基于单片机的24路调光控制器设计

目前，很多公共场所的走廊灯采用声光控延时开关控制，虽然有一定的节能作用，但由于采用的是声控，容易造成多盏灯同时被点亮的现象，节能效果不理想。此外，这种控制方案必然会给安静的环境制造出不必要的噪音。而采用人体红外感应的走廊灯控系统，智能化控制程度较高，容易实现灯光的启动与人体运动的同步，当有人经过时，对应区域的灯光逐渐亮起，人离开后，灯光逐渐熄灭。

一、调光控制器系统概述

某五星级酒店的走廊示意图如图1所示。

图1中，黑色的实心圆点代表红外传感器，共有12个，编号是S1～S12；T0～T12是13路筒灯，其中T0是常亮的，不受系统的控制；B0~B12是13路壁灯，每路由走廊两边并联的两组灯组成，B0不受控，保持常亮。所以系统需要检测的传感器有12个，需要控制的照明回路是24路。

酒店方给出的控制要求是，早上8点至晚上10点，全部的灯亮；晚上10点至次日早上8点，按照设置的模式工作，共有四种模式：

模式1：全部的灯都受控；模式2：筒灯常亮，壁灯受控；模式3：壁灯常亮，筒灯受控；模式4：全部的都不受控，常亮。在灯受控的情况下，假设所有灯都处于熄灭的状态，当某个红外传感器感应到有人体移动，且再无别的传感器有信号被检测到时，则与红外传感器编号相同的筒灯和壁灯（以下称当前灯）开始渐亮，大约3s后到达更大 亮度，之后保持更大 亮度5s，再开始渐灭，大约3s后到达最小亮度，即熄灭状态；其左边和右边的灯（以下称左右灯）延时2s后开始渐亮，之后的控制方法与当前灯相同。

如果某个红外传感器感应到有人体移动时，对应的当前灯及其左右灯并非都是处于熄灭的状态，即在此之前已经有相邻的传感器检测到有人体移动，则对当前灯及左右灯的控制方法如表1所示。

在本系统中，工作模式1相对是最复杂的，以下的叙述均以工作模式1为例。

对于第1号传感器（图1中的S1），需要处理其对应的当前灯（筒灯T1和壁灯B1）及其右边的灯（筒灯T2和壁灯B2）；对于第12号传感器（S12），需要处理其对应的当前灯（筒灯T12和壁灯B12）及其左边的灯（筒灯T11和壁灯B11）；对于其它10个传感器（S2~S11），需要处理其对应的当前灯及其左右灯。而具体的处理方法，与受控灯当前的状态（有熄灭、渐亮、常亮、渐灭四种情况）有关（如表1所示）。本系统的框图如图2所示。

图2中的红外传感器由12个人体热释电红外传感器构成，能探测人体发出的红外辐射，在有效探测范围内可实现对运动人体的检测。过零检测是对220V交流电过零点信号的提取电路，该信号作为系统中可控硅调光电路的同步信号。单片机检测到同步信号，延时后产生触发信号，通过锁存电路给驱动电路中的可控硅，使后者导通。改变延时时间的长短也就改变了可控硅的导通区间的大小，达到调光的目的。时钟模块使用PCF8583，用于给系统提供北京时间，键盘和显示器用于时间的修改和系统工作模式的设置。这部分的电路和程序设计比较常见，不在本文的讨论范围之内。

二、调光控制器程序设计

程序采用分时巡检的处理方式，每10ms完成一部分灯回路状态寄存器的刷新或检测传感器输入信号的任务，在0.1s的时间内将全部的任务处理一遍，既保证了在每个中断周期内有足够的时间处理任务，又保证了处理的实时性。在这种处理方式下，系统的更大 时延不超过0.1s，即传感器信号可能会晚0.1s被系统检测到、灯可能会晚0.1s被点亮，而人对这点时延是不敏感的。程序设计中最关键的就是多路PWM波形的产生。仍然以工作模式1为例，在这种模式下，系统最多需要同时产生24路的PWM波形。给每个灯回路分配一个8位的状态寄存器（以下简称寄存器）和一个8位的延时寄存器，其数值范围如表2所示。

其中，寄存器的高两位（bit7～6）00、01、10、11分别代表灯回路的熄灭、渐亮、常亮、渐灭四种状态；低5位（bit4～0）在渐亮、渐灭状态下表示该过程持续的时间，在熄灭、常亮状态下不用，数值固定为0；bit5未用。

