基于太阳能的电灯系统设计

.绪论1.1.研究背景及意义智能灯是目前智能家居技术领域中比较热门的一个研究方向，不同于传统的电灯，智能灯能够采用多种传感器来对用户所处的环境进行监控[1]，从而可以为用户提供一个更加合理的照明服务。就目前的智能灯系统而言，一般具有光线感应、人体感应以及遥控等特性[2]，这些特性可以使得用户能够对电灯进行更细粒度的控制，在不同的场景中表现出不同的特性。正是得益于智能灯的这些可定制化的优势，使其逐渐代替了传统的电灯，成为了市面上主流的照明系统[3]。电灯作为人们生活中常见的一种电子设备，属于家电的一种，但是长期以来，人们对于电灯的创新一直止步于上世纪的传统照明灯，仍然采用按键+灯泡的方式来对电灯进行控制。这种控制电灯的方式具有独特的优势[4]，即需要用户的学习成本较低，用户可以很容易地学会对电灯的控制，而传统电灯的设计理念也正基于此，就是采用最容易的方式来为用户进行服务。但是随着智能家居技术的出现，为传统家电的发展提供了一个新的方向。智能家居是当前智慧城市的主要发展方向之一，相比传统的家用电器，智能家居由于其具备更高的交互特性[5]，可以满足用户更多的生活需求，所以逐渐受到了大众的广泛认可。就目前智能家居的发展现状来看，我国已经处于一种高速发展的态势，各类科技型公司都将智能家居作为其战略目标之一，其中尤以小米、华为等科技巨头最具代表性。小米公司以智能手机作为智能家居的人机交互入口，设计了多种可控性更高的家用电器，如智能电视、音箱等[6]，用户只需要对手机进行操作，即可轻易地实现对家用电器的控制，正因为这一高超的设计理念，小米公司成为了世界五百强之一。华为公司的发展战略与小米公司如出一辙，但是在技术领域的钻研更为深入，由于其掌握了大量的芯片设计资源，所以很快得到了市场的认可[7]，成为了世界上首屈一指的科技巨头。随着物联网技术的发展，智能家居逐渐受到了人们的欢迎，得益于智能家居能够与人类进行交互的特性，使得人们在日常生活中能够通过智能家居产品来享受到更加贴心的服务。本文考虑到智能家居在人们日常生活中展现出的强大优势，设计了一款基于太阳能的电灯系统，系统具备光线检测与人体检测这两种控制方式[8]，当环境中光线较弱，而且用户距离灯体较近时，系统会通过继电器将电灯打开，如果环境光线变亮或者用户远离灯体时，系统都会自动将电灯关闭。通过采用本文提供的系统，可以为用户提供一个更加贴心的照明服务，同时也能够明显地降低用电成本[9]。1.2.国内外研究现状智能灯系统作为一种智能家居设备，一直以来便受到人们的广泛关注。相比于传统的电子设备，智能家居可以使用户亲自参与到对电子设备的控制过程中，允许用户与电子设备进行一定程度的交互，这种先进的控制理念将用户与电子设备融为一体，而不再是单独的个体，从而使用户可以采用更加合理的方式来对自己的设备进行控制，尽可能地满足用户的需求。虽然我们现在已经进入了智能家居的时代，人们也普遍接受了智能家居这种新颖的家电控制理念，但是纵观智能家居的发展历程[10]，可以发现智能家居在受到人们普遍欢迎的过程中，曾经受到了很多的挫折。在上世纪中叶，一些可编程器件进入了人们的视野，这些可编程器件允许人们进行编程来对外界进行一些简单的控制，但是由于存储器等一些电子元器件的限制，使得这些电子设备的体积非常庞大，无法被普通用户所使用[11]。随着存储芯片等这些传感器技术的逐渐提升，使元器件无论是在性能还是在体积上都有了很大的改善，这种技术的进步为智能家居步入寻常百姓家提供了一定的契机。我国在智能家居方面的技术积累十分扎实，这主要得益于我国拥有一批世界顶级的高科技公司，如华为、小米、百度等，这些公司生产的智能家居受到了人们的广泛好评，尤其是智能手机、智能手表以及智能门锁等[14]，已经成为了社会上最受人们欢迎的电子设备，在大街小巷我们都可以看到这些电子设备的身影，不同于那些传统的手表、门锁，这些智能化的设备允许用户接入互联网，通过互联网来对这些设备进行远程控制，可以给用户提供一个更加安全的生活环境[15]。