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照明是室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的重要組成部分，光照的作用，對(duì)人的視覺功能尤為重要。而長期以來，將自然光與室內(nèi)智能照明系統(tǒng)相結(jié)合的方式一直被設(shè)計(jì)者忽略，大部分的室內(nèi)場所仍沿用單一的傳統(tǒng)照明方式，在一些公用場所的照明設(shè)備長時(shí)間打開，不僅導(dǎo)致能源浪費(fèi)，而且加速了設(shè)備老化。 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 1. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 室內(nèi)照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要采用Atmega16 單片機(jī)作為MCU 控制器，與LED 顯示技術(shù)、光感技術(shù)、按鍵采集與處理技術(shù)、紅外線傳感技術(shù)、延時(shí)技術(shù)等技術(shù)相結(jié)合，然后實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明設(shè)備的智能控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 圖1 室內(nèi)照明控制方案圖 1. 2 工作原理 (1) 單片機(jī)通過繼電器對(duì)室內(nèi)照明設(shè)備的開關(guān)進(jìn)行控制。 (2) 照明設(shè)備周圍的光照檢測電路對(duì)設(shè)備周邊亮度進(jìn)行檢測，信號(hào)通過環(huán)境亮度傳感模塊到達(dá)單片機(jī)，如果亮度能夠滿足生活需要，單片機(jī)則通過繼電器保持照明設(shè)備的關(guān)閉狀態(tài)，如果亮度不夠，則由單片機(jī)繼續(xù)檢測是否采集到人體熱釋電感信號(hào)。 (3) 如果被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器檢測到人體信號(hào)，單片機(jī)則立刻控制照明設(shè)備，將其打開; 如果沒有檢測到人體信號(hào)，單片機(jī)則保持照明設(shè)備的關(guān)閉狀態(tài)。 (4) 在照明設(shè)備打開的情況下，如果單片機(jī)在某一時(shí)刻沒有檢測到人體信號(hào)，則延長一段時(shí)間后將照明設(shè)備關(guān)閉，如果延時(shí)期間檢測到人體信號(hào)則結(jié)束延時(shí)，照明設(shè)備繼續(xù)打開。 (5) 可以根據(jù)應(yīng)用照明設(shè)備場合以及使用人群的不同，將單片機(jī)PA0 ~ PA3引腳設(shè)置為不同的延時(shí)時(shí)間值。 (6) 在照明電路正常工作時(shí)，只要按下強(qiáng)制按鈕，就可以對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制控制，通過該按鈕也可以使電路切換到自動(dòng)控制狀態(tài)。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2. 1 傳感器部分設(shè)計(jì) (1) 環(huán)境亮度傳感模塊的設(shè)計(jì)。環(huán)境亮度傳感模塊的主要器件是光敏電阻。光敏電阻的光譜響應(yīng)峰值比較接近人的視覺敏感區(qū)，波長為555 mm,另一方面，光敏電阻利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)原理，其電阻值會(huì)隨著入射光強(qiáng)度的不同而發(fā)生改變，入射光強(qiáng)時(shí)，電阻值較小，入射光弱時(shí)，其電阻值增大響應(yīng)時(shí)間相對(duì)增加。 此傳感模塊采用環(huán)氧樹脂封裝，具有體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，在對(duì)環(huán)境亮度檢測時(shí)，當(dāng)檢測到的光照強(qiáng)度大于設(shè)定值時(shí)，則輸出低電平，否則輸出高電平。采用光敏電阻的作用就是把環(huán)境光亮度轉(zhuǎn)化為模擬電壓值，然后通過運(yùn)放后傳給單片機(jī)準(zhǔn)確數(shù)字信號(hào)。為了避免光敏電阻受光面小的缺點(diǎn)，探測元件要在建筑周圍進(jìn)行合理布局，以便準(zhǔn)確探測自然光的強(qiáng)弱。 (2) 被動(dòng)式熱釋電紅外線傳感器設(shè)計(jì)。熱釋電紅外傳感器可以通過檢測人或者動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)，是以后總檢測物體輻射紅外能量的傳感器。 此電路系統(tǒng)的傳感器選用P2288 被動(dòng)式熱釋電人體紅外傳感器，包括3 個(gè)關(guān)鍵元件： 1) 菲涅爾濾光晶片，起帶通濾波器的作用，可以截止波長為7 ~ 10 μm,與人體輻射紅外中心線波長9 ~ 10 μm 相對(duì)應(yīng)，把人和動(dòng)物區(qū)分開。