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照明是室內環(huán)境設計的重要組成部分，光照的作用，對人的視覺(jué)功能尤為重要。而長(cháng)期以來(lái)，將自然光與室內智能照明系統相結合的方式一直被設計者忽略，大部分的室內場(chǎng)所仍沿用單一的傳統照明方式，在一些公用場(chǎng)所的照明設備長(cháng)時(shí)間打開(kāi)，不僅導致能源浪費，而且加速了設備老化。 1 系統結構和工作原理 1. 1 系統結構 室內照明控制系統的設計主要采用Atmega16 單片機作為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(xiàn)傳感技術(shù)、延時(shí)技術(shù)等技術(shù)相結合，然后實(shí)現室內照明設備的智能控制，其系統結構如圖1 所示。 圖1 室內照明控制方案圖 1. 2 工作原理 (1) 單片機通過(guò)繼電器對室內照明設備的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制。 (2) 照明設備周?chē)墓庹諜z測電路對設備周邊亮度進(jìn)行檢測，信號通過(guò)環(huán)境亮度傳感模塊到達單片機，如果亮度能夠滿(mǎn)足生活需要，單片機則通過(guò)繼電器保持照明設備的關(guān)閉狀態(tài)，如果亮度不夠，則由單片機繼續檢測是否采集到人體熱釋電感信號。 (3) 如果被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器檢測到人體信號，單片機則立刻控制照明設備，將其打開(kāi); 如果沒(méi)有檢測到人體信號，單片機則保持照明設備的關(guān)閉狀態(tài)。 (4) 在照明設備打開(kāi)的情況下，如果單片機在某一時(shí)刻沒(méi)有檢測到人體信號，則延長(cháng)一段時(shí)間后將照明設備關(guān)閉，如果延時(shí)期間檢測到人體信號則結束延時(shí)，照明設備繼續打開(kāi)。 (5) 可以根據應用照明設備場(chǎng)合以及使用人群的不同，將單片機PA0 ~ PA3引腳設置為不同的延時(shí)時(shí)間值。 (6) 在照明電路正常工作時(shí)，只要按下強制按鈕，就可以對照明設備進(jìn)行強制控制，通過(guò)該按鈕也可以使電路切換到自動(dòng)控制狀態(tài)。 2 系統硬件設計 2. 1 傳感器部分設計 (1) 環(huán)境亮度傳感模塊的設計。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峰值比較接近人的視覺(jué)敏感區，波長(cháng)為555 mm,另一方面，光敏電阻利用半導體的光電效應原理，其電阻值會(huì )隨著(zhù)入射光強度的不同而發(fā)生改變，入射光強時(shí)，電阻值較小，入射光弱時(shí)，其電阻值增大響應時(shí)間相對增加。 此傳感模塊采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，具有體積小、靈敏度高、反應速度快、可靠性強等特點(diǎn)，在對環(huán)境亮度檢測時(shí)，當檢測到的光照強度大于設定值時(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)境光亮度轉化為模擬電壓值，然后通過(guò)運放后傳給單片機準確數字信號。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?chē)M(jìn)行合理布局，以便準確探測自然光的強弱。 (2) 被動(dòng)式熱釋電紅外線(xiàn)傳感器設計。熱釋電紅外傳感器可以通過(guò)檢測人或者動(dòng)物發(fā)射的紅外線(xiàn)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(cháng)為7 ~ 10 μm,與人體輻射紅外中心線(xiàn)波長(cháng)9 ~ 10 μm 相對應，把人和動(dòng)物區分開(kāi)。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(gè)警戒區分為若干的明區和暗區，如果物體在警戒區進(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，從而使熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生變化的電信號。實(shí)驗證明，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(guò)濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉換成電信號，即熱電轉換。 設計中，人體可以發(fā)射波長(cháng)約為10 μm 的紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)經(jīng)菲涅爾濾光晶片進(jìn)行濾波增強后，通過(guò)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(guò)熱電轉換，將透過(guò)濾光晶片的紅外能量轉換為電信號，最后經(jīng)過(guò)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(shí)代表有人，否則無(wú)人。 2. 2 控制部分設計 (1) 延時(shí)時(shí)間選擇電路。延時(shí)電路的定時(shí)是由單片機內部的定時(shí)器進(jìn)行確定的，外部參數不同，單片機實(shí)現的定時(shí)時(shí)間也不同。在單片機的PA 引腳設置延時(shí)時(shí)間選擇電路，主要是在環(huán)境光線(xiàn)較弱時(shí)，照明設備需完成一段時(shí)間的延時(shí)。