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單片機開發

24路調光控制器設計


基于單片機的24路調光控制器設計

目前,很多公共場所的走廊燈采用聲光控延時開關控制,雖然有一定的節能作用,但由于采用的是聲控,容易造成多盞燈同時被點亮的現象,節能效果不理想。此外,這種控制方案必然會給安靜的環境制造出不必要的噪音。而采用人體紅外感應的走廊燈控系統,智能化控制程度較高,容易實現燈光的啟動與人體運動的同步,當有人經過時,對應區域的燈光逐漸亮起,人離開后,燈光逐漸熄滅。

一、調光控制器系統概述

某五星級酒店的走廊示意圖如圖1所示。

圖 1 酒店走廊示意圖

圖1中,黑色的實心圓點代表紅外傳感器,共有12個,編號是S1~S12;T0~T12是13路筒燈,其中T0是常亮的,不受系統的控制;B0~B12是13路壁燈,每路由走廊兩邊并聯的兩組燈組成,B0不受控,保持常亮。所以系統需要檢測的傳感器有12個,需要控制的照明回路是24路。

酒店方給出的控制要求是,早上8點至晚上10點,全部的燈亮;晚上10點至次日早上8點,按照設置的模式工作,共有四種模式:

模式1:全部的燈都受控;模式2:筒燈常亮,壁燈受控;模式3:壁燈常亮,筒燈受控;模式4:全部的都不受控,常亮。在燈受控的情況下,假設所有燈都處于熄滅的狀態,當某個紅外傳感器感應到有人體移動,且再無別的傳感器有信號被檢測到時,則與紅外傳感器編號相同的筒燈和壁燈(以下稱當前燈)開始漸亮,大約3s后到達最大亮度,之后保持最大亮度5s,再開始漸滅,大約3s后到達最小亮度,即熄滅狀態;其左邊和右邊的燈(以下稱左右燈)延時2s后開始漸亮,之后的控制方法與當前燈相同。

如果某個紅外傳感器感應到有人體移動時,對應的當前燈及其左右燈并非都是處于熄滅的狀態,即在此之前已經有相鄰的傳感器檢測到有人體移動,則對當前燈及左右燈的控制方法如表1所示。

表 1 當前燈及左右燈的控制方法

在本系統中,工作模式1相對是最復雜的,以下的敘述均以工作模式1為例。

對于第1號傳感器(圖1中的S1),需要處理其對應的當前燈(筒燈T1和壁燈B1)及其右邊的燈(筒燈T2和壁燈B2);對于第12號傳感器(S12),需要處理其對應的當前燈(筒燈T12和壁燈B12)及其左邊的燈(筒燈T11和壁燈B11);對于其它10個傳感器(S2~S11),需要處理其對應的當前燈及其左右燈。而具體的處理方法,與受控燈當前的狀態(有熄滅、漸亮、常亮、漸滅四種情況)有關(如表1所示)。本系統的框圖如圖2所示。

圖 2 系統框圖

圖2中的紅外傳感器由12個人體熱釋電紅外傳感器構成,能探測人體發出的紅外輻射,在有效探測范圍內可實現對運動人體的檢測。過零檢測是對220V交流電過零點信號的提取電路,該信號作為系統中可控硅調光電路的同步信號。單片機檢測到同步信號,延時后產生觸發信號,通過鎖存電路給驅動電路中的可控硅,使后者導通。改變延時時間的長短也就改變了可控硅的導通區間的大小,達到調光的目的。時鐘模塊使用PCF8583,用于給系統提供北京時間,鍵盤和顯示器用于時間的修改和系統工作模式的設置。這部分的電路和程序設計比較常見,不在本文的討論范圍之內。

二、調光控制器程序設計

程序采用分時巡檢的處理方式,每10ms完成一部分燈回路狀態寄存器的刷新或檢測傳感器輸入信號的任務,在0.1s的時間內將全部的任務處理一遍,既保證了在每個中斷周期內有足夠的時間處理任務,又保證了處理的實時性。在這種處理方式下,系統的最大時延不超過0.1s,即傳感器信號可能會晚0.1s被系統檢測到、燈可能會晚0.1s被點亮,而人對這點時延是不敏感的。程序設計中最關鍵的就是多路PWM波形的產生。仍然以工作模式1為例,在這種模式下,系統最多需要同時產生24路的PWM波形。給每個燈回路分配一個8位的狀態寄存器(以下簡稱寄存器)和一個8位的延時寄存器,其數值范圍如表2所示。

其中,寄存器的高兩位(bit7~6)00、01、10、11分別代表燈回路的熄滅、漸亮、常亮、漸滅四種狀態;低5位(bit4~0)在漸亮、漸滅狀態下表示該過程持續的時間,在熄滅、常亮狀態下不用,數值固定為0;bit5未用。

