智能LED照明控制系统开发

电能被广泛用于人们的日常生活中的各个领域，从工作到娱乐无处不在，因而，电能的浪费也存在于各行各业中，然而往往由于不合理的控制产生照明浪费的电能，通常十分巨大而又不必要。对于学校教室内的照明，电能的浪费主要体现在各个教室的“白天室内光线充足，但仍然灯全开”，或者“无人也亮灯”的现象。这就需要有一个既能够人工管理教室灯光又能够根据教室的当前照度和人数来调节教室灯光亮度的系统，通过改进灯的人性化控制来减少电能的浪费。智能LED照明可以通过可编程的控制器根据实际需求提供照明使照明更加智能化及人性化。本文基于STC89C52单片机，通过硬件和软件设计了一套人性化的灯光控制系统。

一、室内LED照明智能控制系统总体设计

该系统整体上是要实现的基本功能是根据教室内的具体人数和自然光照的情况对教室的灯光进行调节，设计出带有自己创意的灯光控制方式。系统设计总框图如图1所示，电源模块经过开关模块的控制为人数计算模块、控制模块和光强检测模块等提供电能，光强检测模块和人数计算模块将数据传送给控制模块，控制模块再根据这两者的数据对照明模块和显示模块进行相应的控制。

二、智能LED照明系统硬件设计

系统整体硬件主要分为控制器电路模块、传感器电路模块以及显示电路模块。其整体电路硬件原理图如图2所示。本次设计笔者制作了LED灯供电电压为5V的模型，模拟了教室照明。

2.1控制器电路设计

在本次系统设计中采用了STC89C52作为整个系统的控制器。该单片机的工作频率为8MHZ，理论上是可以满足自适应照明调光的。

2.2LED灯电源设计

电源电路设计的主要目的就是给LED提供稳定的直流电源，市场上比较常见的智能照明系统主要是通过LED驱动器的PWM（脉宽调制）功能控制占空比来调节电压的大小从而控制LED的亮暗程度，来实现教室的亮度调节。由于教室里的电都是220v的交流电，而LED只有在直流电的情况下才能正常工作，所以要经过电路设计将交流电转化成要求的直流电。为了实现教室既能够让管理人员对教室灯光进行控制又可以进行智能调节室内灯光，尽最大限度的去节约照明用电量，电源模块大致可以将它分为两个部分：当单刀双掷开关处于默认的情况下，就是接通电路图的上半部分控制电路，系统进入灯光自动控制状态，220v的电压的电流经过开关进入整流桥整流将原来的交流电流变为直流电流，电流再经过C1滤波，进入LM317集成块中将整个电路的电流控制在一个恒定不变的环境中，从而为LED提供了稳定的工作环境。

否则，系统进入人工控制状态，220v交流电压经过变压器转换为24v的交流电压，9v的交流电在经过整流桥将交流转换为直流、滤波后，通过LM7805集成块将9v电压转换为5v的稳定恒压源为LED灯供电。

2.3数据采集模块电路设计

本次系统设计设计到数据采集的部分有两个，第一个是检测室内灯光的照度，第二个则是对人员数量的计算检测，这两个部分相互配合，相互影响共同工作满足整个系统的需求。光照度的检测采用的传感器是PCF8591集成块，、它集成了光敏电阻、热敏电阻等等，功能比较强大且相对于目前市场上的一些其他产品它不需要外接AD转换器，直接可以将光敏电阻的模拟量数据转换为数字量数据输出。PCF8591进行数据交换和控制时，必须要经过IIC总线接口。

其中热敏电阻接的是PCF8591的AIN1针脚，光敏电阻接的是PCF8591的AIN0针脚，输出针脚分别为SC-和SDA用于IIC总线协议的通信，SCL是时钟接口，SDA为数据接口，单片机软件编程模拟IIC总线的通讯协议通过SDA接口获取数据。

2.4人数计算模块电路设计

对于该模块的设计主要用了两个红外对射管集成块来实现计算教室的人数的功能，其主要设计在于软件设计方面。该模块硬件为传感器模块，其外表是一个黑色管和一个透明管，它们分别是发射管和接收管，即发射管发射出固定频率的红外线，接收管用来接收该频率的红外线。当有障碍物经过时信号经过比较器即下图中的LM393，比较之后在输出端发送出低电平，方便控制器进行识别。

2.5显示模块电路设计

该模块的主要功能就是通过LCD屏显示当前教室的人数，这样既方便了观察者对整个教室人数的统计，又可以方便管理人员来识别教室灯光自适应系统工作的稳定性。该显示模块主要是通过LCD1602来显示的，在该系统中实现，显示当前教室人数、当前教室照度和当前教室温度等等。

三、LED智能照明系统软件设计

首先该系统要结合一些常规的开关控制，以备应对紧急情况，接下来就是设计这个系统的具体内容，首要检测教室当前人数，如果教室无人则不打开灯，有人的话，再检测教室目前的照度是否达标，如果不达标则通过单片机计算出当前照度值与标准值的差值再通过PWM功能调光，否则，不打开灯。总的程序流程图如图6所示。

3.1人数统计程序

人数统计程序是一个相对比较重要的部分，因为在计算出教室的当前的人数的前提下，可以根据人员的数量对教室的灯光进行更加灵活地控制，以更大的限度去节约电能。除此之外，人数计算功能还会带来一些附加价值比如可以减少上课点名的次数，为上课节省出更多的学习时间。但是人数计算的精确度是一个关乎它是否能被推广的关键因素，所以在编写程序时要尽量考虑各种特殊情况，防止在计算教室当前人数时出现误差。人数统计模块可以将当前的教室人数进行准确的统计，并且将人数反馈给控制器，控制器再对室内灯光进行控制。其模块程序流程图如图7所示。

3.2光照强度获取模块

光照强度是通过光敏电阻来测得的，采取PCF8591模块可以获得光照强度的数字信号，将其传输给单片机。在开启IIC协议和关闭IIC协议时数据线SDA在时钟线SCL保持为“1”的阶段上分别发生了下降跳变和上升跳变，即分别为下降沿和上升沿，现在要通过程序来模拟该下降沿和上升沿。

对于下降沿的模拟先是令SDA=1，延时很短的一段时间后，再让SDA=0，从单片机编译程序的角度看，该程序原理符合下降沿的模拟方法，对于上升沿的模拟只要将上段原理取反即可。

当教室有人时，检测室内的照度是否达标，如果达标，灯光仍然处于熄灭状态，如果不达标，灯光打开，且灯光根据室内照度情况进行调节亮度。通过脉宽调制（PWM）波形调节占空比来控制平均电压，从而控制灯光的亮度变化。

总结

本设计是使用单片机编程通过软硬件设计，通过判断教室人数和光照强度，以及PWM控制，智能控制控制教室内的灯光亮度。同时对电源电路的设计使得系统能够在人工控制和智能控制间根据实际情况进行切换，更加灵活。实物实验效果理想，具有进一步推广和实用价值。

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