常規(guī)的開關(guān)控制，以備應(yīng)對緊急情況，接下來就是設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)的具體內(nèi)容，首要檢測教室當(dāng)前人數(shù)，如果教室無人則不打開燈，有人的話，再檢測教室目前的照度是否達(dá)標(biāo)，如果不達(dá)標(biāo)則通過單片機(jī)計(jì)算出當(dāng)前照度值與標(biāo)準(zhǔn)值的差值再通過PWM功能調(diào)光，否則，不打開燈?？偟某绦蛄鞒虉D如圖6所示。

3.1人數(shù)統(tǒng)計(jì)程序

人數(shù)統(tǒng)計(jì)程序是一個(gè)相對比較重要的部分，因?yàn)樵谟?jì)算出教室的當(dāng)前的人數(shù)的前提下，可以根據(jù)人員的數(shù)量對教室的燈光進(jìn)行更加靈活地控制，以更大的限度去節(jié)約電能。除此之外，人數(shù)計(jì)算功能還會(huì)帶來一些附加價(jià)值比如可以減少上課點(diǎn)名的次數(shù)，為上課節(jié)省出更多的學(xué)習(xí)時(shí)間。但是人數(shù)計(jì)算的精確度是一個(gè)關(guān)乎它是否能被推廣的關(guān)鍵因素，所以在編寫程序時(shí)要盡量考慮各種特殊情況，防止在計(jì)算教室當(dāng)前人數(shù)時(shí)出現(xiàn)誤差。人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊可以將當(dāng)前的教室人數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)，并且將人數(shù)反饋給控制器，控制器再對室內(nèi)燈光進(jìn)行控制。其模塊程序流程圖如圖7所示。

3.2光照強(qiáng)度獲取模塊

光照強(qiáng)度是通過光敏電阻來測得的，采取PCF8591模塊可以獲得光照強(qiáng)度的數(shù)字信號(hào)，將其傳輸給單片機(jī)。在開啟IIC協(xié)議和關(guān)閉IIC協(xié)議時(shí)數(shù)據(jù)線SDA在時(shí)鐘線SCL保持為“1”的階段上分別發(fā)生了下降跳變和上升跳變，即分別為下降沿和上升沿，現(xiàn)在要通過程序來模擬該下降沿和上升沿。

對于下降沿的模擬先是令SDA=1，延時(shí)很短的一段時(shí)間后，再讓SDA=0，從單片機(jī)編譯程序的角度看，該程序原理符合下降沿的模擬方法，對于上升沿的模擬只要將上段原理取反即可。

當(dāng)教室有人時(shí)，檢測室內(nèi)的照度是否達(dá)標(biāo)，如果達(dá)標(biāo)，燈光仍然處于熄滅狀態(tài)，如果不達(dá)標(biāo)，燈光打開，且燈光根據(jù)室內(nèi)照度情況進(jìn)行調(diào)節(jié)亮度。通過脈寬調(diào)制（PWM）波形調(diào)節(jié)占空比來控制平均電壓，從而控制燈光的亮度變化。

總結(jié)

本設(shè)計(jì)是使用單片機(jī)編程通過軟硬件設(shè)計(jì)，通過判斷教室人數(shù)和光照強(qiáng)度，以及PWM控制，智能控制控制教室內(nèi)的燈光亮度。同時(shí)對電源電路的設(shè)計(jì)使得系統(tǒng)能夠在人工控制和智能控制間根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行切換，更加靈活。實(shí)物實(shí)驗(yàn)效果理想，具有進(jìn)一步推廣和實(shí)用價(jià)值。

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