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智能LED照明控制系統開發


電能被廣泛用于人們的日常生活中的各個領域,從工作到娛樂無處不在,因而,電能的浪費也存在于各行各業中,然而往往由于不合理的控制產生照明浪費的電能,通常十分巨大而又不必要。對于學校教室內的照明,電能的浪費主要體現在各個教室的“白天室內光線充足,但仍然燈全開”,或者“無人也亮燈”的現象。這就需要有一個既能夠人工管理教室燈光又能夠根據教室的當前照度和人數來調節教室燈光亮度的系統,通過改進燈的人性化控制來減少電能的浪費。智能LED照明可以通過可編程的控制器根據實際需求提供照明使照明更加智能化及人性化。本文基于STC89C52單片機,通過硬件和軟件設計了一套人性化的燈光控制系統。

一、室內LED照明智能控制系統總體設計

該系統整體上是要實現的基本功能是根據教室內的具體人數和自然光照的情況對教室的燈光進行調節,設計出帶有自己創意的燈光控制方式。系統設計總框圖如圖1所示,電源模塊經過開關模塊的控制為人數計算模塊、控制模塊和光強檢測模塊等提供電能,光強檢測模塊和人數計算模塊將數據傳送給控制模塊,控制模塊再根據這兩者的數據對照明模塊和顯示模塊進行相應的控制。

圖 1? 系統設計總框圖

二、智能LED照明系統硬件設計

系統整體硬件主要分為控制器電路模塊、傳感器電路模塊以及顯示電路模塊。其整體電路硬件原理圖如圖2所示。本次設計筆者制作了LED燈供電電壓為5V的模型,模擬了教室照明。

圖 2? 系統整體硬件圖

2.1控制器電路設計

在本次系統設計中采用了STC89C52作為整個系統的控制器。該單片機的工作頻率為8MHZ,理論上是可以滿足自適應照明調光的。

2.2LED燈電源設計

電源電路設計的主要目的就是給LED提供穩定的直流電源,市場上比較常見的智能照明系統主要是通過LED驅動器的PWM(脈寬調制)功能控制占空比來調節電壓的大小從而控制LED的亮暗程度,來實現教室的亮度調節。由于教室里的電都是220v的交流電,而LED只有在直流電的情況下才能正常工作,所以要經過電路設計將交流電轉化成要求的直流電。為了實現教室既能夠讓管理人員對教室燈光進行控制又可以進行智能調節室內燈光,盡最大限度的去節約照明用電量,電源模塊大致可以將它分為兩個部分:當單刀雙擲開關處于默認的情況下,就是接通電路圖的上半部分控制電路,系統進入燈光自動控制狀態,220v的電壓的電流經過開關進入整流橋整流將原來的交流電流變為直流電流,電流再經過C1濾波,進入LM317集成塊中將整個電路的電流控制在一個恒定不變的環境中,從而為LED提供了穩定的工作環境。

圖 3? 電源電路硬件設計原理圖

否則,系統進入人工控制狀態,220v交流電壓經過變壓器轉換為24v的交流電壓,9v的交流電在經過整流橋將交流轉換為直流、濾波后,通過LM7805集成塊將9v電壓轉換為5v的穩定恒壓源為LED燈供電。

2.3數據采集模塊電路設計

本次系統設計設計到數據采集的部分有兩個,第一個是檢測室內燈光的照度,第二個則是對人員數量的計算檢測,這兩個部分相互配合,相互影響共同工作滿足整個系統的需求。光照度的檢測采用的傳感器是PCF8591集成塊,、它集成了光敏電阻、熱敏電阻等等,功能比較強大且相對于目前市場上的一些其他產品它不需要外接AD轉換器,直接可以將光敏電阻的模擬量數據轉換為數字量數據輸出。PCF8591進行數據交換和控制時,必須要經過IIC總線接口。

圖 4? PCF8591 外部電路原理圖

其中熱敏電阻接的是PCF8591的AIN1針腳,光敏電阻接的是PCF8591的AIN0針腳,輸出針腳分別為SC-和SDA用于IIC總線協議的通信,SCL是時鐘接口,SDA為數據接口,單片機軟件編程模擬IIC總線的通訊協議通過SDA接口獲取數據。

2.4人數計算模塊電路設計

對于該模塊的設計主要用了兩個紅外對射管集成塊來實現計算教室的人數的功能,其主要設計在于軟件設計方面。該模塊硬件為傳感器模塊,其外表是一個黑色管和一個透明管,它們分別是發射管和接收管,即發射管發射出固定頻率的紅外線,接收管用來接收該頻率的紅外線。當有障礙物經過時信號經過比較器即下圖中的LM393,比較之后在輸出端發送出低電平,方便控制器進行識別。

圖 5? 紅外對射模塊原理圖

2.5顯示模塊電路設計

該模塊的主要功能就是通過LCD屏顯示當前教室的人數,這樣既方便了觀察者對整個教室人數的統計,又可以方便管理人員來識別教室燈光自適應系統工作的穩定性。該顯示模塊主要是通過LCD1602來顯示的,在該系統中實現,顯示當前教室人數、當前教室照度和當前教室溫度等等。

三、LED智能照明系統軟件設計

首先該系統要結合一些常規的開關控制,以備應對緊急情況,接下來就是設計這個系統的具體內容,首要檢測教室當前人數,如果教室無人則不打開燈,有人的話,再檢測教室目前的照度是否達標,如果不達標則通過單片機計算出當前照度值與標準值的差值再通過PWM功能調光,否則,不打開燈。總的程序流程圖如圖6所示。

圖 6? 軟件設計總流程圖

3.1人數統計程序

人數統計程序是一個相對比較重要的部分,因為在計算出教室的當前的人數的前提下,可以根據人員的數量對教室的燈光進行更加靈活地控制,以更大的限度去節約電能。除此之外,人數計算功能還會帶來一些附加價值比如可以減少上課點名的次數,為上課節省出更多的學習時間。但是人數計算的精確度是一個關乎它是否能被推廣的關鍵因素,所以在編寫程序時要盡量考慮各種特殊情況,防止在計算教室當前人數時出現誤差。人數統計模塊可以將當前的教室人數進行準確的統計,并且將人數反饋給控制器,控制器再對室內燈光進行控制。其模塊程序流程圖如圖7所示。

圖 7? 人數計算模塊程序流程圖

3.2光照強度獲取模塊

光照強度是通過光敏電阻來測得的,采取PCF8591模塊可以獲得光照強度的數字信號,將其傳輸給單片機。在開啟IIC協議和關閉IIC協議時數據線SDA在時鐘線SCL保持為“1”的階段上分別發生了下降跳變和上升跳變,即分別為下降沿和上升沿,現在要通過程序來模擬該下降沿和上升沿。

對于下降沿的模擬先是令SDA=1,延時很短的一段時間后,再讓SDA=0,從單片機編譯程序的角度看,該程序原理符合下降沿的模擬方法,對于上升沿的模擬只要將上段原理取反即可。

當教室有人時,檢測室內的照度是否達標,如果達標,燈光仍然處于熄滅狀態,如果不達標,燈光打開,且燈光根據室內照度情況進行調節亮度。通過脈寬調制(PWM)波形調節占空比來控制平均電壓,從而控制燈光的亮度變化。

總結

本設計是使用單片機編程通過軟硬件設計,通過判斷教室人數和光照強度,以及PWM控制,智能控制控制教室內的燈光亮度。同時對電源電路的設計使得系統能夠在人工控制和智能控制間根據實際情況進行切換,更加靈活。實物實驗效果理想,具有進一步推廣和實用價值。

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