基于Atmega16的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要：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)的不足。采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)境光亮度是否充足相結(jié)合，利用Atmega16 單片機(jī)進(jìn)行信號的處理、分析和決策，使照明設(shè)備控制更加精確，具有操作簡單、人性化強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)性能可靠、穩(wěn)定。

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(dòng)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(shí)刻沒有檢測到人體信號，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(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。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，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，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(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(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)不同的信號輸入，對端口設(shè)置不同延時(shí)。