智能声光控楼道灯设计＊

侯秀丽，孙廨尧，罗青青

（安徽商贸职业技术学院信息与人工智能学院，安徽 芜湖 241002）

1 引言

楼道灯作为楼道专用的照明灯，属于新型建筑照明系统，近年来在国家绿色节能建筑的要求下，大部分新建楼宇的楼道灯都应用了智能LED灯，但是不少老旧建筑的楼道灯仍使用传统灯泡和接触开关，经常人走后，照明灯通宵长亮，浪费大量能源。楼道照明需求一般是断续的，白天或光线好时根本不需要亮灯，只有在黑天并且有人经过时才需要点亮，若单纯使用声控开关，即使白天也会频繁通断，无形中会缩短灯具的使用寿命。使用声光综合控制代替传统开关可以很好地解决上述问题。天黑光线变暗，当检测到有人经过楼道的脚步声或其他声音时，楼道灯自动点亮提供照明，当人们走过楼道以后，灯延时半分钟自动熄灭。白天光线强，即使检测到有声音，楼道灯也不点亮，可达到节能的目的[1]。这种智能声光双控灯的应用范围很广，如教学楼、大型工厂、办公楼的走廊以及住宅建筑的楼道等。

2 系统总体方案设计

在满足楼道照明需求下，智能声光控楼道灯还要实现最大化节能目标。在白天或太阳光较亮时，可视性较高，不需要照明。这时，电路要处于限制状态，不会因为接收到声音而亮灯。当夜晚光线微弱，人们看不清周围情况时才需要照明设备，所以电路要能在检测到人们的脚步声或拍掌等声音后自动亮灯，还要能在没有声音时开启一定时间（比如半分钟）后自动关闭照明灯[2]。系统总体方案如下。

使用光敏电阻来检测光线亮暗变化，通过电压比较器判断光线强弱，并且可以通过电位器调节光照阈值；采用驻极体话筒判断是否有声音，当感应到有声音时灯会亮，否则灯熄灭，并且可以通过电位器调节声音阈值；当光线变暗且检测到有声音时，继电器吸合（亮灯），延时约30 s继电器断开（灯灭），实现了节能控制；当光线持续变暗且连续感应到有声音时，则会以最后没有触发条件开始延时30 s，然后灯熄灭。

3 系统硬件设计

系统硬件结构如图1所示，系统由STC89C52单片机控制模块、光强检测与比较模块、声音检测模块、继电器输出模块及电源模块等部分组成。其中，控制模块采用低功耗、高性能的STC89C52单片机。作为8位微控制器，其拥有灵巧的8 k字节在系统编程Flash，512字节RAM，32位I/O口线，内置4 KB存储器，3个16位定时器/计数器及WDT，4个外部中断，支持全双工串口通信。

图1 系统硬件结构框图

3.1 单片机最小系统设计

图2 左下角的时钟电路、左上角的复位电路和图3所示的电源电路一起构成了单片机最小系统，它是单片机正常工作的基础。不难看出，由晶振Y1（11.059 2 MHz）、瓷片电容C1和C2组成了时钟电路。由电解电容EC1、按键S1和电阻R1构成了复位电路，该电路支持两种复位方式，即手动按键复位和上电自动复位。

图2 单片机时钟及复位电路

JD1为单片机的下载接口。单片机电源引脚为VCC和GND，系统选择5 V直流电源供电。电源电路设计思想是：原理简单、工作可靠、具有状态显示。电源电路如图3所示，可将USB电源线一端插在DC插座上，另一端插在5 V电源上，如电脑USB接口、手机充电器、移动电源等。通过一个自锁开关SW实现供电控制。当开关被按下，电源指示灯LED点亮，系统对外输出5V直流电压；当开关再次被按下，LED指示灯熄灭，切断电源，无输出。通过给红色的LED灯串联1 kΩ限流电阻，提高系统可靠性，实现过流保护[3]。

图3 电源电路

3.2 光照检测电路设计

3.2.1 光敏电阻检测光强电路设计

能够实现光强检测的传感器有很多种，如光电管、光电池、光敏电阻、光敏晶体管等，都是根据不同光电效应原理进行工作的。本系统选择光敏电阻作为检测光照强度的器件，光敏电阻通常是由半导体材料（硫化镉、硒化镉、硫化铅等）等制成的，其原理基于内光电效应。光照越强，阻值越低。光敏电阻对光线非常敏感，无光照时呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5 MΩ。随光照强度升高，阻值迅速降低，亮电阻值可小至1 kΩ以下[4]。光敏电阻应用电路如图4所示，光敏电阻应用电路通过串联一个10 kΩ电阻实现分压，保护光敏电阻。

