基于ATmega2560的多传感器红外遥控智能LED控制器

牛 犇，朱文章，沈汉鑫，沈亚锋，张 帆，谢立寅

(1.厦门理工学院，福建 厦门 361000；2.厦门华联电子有限公司，福建 厦门 361000)

引言

面对日益严重的全球能源短缺和环境污染问题，高效环保已经成为当今的世界的一个关键词。而作为与人类现代生活息息相关的电能，更是考虑的重中之重。据不完全统计，仅仅照明一项用电量就占到全球总用电量的20%左右。在这么巨大的数字面前，推出更加节能环保的照明技术绝对的势在必行。

与控制理论的三个发展阶段相类似，照明理论也经历了三个发展阶段[1]。LED照明技术的产生，因其较高的光效，超长的寿命，环保、快捷等优势，迅速崛起并走入千家万户。近期，美国科锐公司(Nasdaq:CREE)宣布白光功率型LED实验室光效已达到303lm/W[2]。有研究表明，对于同样功率的系统而言，由多个低功率的LED组成的分布式结构优于由少量高功率LED组成的集中式结构[3]。

本文在利用上述LED的各项优点的同时，设计了一款红外遥控的智能LED控制器，该控制器集成多种传感器，在通过PWM技术进行普通手动调光调色温的同时，还能通过其集成的多种传感器实现对光源的自动调节功能，更好的完善了LED光源在照明领域的环保节能作用。

2 系统控制方案设计

总体设计思路如下：

可以利用红外遥控或墙面开关对LED灯进行调光调色温的控制(三路PWM有条件也可对RGB颜色进行控制[4])；可通过遥控手动开启或关闭传感器，开启传感器后，人体红外热释电传感器可以在适当的时间段内(时间段可通过程序调节)，实现人来灯亮，人走灯灭的控制效果；光敏传感器可每隔一段时间(时间段可通过程序调节)检测一次外界光照强度，并将信号反馈回单片机，经单片机处理后，即可根据外界不同环境光照对LED灯光亮度进行调节；温湿度传感器可检测当前环境的温湿度，并反映到显示屏上，光源色温可设定为根据外界温度进行调节(可选功能)，同时，当外界环境温湿度超过预设定正常温湿度范围后，外置蜂鸣器会发出报警音，对用户起到一定提醒警示作用。

该控制器的系统结构框图如图1所示，系统结构主要由三部分组成：传感器部分(包括显示部分)，控制部分，驱动电路和光源部分。

图1 系统硬件结构框图Fig.1 The system hardware structure diagram

3 系统硬件设计

3.1 传感器部分

3.1.1 人体红外传感器

本设计采用HC-SR501人体红外感应模块，此模块采用德国进口的LHI778头对红外信号进行采集，并通过红外热释电处理芯片BISS0001对信号进行处理，并输出高低电平。模块电路原理图如图2所示。

在处理本案的时候出现了两种不同观点：第一种观点依据的是裁判官法的原则，保罗将其表述为两点：1.指任人为自己辩护而提出的论点是：放贷的媒介行并不属于指任的范围，因此他不会为此承担责任；2.在批评生活资料供应官作出判决的理由之时，此等媒介活动似为担保之一类，故此，只要他未曾向奴隶作过这方面的委托，一般不授予针对指任人的总管之诉。显然，在这类论点看来，指任具有的意志论因素具有根本性的排他地位。

图2 HC-SR501原理图Fig.2 The schematic diagram of HC-SR501

模块参数特点如下：

工作直流电压4.5～20V;静态电流为50μA；输出高电平3.3V,低电平0V;通过跳冒切换可选择L(不可重复触发)和H(可重复触发)两种触发方式；5～200s可调延时时间范围；零点几秒到几十秒可调封锁时间范围；感应角度小于100度锥角；-15℃～+70℃工作温度范围；检测距离3～7米可调；板型尺寸为32mm×24mm。

可选功能如下：

a.可设置光敏电阻测光功能，出厂时未设置，但留有光敏电阻位置(CDS)，需要时可自行焊接光敏电阻，随之可实现光照强度适当时，传感器开启功能。

b.可设置温度补偿，出厂时未设置，但留有传感器位置(RT)，需要时自行焊接即可。温度补偿功能开启后，在外界环境温度为30℃～32℃时，探测距离稍微变短，可起到一定性能补偿作用。

工作原理如下：

自然界中，一切高于绝对温度(-273℃)都会释放红外光谱，不同温度的物体释放的红外波长不同，人体是恒温动物，通常发出波长10um左右的红外线[5]，此模块通过菲涅尔透镜和红外探头将一定波长的红外线采集到热释电处理芯片上，经过一定的算法处理，输出高/低电平，供给外部单片机等处理器再处理。

