智能照明控制系統(tǒng)可減少燈具的使用時(shí)間，能有效節(jié)約能源。粗放型經(jīng)濟(jì)增長方式會(huì)導(dǎo)致資源匱乏，因此調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)勢在必行，在照明行業(yè)推廣智能照明系統(tǒng)具有重要的意義。本文針對(duì)目前只根據(jù)室內(nèi)光照度來調(diào)節(jié)LED燈亮度的方法存在的缺陷，在照明系統(tǒng)中加入人體紅外感應(yīng)模塊和溫度檢測模塊。溫度檢測模塊可實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫度，人體紅外模塊可感應(yīng)室內(nèi)是否有人。當(dāng)紅外感應(yīng)模塊檢測到室內(nèi)無人時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制斷開電源，這樣可以避免家庭主人忘記關(guān)閉智能照明系統(tǒng)時(shí)帶來的能源浪費(fèi)。

1、系統(tǒng)總體介紹

本系統(tǒng)主要由APDS－9008光照度檢測傳感器、DS18B20溫度檢測傳感器、LCD顯示屏、STM32L151、電源模塊和人體紅外組成。

1．1、MCU介紹

采用ST低功耗L系列單片機(jī)—STM32L151作為本系統(tǒng)的主控芯片，其特點(diǎn)如下：

1）工作條件：

工作電源范圍：1．65～3．6V或1．8～3．6V

溫度范圍：－40～85℃

2）低功耗

睡眠模式，低功率運(yùn)行（在32kHz時(shí)僅9μA），低功耗的睡眠（4．4μA）

超低漏每個(gè)I/O：50nA

從停止快速喚醒：8μs

1．2、APDS－9008光照度檢測傳感器模塊介紹

APDS－9008提供廣泛環(huán)境亮度條件下的光度檢測。它有1個(gè)光感應(yīng)器，其光譜響應(yīng)接近CIE標(biāo)準(zhǔn)。圖1是APDS－9008模塊圖。

圖1  APDS－9008模塊圖

1．3、HC-SＲ501人體紅外模塊

HC-SＲ501是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，采用LHI778探頭設(shè)計(jì)，具有靈敏度高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)和超低電壓工作模式。技術(shù)參數(shù)如下：

工作電壓：DC5～20V;靜態(tài)功耗：65μA;電平輸出：高3．3V，低0V;延時(shí)時(shí)間：可調(diào)（0．3～18s）;封鎖時(shí)間：0．2s;觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)，默認(rèn)值為H;感應(yīng)范圍：小于120°錐角，7m以內(nèi);工作溫度：－15～+70℃;PCB外形尺寸：32mm&mes;24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應(yīng)透鏡尺寸：直徑：23mm（默認(rèn)）

圖2 HC-SＲ501模塊圖

1．4、DS18B20溫度傳感器

溫度檢測一般選用熱敏電阻作為其傳感器，熱敏電阻可測量40～90℃溫度范圍，但是相比其他方法穩(wěn)定性不高，一般溫度檢測的準(zhǔn)確度較低。對(duì)于1℃以下的溫度檢測信號(hào)適用性極低，必須經(jīng)過專門的ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能由MCU進(jìn)行處理。

DS18B20數(shù)字信號(hào)輸出溫度檢測傳感器與傳統(tǒng)的溫度傳感器不同的是：使用單總線與MCU通信，為直接數(shù)字輸出，轉(zhuǎn)換速度快，可擴(kuò)展性強(qiáng)。圖3為DS18B20模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖3  DS18B20模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1．5、系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括前端用1個(gè)HC-SＲ501人體紅外模塊和APDS光照度檢測模塊和1個(gè)DS18B20溫度傳感器。人體紅外模塊可檢測室內(nèi)人數(shù)，當(dāng)檢測到室內(nèi)有人時(shí)，系統(tǒng)才開始工作;當(dāng)檢測到室內(nèi)無人時(shí)系統(tǒng)不工作，如果系統(tǒng)此時(shí)是工作狀態(tài)，將強(qiáng)行關(guān)閉系統(tǒng)。APDS光照度檢測模塊主要根據(jù)光強(qiáng)度進(jìn)行智能照明，AO輸出到STM32L151PC0ADC口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后進(jìn)行LED智能控制。溫度傳感器將實(shí)時(shí)檢測室內(nèi)溫度。DS18B20使用PA1口進(jìn)行單總線數(shù)據(jù)傳輸，溫度結(jié)果也通過LCD和串口打印顯示。整個(gè)系統(tǒng)采用聚合物鋰電池供電，如圖4所示。

