單片機(jī)下教室智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)探析

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摘要：本文研究通過采用單片機(jī)STC89C51作為核心控制器件來控制教室照明，利用具有人形檢測功能的熱釋紅外傳感器、攝像頭以及光線傳感器等外界感知以及單片機(jī)內(nèi)的預(yù)置程序來實(shí)現(xiàn)智能控制教室燈光的目的，無需大幅改變原有電源配置，可有效降低教室照明、人形檢測和其他外部條件修改的成本。

關(guān)鍵詞：STC89C51；照明系統(tǒng)；人形檢測；光線傳感器

1系統(tǒng)整體框架

本系統(tǒng)包括以STC89C51單片機(jī)為核心的總控制模塊、電源供應(yīng)模塊、熱釋紅外傳感器模塊、攝像頭模塊、光強(qiáng)度檢測傳感器模塊等。熱釋紅外傳感器模塊和攝像頭模塊主要用來感應(yīng)人體信號，其中，攝像頭模塊主要用來幫助單片機(jī)更加精確地識別人體。光檢測模塊主要是用APDS-9930傳感器實(shí)現(xiàn)對環(huán)境光強(qiáng)度的檢測，并且把主要參數(shù)輸入STC89C51單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對教室燈光的控制[1]。

2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STC89C51單片機(jī)作為控制核心，通過其與人形檢測傳感器（熱釋紅外傳感器、ESP32-CAM攝像頭模塊）、環(huán)境光強(qiáng)度檢測傳感器（APDS-9930）等外界感知的相互配合來實(shí)現(xiàn)智能控制燈光的目的。

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1控制核心。本設(shè)計(jì)以STC89C51單片機(jī)為系統(tǒng)控制核心。STC89C51單片機(jī)由CPU、ROM、RAM、串行輸入/輸出口、2個定時計(jì)數(shù)器/計(jì)時器、時鐘電路及中斷系統(tǒng)組成。STC89C51可對中央處理器與存儲器集成于一個芯片的系統(tǒng)進(jìn)行可編程計(jì)算機(jī)控制，是一種將自定義程序代碼導(dǎo)入單片機(jī)的程序。這不但可以有效節(jié)省通用編程器的額外購買費(fèi)用，而且可以讓STC89C51更快地接收信息。系統(tǒng)框架見圖1[2]。STC89C51單片機(jī)兼容8051單片機(jī)，是新一代低功耗8051高速單片機(jī)，具有新的流水線和簡化的指令結(jié)構(gòu)[3]，可以通過編程拷入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對教室區(qū)域內(nèi)燈光的控制。2.1.2電源模塊。將220V交流電通過減壓處理轉(zhuǎn)換為5V的直流電，再通過LM7805輸出5V的穩(wěn)壓電源后可直接供單片機(jī)使用。2.1.3熱釋紅外傳感器模塊。熱釋紅外傳感器由場效應(yīng)管適配器、干涉濾光片和檢測元件組成。熱釋紅外傳感器的功能主要是通過插入場效應(yīng)管完成阻抗轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)的[4]。直接使用熱釋紅外傳感器時，需要在使用前將上述轉(zhuǎn)換切換為電壓模式。在熱釋紅外傳感器模塊中，人體被作為第一感知信息，根據(jù)晶體表面被檢測區(qū)域的溫度變化。如果測得的環(huán)境溫度穩(wěn)定，輸出低電平，則傳感器無輸出。由于人體溫度與測量溫度不同，進(jìn)入人體測量區(qū)域時傳感器會輸入高電平，人體發(fā)射的紅外線通過信號放大器后傳輸給熱釋紅外傳感器，為控制電路提供電反饋信號。2.1.4攝像頭模塊。攝像頭模塊主要是輔助熱釋紅外傳感器進(jìn)行人體探測，因?yàn)樵谌梭w進(jìn)入檢測區(qū)域后不動的情況下溫度不會發(fā)生變化，傳感器也就沒有輸出。此時作為輔助部件的ESP32-CAM攝像頭模塊起著判斷該區(qū)域是否有人的作用，強(qiáng)制讓熱釋紅外傳感器有輸出。攝像頭模塊主要是以YOLO（實(shí)時目標(biāo)檢測系統(tǒng)）檢測環(huán)境中的人類移動。YOLO通過深度學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)了端到端的實(shí)時目標(biāo)識別。YOLO的特點(diǎn)之一是速度，YOLO意味著最高級別的物體識別，能比其他生物檢測系統(tǒng)更快地收集各種監(jiān)視數(shù)據(jù)；其二是安裝和使用簡單，編程時只需要4條命令就可以讓YOLO開始工作。程序?qū)懭隮OLO后可以直接接入ESP32-CAM模塊使其進(jìn)行人體識別工作。2.1.5教室燈光感應(yīng)模塊。光學(xué)傳感器模塊主要采用APDS-9930傳感器，包括A/D轉(zhuǎn)換器、放大器、CPU、通信接口、存儲器等[4]。APDS-9930封裝有8個腳，電和地各一個腳，I2C通信一個數(shù)據(jù)腳一個時鐘腳，還有一個中斷腳，可以根據(jù)用戶設(shè)置的光照強(qiáng)度或接近閾值來觸發(fā)中斷，還有兩個腳LEDA和LEDK分別為芯片內(nèi)部紅外發(fā)光二極管的陽極和陰極，陰極直接連接芯片的最后一個腳———LDR。這個腳會根據(jù)用戶的設(shè)置產(chǎn)生不同頻率的驅(qū)動信號來驅(qū)動發(fā)光二極管。APDS-9930采用A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號傳輸和數(shù)字濾波技術(shù)，大大提高了傳感器的穩(wěn)定性。在功能方面，APDS-9930一方面可以檢測周圍的亮度，另一方面可以基于紅外測距原理檢測物體的接近程度。在物聯(lián)網(wǎng)使用方面，APDS-9930使用了數(shù)字通信接口，可以直接接入計(jì)算機(jī)，也能與標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制總線連接。在本系統(tǒng)中，APDS-9930會通過感應(yīng)投影儀和教室內(nèi)其他光源的強(qiáng)度大小來控制燈光開關(guān)，它采用一個8引腳封裝的I2C兼容數(shù)字環(huán)境光傳感器和紅外發(fā)光二極管來接近傳感器。環(huán)境光傳感器使用2個光電二極管來實(shí)現(xiàn)接近度檢測，具有出色的弱光性能。系統(tǒng)電路仿真圖見圖2。

