基于单片机的灯光节能控制系统设计

马锦涛 唐亮 仵祎平

摘要：为了解决生活中灯光的能源损耗问题，该文研究设计一种基于单片机的智能光控系统，通过单片机结合LED照明技术、红外感应技术、光感技术等实现对照明设备的智能控制，实现对LED灯的自动开关、自动调节亮度等功能，且有自动和手动两种模式。系统结构简单、成本低、体积小、操作方便，具有一定的实际应用价值。

关键词：单片机;传感器;节能;照明控制

中图分类号：G642.0   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）22-0095-03

1 引言

随着社会经济和科学技术的发展，人类社会的进步越来越依赖于资源的开发与利用，然而与日俱增的能源需求和有限的资源数量形成了巨大的矛盾。在寻找替代品、提高能源利用率和节约能源等几种缓解能源危机的途径中，节能无疑是符合可持续发展的要求。在现实生活和工作中，很多場合都需要检测光照强度，以及根据光照强度的值，采取与之对应的控制措施[1]。

随着计算机网络技术、通信技术、人工智能、大数据、物联网等技术的发展，智能建筑的发展也越来越迅猛，基于此本文设计一个基于单片机的智能灯光控制系统，通过单片机对照明系统进行控制，利用传感器对环境的亮度进行检测，同时检测当前环境中是否有人存在，根据当前环境内的情况来决定是否打开照明系统，做到了真正的“低碳生活”，并且所设计的照明系统有多种模式可以自由切换，可以营造出使用者所需要的不同灯光氛围。

2 设计思路

科学技术及产业化水平是衡量一个国家科技创新、人工智能基础技术的重要标志之一，也是全球范围内前沿高技术研究最活跃的领域之一。灯光控制运行中所用光电技术、网络通信技术及微电子技术得到了迅速发展，其主要表现在传统灯光控制被智能灯光控制所替代，智能灯光控制中所用先进技术为灯光控制的高效运行提供了有利条件，因此，智能灯光控制技术已经成为楼宇自动化系统的发展趋势[2]。

本设计利用计算机技术并辅助以其他手段，对电力照明实行智能控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其他使用费用[3]。智能照明控制系统与手动照明控制系统相比有很多优点，包括创造环境气氛、改善工作环境、提高工作效率、良好的节能效果、延长光源寿命、管理维护方便等。

本系统是以单片机为控制器的核心，主要由光照检测电路、红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成。工作时，光照检测电路和红外线传感器采集光照强弱、判断室内是否有人等信息送到单片机，单片机根据这些信息通过控制电路对LED照明设备进行开关操作，从而实现照明控制，以达到节能的目的。系统的硬件设计框图如图1所示。

3 主要硬件电路的设计

本设计主要硬件结构包括单片机、电源电路、复位电路、晶振电路、红外检测模块、光敏检测模块、按键模块、显示模块和LED驱动模块。系统以单片机为控制核心，利用红外传感器检测灯下是否有人员存在，利用光敏传感器检测室内环境的亮度，以判决是否需要开灯照明。另外，利用PWM占空比调压技术控制LED驱动模块，以调节LED灯的亮度[4]。系统总体设计结构框图如图2所示。

3.1 控制器

系统核心控制器选择STC89C52单片机，它是一种低功耗、高性能的8位微控制器，在芯片上拥有8K字节的FLASH、256RAM、32个外部双向输入/输出（I/O） 端口，该类芯片内部资源丰富，片内集成的两路10位AD转换器可连接光敏检测信号和红外检测信号，以检测室内亮度和判决灯下是否有人存在。片内可编程计数器模块可用来产生并输出占空比可调的PWM波，以控制驱动LED灯的亮度。