比如常见的智能手表，就具有GPS定位、心率检测的功能，非常适合给婴儿或者老人携带，当发生婴儿丢失或者老人生病时，就可以通过互联网将这些信息及时地通知给家人，避免一些悲惨现象的发生。虽然我国在智能家居发面的发展已经站在了世界前列，但是目前我们仍然处于智能化社会的初级阶段，在这方向我们要走的路还很长，随着5G的逐渐普及，以往的采用4G通信的设备都将被逐渐取代，而这就会衍生出很多的就业机会和广大的市场需求，从而驱动我国整个社会的蓬勃发展，我们必须不断地调整自己，让自己能够适应目前这个技术不断更新迭代的社会，为国家的发展提供自己的一份力量[16]。1.3本文的研究内容 本文主要围绕一款智能灯系统的设计过程，文章首先对智能灯系统的发展现状进行了分析，并给出了智能灯系统设计的可行性。针对目前市面上流行的智能灯系统，本文给出了自己的设计方案，设计的系统具备如下所示的功能： 1、光线采集功能。本文设计了光线采集电路来满足系统对光线感应的需求，系统的光线采集电路由光敏电阻构成，并与电压比较器构成了电压比较电路，信号输出端与单片机的IO引脚相连，所以单片机可以根据电压比较器的输出来判断外界光强的大小，从而对灯光进行控制。 2、人体感应功能。系统设计了人体感应电路来对用户的距离信息进行采集，当用户距离电灯较近时，系统会根据光线采集电路的输出来对灯光进行控制，如果此时外界光线较暗，系统则会自动打开电灯，否则系统将自动关闭电灯。 3、继电器控制功能。系统设计了继电器电路来对电灯进行控制，当需要关闭电灯时，单片机会输出低电平给继电器，从而使电灯关闭，当需要打开电灯时，就输出高电平给继电器，此时电灯将自动打开。 本文系统通过实现上述所示的几个功能，完成了课题需求的智能灯系统的设计，采用本文提供的智能灯系统，可以给用户提供一个更加节省成本的供电方案，同时本文的设计过程也可以作为学生的电子设计参考方案。2系统方案设计2.1系统需求分析 本文主要设计一款基于太阳能的智能灯系统，该系统可以对光线和人体进行双重检测，并根据自己的控制策略来对灯管进行控制。在系统的功能方面，具有如下所示的功能需求：1、光线采集功能。本文设计了光线采集电路来满足系统对光线感应的需求，系统的光线采集电路由光敏电阻构成，并与电压比较器构成了电压比较电路，信号输出端与单片机的IO引脚相连，所以单片机可以根据电压比较器的输出来判断外界光强的大小，从而对灯光进行控制。 2、人体感应功能。系统设计了人体感应电路来对用户的距离信息进行采集，当用户距离电灯较近时，系统会根据光线采集电路的输出来对灯光进行控制，如果此时外界光线较暗，系统则会自动打开电灯，否则系统将自动关闭电灯。 3、继电器控制功能。系统设计了继电器电路来对电灯进行控制，当需要关闭电灯时，单片机会输出低电平给继电器，从而使电灯关闭，当需要打开电灯时，就输出高电平给继电器，此时电灯将自动打开。 针对上述的几个功能需求，可以给出如下所示的系统结构：图2.1系统结构2.2系统方案设计 2.1节给出了本文系统的总体结构，针对系统的功能需求，将系统细分为了人体感应模块、光线感应模块以及灯光控制模块。其中灯光控制模块中包含了两种控制模式，一种是按键控制，另一种是自动控制，自动控制由人体感应模块和光线感应模块来双重判定。通过对这些模块的分析，本文得到了如下所示的系统设计方案：图2.2系统框架 上图给出了本文的系统框架，根据该框架可以获知实现系统所需的软硬件模块，这些模块的设计过程将在后边的章节进行叙述。3硬件设计3.1单片机选型核心板主要负责完成系统的核心功能，在嵌入式系统中，核心板的作用相同于系统的中枢，通过对各路传感器的调度来实现用户所需求的功能。在嵌入式应用中，可以选择的核心板有很多，用户在选择的时候需要根据核心板的成本与性能进行综合的选择。