室内灯光控制系统设计

　摘要

为了解决现实生活中由于光线变化而对人们视力产生损害的一系列问题，并结合了室内照明控制功能的要求。本文提出了合理的室内照明方案亮度设计合适的自动调节器，并采用具有成本效益的AT89C52微控制器选为室内照明控制的主控制芯片。为了提高设备的精度，使用了集成的多传感器模块。并制作了适合该系统的开关电路、指示灯电路和被控灯的驱动电路，并选用了性价比较高的数码显示屏。通过用C语言编写房间照明控制程序，在房间实际测试的结果表明，这种照明控制符合人眼对光线的需求。

关键词：单片机;传感器;电源电路;灯光控制

前言

随着社会发展日新月异，现代化节奏越来越快，尤其是科学技术的飞速发展为我们日常生活必需品的制造提供了技术支持。在生活的各个环境中﹐我们所使用的光源均为固定瓦数的﹐提供固定照度的电灯﹐我们的设计是灯光调节器﹐是一种智能型室内电气可自动调节光亮和开关室内照明的控制系统，使我们学习环境，工作环境区域亮度保持在人眼适宜的范围内。智能型室内电气控制系统不仅节能环保，还具有在黑暗时候根据室内有无人员自动开关灯的功能，为使用者提供很大方便，避免了黑暗中开灯的烦恼。

本项目通过对单片机技术的应用设计出了一个能够根据亮度与人数实时调整室内灯光的自动控制系统。将光敏传感器、红外传感器、继电器驱动等合理组合,实现了对灯光的智能和节能控制，达到了保护视力和方便管理的目的。

　1 电源电路的基本结构

光控室内灯电路主要是利用半导体光电器件（光敏电阻）的特性制作而成的。 它利用光线的强弱来控制灯泡开关的动作, 动作点可根据实际光线的强弱调节。运行时自动化, 避免了人工操作开关的麻烦, 能有效地节约电能。

　1.1电源电路设计

电源电路的设计如图1所示。

　　图1 电源电路设计

原理说明:接通电源,220V交流电经降压、整流、滤波﹑稳压后,为控制电路提供稳定的+15V直流电压。

材料选择及运用如表1所示。

表1主要材料表

　1.2光控电路的基本结构

控制电路设计如图2所示

调节RP1、RP2都可调节灯在合适的光线下点亮和关闭，灵活性好，自动控制性能强。核心元件RX为光敏电阻器，在外界照明度强时光敏电阻呈低电阻，+15V通过RX、RP1分压，使UI较大，UI>UT1，A1输出低电平，VT截止，继电器线圈K不得电，相应的触点不动作，灯L不亮；当外界照明昏暗时，RX的阻值开始变大，UI下降，UI<UT2，AI输出高电平，VT饱和导通，K线圈得电吸合，其常开触点K（在主电路）闭合，主电路灯L点亮发光。UT1、UT2分别为滞回比较器的阈值电压。

A1、R5、R3、R4、DZ构成滞回电压比较器，+15V通过R2、RP2分压，为A1的同相输入端提供一个参考电压UREF，UREF=15/（R3+R4）×RP2，则U1同相输入端的电位为UP=R4/（R3+R4）×UREF±R3/（R3+R4）×UZ。因为UN=UP，求出的UI就是滞回电压比较器的阀值电压，分别为：UT1=R4/（R3+R4）×UREF-R4/（R3+R4）×UZ，UT2=R4/（R3+R4）×UREF+R4/（R3+R4）×UZ。电路中用滞回电压比较器提高抗干扰能力，还接了R1、C3，用以吸收雷电等瞬间光线。VD起续流保护作用。

图2 控制电路图

　　1.3材料选择及运用

此电路的关键元器件RX选用MG45-31塑封树脂封装光敏电阻器。光敏元件为NPT，受光线影响当照射光线强时呈低电阻，受光线照射弱时呈高电阻。VT选用8050型硅中功率晶体管，要求电流放大系数β≥100，在该电路中起控制作用。VD用1N4148型硅开关二极管，利用二极管单向导电性保护K的作用。K可用工作电压12V的JZC-22F小型中功率电磁继电器，其触点容量有5A与7A两种，可根据被控灯的功率来选择。RP1、RP2为WSW型有机实心微调电位器，用来调节电阻和调试电路的作用。如果要驱动多数量的灯，可用继电器K的辅助触点去控制，不够时也可采用触点扩展。