2) 菲涅爾透鏡，可以將熱釋的紅外信號(hào)折射到熱釋電紅外傳感器上，還可以將那個(gè)警戒區(qū)分為若干的明區(qū)和暗區(qū)，如果物體在警戒區(qū)進(jìn)行移動(dòng)，就可以以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生變化的熱釋紅外信號(hào)，從而使熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生變化的電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離約為2 m; 而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10 m 以上。3) 熱釋電陶材料，熱釋電紅外傳感器將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。 設(shè)計(jì)中，人體可以發(fā)射波長約為10 μm 的紅外線，紅外線經(jīng)菲涅爾濾光晶片進(jìn)行濾波增強(qiáng)后，通過菲涅爾透鏡，將紅外信號(hào)聚集到熱釋電紅外傳感器上，然后熱釋電紅外傳感器通過熱電轉(zhuǎn)換，將透過濾光晶片的紅外能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后經(jīng)過紅外傳感信號(hào)處理器及邏輯電路進(jìn)行處理，輸出邏輯值為1 時(shí)代表有人，否則無人。 2. 2 控制部分設(shè)計(jì) (1) 延時(shí)時(shí)間選擇電路。延時(shí)電路的定時(shí)是由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器進(jìn)行確定的，外部參數(shù)不同，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的定時(shí)時(shí)間也不同。在單片機(jī)的PA 引腳設(shè)置延時(shí)時(shí)間選擇電路，主要是在環(huán)境光線較弱時(shí)，照明設(shè)備需完成一段時(shí)間的延時(shí)。將PA0 ~ PA3引腳設(shè)置為不同的時(shí)延，當(dāng)檢測到PA0 ~ PA3均沒有開關(guān)閉合時(shí)，系統(tǒng)控制照明設(shè)備按設(shè)定的初始值進(jìn)行延時(shí)，當(dāng)PA0 ~ PA3有開關(guān)閉合時(shí)，程序開始按PA0 ~ PA3順序檢測各端口的狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)不同的信號(hào)輸入，對(duì)端口設(shè)置不同延時(shí)。 (2)單片機(jī)控制模塊。設(shè)計(jì)采用RISC 結(jié)構(gòu)的Atmega16系列單片機(jī)作為主控制器，該系列芯片具有效率高、功耗低、RISC 處理功能強(qiáng)、內(nèi)存容量大、性價(jià)比相當(dāng)高等優(yōu)點(diǎn)。該芯片有32 個(gè)可編程I /O 口、1 kB的SRAM、8 路10 位ADC,可以滿足系統(tǒng)需求。光電傳感器將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后再通過A/D 轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)控制器要根據(jù)檢測的光照度以及系統(tǒng)的輸入命令計(jì)算控制量，實(shí)現(xiàn)發(fā)光控制要求。 圖2 最小系統(tǒng)電路圖 (3)顯示電路。系統(tǒng)采用顯示外設(shè)配置，其目的就是為了能夠?qū)崟r(shí)顯示各設(shè)備的運(yùn)行狀況及運(yùn)行參數(shù)的變化。為節(jié)約系統(tǒng)成本，設(shè)計(jì)采用LED 作為顯示外設(shè)，可以顯示當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 圖3 顯示電路圖 (4)輸出控制電路。輸出控制電路的工作原理是：單片機(jī)要對(duì)光照檢測電路和傳感器處理電路的輸出信號(hào)進(jìn)行檢測，單片機(jī)的PC0引腳輸出控制信號(hào)，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境的光照強(qiáng)度較強(qiáng)或光照強(qiáng)度較弱且室內(nèi)無人時(shí)，單片機(jī)PC0輸出高電平，繼電器不工作，此時(shí)照明設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)室內(nèi)光線較弱并且檢測到室內(nèi)有人時(shí)，引腳PC0輸出低電平，繼電器運(yùn)行，照明設(shè)備正常發(fā)光。 (5)照明設(shè)備驅(qū)動(dòng)電路。