將PA0 ~ PA3引腳設置為不同的時(shí)延，當檢測到PA0 ~ PA3均沒(méi)有開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，系統控制照明設備按設定的初始值進(jìn)行延時(shí)，當PA0 ~ PA3有開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，程序開(kāi)始按PA0 ~ PA3順序檢測各端口的狀態(tài)，系統根據不同的信號輸入，對端口設置不同延時(shí)。 (2)單片機控制模塊。設計采用RISC 結構的Atmega16系列單片機作為主控制器，該系列芯片具有效率高、功耗低、RISC 處理功能強、內存容量大、性?xún)r(jià)比相當高等優(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(mǎn)足系統需求。光電傳感器將光照強度轉換成電信號，然后再通過(guò)A/D 轉換器將電信號轉換成數字信號，系統控制器要根據檢測的光照度以及系統的輸入命令計算控制量，實(shí)現發(fā)光控制要求。 圖2 最小系統電路圖 (3)顯示電路。系統采用顯示外設配置，其目的就是為了能夠實(shí)時(shí)顯示各設備的運行狀況及運行參數的變化。為節約系統成本，設計采用LED 作為顯示外設，可以顯示當前系統的工作狀態(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：?jiǎn)纹瑱C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，單片機的PC0引腳輸出控制信號，當室內環(huán)境的光照強度較強或光照強度較弱且室內無(wú)人時(shí)，單片機PC0輸出高電平，繼電器不工作，此時(shí)照明設備處于關(guān)閉狀態(tài)。當室內光線(xiàn)較弱并且檢測到室內有人時(shí)，引腳PC0輸出低電平，繼電器運行，照明設備正常發(fā)光。 (5)照明設備驅動(dòng)電路。系統中單片機是通過(guò)繼電器電路控制照明設備的通斷，當繼電器的輸入量達到一定值時(shí)，其輸出量會(huì )發(fā)生跳躍式變化。單片機是弱電器件，一般情況下它們大都工作在5 V 或更低，驅動(dòng)電流也要在mA 級以下，不能用于大功率的場(chǎng)所，因此在單片機與繼電器之間安裝三極管以將電流放大以驅動(dòng)繼電器。 由于繼電器動(dòng)作快、使用壽命長(cháng)、體積小以及工作穩定等特點(diǎn)，被廣泛應用于電力保護、遙控、測量以及通信等裝置中。設計采用電磁繼電器，主要原因是電磁繼電器工作可靠，使用簡(jiǎn)單方便，容易判斷開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 (6)強制開(kāi)關(guān)設計。在系統設計中，通過(guò)強制開(kāi)關(guān)來(lái)設定整個(gè)系統的工作方式，包括校對系統時(shí)間，控制系統進(jìn)入手動(dòng)或者自動(dòng)工作狀態(tài)，對系統照明設備開(kāi)關(guān)進(jìn)行設置等。當系統處于手動(dòng)工作方式時(shí)，單片機讀取各開(kāi)關(guān)狀態(tài)，然后控制對于的照明設備開(kāi)關(guān)，其中各照明設備之間的控制是相互獨立的。當系統處于自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)失效，單片機會(huì )根據傳感器檢測模塊的檢測信號以及設定的控制方式自動(dòng)對照明設備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。 3 系統軟件設計 系統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?chē)h(huán)境的光照強度。若檢測到周?chē)h(huán)境光照較強，系統繼續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(xiàn)弱于設定值，進(jìn)行步驟( 2). (2)系統對熱釋電紅外傳感信號進(jìn)行檢測。若檢測到無(wú)人，則控制照明設備關(guān)閉; 若檢測到室內有人，信號處理電路的輸出為高電平，系統控制照明設備打開(kāi)，并自動(dòng)設置一定的延時(shí)時(shí)間。 (3)在延時(shí)時(shí)間內，如果再次檢測到有人存在，則系統按設定時(shí)間進(jìn)行延時(shí); 如果在延時(shí)時(shí)間內沒(méi)有檢測到有人，則系統控制照明設備關(guān)閉，然后再次進(jìn)行步驟( 1),對周?chē)庹諒姸冗M(jìn)行檢測，確定光信號處理電路的輸出信號。 系統設計的程序主要采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，并通過(guò)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行仿真，提高了設計時(shí)效及可靠性。 程序采用模塊化設計思想，以主程序為主線(xiàn)，圍繞主程序設置了功能模塊子程序，主要包括LED 顯示子程序、開(kāi)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備開(kāi)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，簡(jiǎn)化了設計結構。 圖4 主程序框圖流程 4 結束語(yǔ) 提出了一種改進(jìn)的基于智能檢測技術(shù)的室內照明系統設計方案，克服了傳統照明系統方案的缺點(diǎn)，利用熱釋人體紅外以及溫度傳感系統，將室內是否有人和周?chē)h(huán)境光亮度是否充足兩個(gè)判決條件相結合，然后利用Atmega16 單片機進(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備，操作簡(jiǎn)單，人性化強。系統適用于學(xué)校、商場(chǎng)等大型室內場(chǎng)所的照明控制，使照明設備實(shí)現智能控制。 |
