基于STC單片機的智能燈控系統設計

摘要：針對目前眾多公共場所照明用電浪費嚴重的問題，設計了一套基于STC單片機的智能燈控系統。人體紅外熱釋傳感器和可見光照度傳感器采集的數據，通過單片機處理后向照明燈驅動電路發送相應信號，控制照明燈的開關和亮度。本系統具有成本低、運行穩定及智能化的特點。對提高用電效率、節能環保有很大幫助，應用前景廣闊。
關鍵詞：照明；單片機；人體紅外熱釋傳感器；可見光照度傳感器；節能

當今社會經濟飛速發展，各類能源浪費問題日趨嚴峻，尤為顯著的如，大型地下停車場、公共衛生間、樓道等場所照明用電。雖然白熾燈擁有許多優點，但是由于其能效過低，已被世界各國相繼宣布淘汰。自從澳大利亞2007年率先立法淘汰白熾燈以來，中國于2011年也發布了逐步淘汰白熾燈的路線圖。
隨著普通白熾燈被淘汰，熒光燈、LED和節能鹵鎢燈成為目前照明燈具市場的三大主流。熒光燈是當前替代普通白熾燈最主要也是數量最多的照明燈，雖然和普通白熾燈相比能節約80％的電能，但其價格昂貴，體積較大，發光面積較大，不是點光源，光譜不連續，不能做到100％的顯色性。同時熒光燈含有汞、熒光粉以及大量的電子元器件，廢棄后給環境帶來的負擔是不可估量的。近年來LED的發展非常迅速，但成本相對較高，且在技術上還無法做到如黑體輻射的連續光譜，在顯色性、顏色一致性方面依然無法和節能鹵鎢燈媲美，所以離大規模普及仍有一段距離。節能鹵鎢燈本質上仍是白熾燈，其結構簡單、價格低廉、對環境無害，能直接工作于市電電壓，瞬時啟動，瞬間即可達到最大光輸出，和普通的白熾燈相比能節約30％的電能，節能鹵鎢燈由于其近似于點光源的集中發光體，幾乎黑體輻射的連續光譜、100％的顯色性，3 000K左右色溫的柔和色光，無頻閃，在很多對照明質量要求較高的場所，仍然有不可比擬的優越性。
考慮到以上因素，按照節能、減排、智能和實用的要求，筆者針對節能鹵鎢燈設計出基于STC12C5A60S2單片機的智能燈控系統，利用人體紅外熱釋傳感器和可見光照度傳感器構成環境檢測系統，大大提高了燈控系統的靈敏度、精確度和實用性。

1 系統總體設計
1．1 系統總體框架
本系統以單片機為控制核心，由5 V穩壓電路、過零檢測電路、人體紅外熱釋傳感器模塊、可見光照度傳感器模塊、照明燈驅動電路和串口調試模塊組成。系統框圖如圖1所示。

1．2 系統工作原理
利用人體紅外熱釋傳感器探測人體特征，可見光照度傳感器檢測當前環境照度，把傳感器檢測信號送單片機處理，根據處理結果在單片機每次中斷時控制照明燈的開關和亮度。串口調試模塊作為人機交互工具，便于觀察系統相關參數。

2 系統硬件設計
2．1 5 V穩壓電路
本系統低壓部分電源由220V-9V變壓器引入，經過一個整流橋獲得9 V直流電源，然后采用三端線性穩壓芯片LM7805得到5 V直流電源。5 V穩壓電路原理圖如圖2所示。

2．2 單片機最小系統
STC12C5A60S2AD系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘／機器周期(IT)的單片機，是高速／低功耗／超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快高速10位A／D轉換，針對電機控制，強干擾場合。其最小系統由復位電路和晶振電路組成，單片機最小系統原理圖如圖3所示。

2．3 過零檢測電路
D2、D3電壓取自220 V-9 V變壓器次級，經全波整流形成脈動直流電壓波形，由電阻分壓，再經過電容濾波，形成三極管基極電壓波形。當基極電壓低于0．7 V時，三極管截止，反之，三極管導通。三極管集電極通過上拉電阻R4形成高電平。通過三極管的反復導通和截止，在集電極處輸出100 Hz脈沖電平，供單片機下降沿中斷。過零檢測電路原理圖如圖4所示。