系統(tǒng)中單片機(jī)是通過繼電器電路控制照明設(shè)備的通斷，當(dāng)繼電器的輸入量達(dá)到一定值時(shí)，其輸出量會(huì)發(fā)生跳躍式變化。單片機(jī)是弱電器件，一般情況下它們大都工作在5 V 或更低，驅(qū)動(dòng)電流也要在mA 級(jí)以下，不能用于大功率的場所，因此在單片機(jī)與繼電器之間安裝三極管以將電流放大以驅(qū)動(dòng)繼電器。 由于繼電器動(dòng)作快、使用壽命長、體積小以及工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、遙控、測量以及通信等裝置中。設(shè)計(jì)采用電磁繼電器，主要原因是電磁繼電器工作可靠，使用簡單方便，容易判斷開關(guān)狀態(tài)。 (6)強(qiáng)制開關(guān)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過強(qiáng)制開關(guān)來設(shè)定整個(gè)系統(tǒng)的工作方式，包括校對(duì)系統(tǒng)時(shí)間，控制系統(tǒng)進(jìn)入手動(dòng)或者自動(dòng)工作狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)照明設(shè)備開關(guān)進(jìn)行設(shè)置等。當(dāng)系統(tǒng)處于手動(dòng)工作方式時(shí)，單片機(jī)讀取各開關(guān)狀態(tài)，然后控制對(duì)于的照明設(shè)備開關(guān)，其中各照明設(shè)備之間的控制是相互獨(dú)立的。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，開關(guān)失效，單片機(jī)會(huì)根據(jù)傳感器檢測模塊的檢測信號(hào)以及設(shè)定的控制方式自動(dòng)對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件部分主要是要處理完成光照檢測電路以及對(duì)熱釋電傳感信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)。 (1)檢測周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度。若檢測到周圍環(huán)境光照較強(qiáng)，系統(tǒng)繼續(xù)對(duì)光照檢測電路的輸出狀態(tài)進(jìn)行檢測; 若檢測到的光線弱于設(shè)定值，進(jìn)行步驟( 2). (2)系統(tǒng)對(duì)熱釋電紅外傳感信號(hào)進(jìn)行檢測。若檢測到無人，則控制照明設(shè)備關(guān)閉; 若檢測到室內(nèi)有人，信號(hào)處理電路的輸出為高電平，系統(tǒng)控制照明設(shè)備打開，并自動(dòng)設(shè)置一定的延時(shí)時(shí)間。 (3)在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，如果再次檢測到有人存在，則系統(tǒng)按設(shè)定時(shí)間進(jìn)行延時(shí); 如果在延時(shí)時(shí)間內(nèi)沒有檢測到有人，則系統(tǒng)控制照明設(shè)備關(guān)閉，然后再次進(jìn)行步驟( 1),對(duì)周圍光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測，確定光信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序主要采用C 語言編寫，并通過開發(fā)板進(jìn)行仿真，提高了設(shè)計(jì)時(shí)效及可靠性。 程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)橹骶�，圍繞主程序設(shè)置了功能模塊子程序，主要包括LED 顯示子程序、開關(guān)檢測處理子程序、傳感器檢測模塊處理子程序和照明設(shè)備開關(guān)控制子程序，這樣使大量的功能可以在子程序中實(shí)現(xiàn)，簡化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。 圖4 主程序框圖流程 4 結(jié)束語 提出了一種改進(jìn)的基于智能檢測技術(shù)的室內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，克服了傳統(tǒng)照明系統(tǒng)方案的缺點(diǎn)，利用熱釋人體紅外以及溫度傳感系統(tǒng)，將室內(nèi)是否有人和周圍環(huán)境光亮度是否充足兩個(gè)判決條件相結(jié)合，然后利用Atmega16 單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的處理、分析和決策，進(jìn)而更加精確地控制照明設(shè)備，操作簡單，人性化強(qiáng)。系統(tǒng)適用于學(xué)校、商場等大型室內(nèi)場所的照明控制，使照明設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能控制。 |