2.2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用KeilC51軟件創(chuàng)建和設(shè)計(jì)程序。KeilC51和Proteus的總體結(jié)構(gòu)是一個Windows或ProteusC51集成開發(fā)環(huán)境（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE），可以處理整個開發(fā)、編輯、編譯、鏈接、調(diào)試和仿真過程。開發(fā)人員可通過使用IDE或其他編輯器編輯C源文件或程序集，并使用C51和C51編譯器編譯它們來創(chuàng)建對象文件。系統(tǒng)程序流程圖見第117頁圖3，該圖描述的是整個系統(tǒng)的流程控制情況。上電復(fù)位后系統(tǒng)進(jìn)入自動控制狀態(tài)，當(dāng)有人進(jìn)出教室時檢測模塊會自動記錄人數(shù)的加減情況，并且會根據(jù)人數(shù)的多少與光強(qiáng)的大小來控制教室區(qū)域內(nèi)燈的開關(guān)。當(dāng)按下控制模式轉(zhuǎn)換按鈕后系統(tǒng)進(jìn)入手動控制狀態(tài)，此時就要通過人來控制教室區(qū)域內(nèi)燈的開關(guān)。

3系統(tǒng)分部調(diào)試

整個系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，開始應(yīng)對硬件部分進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，同時對軟件部分進(jìn)行初步調(diào)試，然后再對硬件部分和軟件部分進(jìn)行動態(tài)調(diào)試[5]。1）硬件調(diào)試。硬件調(diào)試主要是進(jìn)行靜態(tài)調(diào)試，目的是排除硬件設(shè)備故障。2）軟件調(diào)試。利用模擬軟件對單片機(jī)的硬件、指令、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬調(diào)試，繼而進(jìn)行整個應(yīng)用軟件的開發(fā)。3）動態(tài)調(diào)試。對于整個控制系統(tǒng)來說，軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)是緊密相連的。對整個系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試時，需要利用Keil和Proteus等仿真工具對軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和診斷。調(diào)試過程中軟件系統(tǒng)中的用戶程序還需要與硬件系統(tǒng)連接起來進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，同時能夠?qū)崿F(xiàn)對軟件和硬件進(jìn)行檢查和診斷的功能。在各系統(tǒng)模塊電路調(diào)試完成后，將預(yù)編好的程序加載到仿真軟件中。軟件加載成功后就能使硬件執(zhí)行程序?qū)?yīng)的系統(tǒng)指令了。

4結(jié)束語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對區(qū)域內(nèi)燈光的智能控制，同時不影響原來對燈光的手動控制，這樣，當(dāng)智能控制系統(tǒng)不能正常工作時可以通過手動控制開關(guān)對燈光進(jìn)行控制。通過系統(tǒng)內(nèi)多任務(wù)模塊的實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的整體工作效率。經(jīng)過現(xiàn)實(shí)生活中的使用證明，系統(tǒng)各部件具有良好的穩(wěn)定性。假設(shè)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，設(shè)備設(shè)計(jì)可以使用可降低整體成本的廉價組件。在軟件開發(fā)中，信號是多任務(wù)處理，以達(dá)到控制照明的最終目的。與現(xiàn)有教室照明系統(tǒng)配合使用時，該系統(tǒng)可智能控制教室照明，降低成本，無需大幅改變原有電源配置。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋璐,馮艷平,衛(wèi)亞博.基于單片機(jī)的智能教室照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù),2019,15(4):253-254.

[2]徐亮,劉勇,張瀟楊.基于單片機(jī)的教室智能照明系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,2018,25(12):38-40+68.

[3]趙麗清.51單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用[M].東營:中國石油大學(xué)出版社,2009.

[4]顏鑫,張霞.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2019.

[5]趙禹臣,翟娟.基于單片機(jī)的教室智能照明系統(tǒng)[J].軟件,2019,40(3):26-29.

作者:茍海 劉堯 李杰 劉朝飛 陳越 姜博文 單位:六盤水師范學(xué)院