基于ATmege128的多功能照明开关自动控制系统

一、项目概述

1.1 引言

能源短缺是21世纪国际面临的新问题。在寻找新的储备能源之外，节约能源，提高效益也就成为更加符合当下注重研究的课题。随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，校园规模也随着招生规模的扩大不断扩大，教室的数量也大幅度增加。但对目前的各类高校说，照明控制系统的使用还处于初级阶段，由于国家关于“创建节约型校园”政策的颁布，加之传统的手动关灯方式操作繁琐且存在着较大的人为浪费的弊端，在教学楼内使用新型的照明节能自动控制系统已成为大势所趋。

在本次大赛的调研阶段，我们还注意到，尽管市场上存在着形形色色的智能灯控设备，但或其设备体态太大，或其成本较高，仅仅局限在某些公共场合或厂家使用，严重限制了其使用的普适性和广泛性，照明节能自动控制设备技术在我们家庭生活中的应用几乎是一项空白。特别是在当今智能家居的理念深入人心，简约性环保性成为新的看点，用科技改变生活已成为人们执着追求的目标。

本系统是以Atmegal28单片机为控制器核心，通过其强大的微控功能，扩展了无线通信、传感和显示模块，实现对照明系统的自动控制，既在一定程度上杜绝了教室电力资源浪费现象的出现，又满足了日常生活中人们所倡导的简约便捷和自动控制，降低了运行维护的费用，节约了管理成本，有着巨大的生态、环境和经济效益。

1.2 项目背景/选题动机

当今的社会生活特别是众多高校中，现存的能源浪费、经费超支和学生视觉健康等问题已越发引起人们关注，高校教室照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。加之当今人们对生活智能化简约化要求的提高，能否利用现有的资源设计一款自动控制且具有相对实用性照明系统，填补家庭生活自动照明技术的空白，改进现有照明设备存在的缺陷，是我们队伍本次参赛目的的重中之重。

在本次参赛调研准备阶段，我们特意对现今市面所广泛使用的人体红外感应开关电路做了研究分析。现有人体感应设备是利用人体红外热释感应技术，判断人的动作有无来控制灯的亮灭，其灵敏感应、抗干扰力确实值得称道。但我们都有这样的体会，当在教室中静坐一段时间，由于感应不到人体动作的变化，灯会自动熄灭，直到我们再给予相关的动作才会重新将灯置亮，这给我们的正常学习带来了极大的不便;而且，由于系统中的延时设置，当教室中人都走光之后，所有的灯仍会亮一段时间，如果我们能将这段时间内不必要的电力资源耗费节省下来，日积月累，对任何一个高校众多的教室而言，绝对是一笔不小的开支。我们认为以上两点，是现有设备没有考虑也无法克服的性能漏洞。更显然的是，这样的设备根本不适合应用在我们日常家庭生活当中，设想如果我们在房间中休息，灯自动熄灭，将会给人们带来多大的不方便与不习惯。

鉴于以上功能与需求的分析，我们决定利用Atmegal28 单片机以及外围设备，通过对人体进出房间的计数，判断房间内人的有无来控制灯的亮灭，既克服了需要不断动作的弊端，减少了不必要的延时所造成的资源浪费，又能自动控制，很好的应用于学校工厂及家庭日常生活当中去，具有较好的应用前景，这是我们选择此项目的直接背景和根本动机。

二、需求分析

2.1 功能要求

本系统主要采用光感应传感器和红外光感应计数器共同设卡来控制室内的照明设备的亮与灭，当室内光线暗到一定程度以及计数装置计算结果为≥1(即室内有人)时，条件满足，单片机控制系统会自动动作打开照明设备的开关，当条件不满足时，控制系统也会动作立即关闭开关。

由于设计伊始，我们小组主要把该设备的应用场合应用定位于学校或工厂等大型公共场合。首先假如以我们大学教室照明为应用对象，我们还加了一些可选功能。比如说，据我们调查了解，像我们学校这样的普通教室一般会有六排左右灯，但当只有少部分人(具体数目因情况而定)进去的时候我们只要求靠前的三排灯亮，但是如果这少部分人有特殊情况非要把所有的灯都打开，我们专门在键盘上设置了一个按键功能，此按键动作就会把剩余未打开的三排的灯强制打开。

但是由于节能观念的普适性，我们的这个装置也可以装在普通家庭照明系统中，鉴于此我们又给该装置加了一个遥控器装置，用户可以用遥控器通过无线装置远距离操作强制打开和关闭照明设备。

为了丰富该装置的功能，我们还给该控制系统加了一个显示屏和一个键盘模块。由单片机驱动在显示屏上显示当前时间、当前温度、当前计数值。键盘用来调节相应参数，比如当系统由于发生不可避免故障时，计数器会发生错误，此时就用键盘重新输入值更正一下，同时键盘还可以用于调节时间，还有之前介绍的功能键也是其中的一部分。

图1 系统架构

2.2 性能要求

①光感应灵敏，响应速度快(2us左右)，工作温度范围宽(-25℃~+70℃)。

②计数准确。

③测温精确度高，精度为±0.5°C;适应电压范围更宽，电压范围：3.0~5.5V.

