基于STC单片机的智能灯控系统设计

赵 亮，鲁 云，陈晓东，武 丽，窦 源

(西南科技大学信息工程学院，绵阳621000)

0 引言

当今社会经济飞速发展，各类能源浪费问题日趋严峻，尤为显著的是，大型地下停车场、公共卫生间、楼道等场所照明用电。虽然白炽灯拥有许多优点，但是由于其能效过低，已被世界各国相继宣布淘汰。自从澳大利亚2007年率先立法淘汰白炽灯以来，中国于2011年也发布了逐步淘汰白炽灯的路线图。

随着普通白炽灯被淘汰，荧光灯、LED和节能卤钨灯成为目前照明灯具市场的三大主流。荧光灯是当前替代普通白炽灯最主要也是数量最多的照明灯，虽然和普通白炽灯相比能节约80%的电能，但其价格昂贵，体积较大，发光面积较大，不是点光源，光谱不连续，不能做到100%的显色性。同时荧光灯含有汞、荧光粉以及大量的电子元器件，废弃后给环境带来的负担是不可估量的。近年来LED的发展非常迅速，但成本相对较高，且在技术上还无法做到如黑体辐射的连续光谱，在显色性、颜色一致性方面依然无法和节能卤钨灯媲美，所以离大规模普及仍有一段距离。节能卤钨灯本质上仍是白炽灯，其结构简单、价格低廉，对环境无害，能直接工作于市电电压，瞬时启动，瞬间即可达到最大光输出，和普通的白炽灯相比能节约30%的电能，节能卤钨灯由于其近似于点光源的集中发光体，几乎黑体辐射的连续光谱、100%的显色性，3 000 K左右色温的柔和色光，无频闪，在很多对照明质量要求较高的场所，仍然有不可比拟的优越性。

考虑到以上因素，按照节能、减排、智能和实用的要求，笔者针对节能卤钨灯设计出基于STC12C5A60S2单片机的智能灯控系统，利用人体红外热释传感器和可见光照度传感器构成环境检测系统，大大提高了灯控系统的灵敏度、精确度和实用性。

1 系统总体设计

1.1 系统总体框架

该系统以单片机为控制核心，由5 V稳压电路、过零检测电路、人体红外热释传感器模块、可见光照度传感器模块、照明灯驱动电路和串口调试模块组成。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.2 系统工作原理

利用人体红外热释传感器探测人体特征，可见光照度传感器检测当前环境照度，把传感器检测信号送单片机处理，根据处理结果在单片机每次中断时控制照明灯的开关和亮度。串口调试模块作为人机交互工具，便于观察系统相关参数。

2 系统硬件设计

2.1 5 V稳压电路

本系统低压部分电源由220 V-9 V变压器引入，经过一个整流桥获得9 V直流电源，然后采用三端线性稳压芯片LM7805得到5 V直流电源。5 V稳压电路原理图如图2所示。

图2 5 V稳压电路原理图

2.2 单片机最小系统

STC12C5A60S2AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(IT)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，内部集成MAX810专用复位电路，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。其最小系统由复位电路和晶振电路组成，单片机最小系统原理图如图3所示。

图3 单片机最小系统原理图

2.3 过零检测电路

D2，D3电压取自220 V-9 V变压器次级，经全波整流形成脉动直流电压波形，由电阻分压，再经过电容滤波，形成三极管基极电压波形。当基极电压低于0.7 V时，三极管截止，反之，三极管导通。三极管集电极通过上拉电阻R4形成高电平。通过三极管的反复导通和截止，在集电极处输出100 Hz脉冲电平，供单片机下降沿中断。过零检测电路原理图如图4所示。

图4 过零检测电路

2.4 人体红外热释传感器模块

人体都有恒定的体温，一般在37°左右，所以会发射出特定波长10 μm左右的红外线。人体红外热释传感器能以非接触形式检测到人体发射的红外线，在其上安装菲涅耳透镜，可以将热释的红外信号折射(反射)在红外热释传感器上，也能将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在红外热释传感器上产生变化的热释红外信号，这样红外热释传感器就能产生变化的电信号。