一般而言，性能越高的核心板，在存储能力、计算能力等方面的表现更好，但是成本也越高。本文将对两款常用的核心板进行分析，并根据本文系统的要求来选择合适的核心板。1．常用的工业控制核心板STC89C51。STC89C51单片机是一款基于数字信号工作的自带FLASH的控制芯片，采用了8位CMOS制造工艺，能够作为常规工业控制领域中的核心控制器。STC89C51单片机内部自带一路4K的ROM，所以支持4K大小的程序存储，用户通过编译器编译后[17]，即可将生成的机器码下载至单片机内部的这4K存储器中，当单片机供电运行时，便会自动在ROM中进行寻址，找到合适的程序偏移地址来执行相关的代码。该单片机具有稳定性高，支持多次擦除的特性，尤其是在代码调试的过程中，使用该单片机能够显著地提升开发效率。该单片机内部设计采用了最小设计原则，包含了最小的通用开发逻辑电路，不仅可以满足日常工业控制的需要，在成本方面的控制也做的很好。硬件电路整体包含了4K的可擦除存储器、128字节的内存电路、32路标准IO引脚、两路定时器、一路串口以及12M的标准时钟振荡器。使用这些相关的模块电路，用户可以实现常用的电子控制功能，如标准输入输出、中断控制、定时器控制以及上下位机通信等。2．基于Contex-A53的GEC-6818开发板。区别于AT89C51等低端的控制器，GEC-6818开发板采用了更先进的架构与更强大的硬件，不同于AT89C51的低端MCU，GEC-6818采用了1GHZ的时钟电路来为芯片提供驱动，内部支持1G大小的内存存储，系统支持8核心CPU，在移植操作系统后，可以启动16线程工作，外部设计了4G大小的存储电路，同时也支持外接存储器进行扩容[18]。虽然GEC-6818可以支持更高性能的数据处理，但是该核心板对于功耗的控制也十分理想，支持5V供电，不需要外部变压电路的参与，所以可以与其他便携式传感器进行直接的数据交互。同时系统对于扩展性的考虑也十分周到，支持串口、USB以及以太网口等常见的数据传输协议，并提供了外部连接的接口，只需要采用对应的数据线即可与PC等设备进行数据传输。考虑到本文的系统对于性能要求并不高，所以采用STC89C51单片机作为系统的控制核心。单片机的电路原理图如下所示：图3.1单片机原理图3.1时钟和复位电路设计本文采用的单片机使用了STC89C51，是51系列中的一款标准单片机，采用了8位的计算精度，能够实现快速的整型计算及浮点运算。STC89C51单片机运行过程中需要外部震荡电路来提供符合振荡频率的工作时钟[19]，这个时钟需要保持在0~12MHZ之间，在这一时钟频率范围内，单片机的性能与时钟频率保持一个线性关系，但是耗电量也会同步增大。同时，单片机对时钟信号的幅值也有一定的要求，必须保持在3~5V之间，小于这一范围时，单片机的性能无法提供保证，而超过这一电压范围时，可能会烧毁单片机电路。所以本文设计了5V的10MHZ时钟电路，该电路通过内部的时钟震荡源来提供符合单片机需求的工作频率[20]，而标准电压则通过7805芯片来提供，外部使用12V的标准直流电压源供电，7805稳压电路可以将12V电压转为5V电压，从而满足单片机时钟电路的需求。下图所示为本文的主控电路：图3.2主控电路在电路设计上，复位电路采用了低电平触发的方式，当按下按键时，复位端引脚与GND导通，电压变低，触发单片机的复位。至于时钟电路，采用了标准的石英震荡源，通过配置特定信号的电容，可以让时钟电路的时钟信号保持在12MHZ左右，给单片机提供正常的工作频率。3.3光线采集电路设计 光线采集电路的核心是光敏电阻，光敏电阻可以实时地检测到外界光强的变化，当光强变强时，光敏电阻的电阻率变低，当光强变弱时，光敏电阻的电阻率变高。