基于多探測傳感器的智能燈控系統(tǒng)

摘要：針對目前高校等公共場所照明用電浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，設(shè)計了一個智能燈控制系統(tǒng)。以AT89S52單片機(jī)作為主控，利用光強(qiáng)檢測模塊、聲強(qiáng)檢測模塊、步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器模塊構(gòu)成了多方式探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新性地利用多傳感器互補(bǔ)探測，輔以步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)熱釋電紅外傳感器的動態(tài)檢測。經(jīng)電路調(diào)試，證明該方案可行，具有較高的實(shí)用價值。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；光強(qiáng)檢測；聲強(qiáng)檢測；步進(jìn)電機(jī)；熱釋電紅外傳感器

    隨著各類大、中專院校的擴(kuò)招，教室擴(kuò)建、照明設(shè)備需要急劇增加，而由于管理的不到位以及照明系統(tǒng)本身的局限性，往往造成電能的巨大浪費(fèi)。傳統(tǒng)的燈控系統(tǒng)一般是基于聲或光控制，存在檢測方式單一、不夠靈敏、精度不高、范圍低等缺陷，經(jīng)常會有電能的浪費(fèi)。因而，設(shè)計一個智能燈控系統(tǒng)很有必要。
    依據(jù)節(jié)能、環(huán)保的要求，設(shè)計出基于多探測傳感器的智能燈控系統(tǒng)，可以大大提高燈控系統(tǒng)的可靠性、探測能力，特別適用于高校教室、樓道等公共場合，實(shí)現(xiàn)燈控的智能化，從而節(jié)約電能、環(huán)保，方便管理，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理
1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)主要以單片機(jī)總控制為核心，由微弱聲音放大檢測、可見光檢測、步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器、A／D轉(zhuǎn)換、液晶顯示等模塊以及控制電路組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．2 工作原理
    本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為核心，采用光照檢測、聲控以及步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外等傳感器進(jìn)行環(huán)境探測。系統(tǒng)首先啟動可見光模塊，通過光一流一壓轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并通過液晶顯示。若是電壓較小，說明了亮度不夠，則繼續(xù)檢測聲音。若是聲音較大，則在短時間內(nèi)調(diào)用步進(jìn)電機(jī)模塊，檢測是否有人；否則，每隔15 min定時檢測。因?yàn)樵趯?shí)際過程中，設(shè)置聲光的閾值都缺乏直觀性，所以使用液晶電壓顯示進(jìn)行判斷。光、聲的閾值可以根據(jù)不同地方的實(shí)際情況通過軟件進(jìn)行調(diào)整。

2 硬件設(shè)計
2．1 微弱聲音放大檢測模塊
    從麥克風(fēng)接收到信號后由三極管9013初次放大，然后由集成放大器LM324的兩級放大，得到交流電壓。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換時需要直流電壓值，所以再通過萬用表交直流轉(zhuǎn)換電路，選用整流芯片AD736，使用單電壓供電低阻抗電路。

    當(dāng)被測交流電壓超過200 mV時，必須在AD736前加一級分壓器。經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換的電路之后，V0輸出相對比較微弱，所以經(jīng)過LM324進(jìn)行放大，最后的輸出能夠達(dá)到理想值。該模塊如圖2所示。
2．2 可見光檢測模塊
    可見光檢測模塊采用LX1970作為核心芯片。LX1970是美國微型半導(dǎo)體(Microsemi)公司推出的一種能實(shí)現(xiàn)人眼仿真的集成化可見光亮度傳感器。該模塊采用測量白光亮度電路(如圖3)。利用src端輸出光-流轉(zhuǎn)換的結(jié)果，然后實(shí)現(xiàn)流壓轉(zhuǎn)換。該芯片性能穩(wěn)定，靈敏度極高。

2．3 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器
    熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?。本設(shè)計所采用的是PIR熱釋電傳感器，安裝有菲涅爾透鏡，感應(yīng)距離7 m，感應(yīng)角度110°。具有全自動感應(yīng)、光敏控制、兩種觸發(fā)方式(不可重復(fù)觸發(fā)方式，可重復(fù)觸發(fā)方式)、靈敏度高、微功耗等特點(diǎn)。當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍，則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍，則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。但是該熱釋電紅外傳感器只能檢測到動態(tài)，所以對于長時間處于相對靜態(tài)的存在無法檢測的缺陷。熱釋電紅外傳感器前置放大電路如圖4所示。

    為此，采用了步進(jìn)電機(jī)模塊。設(shè)計中，將熱釋電紅外和步進(jìn)電機(jī)固定一起。單片機(jī)P1．0～P1．3口分別經(jīng)過74LS14雙上升沿D觸發(fā)器電平轉(zhuǎn)換后，通過芯片ULN2003驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)(電路設(shè)計如圖5)，從而可以旋轉(zhuǎn)熱釋電紅外傳感器，檢測到靜態(tài)。

2．4 其他硬件模塊
    系統(tǒng)電源模塊：硬件電路中多次利用+5 V、-5 V電壓，為供電方便，使用芯片ICL7660，將+5 V電壓改變?yōu)?5 V電壓。
    液晶顯示模塊：采用1602字符型液晶顯示屏，將單片機(jī)輸出的光、聲電壓值顯示在屏上，便于設(shè)定光、聲的閾值。數(shù)據(jù)端和單片機(jī)P0口相連。控制端RS、R／W、E分別與P2．4、P2．5、P2．6口相連。
    模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：本模塊選用Philips公司的PCF8591芯片作為核心元件，它是一種具有I2C總線接口的8位A／D、D／A轉(zhuǎn)換芯片，在與CPU的信息傳輸過程中僅靠時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實(shí)現(xiàn)。PCF8591為單一電源供電(2．5～6V)典型值為5 V，CMOS工藝。該芯片有4路8位A／D輸入，屬逐次比較型，內(nèi)含采樣保持電路；1路8位D／A輸出，內(nèi)含有DACPCF8591的A／D轉(zhuǎn)換為逐次比較型，在A／D轉(zhuǎn)換周期中借用DAC及高增益比較器。

3 軟件設(shè)計
    當(dāng)有光(自然光)時，不管教室是否有人和聲響，都將關(guān)閉電源，所有燈具不會點(diǎn)亮。當(dāng)無光(自然光)時，若有人或者附近有異常聲響時，則在短時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，使用紅外熱釋電模塊檢測是否有人：若無聲音，則不開啟(動態(tài)檢測)。經(jīng)過可調(diào)整的時間后定時旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行檢測(靜態(tài)檢測)。流程圖如圖6、7所示。

4 結(jié)束語
    本課題主要是針對高校教學(xué)樓照明管理中電能浪費(fèi)的現(xiàn)象，設(shè)計了基于模擬人眼視覺可見光傳感、聲傳感及熱釋電紅外(靜、動態(tài)雙模式)傳感實(shí)現(xiàn)綜合檢測與燈控功能。從而大大提高燈控系統(tǒng)的可靠性和探測能力。整個燈控系統(tǒng)是由一個主控中心、多個分控中心和更多單元節(jié)點(diǎn)組成的多層網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)特別適用于學(xué)校教室、樓道和其他公共場所。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)安裝方便、工作穩(wěn)定、可靠性高，是一種較高實(shí)用價值的智能燈控制系統(tǒng)。
    此外，本課題在研究具體的節(jié)點(diǎn)設(shè)計以外，通過設(shè)計其網(wǎng)絡(luò)特性，可與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展融合，具有良好的擴(kuò)展性。