基于ATmege128的多功能照明開關(guān)自動(dòng)控制系統(tǒng)

　　一、項(xiàng)目概述

　　1.1 引言

　　能源短缺是21世紀(jì)國(guó)際面臨的新問(wèn)題。在尋找新的儲(chǔ)備能源之外，節(jié)約能源，提高效益也就成為更加符合當(dāng)下注重研究的課題。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，教育在全社會(huì)愈加被關(guān)注和重視，校園規(guī)模也隨著招生規(guī)模的擴(kuò)大不斷擴(kuò)大，教室的數(shù)量也大幅度增加。但對(duì)目前的各類高校說(shuō)，照明控制系統(tǒng)的使用還處于初級(jí)階段，由于國(guó)家關(guān)于“創(chuàng)建節(jié)約型校園”政策的頒布，加之傳統(tǒng)的手動(dòng)關(guān)燈方式操作繁瑣且存在著較大的人為浪費(fèi)的弊端，在教學(xué)樓內(nèi)使用新型的照明節(jié)能自動(dòng)控制系統(tǒng)已成為大勢(shì)所趨。

　　在本次大賽的調(diào)研階段，我們還注意到，盡管市場(chǎng)上存在著形形色色的智能燈控設(shè)備，但或其設(shè)備體態(tài)太大，或其成本較高，僅僅局限在某些公共場(chǎng)合或廠家使用，嚴(yán)重限制了其使用的普適性和廣泛性，照明節(jié)能自動(dòng)控制設(shè)備技術(shù)在我們家庭生活中的應(yīng)用幾乎是一項(xiàng)空白。特別是在當(dāng)今智能家居的理念深入人心，簡(jiǎn)約性環(huán)保性成為新的看點(diǎn)，用科技改變生活已成為人們執(zhí)著追求的目標(biāo)。

　　本系統(tǒng)是以Atmegal28單片機(jī)為控制器核心，通過(guò)其強(qiáng)大的微控功能，擴(kuò)展了無(wú)線通信、傳感和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明系統(tǒng)的自動(dòng)控制，既在一定程度上杜絕了教室電力資源浪費(fèi)現(xiàn)象的出現(xiàn)，又滿足了日常生活中人們所倡導(dǎo)的簡(jiǎn)約便捷和自動(dòng)控制，降低了運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用，節(jié)約了管理成本，有著巨大的生態(tài)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

　　當(dāng)今的社會(huì)生活特別是眾多高校中，現(xiàn)存的能源浪費(fèi)、經(jīng)費(fèi)超支和學(xué)生視覺(jué)健康等問(wèn)題已越發(fā)引起人們關(guān)注，高校教室照明的節(jié)電問(wèn)題不得不提到重要的議事日程上來(lái)。加之當(dāng)今人們對(duì)生活智能化簡(jiǎn)約化要求的提高，能否利用現(xiàn)有的資源設(shè)計(jì)一款自動(dòng)控制且具有相對(duì)實(shí)用性照明系統(tǒng)，填補(bǔ)家庭生活自動(dòng)照明技術(shù)的空白，改進(jìn)現(xiàn)有照明設(shè)備存在的缺陷，是我們隊(duì)伍本次參賽目的的重中之重。

　　在本次參賽調(diào)研準(zhǔn)備階段，我們特意對(duì)現(xiàn)今市面所廣泛使用的人體紅外感應(yīng)開關(guān)電路做了研究分析。現(xiàn)有人體感應(yīng)設(shè)備是利用人體紅外熱釋感應(yīng)技術(shù)，判斷人的動(dòng)作有無(wú)來(lái)控制燈的亮滅，其靈敏感應(yīng)、抗干擾力確實(shí)值得稱道。但我們都有這樣的體會(huì)，當(dāng)在教室中靜坐一段時(shí)間，由于感應(yīng)不到人體動(dòng)作的變化，燈會(huì)自動(dòng)熄滅，直到我們?cè)俳o予相關(guān)的動(dòng)作才會(huì)重新將燈置亮，這給我們的正常學(xué)習(xí)帶來(lái)了極大的不便;而且，由于系統(tǒng)中的延時(shí)設(shè)置，當(dāng)教室中人都走光之后，所有的燈仍會(huì)亮一段時(shí)間，如果我們能將這段時(shí)間內(nèi)不必要的電力資源耗費(fèi)節(jié)省下來(lái)，日積月累，對(duì)任何一個(gè)高校眾多的教室而言，絕對(duì)是一筆不小的開支。我們認(rèn)為以上兩點(diǎn)，是現(xiàn)有設(shè)備沒(méi)有考慮也無(wú)法克服的性能漏洞。更顯然的是，這樣的設(shè)備根本不適合應(yīng)用在我們?nèi)粘＜彝ド町?dāng)中，設(shè)想如果我們?cè)诜块g中休息，燈自動(dòng)熄滅，將會(huì)給人們帶來(lái)多大的不方便與不習(xí)慣。