3.2 电源电路

单片机的电源采用直流5V供电，电源模块包括一个3脚的电源座子和6脚的电源开关。电源座子用于连接外部的电源插头，电源开关用于控制整个单片机的电路开和关。电源座子的2口引脚接地，3口引脚仅仅起到固定的作用，没有特殊的用处，1口引脚连接到电源开关的3口引脚，电源开关的1、3口引脚和4、6口引脚的作用相同，用于电源的正极输出。电源开关的2、5口引脚作为单片机的接地引脚，在使用时采取相对的选择，即选择1、3口引脚作为输出，那么就要选择5口引脚作为接地引脚，选择4、6引脚作为输出端口，2口引脚则作为接地引脚。本次单片机的传感器的电压都在5V内，所以5V的电压足够满足。若有12V或者其他电压的传感器，则可以采取升压模块将5V提升到更高的电压，进行供电。本次设计的电源电路如图3所示。

3.3 晶振电路

晶振，又叫晶体振荡器，它起的作用是为单片机系统提供基准时钟信号，单片机内部所有的工作都是以这个时钟信号为步调基准来进行工作的。本系统的晶振电路主要由一个11.0592MHz的晶振和两个22 pF 的电容组成，晶振的主要作用是起振，分别接在单片机STC89C52 的18 和19引脚上，两个电容在电路中主要起到稳定频率和快速起振的作用。电容值在10—30pF，典型值是22pF。 系统晶振电路图如图4所示。

3.4 复位电路

单片机无论在刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。单片机的复位条件：必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上） 机器周期的高电平。单片机的复位形式有上电复位、按键复位和程序自动复位，本系统选用上电复位。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，复位电路由一个10K电阻和一个10uF的电解电容组成的。单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10～30uF。单片机复位电路如图5所示。

3.5 光敏检测模块

为了对外部光照强度的测量，光敏检测模块的核心是光敏电阻，如图6所示光敏电阻，此光敏电阻是负参数的光敏电阻，也就是光照增强后电阻阻值减小，通过实验测量得到光敏电阻的阻值变化范围在几百[Ω]到几兆[Ω]之间变化，当光照强度很大时，光敏电阻的阻值可达几百[Ω]，当在黑暗的环境中时，测量光敏电阻两端的阻值，可达几兆[Ω]的电阻。将光敏电阻与适当的横向偏置电阻串联，两端加上适当参考电压，随着光照强度的变化，光敏电阻的阻值会随之线性改变，电阻分压压值也会发生变化，配合相应的运放即可调制输出供控制器采集的光敏信号。为了实现与光敏电阻的阻值相匹配的电阻，本系统采用10K的电阻进行上拉电阻。

3.6 红外检测模块

物体均会辐射红外线，随着物体温度的升高，其辐射的红外强度也越强。人体体温在37℃左右，一般相对周围的桌椅等物品温度均偏高，会辐射出波长10μm红外线，可利用人体辐射的红外线强度判断灯下是否有人存在。红外线检测模块的核心部件是热释电元件，当有人处于灯下时，红外感应器会产生一个高电平脉冲，当人离开后，红外传感器处于低电平状态，可根据高低电平状态判断是否有人在灯下。

3.7 显示模块

显示模块中通常采用LCD 或LED 显示屏。本系统选用LCD1602液晶显示屏作为显示设备，LCD1602液晶显示屏是一款工业字符型液晶，可以显示两行数据，每行可以显示十六个符号、字母或者数字，刚好可以满足设计的需要，体积小巧，功耗较低，显示效果良好，是一款非常實用的液晶显示设备，而且亮度、功耗和显示速度比LED 更好。

LCD1602工作在3.5～5V的工作电压下，它内部设计有复位电路，可以进行光标移动、清屏的操作。显示的亮度可以通过外部连接的电位计进行调节。内部带有存储器可以储存数据。它可以直接与单片机相连接，通过单片机程序来控制液晶的显示。

3.8 PWM调光电路设计

控制器通过调节PWM占空比，进行调压控制LED灯的亮度，LED灯驱动器的功率取决于所控制的LED等大小， PWM是以不断开断的脉冲控制灯的亮度，人眼识别灯光闪烁的频率是10OHz ，为了防止人眼感觉灯光闪烁，PWM频率选择1000Hz ， 所选LED驱动器必须具有相应速度的开关能力， 同时要与所控制的LED 灯功率相匹配。

