基于单片机和HC-SR501的智能家居照明系统设计

江美枝

（武昌职业学院，湖北 武汉 430200）

0 引言

电能在生活中无处不在，小到电子产品，大到日常生活、生产、娱乐等，电能在被广泛应用的同时，存在着巨大浪费。智能家居室内照明存在的主要浪费行为有光线充足时仍开灯、人走不随手关灯等现象。此时，开发一个智能化、人性化照明系统，在进行人性化控制的同时，也能减少能源的浪费。利用低成本的STC89C52单片机、低功耗高亮度的LED灯、热释电人体感应模块、按键模块、红外遥控模块等，对智能照明系统的软硬件进行设计，从而减少能源浪费。

1 系统设计

1.1 设计内容

智能照明系统主要是通过热释电人体红外感应模块来确认检测范围内是否有人。如果有人，光敏电阻开始检测光线强度，当光线弱时，通过PWM 技术来调节照明灯亮度，在节省能源的同时，不会造成光污染，可避免在强光照或没人时照明灯一直开启。若不想自动调节灯亮度，可切换到手动调节模式进行调节。这样既能满足人们的实际生活需要，也符合能源节约的要求。

1.2 系统整体框架

STC89C52 单片机作为主芯片，主要负责整个系统运行。系统整体框架如图1 所示。在STC89C52芯片接收到热释电红外感应模块和光敏检测模块信号后，会对该信息进行处理，控制信号输出，从而使指示灯和光电控制电路作出相应反应，而按键/无线控制部分可实现系统的手动/自动模式切换及亮度调节功能。

图1 系统整体框架

2 硬件电路设计

2.1 硬件设计

根据系统功能需求，设计出基于单片机STC89C5 2 的硬件电路。该系统的硬件部分主要由STC89C52组成的最小系统、光敏检测的模数转换、按键模块及红外一体接收模块、热释电传感器模块等组成。其中，热释电传感器用来检测是否有人存在，如果有人且光线不充足时，系统会发出点亮灯的信号。光敏电阻检测光线信号，经ADC0832完成模数转换后输入到主芯片中进行处理，从而控制照明灯亮度，系统可根据室内光照强度来智能控制照明，并实现人来自动开灯、人走自动关灯［1-2］，同时可通过按键和红外遥控模块来切换手动或自动模式，并调节照明灯亮度。

2.2 HC-SR501热释电人体感应模块

该系统在设计时用到人体感应模块。HCSR501 模块是自动红外控制装置，使用LHI778 探头来完成设计，如图2 所示，其工作灵敏、可靠，可在略微低压模式下进行工作。该装置已应用于多种自动化电器中。

图2 热释电人体感应

2.2.1 红外光谱。自然界中有温度的物体都会辐射出红外光，但不同物体辐射出的红外波长有所差异。人体辐射出的红外波长在10 000 nm左右，根据该特性可设计出一种探测仪器（如HC-SR501模块），只能检测10 000 nm左右的波长，且不受其他光波的影响，可用来检测人体活动信息。HC-SR501模块的检测范围在7 m 内，是根据热释电原理制作的，即通过温度变化导致电荷发生变化的原理来检测人体活动。

2.2.2 红外线传感器。传统热释电传感器一般使用一元传感器，但其很容易受到其他不必要杂光、温度等因素的影响，在实际应用中的效果不好。所以，本研究采用双元传感器（具有高灵敏度）。传感器探测元由高热电材料制成，探测器结构如图3所示。在每个探测器内装有2 个反极性串联的探测元件，以抑制高温产生的干扰［3］。同时输入红外线会被抵消掉，无信号输出，从而降低外部杂光、环境温度变化和外部震动产生的影响。

图3 探测器结构

由于内置红外线传感器的输入阻抗高，易产生噪声。因此，可使用金属封装外壳，并进行接地，从而实现传感器的电磁屏蔽，最终实现降噪去杂的目的。为避免受到其他不必要光线的影响，一般情况下，可在传感器表面添加滤光片。由于人体移动缓慢，需要高效率、高聚焦能力的配件，才能满足实际应用需求，因此使用菲涅耳透镜等配件。

2.2.3 红外感应模块。热释电人体红外感应模块的内部电路结构如图4 所示。该模块由输出电路、光控电路、比较器、带通放大器、热释电传感器、菲涅尔透镜等组成，具有体积小、使用方便、可靠、探测角度大等优点。