　　鑒于以上功能與需求的分析，我們決定利用Atmegal28 單片機(jī)以及外圍設(shè)備，通過(guò)對(duì)人體進(jìn)出房間的計(jì)數(shù)，判斷房間內(nèi)人的有無(wú)來(lái)控制燈的亮滅，既克服了需要不斷動(dòng)作的弊端，減少了不必要的延時(shí)所造成的資源浪費(fèi)，又能自動(dòng)控制，很好的應(yīng)用于學(xué)校工廠及家庭日常生活當(dāng)中去，具有較好的應(yīng)用前景，這是我們選擇此項(xiàng)目的直接背景和根本動(dòng)機(jī)。

　　二、需求分析

　　2.1 功能要求

　　本系統(tǒng)主要采用光感應(yīng)傳感器和紅外光感應(yīng)計(jì)數(shù)器共同設(shè)卡來(lái)控制室內(nèi)的照明設(shè)備的亮與滅，當(dāng)室內(nèi)光線暗到一定程度以及計(jì)數(shù)裝置計(jì)算結(jié)果為≥1(即室內(nèi)有人)時(shí)，條件滿足，單片機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)動(dòng)作打開照明設(shè)備的開關(guān)，當(dāng)條件不滿足時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)動(dòng)作立即關(guān)閉開關(guān)。

　　由于設(shè)計(jì)伊始，我們小組主要把該設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用定位于學(xué)校或工廠等大型公共場(chǎng)合。首先假如以我們大學(xué)教室照明為應(yīng)用對(duì)象，我們還加了一些可選功能。比如說(shuō)，據(jù)我們調(diào)查了解，像我們學(xué)校這樣的普通教室一般會(huì)有六排左右燈，但當(dāng)只有少部分人(具體數(shù)目因情況而定)進(jìn)去的時(shí)候我們只要求靠前的三排燈亮，但是如果這少部分人有特殊情況非要把所有的燈都打開，我們專門在鍵盤上設(shè)置了一個(gè)按鍵功能，此按鍵動(dòng)作就會(huì)把剩余未打開的三排的燈強(qiáng)制打開。

　　但是由于節(jié)能觀念的普適性，我們的這個(gè)裝置也可以裝在普通家庭照明系統(tǒng)中，鑒于此我們又給該裝置加了一個(gè)遙控器裝置，用戶可以用遙控器通過(guò)無(wú)線裝置遠(yuǎn)距離操作強(qiáng)制打開和關(guān)閉照明設(shè)備。

　　為了豐富該裝置的功能，我們還給該控制系統(tǒng)加了一個(gè)顯示屏和一個(gè)鍵盤模塊。由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)在顯示屏上顯示當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前溫度、當(dāng)前計(jì)數(shù)值。鍵盤用來(lái)調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)，比如當(dāng)系統(tǒng)由于發(fā)生不可避免故障時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，此時(shí)就用鍵盤重新輸入值更正一下，同時(shí)鍵盤還可以用于調(diào)節(jié)時(shí)間，還有之前介紹的功能鍵也是其中的一部分。

　　圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.2 性能要求

　?、俟飧袘?yīng)靈敏，響應(yīng)速度快(2us左右)，工作溫度范圍寬(-25℃~+70℃)。

　?、谟?jì)數(shù)準(zhǔn)確。

　?、蹨y(cè)溫精確度高，精度為±0.5°C;適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0~5.5V.

　　④使用PT2262射頻無(wú)線通信芯片，在室內(nèi)可用通信距離為幾十米，無(wú)線遙控距離遍及了一般的教室(或工廠)空間。

　　本系統(tǒng)有兩個(gè)要求相對(duì)要嚴(yán)謹(jǐn)一點(diǎn)的模塊。首先是計(jì)數(shù)模塊，因?yàn)槲覀兪褂玫氖菍?duì)射式計(jì)數(shù)方式也就是一旦遮住光線，紅外感應(yīng)器就會(huì)發(fā)出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。但是，當(dāng)人員相對(duì)比較密集的時(shí)候，也就是說(shuō)當(dāng)門足夠?qū)挄r(shí)，出現(xiàn)兩個(gè)人并排或者是錯(cuò)開但仍連續(xù)遮掩光線時(shí)，這時(shí)計(jì)數(shù)器只記一個(gè)數(shù)，這樣就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。所以，我們所設(shè)計(jì)的裝置只適應(yīng)于那種門不會(huì)太寬以至于不會(huì)出現(xiàn)多人連續(xù)遮掩光線，使計(jì)數(shù)值不準(zhǔn)的場(chǎng)合。就我們對(duì)我們學(xué)校的觀察以及測(cè)量發(fā)現(xiàn)，就一般的學(xué)校教室?guī)缀醪粫?huì)出現(xiàn)上述情況，所以本裝置安裝在教室內(nèi)計(jì)數(shù)上幾乎不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