④使用PT2262射频无线通信芯片，在室内可用通信距离为几十米，无线遥控距离遍及了一般的教室(或工厂)空间。

本系统有两个要求相对要严谨一点的模块。首先是计数模块，因为我们使用的是对射式计数方式也就是一旦遮住光线，红外感应器就会发出一个计数脉冲。但是，当人员相对比较密集的时候，也就是说当门足够宽时，出现两个人并排或者是错开但仍连续遮掩光线时，这时计数器只记一个数，这样就会出现错误。所以，我们所设计的装置只适应于那种门不会太宽以至于不会出现多人连续遮掩光线，使计数值不准的场合。就我们对我们学校的观察以及测量发现，就一般的学校教室几乎不会出现上述情况，所以本装置安装在教室内计数上几乎不会产生错误。

其次是无线遥控模块(该模块主要用于家庭照明系统或工厂中)，该模块传输距离有限，一般在几十米，但当用户在较远距离遥控时可能会出现失灵的情况。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

本系统主要包含以下几个模块：

①计数模块

②光感应模块

③显示模块

④测温模块

⑤键盘模块

⑥无线遥控模块

1、计数模块

计数模块我们采用红外线感应计数器，该种计数器大体分为两种，其中一种是对射式，另一种是反射式。对射式是利用一个发射头一个接收头，中间如果有物体通过就遮挡一下光线，输出一个脉冲给计数器，计数一次;反射式是发射头和接收头做在一块成为一个红外探头，当红外探头前有物体出现就把发射头的红外线反射给接收头，探头输出一个计数脉冲给计数器，计数一次。由于对我们这个系统的应用场合对射式要比反射式计数方面要准确些，所以采用对射式。我们把红外线感应计数器的脉冲输出端直接连接在单片机的I/O口上进行计数处理，计数结果同时要在液晶屏显示器上显示一下。

红外感应器与单片机连接示意图

2.光感应模块

光感应模块我们首选的是欧恩光电技术研究所 2006 年研发的专利项目--ON9658光感应传感器。该产品采用的是CMOS工艺内置了稳压、OP 放大、红外差分等近10000门电路，还有暗电流小，低照度灵敏等等优点，在实际应用中，只需加一个下拉电阻即可。此产品适合电视机、LCD背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能控制、自动感光、自适应控制等，同时可定位为环保产品，替代传统光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管，符合本次大赛环保的理念。

实现原理：当光照射到光敏三极管上，光敏三极管的阻值急剧减小，利用光敏三极管On9658作为传感器串联一个7.5K的电阻，通过光敏三极管电压的变化反映因光源的照射强度在光敏三极管上的变化。把检测的电压信号通过电压跟随器电路输入Atmega128型单片机。该电路结构简单，灵敏度高且检测电压信号稳定，效果明显。

采样信号运放电路，增强信号的强度，通过电压跟随器可以增加信号电压的稳定性，后级接电压跟随器增强了电路带负载能力。

3.显示模块

设计中LCD主要作用：本次设计LCD主要作用于显示当前室内人数以及对系统操作时的操作菜单，通过显示器实现方便直观人机对话界面。

LCD显示原理：本设计采用以ST7920为驱动芯片的LCD12864字符液晶显示器。ST7920通过RS、R/W 和E的时序配合，通过DB0-DB7八位数据端口对其内部数据寄存器DR和指令寄存器IR的读写操作，通过对数据寄存器DR 的访问，可以存取DDRAM、CGRAM、CGROM 和IRAM 的值。将要显示的字型码写入到DDRAM上，ST7920将自动地按照编码从CGROM 中将要显示的字型显示到屏幕上。

LCD初始化流程：

LCD显示内容：

时间设置 人数更改设置

4.测温模块

测温模块我们首选的是DS18B20,因为该模块我们之前使用过，不仅使用方便，而且在性能上也有不错的效果。