圖4  系統(tǒng)總體架構(gòu)

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1、APDS光照度傳感器硬件設(shè)計(jì)

圖5為APDS－9008光照度傳感器電路設(shè)計(jì)，其中1腳為電源（1．6～5V），本系統(tǒng)供5V電源，同時(shí)加2個(gè)電容濾波，2，3，5腳為NC腳，不接;6腳為模擬信號(hào)輸出腳，輸出信號(hào)為0～1．9V，接STM32L151PC0口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字信號(hào)，終實(shí)現(xiàn)智能控制LED燈。

圖5  APDS－9008光照度傳感器電路

2．2、HC-SＲ501硬件設(shè)計(jì)

HC-SＲ501模塊電路主要包括VCC、GND和DO口。VCC供5V電源，當(dāng)檢測到室內(nèi)有人時(shí)，DO口輸出為高電平，否則輸出低電平。

圖6  HC-SＲ501電路設(shè)計(jì)

2．3、溫度檢測硬件設(shè)計(jì)

MCU與溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸主要依靠MCU按單總線協(xié)議在1條總線上產(chǎn)生各種時(shí)序?qū)崿F(xiàn)。圖7為溫度傳感器與MCU具體電路圖，VCC接5V直流電，GND接地，OUT為與MUC進(jìn)行通信的接口，上面必須接1個(gè)上拉電阻，以保證通信的正常進(jìn)行和空閑狀態(tài)時(shí)為高電平。

2．4、LCD硬件設(shè)計(jì)

LCD采用四線SPI協(xié)議與MCU進(jìn)行通信。SPI接口一般由4根數(shù)據(jù)線組成，包括CS片選信號(hào)線、SCLK時(shí)鐘信號(hào)線、MISO主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線和MOSI主機(jī)輸出從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線，CS為使能信號(hào)。只有當(dāng)使能信號(hào)為低時(shí)，此設(shè)備才被選中。選中后，MOSI和MISO可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖7  DS18B20電路

讀操作為：前8個(gè)時(shí)鐘主機(jī)發(fā)送地址給從機(jī)，后8個(gè)時(shí)鐘從機(jī)接收到地址后，返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)送地址給從機(jī)時(shí)，會(huì)在地址的位加0，以表示讀，其余的后7位為從機(jī)內(nèi)部寄存器地址，從機(jī)接收到高位讀標(biāo)志和后面的7位寄存器地址后，會(huì)在后面8CLK返回寄存器的值給主機(jī)，完成讀操作。

圖8  讀操作時(shí)序

寫操作同樣由16個(gè)時(shí)鐘組成，前8個(gè)時(shí)鐘主機(jī)發(fā)送8位將要寫的地址給從機(jī)，后8個(gè)時(shí)鐘為主機(jī)發(fā)送的8位數(shù)據(jù)。當(dāng)寫操作開始時(shí)，同樣首位表示寫標(biāo)志位，SPI協(xié)議寫操作規(guī)定首位為1。因此，在寫操作時(shí)，8位數(shù)據(jù)由1位寫標(biāo)志位和7位地址組成。當(dāng)從機(jī)收到由1位寫標(biāo)志位和7位地址組成的數(shù)據(jù)后，會(huì)等待第二次發(fā)送的數(shù)據(jù)，把第二次發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入剛剛的地址寄存器，完成寫操作。

圖9  寫操作時(shí)序

LCD液晶顯示屏主要用于溫度的實(shí)時(shí)顯示。圖10為LCD詳細(xì)電路圖。

圖10 LCD電路

2．5、電源管理

系統(tǒng)采用鋰電池供電。首先，MiniUSB輸出的5V電壓直接提供給鋰電池充電管理芯片，由其對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理。該芯片是一款完整的單節(jié)鋰離子電池，采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，充電電流為1A。當(dāng)輸入電壓停止時(shí)，芯片自動(dòng)進(jìn)入低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2μA以下。鋰電池充電電壓為4．2V，容量為500mAh。