图4 光敏电阻应用电路

3.2.2 LM393比较器电路设计

系统选择LM393比较器对光敏电阻输出的模拟信号进行数字处理。LM393是8个引脚的双电压比较器集成芯片，其负载电阻不受VCC端电压限制。LM393比较器的第3和第6引脚为模拟信号输入端，第2和第5引脚可外接电位器，用来设置参考电压，改变电位器阻值，即可改变参考设置电压。当第3和第6引脚模拟电压值超过所设置的参考电压后，则LED灯将会亮，否则，LED灯不亮，进而实现了对模拟信号状态量的检测。使用时，通常把芯片第1和第7脚接到单片机有关引脚上，即可采集处理相关数据，LM393电路原理如图5所示。

图5 LM393电路原理图

3.3 声音检测电路设计

电容式驻极体话筒具有很多突出优点，如电声性能好、外观小巧、价格实惠等，因此在无线麦克风、助听器、录音机中得到大量应用。本文选其作为声音检测传感器，电路可分为声电转换和阻抗变换两部分。声音检测电路如图6所示，声电转换核心元件是驻极体振动膜，它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜，经高压电场在两面分别驻有异性电荷。蒸金面向外，与金属外壳相连通。另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔开。这样，蒸金膜与金属极板之间形成一个电容。由于平板电容器的电容值C等于极板有效面积A与板间所填充的物质介电常数乘积再除以板间距离d，即当有声音输入时，膜片随声波发生振动，使电容两个极板间距离发生变化，导致电容量C变化[5]。因驻极体两侧电荷Q不变，所以电容两端电压发生变化（UC=Q/C），从而实现了声电转换。交变电压幅值大小可以反映外界声压的强弱,电压变化频率快慢能反映外界声音的频率高低。由于驻极体振膜与金属极板间的电容量比较小，一般为几十皮法，因此输出阻抗值很高（几十兆欧以上），而且很弱，所以不能直接与音频放大器相连，需要在话筒内接入一个三极管来进行阻抗变换[6]。

图6 声音检测电路

3.4 继电器控制电路设计

作为一种电子控制器件，继电器在电路中能起到调节、保护、转换等作用，被大量应用于自动控制、遥控、机电设备中。常用的电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等部分组成。给线圈施加一定的电压后，线圈中就会流过一定的电流，产生电磁感应。在电磁吸引力作用下衔铁会克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，使得动触点与静触点吸合。当线圈断电后，电磁吸引力也随之消失，衔铁在弹簧反作用力下返回初始位置，使动触点与原静触点释放。通过触点吸合与释放实现了电路的导通与切断控制[7-8]。继电器控制电路如图7所示，把继电器接在三级体管发射极上。三极管基极接单片机输出引脚，当单片机管脚输出为低电平时，管子导通，驱动继电器触点吸合，LED灯点亮。和前面一样，也是通过串联1 kΩ限流电阻进行保护。

图7 继电器控制电路

4 系统软件设计

4.1 软件开发与仿真调试

本设计中单片机开发环境应用Keil C51平台，使用C语言进行编程，采用主程序加子程序的结构。分别设计判断光强与声音程序以及延时控制程序。系统上电后，首先进行初始化操作，然后读取光强值，进行判断。当为黑天时，再判断是否有声音信号，若有，则让单片机控制引脚输出低电平信号给三极管驱动继电器闭合，实现楼道灯点亮，同时继续判断声音信号；若无，则延时30 s后继电器断开，使楼道灯熄灭。

源程序写好后编译生成.hex文件，使用protues软件进行系统仿真调试，若不能完全实现预定功能，则需要修改源代码，重新编译，直到满足全部控制要求为止。

4.2 程序下载

仿真调试通过的程序，使用STC-ISP单片机下载编程烧录软件，通过CH340串口烧写模块实现对单片机程序的烧写。步骤如下：将单片机开发板和下载器（即CH340串口烧写模块）以及计算机连接好后，首先需要在烧录软件中选择单片机型号和串口号，并设置好波特率，其次选择项目“hex”文件存放路径，然后单击程序下载按钮，稍等片刻即可完成下载过程。

5 系统实物制作与调试

根据前面第二部分所设计的电路，购买相关元器件，并检查无误后，进行硬件焊接，完成实物制作过程。再根据第三部分操作步骤，下载好程序后进行整机调试与故障排查[9]。系统实物运行如图8所示。

图8 系统实物运行图

6 结语

本文设计一个智能型声光控楼道灯，详细阐述了系统硬件电路设计过程以及程序设计步骤，并完成了实物模型制作与调试。经过多次测试，该系统均能实现预定功能。系统可靠性高，运行稳定，能够满足楼道智能照明需求，节能环保，具有一定的应用前景。