通過采用Atmega16單片機(jī)和LED顯示技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明系統(tǒng)的設(shè)計

照明是室內(nèi)環(huán)境設(shè)計的重要組成部分，光照的作用，對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設(shè)備周邊亮度進(jìn)行檢測，信號通過環(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。

（3） 如果被動式熱釋電紅外傳感器檢測到人體信號，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，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)在某一時刻沒有檢測到人體信號，則延長一段時間后將照明設(shè)備關(guān)閉，如果延時期間檢測到人體信號則結(jié)束延時，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)置為不同的延時時間值。

（6） 在照明電路正常工作時，只要按下強(qiáng)制按鈕，就可以對照明設(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控制狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2. 1 傳感器部分設(shè)計

（1） 環(huán)境亮度傳感模塊的設(shè)計。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，其電阻值會隨著入射光強(qiáng)度的不同而發(fā)生改變，入射光強(qiáng)時，電阻值較小，入射光弱時，其電阻值增大響應(yīng)時間相對增加。

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)，在對環(huán)境亮度檢測時，當(dāng)檢測到的光照強(qiáng)度大于設(shè)定值時，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。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） 被動式熱釋電紅外線傳感器設(shè)計。熱釋電紅外傳感器可以通過檢測人或者動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號，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 被動式熱釋電人體紅外傳感器，包括3 個關(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 相對應(yīng)，把人和動物區(qū)分開。2） 菲涅爾透鏡，可以將熱釋的紅外信號折射到熱釋電紅外傳感器上，還可以將那個警戒區(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，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，從而使熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生變化的電信號。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，即熱電轉(zhuǎn)換。

設(shè)計中，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，最后經(jīng)過紅外傳感信號處理器及邏輯電路進(jìn)行處理，輸出邏輯值為1 時代表有人，否則無人。

2. 2 控制部分設(shè)計

（1） 延時時間選擇電路。延時電路的定時是由單片機(jī)內(nèi)部的定時器進(jìn)行確定的，外部參數(shù)不同，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的定時時間也不同。在單片機(jī)的PA 引腳設(shè)置延時時間選擇電路，主要是在環(huán)境光線較弱時，照明設(shè)備需完成一段時間的延時。將PA0 ~ PA3引腳設(shè)置為不同的時延，當(dāng)檢測到PA0 ~ PA3均沒有開關(guān)閉合時，系統(tǒng)控制照明設(shè)備按設(shè)定的初始值進(jìn)行延時，當(dāng)PA0 ~ PA3有開關(guān)閉合時，程序開始按PA0 ~ PA3順序檢測各端口的狀態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)不同的信號輸入，對端口設(shè)置不同延時。

（2） 單片機(jī)控制模塊。設(shè)計采用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、性價比相當(dāng)高等優(yōu)點(diǎn)。該芯片有32 個可編程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，然后再通過A/D 轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，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)要對光照檢測電路和傳感器處理電路的輸出信號進(jìn)行檢測，單片機(jī)的PC0引腳輸出控制信號，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，單片機(jī)PC0輸出高電平，繼電器不工作，此時照明設(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，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，其輸出量會發(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)動電流也要在mA 級以下，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)動繼電器。

由于繼電器動作快、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。在系統(tǒng)設(shè)計中，通過強(qiáng)制開關(guān)來設(shè)定整個系統(tǒng)的工作方式，包括校對系統(tǒng)時間，控制系統(tǒng)進(jìn)入手動或者自動工作狀態(tài)，對系統(tǒng)照明設(shè)備開關(guān)進(jìn)行設(shè)置等。當(dāng)系統(tǒng)處于手動工作方式時，單片機(jī)讀取各開關(guān)狀態(tài)，然后控制對于的照明設(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)處于自動工作狀態(tài)時，開關(guān)失效，單片機(jī)會根據(jù)傳感器檢測模塊的檢測信號以及設(shè)定的控制方式自動對照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要是要處理完成光照檢測電路以及對熱釋電傳感信號處理電路的輸出信號。

（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)對熱釋電紅外傳感信號進(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，并自動設(shè)置一定的延時時間。

（3） 在延時時間內(nèi)，如果再次檢測到有人存在，則系統(tǒng)按設(shè)定時間進(jìn)行延時； 如果在延時時間內(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） ,對周圍光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測，確定光信號處理電路的輸出信號。

系統(tǒng)設(shè)計的程序主要采用C 語言編寫，并通過開發(fā)板進(jìn)行仿真，提高了設(shè)計時效及可靠性。

程序采用模塊化設(shè)計思想，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判決條件相結(jié)合，然后利用Atmega16 單片機(jī)進(jìn)行信號的處理、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。