该系统的人体红外热释传感器元件采用HCSR501，以BISS0001集成芯片再配以相应外接阻容元件构成传感器的信号处理电路。把BISS0001的1脚接高电平，设置本电路为可重复触发。输出延迟时间可以通过改变R11的大小来调节。人体红外热释传感器将感应到的红外辐射能量的变化转换成电信号，通过BISS0001的2脚输出。当有人在警戒区内移动时模块输出3.3 V电压，没人时模块输出低电平。实验测得该模块感应最远距离可达8 m，最大角度为110°。人体红外热释传感器模块原理图如图5所示。

图5 人体红外热释传感器模块原理图

2.5 可见光照度传感器模块

可见光照度传感器采用ON9658，它是一个光电集成传感器，典型入射波长为520 nm，可见光范围内高度敏感，内置双敏感元接收器、微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流随照度呈线性变化。温度稳定性好。

图6 可见光照度传感器模块原理图

由于该传感器输出信号是峰值随照度变化的正弦波。因此采用肖特基二极管加阻容元件构成的硬件检波电路来获取传感器输出电压的峰值，最后输出幅值为正弦波峰值的直流电压信号。可见光照度传感器模块原理图如图6所示。

2.6 照明灯驱动电路

照明灯驱动电路主要由250 V双向光电耦合器MOC3021和双向晶闸管BT136构成，其中R7和R8串联构成双向晶闸管的门极电阻，当双向晶闸管灵敏度较高时，门极阻抗也很高，并上这两个电阻可提高抗干扰能力。R8和C6组成浪涌吸收电路，防止浪涌电压损坏双向晶闸管。单片机的一个I/O口输出照明控制信号，触发光电耦合器MOC3021来控制双向晶闸管BT136的通断，这样便能控制照明灯的开关和亮度。照明灯驱动电路如图7所示。

图7 照明灯驱动电路

2.7 串口调试模块

该系统的串口调试模块采用RS-232串口通信，其最远传输距离是15.25 m，最高传输速率是20 Kbps。能做到双向传输，全双工通信。因为RS-232上传输的数字量采用负逻辑，只与地对称，所以与单片机连接时需要加入电平转换芯片MAX232。串口调试模块原理图如图8所示。

图8 串口调试模块原理图

3 系统软件设计

本系统软件程序使用C语言编程，采用模块化设计思想，以主程序为核心设置了A/D转换程序、I/O口输出照明控制程序、串口发送程序及中断函数四个模块。主程序流程图、中断函数流程图见图9、图10。

图9 主程序流程图

图10 中断函数流程图

3.1 主程序

系统开始工作后主程序首先对系统功能初始化，启动看门狗以防止程序以外跑飞，然后开启下降沿中断。接下来循环调用各个功能模块函数，并执行喂狗程序。

3.2 A/D转换程序

A/D转换程序主要用于人体红外热释传感器和可见光照度传感器检测信号的转换。主程序每次调用各传感器对应的A/D转换程序时，将其检测信号的模拟量转换成对应的数字量，供其他程序使用。

3.3 I/O口输出照明控制程序

此程序模块的功能主要在于接受两个传感器经A/D转换后的数字量信号，然后由此信号依据系统设定的规则计算出照明灯在一个周期内的关断时间，供中断函数使用。主程序流程图中的T即是照明灯在一个周期内的关断时间，X即是可见光照度传感器的检测信号。

3.4 串口发送程序

串口发送程序把两个传感器的检测信号发送到上位机，便于实际参数观察和软件调试。

3.5 中断函数

中断函数利用主程序中得到照明灯在一个中断周期内的关断时间T来控制照明灯的开关和亮度。

4 小结

本智能灯控系统以节能减排为背景、选用节能卤钨灯作为照明灯，主要针对众多公共场所照明用电浪费严重的现象而设计。此系统达到了良好的照明，节能和环保效果。既消除了传统声控灯的扰民问题，又解决了以控制照明灯的开关和亮度来节省能源的问题。经过实验验证，该系统体积小、工作稳定、无误动作、自动化程度高，是一种具有较高实用价值的智能灯控制系统。

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