光线采集电路利用了光敏电阻的这一特性，设计了分压电路来进行光照的检测，下图给出了本文设计的光线采集电路原理图：图3.3光照检测电路 图中的光照检测电路将光敏电阻与一个10k的分压电阻进行了串联，当外界的光照强度变高时，光敏电阻两端的电压变低，而分压电阻两端的电压变高，导致比较器正向输入端的电压变高，单片机的IO引脚电平也随之变高，反之亦然。单片机可以根据IO引脚上电平的变化来判断外界光照的强弱，并据此来对灯光进行控制。3.4人体感应电路设计热释电模块用来对人体进行检测，从而起到系统需求的人体感应的作用。热释电模块芯片本文选择HC-SR501。该款热释电芯片是一种对红外线敏感的热释电传感器，当人体靠近热释电模块时，模块会返回一个高电平，而远离人体时，将返回一个低电平。单片机根据热释电传回的电平来判断用户的距离。下图给出了采用热释电模块设计的人体感应电路：图3.4热释电模块 热释电模块采用了三线制工作模式，包含了VCC、OUT以及GND三路引脚，其中VCC与GND需要与单片机的VCC和GND相连，而OUT引脚则是芯片的输出引脚，当有人靠近时，该引脚输出高电平，当无人时，引脚输出低电平。单片机可以根据该引脚的电平高低来对用户进行判断。3.5继电器电路设计继电器模块本文采用了常规的基于电磁线圈的继电器电路，在基于电磁线圈的继电器模块中，系统会将电磁线圈环绕在电磁柱上，电磁线圈通过一根弹簧来进行收发，当外部电磁线圈内部的电流强度较高时，电磁铁的吸力大于弹簧的弹力，导致线圈闭合，外部电路导通。而当电磁线圈的电流强度较弱时，就会使得电磁铁的吸力小于弹簧的弹力，导致线圈弹开，外部电路关闭。如下为继电器的常见电路示意图：图3.5继电器模块继电器模块的外部端口包含了三种端子：常开端、常闭端以及公共端。使用时会将外部12V电压连接至继电器的公共端，而将GND连接至继电器的常开端，当单片机给继电器输入高电平信号时，就会促使常开端与公共端闭合，外部电路导通，而单片机输入低电平信号时，常闭端与公共端闭合，外部电路关闭。3.6系统总体电路设计 下图给出了本文系统的总体电路原理图：图3.6系统整体电路原理图4软件设计4.1主程序设计 第三章对本文系统的硬件模块进行了设计，在这些硬件模块中，共包含了单片机模块、光照感应模块、人体感应模块以及继电器模块的设计。这些硬件模块需要软件模块的驱动才能实现课题所需的功能，而在系统的主程序部分，将负责对这些模块化的程序进行调度。下图给出了本文系统的主程序流程图：图4.1主程序流程4.2照明程序设计系统的照明程序主要负责对灯光照明时间的控制，当系统检测到需要打开灯光时，应该延迟一段时间才继续进行检测，这样才能保证用户能够得到正常的照明。在对这部分进行设计时，可以有两种方式：一种是在主程序中直接延时，另一种是采用定时器中断的方式。在主程序中直接延时，会在主程序的while循环中进行一定时间的空循环，当到达对应的时间后，再推出循环即可。而采用定时器中断的方式时，系统状态的变更会交给定时器中断函数进行处理，在处理函数中来完成系统的功能。在功能需求上，两种工作模式均可以完成系统对时间的延迟任务，直接延时会对主程序的工作造成延迟，从而影响其他功能模块的正常工作，但是编程方式较为简单，而定时器中断则与主程序进行了解耦，不会影响主程序的正常执行，但是对于编程的复杂度会产生一定的提升。由于本文的智能灯在打开灯光时，需要阻塞一定的时间，所以程序采用了空循环的照明方式。下图给出了这部分的软件流程：图4.2照明控制流程 系统在照明控制流程中，会首先对外界的光强和人体信息进行检测，如果系统决定打开灯光，就在开启电灯的同时，进入一个循环中，在循环中对计数器进行递减，如果计数器到达0值，就返回继续判断，通过这样的方式，可以避免程序由于光线抖动而造成的不断闪烁的问题。5系统测试5.1软件程序调试系统测试是开发流程中必不可少的一步，开发人员在完成系统的开发与自测后，将系统提交到测试人员手中，由测试人员进行专门的测试，只有通过测试人员的测试，开发的系统才可以正常流入市场。