基于多探测传感器的智能灯控系统

摘要：针对目前高校等公共场所照明用电浪费严重的问题，设计了一个智能灯控制系统。以AT89S52单片机作为主控，利用光强检测模块、声强检测模块、步进电机旋转热释电红外传感器模块构成了多方式探测系统。该系统创新性地利用多传感器互补探测，辅以步进电机旋转实现热释电红外传感器的动态检测。经电路调试，证明该方案可行，具有较高的实用价值。
关键词：单片机；光强检测；声强检测；步进电机；热释电红外传感器

    随着各类大、中专院校的扩招，教室扩建、照明设备需要急剧增加，而由于管理的不到位以及照明系统本身的局限性，往往造成电能的巨大浪费。传统的灯控系统一般是基于声或光控制，存在检测方式单一、不够灵敏、精度不高、范围低等缺陷，经常会有电能的浪费。因而，设计一个智能灯控系统很有必要。
    依据节能、环保的要求，设计出基于多探测传感器的智能灯控系统，可以大大提高灯控系统的可靠性、探测能力，特别适用于高校教室、楼道等公共场合，实现灯控的智能化，从而节约电能、环保，方便管理，具有重要的现实意义。

1 系统结构和工作原理
1．1 系统结构
    本系统主要以单片机总控制为核心，由微弱声音放大检测、可见光检测、步进电机旋转热释电红外传感器、A／D转换、液晶显示等模块以及控制电路组成。系统框图如图1所示。

1．2 工作原理
    本系统以单片机AT89S52为核心，采用光照检测、声控以及步进电机旋转热释电红外等传感器进行环境探测。系统首先启动可见光模块，通过光一流一压转换后，经过A／D转化为数字量并通过液晶显示。若是电压较小，说明了亮度不够，则继续检测声音。若是声音较大，则在短时间内调用步进电机模块，检测是否有人；否则，每隔15 min定时检测。因为在实际过程中，设置声光的阈值都缺乏直观性，所以使用液晶电压显示进行判断。光、声的阈值可以根据不同地方的实际情况通过软件进行调整。

2 硬件设计
2．1 微弱声音放大检测模块
    从麦克风接收到信号后由三极管9013初次放大，然后由集成放大器LM324的两级放大，得到交流电压。由于模数转换时需要直流电压值，所以再通过万用表交直流转换电路，选用整流芯片AD736，使用单电压供电低阻抗电路。

    当被测交流电压超过200 mV时，必须在AD736前加一级分压器。经过交直流转换的电路之后，V0输出相对比较微弱，所以经过LM324进行放大，最后的输出能够达到理想值。该模块如图2所示。
2．2 可见光检测模块
    可见光检测模块采用LX1970作为核心芯片。LX1970是美国微型半导体(Microsemi)公司推出的一种能实现人眼仿真的集成化可见光亮度传感器。该模块采用测量白光亮度电路(如图3)。利用src端输出光-流转换的结果，然后实现流压转换。该芯片性能稳定，灵敏度极高。

2．3 步进电机旋转热释电红外传感器
    热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。本设计所采用的是PIR热释电传感器，安装有菲涅尔透镜，感应距离7 m，感应角度110°。具有全自动感应、光敏控制、两种触发方式(不可重复触发方式，可重复触发方式)、灵敏度高、微功耗等特点。当人进入其感应范围，则输出高电平，人离开感应范围，则自动延时关闭高电平，输出低电平。但是该热释电红外传感器只能检测到动态，所以对于长时间处于相对静态的存在无法检测的缺陷。热释电红外传感器前置放大电路如图4所示。

    为此，采用了步进电机模块。设计中，将热释电红外和步进电机固定一起。单片机P1．0～P1．3口分别经过74LS14双上升沿D触发器电平转换后，通过芯片ULN2003驱动步进电机旋转(电路设计如图5)，从而可以旋转热释电红外传感器，检测到静态。

2．4 其他硬件模块
    系统电源模块：硬件电路中多次利用+5 V、-5 V电压，为供电方便，使用芯片ICL7660，将+5 V电压改变为-5 V电压。
    液晶显示模块：采用1602字符型液晶显示屏，将单片机输出的光、声电压值显示在屏上，便于设定光、声的阈值。数据端和单片机P0口相连。控制端RS、R／W、E分别与P2．4、P2．5、P2．6口相连。
    模数转换模块：本模块选用Philips公司的PCF8591芯片作为核心元件，它是一种具有I2C总线接口的8位A／D、D／A转换芯片，在与CPU的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA就可以实现。PCF8591为单一电源供电(2．5～6V)典型值为5 V，CMOS工艺。该芯片有4路8位A／D输入，属逐次比较型，内含采样保持电路；1路8位D／A输出，内含有DACPCF8591的A／D转换为逐次比较型，在A／D转换周期中借用DAC及高增益比较器。

3 软件设计
    当有光(自然光)时，不管教室是否有人和声响，都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光(自然光)时，若有人或者附近有异常声响时，则在短时间内旋转步进电机，使用红外热释电模块检测是否有人：若无声音，则不开启(动态检测)。经过可调整的时间后定时旋转步进电机，进行检测(静态检测)。流程图如图6、7所示。

4 结束语
    本课题主要是针对高校教学楼照明管理中电能浪费的现象，设计了基于模拟人眼视觉可见光传感、声传感及热释电红外(静、动态双模式)传感实现综合检测与灯控功能。从而大大提高灯控系统的可靠性和探测能力。整个灯控系统是由一个主控中心、多个分控中心和更多单元节点组成的多层网络。该系统特别适用于学校教室、楼道和其他公共场所。实验证明，该系统安装方便、工作稳定、可靠性高，是一种较高实用价值的智能灯控制系统。
    此外，本课题在研究具体的节点设计以外，通过设计其网络特性，可与物联网的发展融合，具有良好的扩展性。