智能家居照明控制系统硬件电路设计

3 智能家居照明控制系统硬件电路设计

家居照明控制系统的智能化主要体现在两大功能模块上，一个是智能调光装置，另一个就是光照度的检测、显示及补偿装置。下面主要就这两方面来介绍智能照明系统的硬件设计，但这里要特殊申明的是，由于各种原因在硬件的具体制作与实验方面，本人只制作了照度检测、显示及补偿的演示装置。

3.1 主要元器件的选取

3.1.1控制器的选择

硬件设计过程中控制器是系统的核心部分，它能够控制系统的信号的采集及处理功能，它的性能的好坏决定着系统设计的成败与否，因此，必须对主控制器从功能和应用性能进行选择。可选用控制器主要有可编程控制器(PLC)、单片机两类，它们各有自己的有缺点。

可编程控制器（PLC)是专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，、用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入、输出控制各种类型的机械或生产过程。它的主要功能是逻辑控制、定时控制、计数控制、步进控制、PID控制、数据控制、通信和联网等。因此它的抗干扰能力强，工作可靠，但其无法读取外部存储器的数据。而本文智能家居照明控制系统要实现对照明的人性化管理，也就是根据人的控制输入出现相应的照明场景和自动执行相应控制输出相结合，具备很大的灵活性。方便修改相应的场景参数，易于功能扩展，还可以与PC机以及与其它单片机进行通信。

由于单片机技术在各个领域得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机。而单片机的设计在满足大多数测控参数对数据处理速度和数据容量相对要求不高的前提下，大力发展了其控制功能和控制运行的可靠性，因而更适合于检测、控制型应用场合。本系统并不需要进行复杂数学模型的计算工作，数据容量也不多，非常适合使用单片机作为本系统的微处理器。

而在单片机家族的众多成员中，AT89系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于AT89系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。由于AT89S51

单片机是在8031的基础上推出的增强型产品，并提高了芯片的集成度，因此在性能上大为提高，增加了多种片内硬件功能，并扩展了功能单元的种类和数量。通过以上分析，最终选择AT89S51作为本系统的主控器。

3.1.2显示器件的选择

显示主要有LCD显示和LED显示两种。液晶显示器(LCD)是一种低功耗的显示器件，在袖珍式仪表或低功耗应用系统中有广泛的应用。液晶显示器有标准段式液晶显示器、字符点阵液晶显示器和全点阵图形液晶显示器三种。液晶本身并不发光，而是借助自然光或外来光源显示数码，它的优点是工作电压低，耗电极省、成本低。LED显示器是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和“米”字段之分。这种显示器有共阴极和共阳极两种。显示器有静态显示和动态显示两种。静态显示是使需要显示的字符的各字段连续通以电流，因而所显示的字段连续发光。动态显示是使所需要显示的各字段断续通以电流，因而其发光是不连续的。对于本系统考虑成本及需求等方面，选择LED数码管显示。

3.1.3光照度检测元件的选择

光敏电阻在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

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光照度检测元件有光敏电阻、光敏三极管、光敏二极管等三种光敏元件。

使用光敏电阻作为光照度的检测元件，光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻、红外光光敏电阻、和紫外光光敏电阻。当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。值得注意的是，光敏电阻的光照特性（随光照强度变化的特性）、温度系数（随温度变化的特性）、伏安特性线性度不好，

所以选择光敏电阻作为本次实验的光照度检测元件不是很适合。

使用光敏三极管作为光照度的检测元件，光敏三极管和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。当人射光子在基区及集电区被吸收而产生电子一空穴对时，便形成光生电压。由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了β倍的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当干将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大。但结构原因使结电容加大，响应特性变坏。所以选择光敏电阻作为本次实验的光照度检测元件也不合适。

使用光敏二极管作为光照度的检测元件，光敏二极管是利用半导体材料的光特性实现二极管的开关功能，光敏二极管和普通二极管相比虽然都属于单向导电的非线性半导体器件，但在结构上有其特殊的地方。光敏二极管使用时要反向接入电路中，即正极接电源负极，负极接电源正极。根据PN结反向特性可知，在一定反向电压X围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN 结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（蓝光、红光、红外光）在光敏二极管不同区域被吸收形成光电流。光敏二极管和光敏三极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好，可靠性好、体积小、使用方便等优点。正因为这些特点本系统主要选择光敏二极管作为光照度检测元件。

3.2电源电路设计

本系统主要采用＋-12V电源和+5V电源，电路图如图3-1所示：