　　其次是無(wú)線遙控模塊(該模塊主要用于家庭照明系統(tǒng)或工廠中)，該模塊傳輸距離有限，一般在幾十米，但當(dāng)用戶在較遠(yuǎn)距離遙控時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)失靈的情況。

　　三、方案設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

　　本系統(tǒng)主要包含以下幾個(gè)模塊： ①計(jì)數(shù)模塊

　?、诠飧袘?yīng)模塊

　　③顯示模塊

　?、軠y(cè)溫模塊

　　⑤鍵盤模塊

　?、逕o(wú)線遙控模塊

　　1、計(jì)數(shù)模塊

　　計(jì)數(shù)模塊我們采用紅外線感應(yīng)計(jì)數(shù)器，該種計(jì)數(shù)器大體分為兩種，其中一種是對(duì)射式，另一種是反射式。對(duì)射式是利用一個(gè)發(fā)射頭一個(gè)接收頭，中間如果有物體通過(guò)就遮擋一下光線，輸出一個(gè)脈沖給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)一次;反射式是發(fā)射頭和接收頭做在一塊成為一個(gè)紅外探頭，當(dāng)紅外探頭前有物體出現(xiàn)就把發(fā)射頭的紅外線反射給接收頭，探頭輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖給計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)一次。由于對(duì)我們這個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)射式要比反射式計(jì)數(shù)方面要準(zhǔn)確些，所以采用對(duì)射式。我們把紅外線感應(yīng)計(jì)數(shù)器的脈沖輸出端直接連接在單片機(jī)的I/O口上進(jìn)行計(jì)數(shù)處理，計(jì)數(shù)結(jié)果同時(shí)要在液晶屏顯示器上顯示一下。

　　紅外感應(yīng)器與單片機(jī)連接示意圖

　　2.光感應(yīng)模塊

　　光感應(yīng)模塊我們首選的是歐恩光電技術(shù)研究所 2006 年研發(fā)的專利項(xiàng)目--ON9658光感應(yīng)傳感器。該產(chǎn)品采用的是CMOS工藝內(nèi)置了穩(wěn)壓、OP 放大、紅外差分等近10000門電路，還有暗電流小，低照度靈敏等等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，只需加一個(gè)下拉電阻即可。此產(chǎn)品適合電視機(jī)、LCD背光、數(shù)碼產(chǎn)品、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域的節(jié)能控制、自動(dòng)感光、自適應(yīng)控制等，同時(shí)可定位為環(huán)保產(chǎn)品，替代傳統(tǒng)光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管，符合本次大賽環(huán)保的理念。

　　實(shí)現(xiàn)原理：當(dāng)光照射到光敏三極管上，光敏三極管的阻值急劇減小，利用光敏三極管On9658作為傳感器串聯(lián)一個(gè)7.5K的電阻，通過(guò)光敏三極管電壓的變化反映因光源的照射強(qiáng)度在光敏三極管上的變化。把檢測(cè)的電壓信號(hào)通過(guò)電壓跟隨器電路輸入Atmega128型單片機(jī)。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高且檢測(cè)電壓信號(hào)穩(wěn)定，效果明顯。

　　采樣信號(hào)運(yùn)放電路，增強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)度，通過(guò)電壓跟隨器可以增加信號(hào)電壓的穩(wěn)定性，后級(jí)接電壓跟隨器增強(qiáng)了電路帶負(fù)載能力。

　　3.顯示模塊

　　設(shè)計(jì)中LCD主要作用：本次設(shè)計(jì)LCD主要作用于顯示當(dāng)前室內(nèi)人數(shù)以及對(duì)系統(tǒng)操作時(shí)的操作菜單，通過(guò)顯示器實(shí)現(xiàn)方便直觀人機(jī)對(duì)話界面。

　　LCD顯示原理：本設(shè)計(jì)采用以ST7920為驅(qū)動(dòng)芯片的LCD12864字符液晶顯示器。ST7920通過(guò)RS、R/W 和E的時(shí)序配合，通過(guò)DB0-DB7八位數(shù)據(jù)端口對(duì)其內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器DR和指令寄存器IR的讀寫操作，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)寄存器DR 的訪問(wèn)，可以存取DDRAM、CGRAM、CGROM 和IRAM 的值。將要顯示的字型碼寫入到DDRAM上，ST7920將自動(dòng)地按照編碼從CGROM 中將要顯示的字型顯示到屏幕上。

　　LCD初始化流程：

　　LCD顯示內(nèi)容：

　　時(shí)間設(shè)置 人數(shù)更改設(shè)置

　　4.測(cè)溫模塊

測(cè)溫模塊我們首選的是DS18B20,因?yàn)樵撃K我們之前使用過(guò)，不僅使用方便，而且在性能上也有不錯(cuò)的效果。 據(jù)我們了解在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