基于STC15 单片机智能台灯控制系统设计

李昆仑，周峰，徐鹏程，刘兵

（湖南应用技术学院机电工程学院，湖南常德，415101）

时至21 世纪，智能终端颠覆传统，智能家居走进千千万万个家庭，服务人们的日常。智能照明系统是智能家居里重要一环，不仅为用户提供舒适自然的照明，也最大限度地避免能源浪费，同时对不同照明场景、不同照明需求有不同照明方案可供使用。

照明系统发展至今，照明元件的耐用性不再是评判该系统优劣唯一指标，其系统控制性能也占据重要地位，如光照亮暗调节、色温冷暖调节、聚光性能、照明角度、照明范围等等。智能照明相比于传统照明，增加了智能化控制中枢，系统在运行过程中能够自动调整和控制，产品更智能化、安全性更高、适用性更强。

欧美国家的大型办公楼、普通民房等建筑物，在照明网络中都应用了智能照明系统，所占市场份额大幅领先，而我国在本领域内的市场占有率方面则稍逊一筹，主要是由于起步迟缓，产品不够成熟，控制方法不够灵活，或者成本偏高，缺少消费者等原因导致。目前国内外已有众多LED 智能控制产品，但在做工精度、技术方案、可控性能等方面还存在许多有待改善的地方，智能照明技术在中高端控制领域，如光照频谱控制以及多元化环境集成等方面还有着很大发展空间。智能照明尚处于上升发展阶段，国内外许多知名企业都对这项新锐技术表示看好，就国内来说，智能照明控制系统在道路交通、住宅居家、景观艺术、工业生产等等场合都得到了不同程度的应用。

1 系统设计概述

智能台灯控制系统框图如图1 所示，其整体结构由人体接近感应电路、光照强度采集电路、单片机电路、按键控制电路、LED 灯模块、电源电路及下载电路组成。本设计使用IAP15W4K58S4 芯片作为主控单元，实现对照明电路的自动调节与智能开关。系统主要实现以下功能：

图1 智能台灯控制系统框图

（1）模式切换。用户通过独立按键为智能台灯指定工作模式，台灯定义两种工作模式，当电路中的模式指示灯亮起时系统正处于自动模式，反之则为手动模式。

（2）手动加减亮度。手动模式需要用户通过使用按键改变台灯的亮暗情况。系统设有两个独立按键，用户通过按下相应的按键来增加、减小台灯的亮度。

（3）自动控制亮度。此模式下要求系统可以根据台灯所处环境来自动调节其本身的亮度。环境越暗台灯灯光越强，环境越亮台灯灯光越弱。

（4）自动开灯和关灯。当感应到人来并且台灯周围的环境亮度低于设定阈值时，自动打开台灯；人离开一定范围后自动延时关闭台灯，在延迟时间内若检测到人来，则取消延时关灯，保持台灯打开。

■1.1 单片机最小系统电路

IAP15W4K58S4 芯片搭载4KB 静态随机存储器，采用STC 第八代通信加密技术，抗静电、防干扰能力强，内部自带时钟电路和复位电路，无需用户手动搭建，简化单片机外围电路，降低芯片使用门槛[1]。

系统采用USB 口供电，安全便捷。程序下载由USB TO TTL 模块完成，该模块将单片机通信接口的电平逻辑和PC 机通信接口的电平逻辑相匹配，通过六角开关对单片机进行冷启动，即可完成单片机程序烧录与调试，最小系统如图2 所示。

图2 最小系统电路图

■1.2 光照强度采集电路

环境光照强度采集电路由光敏电阻、分压电阻和ADC0832 模数转换芯片组成。ADC0832 芯片具有双输入通道，可支持模拟量差分输入，最高分辨率可达256 级，完成一次A/D 转换仅需32μs，正常功耗只有15mW，且一次转换可以输出两位数据，通过比对输出结果，可以有效减少转换误差，提高转换精确度与稳定性。ADC0832 可以根据需求配置成单端输入与差分输入，输出方式采用串行输出，可以方便的与标准移位寄存器及微处理器对接。光照强度采集电路如图3 所示。

图3 光照强度采集电路

■1.3 功能按键电路

为满足功能需求，需要3 个独立按键来完成对系统控制，它们分别对应智能台灯手动模式下的亮度加与亮度减键以及模式切换键。独立按键与单片机的连接如图4 所示。

图4 按键电路

■1.4 人体红外感应电路

HC-SR501 是基于PIR(Passive Infrared Ray，热释电红外传感器)技术的感应式控制模块，采用了行业内先进的优质探头，灵敏度高低可调，控制简单，被广泛应用于楼道控制，智能家居等大量自动控制设备中[2]。本设计将采用该模块作为智能台灯的人体感应器，实现无人时自动关灯、人来时自动开灯。HC-SR501 模块与单片机的连接如图5 所示。

图5 人体红外感应电路

■1.5 指示灯及照明电路

系统有两种工作模式，用LED的亮、灭两种状态即可表示。单个LED的功率微弱，由单片机一个I/O 口即可驱动，再串接一个保护电阻，即构成了智能台灯的模式指示灯电路。

设计采用USB 灯条作为照明器件，考虑到灯条功率较大，单个I/O 口不足以驱动，为避免灯条出现灯光暗淡的情况，故在电路中加入了一个PNP 型三极管，增强了带负载能力的同时，也起到了保护单片机的作用。指示灯电路及照明电路如图6 所示。

图6 模式指示灯与照明电路

2 系统主程序流程图设计

图7 所示为智能台灯系统主程序流程框图。当程序开始后，对系统进行初始化，此后不断进行按键扫描与模式判断，使系统可以实时响应按键输入和模式切换。当系统处于自动模式时，一方面会循环读取ADC0832的转换结果，并将这个数据反馈给自动控制程序，自动控制程序再根据此数值的范围大小，来决定台灯的亮度；另一方面与人体感应模块进行通信，当感应模块检测到人体离开一定范围后，自动控制程序则控制照明电路延时关闭，若检测到人来，则自动开灯；若系统处于手动模式，则对按键模块进行循环扫描，当检测到相应的按键按下时，进行增加或减小亮度的操作。

图7 系统主程序流程

3 结语

本文提出一种安全节能智能台灯设计方案，有效地减少资源消耗，同时能够根据室内外环境的亮度差距来控制台灯的光强级别。采用PWM 脉冲宽度调制法调节亮度。用户可以使用按键来完成台灯工作模式的选择，手动模式下，需要用户使用按键来控制台灯的开关及亮度。本设计通过自动模式来最大限度地减少台灯的能源浪费，通过手动模式来增强它在日常生活中的实用性，达到了智能节电、灵活多用的目的。