图4 内部电路结构

2.3 光敏检测模块

2.3.1 光敏电阻。使用光敏电阻对室内开关灯条件进行检测，该控制系统能实现对室内照明的智能控制［4］。光敏电阻工作原理是基于内光电效应的，通常也被称为光导管，随着光线作用时间增长，其阻值会变小。为增加灵敏度，将2 个电极做成梳状。在制作光敏电阻时，通常使用硫化镉、硒等材料。这些材料在一定波长的光线照射下，电阻值会迅速降低，即在光照条件下，其内部产生载流子，载流子在外电场的作用下会发生漂移，电子运动到电源正极，空穴运动到电源负极。当光照消失后，产生的载流子电子和空穴复合为原来的电子-空穴对状态，从而使光敏电阻的阻值上升，恢复到原来的阻值大小［5］。光敏电阻不分极性，仅仅作为电阻器，在使用时既可加直流电，也可加交流电。

一个光敏电阻串联一个分压电阻，并连接到电源端，光敏电阻分得的电压输入到ADC0832 芯片进行模数转换后，再送到主芯片STC89C52 进行处理，并输出控制信号，如图5 所示。在不同亮度环境下，光敏电阻的阻值不一样，导致分得的电压也不一样。利用该原理来控制照明灯亮度，从而实现智能化照明。

图5 光敏电路

2.3.2 PWM 技术。该智能照明系统主要通过LED 驱动器的PWM 技术来控制占空比，从而调节电压大小，实现对LED 亮暗程度的控制［6-7］。由于PWM 技术具有颜色一致性好、亮度级别高、调光范围大、线性度好、LED 驱动器转换率高等优点，从而被广泛用于调光。LED 发光的光通量会随流过的电流增加而增加，利用PWM技术调整流过LED的正向电流占空比来实现对LED 灯亮度的调节。PWM 的输出占空比波形如图6 所示，T为脉冲周期，ton为脉冲宽度（高电平），即占空比为ton/T，通过控制输出来实现对亮度的分级调节。脉宽调制是通过控制输出信号中每周期内输出高电平的比例，即控制LED的导通时间，从而实现分级亮度调节的［8］。系统将灯的亮度分为10 个等级，从而控制灯亮度的调节，每个等级相差10%的占空比。

图6 PWM输出占空比波形

2.4 红外遥控

红外遥控发射电路是利用红外发光二极管来实现的，该电路发出经过调制的红外波，红外接收电路（主要由二极管、三极管或硅光电池组成）将接收到的光信号转换为电信号，并进行放大处理。发送和接收的红外光为不可见光，对环境产生的影响小，且这种光比无线电波的波长更短，在使用时不会影响到其他家用电器或无线设备的正常使用。

红外遥控模块具有电路简单、使用方便、成本低等优点，可通过程序直接识别出相应按键，从而控制实现照明灯模式的切换和灯亮度的调节。

3 软件设计

主程序流程如图7 所示。开始后对系统进行初始化操作，先判断系统的工作模式（自动或手动），若为自动模式，判断是否有人，有人就读取AD值，利用PWM 技术来调节灯光，没人就回到初始化状态。若为手动模式，扫描按键的状态（按下与否）或判断接收到遥控的信号，从而调节灯的亮度。在整个软件设计中，系统使用2 个定时器，分别为定时器0 的方式1 和定时器1 的方式2。定时器0 只用作串口通信，用于接收、存储红外遥控传输的数据。定时器1 在外部中断时使用，根据检查到的光线强度来调节灯的亮度。

图7 主程序流程

4 系统测试与分析

对该系统进行硬件连接测试，在所处环境的检测范围内，当处于自动模式时，判断检测范围内是否有人，当检测到有人时，将数据传送给单片机，读取外界光照强度，通过PWM技术来调节灯的亮度。当处于手动模式时，可通过红外遥控手动按键进行处理。

5 结语

经过功能调试，在自动模式下，该系统能实时检测出是否有人存在，并完成灯亮度的自动调节和手动调节，当没人时，可自动关灯。该系统可实现照明系统的自动化管理，功能调试效果良好，能达到预期设计的目标。该系统操作简单，能稳定进行亮度的自动调节，具有较好的实用性。