基于Atmega16的室内照明系统设计

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 照明是室内环境设计的重要组成部分,光照的作用,对人的视觉功能尤为重要。而长期以来,将自然光与室内智能照明系统相结合的方式一直被设计者忽略,大部分的室内场所仍沿用单一的传统照明方式,在一些公用场所的照明设备长时间打开,不仅导致能源浪费,而且加速了设备老化。

1 系统结构和工作原理

1. 1 系统结构

室内照明控制系统的设计主要采用Atmega16 单片机作为MCU 控制器,与LED 显示技术、光感技术、按键采集与处理技术、红外线传感技术、延时技术等技术相结合,然后实现室内照明设备的智能控制,其系统结构如图1 所示。

图1 室内照明控制方案图

1. 2 工作原理

(1) 单片机通过继电器对室内照明设备的开关进行控制。

(2) 照明设备周围的光照检测电路对设备周边亮度进行检测,信号通过环境亮度传感模块到达单片机,如果亮度能够满足生活需要,单片机则通过继电器保持照明设备的关闭状态,如果亮度不够,则由单片机继续检测是否采集到人体热释电感信号。

(3) 如果被动式热释电红外传感器检测到人体信号,单片机则立刻控制照明设备,将其打开; 如果没有检测到人体信号,单片机则保持照明设备的关闭状态。

(4) 在照明设备打开的情况下,如果单片机在某一时刻没有检测到人体信号,则延长一段时间后将照明设备关闭,如果延时期间检测到人体信号则结束延时,照明设备继续打开。

(5) 可以根据应用照明设备场合以及使用人群的不同,将单片机PA0 ~ PA3引脚设置为不同的延时时间值。

(6) 在照明电路正常工作时,只要按下强制按钮,就可以对照明设备进行强制控制,通过该按钮也可以使电路切换到自动控制状态。

2 系统硬件设计

2. 1 传感器部分设计

(1) 环境亮度传感模块的设计。环境亮度传感模块的主要器件是光敏电阻。光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人的视觉敏感区,波长为555 mm,另一方面,光敏电阻利用半导体的光电效应原理,其电阻值会随着入射光强度的不同而发生改变,入射光强时,电阻值较小,入射光弱时,其电阻值增大响应时间相对增加。

此传感模块采用环氧树脂封装,具有体积小、灵敏度高、反应速度快、可靠性强等特点,在对环境亮度检测时,当检测到的光照强度大于设定值时,则输出低电平,否则输出高电平。采用光敏电阻的作用就是把环境光亮度转化为模拟电压值,然后通过运放后传给单片机准确数字信号。为了避免光敏电阻受光面小的缺点,探测元件要在建筑周围进行合理布局,以便准确探测自然光的强弱。

(2) 被动式热释电红外线传感器设计。热释电红外传感器可以通过检测人或者动物发射的红外线而输出电信号,是以后总检测物体辐射红外能量的传感器。

此电路系统的传感器选用P2288 被动式热释电人体红外传感器,包括3 个关键元件: 1) 菲涅尔滤光晶片,起带通滤波器的作用,可以截止波长为7 ~ 10 μm,与人体辐射红外中心线波长9 ~ 10 μm 相对应,把人和动物区分开。2) 菲涅尔透镜,可以将热释的红外信号折射到热释电红外传感器上,还可以将那个警戒区分为若干的明区和暗区,如果物体在警戒区进行移动,就可以以温度变化的形式在热释电红外传感器上产生变化的热释红外信号,从而使热释电红外传感器产生变化的电信号。实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离约为2 m; 而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10 m 以上。3) 热释电陶材料,热释电红外传感器将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号,即热电转换。

设计中,人体可以发射波长约为10 μm 的红外线,红外线经菲涅尔滤光晶片进行滤波增强后,通过菲涅尔透镜,将红外信号聚集到热释电红外传感器上,然后热释电红外传感器通过热电转换,将透过滤光晶片的红外能量转换为电信号,最后经过红外传感信号处理器及逻辑电路进行处理,输出逻辑值为1 时代表有人,否则无人。