例如，当某传感器探测到有人体移动时，给对应当前灯的寄存器（包括筒灯和壁灯的两个寄存器）赋初值0x5F，灯回路进入“渐亮”状态，每0.1s对该回路处理一次，每次寄存器的值减1，当用于表示状态持续时间的低5位为0时（时间大约3秒），给寄存器赋初值0x81、延时寄存器赋初值50，该回路进入“常亮”状态；在“常亮”状态下，每0.1s对延时寄存器的值减1，5s后其值减为0，再给寄存器赋初值0xC1，回路进入“渐灭”状态；在“渐灭”状态下，每0.1s对寄存器的值加1，大约3s后寄存器的低5位为全0，清零寄存器，回路进入“熄灭”状态。

而对左右灯的处理要多一个过程，即当某传感器检测到有人时，对应的左右灯回路要延时2s后才开始渐亮，此时给左右两个回路的寄存器（包括筒灯和壁灯，共四个寄存器）都赋初值0、延时寄存器赋初值20，每0.1s对延时寄存器的值减1，2s后其值减为0，再给寄存器赋初值0x5F，左右灯回路进入“渐亮”状态，其后的过程与对当前灯的处理完全一样，不赘述。

2.1红外传感器处理流程图

当传感器探测到有人体移动时，只需要按照表1的控制方法，对相关的当前灯及左右灯的状态进行修改，即修改对应的寄存器。如图3所示的是对左右灯的状态处理的流程图。

而对当前灯状态处理的流程与图3相比，只有一点不同，即当传感器探测到有人体移动且当前灯为“熄灭”状态时，直接将其寄存器的值修改为“渐亮”状态的初值0x5F。

2.2灯回路处理程序流程图

灯回路处理程序要完成对灯回路在各种状态下的持续时间的控制，并在某个状态结束后，设置灯回路进入下一个状态。程序流程图如图4所示。

图4中，当灯回路处于熄灭状态时，如果延时寄存器的值为0，则表示该灯目前是常灭，不需要做任何处理；如果延时寄存器的值不为0，则表示该灯的状态是等待渐亮，当其值减到0时，进入渐亮状态，给寄存器赋渐亮的初值0x5F。对当前灯回路处理的流程与图4相比，亦只有一点不同，即当传感器探测到有人体移动且当前灯为“熄灭”状态时，将其寄存器的值修改为0x5F，直接进入“渐亮”状态。

2.3灯回路控制信号输出程序流程图

24个灯回路的控制信号通过3片8位的锁存器送至可控硅驱动电路。控制信号的输出在定时器中断中完成，中断周期略小于10ms/32，即在10ms内输出32次。如图5所示是控制信号输出中断程序流程图。

图5中的“中断计数”在由同步信号的下降沿产生的外部中断程序中清0。程序中，为每个控制信号分配1位（bit）的存储空间，24路控制信号共占用3个字节，图中的“24路控制信号修改”即是根据灯的状态，对这3字节、24位的数据进行修改，之后通过3片锁存器将这3个字节的数据输出。如图6所示是一路控制信号修改的流程图。图中的寄存器是灯回路的状态寄存器，在渐亮、和渐灭状态时，其低5位代表的是状态持续的时间。

当灯回路处于熄灭状态时，由于寄存器的值固定是0（如表2所示），而中断计数的数值范围是1～32，两者不相等，所以控制信号对应的位为1，可控硅不导通，灯常灭。常亮状态时寄存器的值固定是0x81，低5位等于1，在中断计数到1时（即同步信号下降沿后的 次中断），控制信号输出0，灯亮的时间最长、亮度更大 。

在刚进入渐亮状态时，寄存器的值是0x5F，低5位等于31，在中断计数到31时，控制信号输出0，可控硅导通，亮度更低 ；每过0.1s，寄存器的值减1，可控硅导通时间提前约10ms/32，亮度逐渐增加。而在渐灭状态之初，寄存器的值是0xC1，低5位等于1，所以在 个中断周期控制信号输出0，可控硅导通，亮度更大 ；每过0.1s，寄存器的值加1，可控硅导通时间推迟约10ms/32，亮度逐渐降低。

总结

本文所设计的走廊灯控系统，已在多个星级酒店使用，运行情况良好。该系统虽然是为酒店而设计的，但实际上可应用在学校、医院、写字楼等其它的公共场合的照明控制，特别是本设计中24路独立的PWM波形的产生方法，有实际的应用价值。