1.4主电路的设计

控制电路主电路的设计如图3所示

图3 控制电路图

　　灯泡L可按照安装环境及工程需要来选择，要求降低能量损耗、注重环境保护。本设计选择节能型荧光灯， 而在功率的选择上要根据它所运用的场合选择合适型号。

电路的主要特点首先是调光自动，无须每天手工操作。其次能耗低，在光亮环境下几乎不通电，白天整个电路理论消耗的最大功率为0.75W， 实际消耗的功率在0.5W以下。再次是抗 干 扰 能 力 强 （采 用 滞 回 电 压 比 较 器 ），对短暂的干扰不会有反应，如黑夜里的闪电。并有极小的体积，使用寿命长。最后设计了稳压电路，适合于室内照明电路。

　2系统功能

　　2.1系统功能分析

基于AT89C52的室内灯光控制系统主要实现以下功能来达到智能和节能的目的:1)根据环境亮度调整主电路控制光源数量和光源亮度；2)实时监测并显示室内人数；3)根据室内人数调整光源数量和光源亮度；4)自动控制与人工控制切换；5)人工控制光源的亮灭状态。

　2.2原理图设计

通过对预期功能的分析系统采用了合理的模块化设计。主要由光敏模块、红外感应模块控制开关模块、数码显示模块、抬示灯模块、驱动模块构成。

单片机是控制核心，采用AT89C52单片机实现对各种信号的处理。光敏模块用来监测环境亮度,并将信号实时传送给单片机分析；红外模块来监测人数,并将信号传给单片机从而实现人数的统计；单片机将处理出的人数通过数码管来显示；因为受控光源是电压较高的交流电,所以单片机要通过驱动模块来间接控制；控制开关模块用来进行状态切换和强制控制。指示灯模块用来显示光源的受控状态与亮灭状态。室内灯光控制系统原理设计框图如图4所示。

　　图4原理图设计框

3　硬件设计

　　3.1模块器件选择

1)单片机模块。系统采用AT89C52单片机,它是AT公司生产的-种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K系统可编程Flash存储器。在性能上完全满足我们控制系统的要求，且具有32位I/O口线,也满足我们对引脚数量的需求。通过它就可以实现对各种信号与数据的处理。

2)光敏模块。光敏模块采用普通三线制模块,用于实现对环境亮度的监测。

3)红外模块。红外模块也采用三线制数字信号输出模块,通过两个并列的模块实现对人数的监测。

4)显示模块。显示方面采用四位LED数码管,用于实现人数的实时显示。

5)驱动模块。由于单片机的工作电压为直流3.3~5.5V,生活用电为交流220v,所以需要一个中间继电器来控制光源。通过单片机在合适条件下将低电平信号输送给驱动模块,进而控制继电器的闭合与断开,以此实现对光源的控制。

6)指示灯模块。指示灯采用普通发光二极管，系统初步设计的安排主要有3个。其中LED0为人工控制状态指示，当为人工控制状态时,此指示灯亮；LED1和LED2为灯1和灯2的指示。

7)控制开关。用于实现通过按键控制状态转换和直接控制灯光亮灭。

8)报警模块：检测提示用户系统是否正常工作。

9)看门狗模块：外界无时无刻会干扰系统，所以有时会出现程序跑飞、死机甚至造成整机瘫痪等情况，为了恢复单片机的正常工作，只能采用重新复位的方式。因此应该在硬件设计中使用看门狗电路，能够产生复位信号给单片机，使系统复位重新执行程序。

10)硬件时钟模块：根据室内灯光使用特性，该系统还应受到时间的限制，控制系统的时间应和人们作息时间相对应，还应具有掉电保护电路，保证系统的智能化运行。

　　3.2单片机控制电路

首先设计出单片机控制的最小系统如图5所示。单片机最小系统中含有复位电路，复位时光强重新检测，人数显示为0，控制方式为自动控制。

　　图5单片机最小系统

　3.3光强检测电路

在自动控制模式中，光强度决定着灯光的开闭与否。当光强足够强时，灯光处于关闭状态，当光强度较弱且有人时，灯光就会打开。硬件仿真电路如图6所示。

　　图6光强检测电路

3.4人数统计原理

如图7为人数统计原理简图,感受器1和2为并列的红外模块。当行人从右向左进人时,2先得信号,1后得信号，单片机处理人数加1；当行人从左向右出去时，1先得信号，2后得信号,人数减1。

　　图7人数统计原理图

　3.5红外人数检测电路

红外人数检测电路如图8所示，该电路通过使用两对红外对管，分别安装在门的内外两侧，来检测室内的人体数量，当外边一对先接收到有人体经过的信号时，说明有人进来，则人数计数器会加1，当里面的红外对管先接收到信号时，证明有人出去，人数减1，以此来达到检测人数的目的。