2. 2 控制部分设计

(1) 延时时间选择电路。延时电路的定时是由单片机内部的定时器进行确定的,外部参数不同,单片机实现的定时时间也不同。在单片机的PA 引脚设置延时时间选择电路,主要是在环境光线较弱时,照明设备需完成一段时间的延时。将PA0 ~ PA3引脚设置为不同的时延,当检测到PA0 ~ PA3均没有开关闭合时,系统控制照明设备按设定的初始值进行延时,当PA0 ~ PA3有开关闭合时,程序开始按PA0 ~ PA3顺序检测各端口的状态,系统根据不同的信号输入,对端口设置不同延时。

(2)单片机控制模块。设计采用RISC 结构的Atmega16系列单片机作为主控制器,该系列芯片具有效率高、功耗低、RISC 处理功能强、内存容量大、性价比相当高等优点。该芯片有32 个可编程I /O 口、1 kB的SRAM、8 路10 位ADC,可以满足系统需求。光电传感器将光照强度转换成电信号,然后再通过A/D 转换器将电信号转换成数字信号,系统控制器要根据检测的光照度以及系统的输入命令计算控制量,实现发光控制要求。

图2 最小系统电路图

(3)显示电路。系统采用显示外设配置,其目的就是为了能够实时显示各设备的运行状况及运行参数的变化。为节约系统成本,设计采用LED 作为显示外设,可以显示当前系统的工作状态。

图3 显示电路图

(4)输出控制电路。输出控制电路的工作原理是:单片机要对光照检测电路和传感器处理电路的输出信号进行检测,单片机的PC0引脚输出控制信号,当室内环境的光照强度较强或光照强度较弱且室内无人时,单片机PC0输出高电平,继电器不工作,此时照明设备处于关闭状态。当室内光线较弱并且检测到室内有人时,引脚PC0输出低电平,继电器运行,照明设备正常发光。

(5)照明设备驱动电路。系统中单片机是通过继电器电路控制照明设备的通断,当继电器的输入量达到一定值时,其输出量会发生跳跃式变化。单片机是弱电器件,一般情况下它们大都工作在5 V 或更低,驱动电流也要在mA 级以下,不能用于大功率的场所,因此在单片机与继电器之间安装三极管以将电流放大以驱动继电器。

由于继电器动作快、使用寿命长、体积小以及工作稳定等特点,被广泛应用于电力保护、遥控、测量以及通信等装置中。设计采用电磁继电器,主要原因是电磁继电器工作可靠,使用简单方便,容易判断开关状态。

(6)强制开关设计。在系统设计中,通过强制开关来设定整个系统的工作方式,包括校对系统时间,控制系统进入手动或者自动工作状态,对系统照明设备开关进行设置等。当系统处于手动工作方式时,单片机读取各开关状态,然后控制对于的照明设备开关,其中各照明设备之间的控制是相互独立的。当系统处于自动工作状态时,开关失效,单片机会根据传感器检测模块的检测信号以及设定的控制方式自动对照明设备进行开关控制。

3 系统软件设计

系统软件部分主要是要处理完成光照检测电路以及对热释电传感信号处理电路的输出信号。

(1)检测周围环境的光照强度。若检测到周围环境光照较强,系统继续对光照检测电路的输出状态进行检测; 若检测到的光线弱于设定值,进行步骤( 2).

(2)系统对热释电红外传感信号进行检测。若检测到无人,则控制照明设备关闭; 若检测到室内有人,信号处理电路的输出为高电平,系统控制照明设备打开,并自动设置一定的延时时间。

(3)在延时时间内,如果再次检测到有人存在,则系统按设定时间进行延时; 如果在延时时间内没有检测到有人,则系统控制照明设备关闭,然后再次进行步骤( 1),对周围光照强度进行检测,确定光信号处理电路的输出信号。

系统设计的程序主要采用C 语言编写,并通过开发板进行仿真,提高了设计时效及可靠性。

程序采用模块化设计思想,以主程序为主线,围绕主程序设置了功能模块子程序,主要包括LED 显示子程序、开关检测处理子程序、传感器检测模块处理子程序和照明设备开关控制子程序,这样使大量的功能可以在子程序中实现,简化了设计结构。

图4 主程序框图流程

4 结束语

提出了一种改进的基于智能检测技术的室内照明系统设计方案,克服了传统照明系统方案的缺点,利用热释人体红外以及温度传感系统,将室内是否有人和周围环境光亮度是否充足两个判决条件相结合,然后利用Atmega16 单片机进行信号的处理、分析和决策,进而更加精确地控制照明设备,操作简单,人性化强。系统适用于学校、商场等大型室内场所的照明控制,使照明设备实现智能控制。

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