此感应模块通电后需要一分钟左右的预热时间，在此过程中会间隔输出0～3次左右的信号，之后进入待机状态。L和H两种工作模式，可通过跳冒选择，产品化时，在选择好一种固定模式后，可以通过将其中一端的铜皮割断，另一端短路即可。模块默认最大探测距离是7m，有些模块出场时没有焊接电位器，如果要调节距离，自行焊接电位器即可。感应封锁时间默认为2.5s，可自行设置合适的时间使“感应输出时间”和“封锁时间”合理搭配进行，这样可以起到很好的抗干扰作用。

3.1.2 温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包含一个电阻性感湿原件，一个NTC测温元件和一个高性能8位单片机，且每个模块都会在精确的温湿度校验室中进行精确的校验，标准数据以程序的形式存储在OTP内存中，方便检测信号处理过程中的调用，具有抗干扰能力强，响应快，体积小，功耗低等优点，在拥有较高的性价比的基础上，能保证极高的可靠性和长期的工作稳定性。单线制串行接口，方便集成，传输距离可达20m以上，适应很多苛刻环境。

模块参数特点如下：

工作电压3～5.5V；工作电流0.5～2.5mA；待机电流100～150μA;采样周期1s;测量分辨率8bit；元件封装尺寸：12mm×15.5mm×5.5mm(不含针脚)；针脚长8mm。

DHT11应用电路设计如图3所示，在信号传输距离小于20m时需接5K上拉电阻，信号传输距离大于20m时，根据实际情况选用合适的上拉电阻。

图3 温湿度传感器应用电路Fig.3 The application circuit design of temperature and humidity sensor

3.1.3 光敏传感器

光敏传感器采用KY-018光敏电阻模块，此模块灵敏度高，响应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点，能够在高温，潮湿条件下保持较高的稳定性，能广泛应用于多种自动开关控制领域。其应用电路设计如图4所示。

图4 光敏电阻传感器应用电路Fig.4 The application circuit design of photosensitive sensor

3.1.4 显示部分

显示部分考虑到显示内容多少及成本问题，此处选用LCTD1602工业字符型液晶显示器，此显示器能够同时显示16×2即32个字符，可以满足本设计的显示要求。其电路设计如图5所示。

3.2 主控制电路设计

芯片采用Atmel公司的ATmega2560 8位单片机。此单片机具有56路数字I/O接口，其中14路PWM接口，16路模拟输入接口，4路UART接口，6路外部中断，4路串口通信，4路SPI通信接口，支持I2C通信，串口通信，SPI通信，有3.3V和5V两种电源接口，适用于大量IO接口设计和PWM需求。

选择此款芯片，主要考虑其方便的PWM功能及其A/D转换功能，以及ATmega2560系列芯片程序设计的简化，PWM信号可直接与外部设备相连，使得所设计的外围电路得到大大简化，程序设计方便，成本得到降低。其主控电路设计如图6所示。

图5 LCD1602应用电路Fig.5 The application circuit design of LCD1602

图6 系统控制电路及驱动Fig.6 The design of system control circuit and driver circuit

4 软件设计

本程序采用了模块化的设计思想，主程序分为两个模块的子程序，在两个子程序中又分为几个模块，使不同的功能在遵循子程序的基础上分模块得以实现，大大简化了程序的设计。程序流程图设计如图7所示。

其中，为避免干扰，光照传感器若开启，则在开始后每隔一个小时汇总一次数据，即开始后的每小时开头，每隔200ms采集一次数据，共采集十次数据，取平均值，作为此小时段内的调光基准[6]；温湿度传感器若开启，则每隔一小时采集一次数据，这里，热体红外传感器采用不可重复触发模式。

图7 程序流程图Fig.7 The program flow chart

5 结论

经试验验证，本系统的能较为稳定的完成预期的功能，三路PWM能稳定的输出18MA直流电对指定的光源进行调节，在LED的绿色节能基础上，进一步提高了对LED灯的能源利用率，在解决家庭照明的基础，集成了一些智能化功能，在节能省电的基础上，进一步方便了居家日常生活。

该系统结构简单，操作方便，工作稳定性高，可广泛应用于居家照明，公共场所照明等日常照明，能够在环保节能的基础上，达到一定程度上的智能化效果。

[1] 方景， 邴赫亮， 肖辉.照明控制技术的进展[J].照明工程学报，2014,25(2):10-14.

[2] 当LED光源的光效达到303lm/W我们能做些什么[OL]. http: //www.qianjia.com/html/ 2014-05/04_229657.html ,2014.

[3] WU Chen，HUI SYR. A dimmable light-emitting diode (LED) driver with map-amp post-regulators for multi string applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26 (6):1714-1722.

[4] 吴玉香，尚俊，罗婉霞，等.一种LED智能控制模块的设计[J].照明工程学报，2014,25(2)：27-31.

[5] 贾冬颖，王巍.基于STC单片机LED智能照明系统的设计[J]. 照明工程学报，2010,21(2):71-74.

[6] 赵祖明，李歧强，王荣丽.无线传感网络与模糊控制在照明系统中的应用[J].照明工程学报，2014,25(2):102-106.