3.9 按键模块

按键电路采用独立按键通过程序进行控制，通过按键进行电路的控制检测是自动控制还是手动控制，然后另有两个按键是控制检测的开或是关的。当用户按下按键后会输出低电平给单片机，松开后输出高电平这样就知道按键是否被按下，通过程序写入按键扫描函数就执行所需要实现的功能。

4 系统软件设计

软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对传感器信号处理电路的输出信号进行处理。在光照较强时，系统继续对光照检测电路的输出状态进行检测。光照较弱时，系统对信号处理电路的输出状态Vo进行检测。软件设计的优劣决定了系统的可靠性、稳定性、功能是否齐全以及人性化的设计。同时，系统性能的调试，需要进行软件的反复修改和验证，是系统的主要工作量之一。本系统采用C语言进行编程，利用C语言程序模块化设计的优点进行程序设计。程序块主要包括光敏检测、红外检测、PWM调光、手动模式等程序子程序，采用过程流水控制方式，系统主程序流程图如图7所示。

具体过程为：当电源接通后，开始初始化，程序调用键盘，扫描程序。判断有无热键按下，如果有，则为人手工控制;如果没有，则根据外界条件控制。当有人时，如果光线很强，系统认为是白天，或者不需要开灯。当光线弱时，系统判断是晚上，则控制灯亮。当没有人时，系统判断室内无人，则使输出电路控制灯不会亮。

5 系统调试

5.1 硬件调试

按照电路图将元件准备好之后，第一步要检查准备的元件是否有问题，对各元件按其各自的检测方法分别进行仔细认真的检测。然后，按电路图的位置把所有元件按照正确的顺序依次放置连接。一定要保证电路元器件完好以及所有元器件放置正确合理之后，才能开始对电路焊接。把硬件设计从布线到焊接完成之后，可以开始硬件的调试。

5.2 软件调试

软件调试是通过 keil 、连接以及执行用户程序来找寻程序中存在的语法错误和逻辑错误 ，然后加以排除纠正的一个过程。程序运行后，编辑查看程序是否存在逻辑错误。本系统的软件程序完全用 C语言编写。调试过程中采用的是自上至下的调试方法 分别调试好每一个模块 ，最后再连接成一个完整的系统调试。

具体的调试过程为：先由单片机最小系统向外搭建外围电路组成的模型电路，将编写好的程序烧写进单片机运行，通过观察外围电路和使用万用表检测相对应的参数对程序和模型电路进行检测，对软件和硬件正确性和实用性进行验证。实物如图8所示。

6 结束语

本设计完成了基于单片机和传感器的智能光控系统，结构简单，成本低，可实现自动开关同时也设置了手动控制。选取了具有代表性的建筑灯光控制系统作为研究对象，对智能灯光控制系统设计及技术体系存在的问题展开循序渐进的整合和分析。利用传感器判断当前环境下是否有人，同时判断光强，满足一定条件会自行开启适度的照明。也可自行控制改变到自己所需要的光照强度，也可以防止特殊的情况出现不可控的现象。该系统可以大幅度减少能源损耗，营造更佳的照明环境，同时也延长了灯具寿命，系统采用缓开启及淡入淡出的调光控制，避免了对灯具的冷态冲击。同时可以实现不同光照强度控制一些用电设备的启动和关闭，真正做到一定的“低碳生活”，降低能源损耗。

参考文献：

[1] 蔡卫华，薛浩中.市政工程中路灯节能控制系统设计[J].低碳世界，2019，9（10）：304-305.

[2] 韩彦明.城市夜景照明灯光污染智能控制技术研究[J].环境科学与管理，2018，43（5）：75-78.

[3] 乔雅.基于PI控制的智能灯光控制系统设计及实现[J].电子设计工程，2020，28（1）：123-128.

[4] 李书婷，韩国富，吴小林，等.基于STC89C52单片机的教室灯控制系统设计与实现[J].自动化与仪器仪表，2017（1）：52-54.

【通联编辑：朱宝贵】