由于鋰電池在放電過程中輸出電壓會(huì)下降，而系統(tǒng)工作在3．3V，因此需要加低壓降穩(wěn)壓器以保證系統(tǒng)正常工作。穩(wěn)壓芯片輸出電壓穩(wěn)定在3．3V，可以輸出400mA的電流，壓差可達(dá)到75mV，外圍電路簡單，可滿足要求。為及時(shí)充電和保存數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)行電池電量監(jiān)測。

圖11 電源管理電路

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3．1、智能照明軟件設(shè)計(jì)

光照度檢測采用ADC和DMA方式進(jìn)行傳送。ADC可以把模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，便于存儲(chǔ)器存儲(chǔ)和傳送。軟件設(shè)計(jì)流程如下：首先初始化ADC和DMA，讓ADC工作于DMA方式;HC-SＲ501人體紅外傳感器進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境檢測，如果檢測到室內(nèi)有人，則進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，否則一直檢測。當(dāng)檢測到室內(nèi)有人時(shí)，ADC獲得總線上的電壓值，然后自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號(hào)來智能控制室內(nèi)LED燈。此時(shí)，DMA把ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送到內(nèi)存，這段期間不需要CPU干預(yù)，可節(jié)約CPU資源去獲取溫度。軟件流程如圖12所示。

圖12 智能照明軟件設(shè)計(jì)流程

3．2、溫度檢測軟件設(shè)計(jì)

首先初始化DS18B20，讓通信雙方達(dá)成基本通信協(xié)議。由于總線上只掛了1個(gè)DS18B20溫度傳感器，因此直接跳過ＲOM，發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令0x44h，之后，DS18B20準(zhǔn)備好溫度數(shù)據(jù)，在讀溫度前至少需等待750μs。750μs后，重新初始化，讀取存儲(chǔ)器中已經(jīng)準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過計(jì)算獲得溫度，把溫度數(shù)據(jù)送到串口和LCD上面顯示。

由于溫度相對(duì)變化不大，故采用定時(shí)器中斷方式獲取溫度，程序設(shè)計(jì)每2s中斷，即每2s執(zhí)行溫度檢測流程。溫度檢測軟件設(shè)計(jì)流程如圖13所示。

圖13  溫 度檢測軟件設(shè)計(jì)流程

4、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4．1、系統(tǒng)計(jì)測試軟件設(shè)計(jì)

為了測試系統(tǒng)，本方案設(shè)計(jì)了系統(tǒng)測試軟件。溫度信號(hào)采用定時(shí)中斷方式獲得，每2s獲取1次，這樣可以節(jié)約CPU資源，也可實(shí)時(shí)獲得溫度值。智能照明500ms中斷1次獲得當(dāng)前光強(qiáng)度信息，以智能控制LED燈亮度。把溫度信息送到LCD和串口進(jìn)行顯示，系統(tǒng)測試流程見圖14。

圖14  系統(tǒng)測試流程

4．2、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

系統(tǒng)實(shí)物圖見圖15。

圖15 系統(tǒng)實(shí)物圖

如圖15所示，系統(tǒng)由溫度傳感器、LCD屏、光強(qiáng)度傳感器、人體紅外傳感器和LDE燈組成。

當(dāng)紅外傳感器檢測到有人且光強(qiáng)度低時(shí)，LED由暗變亮，串口數(shù)據(jù)顯示當(dāng)前亮度值，ADC為12位，因此亮度范圍為0～4096，當(dāng)前亮度為70～500cd/m2之間，測試數(shù)據(jù)正確。

當(dāng)紅外傳感器檢測到有人且光強(qiáng)度高時(shí)，LED由亮變暗，串口數(shù)據(jù)顯示當(dāng)前亮度，值測試數(shù)據(jù)正確。

當(dāng)系統(tǒng)檢測到無人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)，以避免人為原因造成的忘記關(guān)閉系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。

5、結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的智能照明、溫度檢測系統(tǒng)從測量準(zhǔn)確性、功耗、家庭實(shí)用性等角度出發(fā)，所選用的芯片和模塊均符合低功耗的原則，具有體積小、可靠性高、性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，可用于智能家居系統(tǒng)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。