　　图8红外人数检测电路

本电路采用HD-DS25CM-5MM的红外对管来实现硬件功能，它的感应距离是25cm，感应方式为对射型（非透明物），最大工作电流可达10MA，输出电流是100mA，并且可直接驱动继电器。其发射角度为直线红外光，接收角度一般小于10度，响应时间短，最长只需2ms，工作温度范围在零下25度到60度之间，满足实际需求，性价比较高。

人数检测主要器件为光电对管，它的电压值大小是检测人数的关键。当有人通过时，接收端收不到发射端产生的信号，电压为0V，没有人时，接收端可以收到信号，电压为5V，以此来识别是否有人进出。。

　4软件设计

根据功能要求，程序的编程思路如图9。开始运行之后,首先判断是否为强制状态，通过判断强制按键是否被按下来确定。若为强制状态，则转入人工操作模式,用按键控制相应灯的亮灭和亮度。若不是强制状态，则通过光敏模块来判断亮度是否达标，如果亮度达标,就将所有的灯都熄灭。

如果亮度不达标，转入通过红外模块来监测人数的多少，如果人数大于或等于额定人数，就点亮所有的灯并根据环境调整亮度。否则转人判断是否有人,若有人,就点亮适量的灯并根据环境调整亮度;若没人，就将所有的灯熄灭。

　　图9程序流程简图

5成品实验

　　5.1工作过程

1)自动控制状态。打开系统板电源，系统处于自动控制状态。数码管初始显示人数为0000,光敏模块和红外人数监测都处于工作状态。

当环境亮度满足设定值,驱动模块不会被触发,即灯处于全灭状态。当环境亮度小于设定值，系统自动根据室内人数来决定是否触发继电器驱动。

当一个人经过红外模块进人室内，数码管显示的数值会自动加1，当一个人从室内经过红外模块出去,数码管显示的数值会自动减1，实现了统计室内人数的目的。

在环境亮度小于设定值的条件下，当系统监测到室内无人,驱动模块不会被触发。当系统监测到室内有人，会触发驱动打开一定数量的灯并根据环境调整亮度,对应的指示灯也会亮,当人数超过相应的设定值，系统会将灯全部点亮并根据环境调整亮度；当人数减少到小于设定值,系统相应减少亮灯数量。达到了实时根据亮度和人数来控制灯光的目的。

2)人工强制控制状态。当按下S1按键,可进行手动直接控制灯光,即进入人工控制状态。这时,通过S2等按键可直接控制相应灯的亮灭，并自动调节亮度。当再按一下S1键,系统便退出人工控制状态,即重新进人自动控制状态。

设置强制按钮主要考虑到有时我们需要对灯进行强制控制,例如在观看电影时,为达到最佳的收看效果,需要关上灯。但是,不管工作在自控状态,还是强制状态，电路的人数统计功能都正常进行。这一设计给了解室内照明合理化带来了很大方便。当按下复位按键或重启电源，系统即回到初始状态。

　6设计总结

系统的预期功能基本实现，可以准确根据室内亮度与人数调整灯光，而且人工控制与自动控制状态都运行良好。在监测人数上，此系统目前只考虑一个出人口单列进出的情况。若是考虑多个出人口,则需再添加多组红外模块安装在相应的出入口，另外当出现人员并列的情况时，只会作一人处理。对于硬件,由于供电只有5V，所以系统长时间运行功耗也很小；在结构上可以根据实际情况调整模块分布；根据功能要求的不同，还可以扩展更多的驱动光源、指示灯与按键。在软件上，还可以通过缩短延时优化数码管动态显示的清晰度，以进一步提高人数检测的准确度。

总体来说,此系统操作简单、方便使用。对于管理的普通房间、教室、会议厅等场所,可以很好地起到保护工作人员的视力,节省人力的作用。

致谢

在进行设计的这段日子里，有许多收获，也有许多不舍。通过实地考察，我学到了很多的工艺知识，也看到了现在的自己的不足。在这里首先我要感谢我的指导老师感谢您的辛勤付出，感谢您的谆谆教诲，是站在您的肩膀上才让我站的更高，看到更远！其次我要感谢和我一起在教室熬夜做毕设的同学们，是你们的坚持让我学到了什么是持之以恒，什么是优秀！最后我要拥抱我自己，未来的路还很长，吾将上下而求索。

　参考文献

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室内灯光控制系统设计

价格 ¥9.90 发布时间 2023年8月16日

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