2．4 人體紅外熱釋傳感器模塊
人體都有恒定的體溫，一般在37度左右，所以會發射出特定波長10μm左右的紅外線。人體紅外熱釋傳感器能以非接觸形式檢測到人體發射的紅外線，在其上安裝菲涅耳透鏡，可以將熱釋的紅外信號折射(反射)在紅外熱釋傳感器上，也能將警戒區內分為若干個明區和暗區，使進入警戒區的移動物體能以溫度變化的形式在紅外熱釋傳感器上產生變化的熱釋紅外信號，這樣紅外熱釋傳感器就能產生變化的電信號。
本系統的人體紅外熱釋傳感器元件采用HC-SR501，以BISS0001集成芯片再配以相應外接阻容元件構成傳感器的信號處理電路。把BISS00 01的1腳接高電平，設置本電路為可重復觸發。輸出延遲時間可以通過改變R11的大小來調節。人體紅外熱釋傳感器將感應到的紅外輻射能量的變化轉換成電信號，通過BISS0001的2腳輸出。當有人在警戒區內移動時模塊輸出3．3 V電壓，沒人時模塊輸出低電平。實驗測得該模塊感應最遠距離可達8 m，最大角度為110°。人體紅外熱釋傳感器模塊原理圖如圖5所示。

2．5 可見光照度傳感器模塊
可見光照度傳感器采用ON9658，它是一個光電集成傳感器，典型入射波長為520 nm，可見光范圍內高度敏感，內置雙敏感元接收器、微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流隨照度呈線性變化。溫度穩定性好。

由于該傳感器輸出信號是峰值隨照度變化的正弦波。因此采用肖特基二極管加阻容元件構成的硬件檢波電路來獲取傳感器輸出電壓的峰值，最后輸出幅值為正弦波峰值的直流電壓信號。可見光照度傳感器模塊原理圖如圖6所示。
2．6 照明燈驅動電路
照明燈驅動電路主要由250 V雙向光電耦合器MOC3021和雙向晶閘管BT136構成，其中R7和R8串聯構成雙向晶閘管的門極電阻，當雙向晶閘管靈敏度較高時，門極阻抗也很高，并上這兩個電阻可提高抗干擾能力。R8和C6組成浪涌吸收電路，防止浪涌電壓損壞雙向晶閘管。單片機的一個I／O口輸出照明控制信號，觸發光電耦合器MOC3021來控制雙向晶閘管BT136的通斷，這樣便能控制照明燈的開關和亮度。照明燈驅動電路如圖7所示。

2．7 串口調試模塊
本系統的串口調試模塊采用RS-232串口通信，其最遠傳輸距離是50英尺，最高傳輸速率是20 kbps。能做到雙向傳輸，全雙工通信。因為RS-232上傳輸的數字量采用負邏輯，只與地對稱，所以與單片機連接時需要加入電平轉換芯片MAX232。串口調試模塊原理圖如圖8所示。

3 系統軟件設計
本系統軟件程序使用C語言編程，采用模塊化設計思想，以主程序為核心設置了A／D轉換程序、I／O口輸出照明控制程序、串口發送程序及中斷函數4個模塊。主程序流程圖、中斷函數流程圖如圖9、圖10所示。

3．1 主程序
系統開始工作后主程序首先對系統功能初始化，啟動看門狗以防止程序以外跑飛，然后開啟下降沿中斷。接下來循環調用各個功能模塊函數，并執行喂狗程序。
3．2 A／D轉換程序
A／D轉換程序主要用于人體紅外熱釋傳感器和可見光照度傳感器檢測信號的轉換。主程序每次調用各傳感器對應的A／D轉換程序時，將其檢測信號的模擬量轉換成對應的數字量．供其它程序使用。
3．3 I／O口輸出照明控制程序
此程序模塊的功能主要在于接收兩個傳感器經A／D轉換后的數字量信號，然后由此信號依據系統設定的規則計算出照明燈在一個周期內的關斷時間，供中斷函數使用。主程序流程圖中的T即是照明燈在一個周期內的關斷時間，X即是可見光照度傳感器的檢測信號。
3．4 串口發送程序
串口發送程序把兩個傳感器的檢測信號發送到上位機，便于實際參數觀察和軟件調試。
3．5 中斷函數
中斷函數利用主程序中得到照明燈在一個中斷周期內的關斷時間T來控制照明燈的開關和亮度。

4 結論
本智能燈控系統以節能減排為背景、選用節能鹵鎢燈作為照明燈，主要針對眾多公共場所照明用電浪費嚴重的現象而設計。此系統達到了良好的照明，節能和環保效果。既消除了傳統聲控燈的擾民問題，又解決了以控制照明燈的開關和亮度來節省能源的問題。經過實驗驗證該系統體積小、工作穩定、無誤動作、自動化程度高，是一種具有較高實用價值的智能燈控制系統。