但是随着企业的发展，公司的系统应用会日益膨胀，导致无法对系统的全部功能进行测试，所以有必要将系统的功能进行拆分，通过对各个子模块功能的测试，来验证系统是否符合预期。本文采用KEIL软件来对系统的软件进行调试，下图给出了KEIL软件的调试结果图：图5.1工程创建示意图图5.2代码调试示意图图5.3KEIL软件配置图5.2protues仿真结果 本文采用protues来对系统进行测试仿真，完成系统代码的编译后，会在当前工程目录下生成本设计的hex文件，接着打开protues仿真软件，右键点击单片机，选择属性，将ProgramFile的路径设置为hex文件所在的目录，如下所示为这部分的操作过程：图5.4hex文件设置示意图 最后当完成对hex文件的配置后，点击运行即可对电路进行仿真。如下所示为本设计的电路仿真示意图：图5.5仿真图 上图所示即为本设计的电路仿真图，本文设计了6路按键来对设计进行控制，通过LCD1602显示的内容即可对系统的功能进行验证。首先我们对系统的时间显示功能进行测试，这部分的测试通过对比DS1302与LCD上时间是否一致来进行判断：图5.6时间测试结果 上图展示了单片机在时间显示部分的测试，可以发现DS1302上面显示的时间与LCD上显示的时间保持同步，所以本设计在时间检测方面具有很高的精度。接着对系统的光强检测部分进行测试，通过调节滑动变阻器的位置可以实现对光强显示数值的改变，如下所示为本部分的测试结果：图5.7光强检测测试结果 通过多次调节滑动变阻器的值，可以改变LCD上测试到的结果，所以本设计光强检测这部分的功能能够正确实现。最后对系统的人体感应统计模块进行测试：图5.8人体感应测试结果 人体感应部分通过protues的手动按键来实现，如果先按下内，再按下外，即可实现人体的靠近，反之亦然。通过上边几个模块的实验测试，可以验证本文的系统可以实现课题的所有需求。6结论本文主要围绕一款智能灯系统的设计过程，文章首先对智能灯系统的发展现状进行了分析，并给出了智能灯系统设计的可行性。针对目前市面上流行的智能灯系统，本文给出了自己的设计方案，设计的系统具备如下所示的功能： 1、光线采集功能。本文设计了光线采集电路来满足系统对光线感应的需求，系统的光线采集电路由光敏电阻构成，并与电压比较器构成了电压比较电路，信号输出端与单片机的IO引脚相连，所以单片机可以根据电压比较器的输出来判断外界光强的大小，从而对灯光进行控制。 2、人体感应功能。系统设计了人体感应电路来对用户的距离信息进行采集，当用户距离电灯较近时，系统会根据光线采集电路的输出来对灯光进行控制，如果此时外界光线较暗，系统则会自动打开电灯，否则系统将自动关闭电灯。 3、继电器控制功能。系统设计了继电器电路来对电灯进行控制，当需要关闭电灯时，单片机会输出低电平给继电器，从而使电灯关闭，当需要打开电灯时，就输出高电平给继电器，此时电灯将自动打开。 本文系统通过实现上述所示的几个功能，完成了课题需求的智能灯系统的设计，采用本文提供的智能灯系统，可以给用户提供一个更加节省成本的供电方案，同时本文的设计过程也可以作为学生的电子设计参考方案。参考文献[1]宫占霞,吴琼.单片机的应用举例[J].电子世界,2016(21):89-90.[2]李广第.单片机基础[M].第1版.北京:北京航空航天大学出版社,1999.[3]王飞飞.机电技术中传感器技术的应用分析[J].河南科技,2018(19):67-68.[4]何立民.从Cygnal80C51F看8位单片机发展之路.单片机与嵌入式系统应用[J].2002年,第5期:P5~8.[5]夏继强.单片机实验与实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.[6]徐科军,许伟,邵春