例如,當某傳感器探測到有人體移動時,給對應當前燈的寄存器(包括筒燈和壁燈的兩個寄存器)賦初值0x5F,燈回路進入“漸亮”狀態,每0.1s對該回路處理一次,每次寄存器的值減1,當用于表示狀態持續時間的低5位為0時(時間大約3秒),給寄存器賦初值0x81、延時寄存器賦初值50,該回路進入“常亮”狀態;在“常亮”狀態下,每0.1s對延時寄存器的值減1,5s后其值減為0,再給寄存器賦初值0xC1,回路進入“漸滅”狀態;在“漸滅”狀態下,每0.1s對寄存器的值加1,大約3s后寄存器的低5位為全0,清零寄存器,回路進入“熄滅”狀態。

而對左右燈的處理要多一個過程,即當某傳感器檢測到有人時,對應的左右燈回路要延時2s后才開始漸亮,此時給左右兩個回路的寄存器(包括筒燈和壁燈,共四個寄存器)都賦初值0、延時寄存器賦初值20,每0.1s對延時寄存器的值減1,2s后其值減為0,再給寄存器賦初值0x5F,左右燈回路進入“漸亮”狀態,其后的過程與對當前燈的處理完全一樣,不贅述。

2.1紅外傳感器處理流程圖

當傳感器探測到有人體移動時,只需要按照表1的控制方法,對相關的當前燈及左右燈的狀態進行修改,即修改對應的寄存器。如圖3所示的是對左右燈的狀態處理的流程圖。

圖 3 紅外傳感器處理流程圖(左右燈)

而對當前燈狀態處理的流程與圖3相比,只有一點不同,即當傳感器探測到有人體移動且當前燈為“熄滅”狀態時,直接將其寄存器的值修改為“漸亮”狀態的初值0x5F。

2.2燈回路處理程序流程圖

燈回路處理程序要完成對燈回路在各種狀態下的持續時間的控制,并在某個狀態結束后,設置燈回路進入下一個狀態。程序流程圖如圖4所示。

圖 4 燈回路處理流程圖(左右燈)

圖4中,當燈回路處于熄滅狀態時,如果延時寄存器的值為0,則表示該燈目前是常滅,不需要做任何處理;如果延時寄存器的值不為0,則表示該燈的狀態是等待漸亮,當其值減到0時,進入漸亮狀態,給寄存器賦漸亮的初值0x5F。對當前燈回路處理的流程與圖4相比,亦只有一點不同,即當傳感器探測到有人體移動且當前燈為“熄滅”狀態時,將其寄存器的值修改為0x5F,直接進入“漸亮”狀態。

2.3燈回路控制信號輸出程序流程圖

24個燈回路的控制信號通過3片8位的鎖存器送至可控硅驅動電路。控制信號的輸出在定時器中斷中完成,中斷周期略小于10ms/32,即在10ms內輸出32次。如圖5所示是控制信號輸出中斷程序流程圖。

圖 5 控制信號輸出中斷程序流程圖

圖5中的“中斷計數”在由同步信號的下降沿產生的外部中斷程序中清0。程序中,為每個控制信號分配1位(bit)的存儲空間,24路控制信號共占用3個字節,圖中的“24路控制信號修改”即是根據燈的狀態,對這3字節、24位的數據進行修改,之后通過3片鎖存器將這3個字節的數據輸出。如圖6所示是一路控制信號修改的流程圖。圖中的寄存器是燈回路的狀態寄存器,在漸亮、和漸滅狀態時,其低5位代表的是狀態持續的時間。


當燈回路處于熄滅狀態時,由于寄存器的值固定是0(如表2所示),而中斷計數的數值范圍是1~32,兩者不相等,所以控制信號對應的位為1,可控硅不導通,燈常滅。常亮狀態時寄存器的值固定是0x81,低5位等于1,在中斷計數到1時(即同步信號下降沿后的第一次中斷),控制信號輸出0,燈亮的時間最長、亮度最大。

在剛進入漸亮狀態時,寄存器的值是0x5F,低5位等于31,在中斷計數到31時,控制信號輸出0,可控硅導通,亮度最低;每過0.1s,寄存器的值減1,可控硅導通時間提前約10ms/32,亮度逐漸增加。而在漸滅狀態之初,寄存器的值是0xC1,低5位等于1,所以在第一個中斷周期控制信號輸出0,可控硅導通,亮度最大;每過0.1s,寄存器的值加1,可控硅導通時間推遲約10ms/32,亮度逐漸降低。

總結

本文所設計的走廊燈控系統,已在多個星級酒店使用,運行情況良好。該系統雖然是為酒店而設計的,但實際上可應用在學校、醫院、寫字樓等其它的公共場合的照明控制,特別是本設計中24路獨立的PWM波形的產生方法,有實際的應用價值。

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