基于聲光傳感器的照明電路控制系統設計

代婷婷

隴南師范高等?？茖W校，甘肅 隴南 742500

0 引言

照明設備作為人們日常生活中的重要組成部分，對照明電路的運行效率、功率消耗有嚴格要求[1]。在計算機技術與自動控制技術的協同發展下，照明設備及照明電路的種類逐漸增多，其功耗、運行效率與質量的管理難度逐漸升高[2]?？茖W合理的照明電路控制系統至關重要，能夠直接控制照明電路的運行狀況，并根據不同環境光源的需求，提供相應的照明電路控制方案，調節照明設備的照明模式，避免出現能源消耗過大的情況[3]。

現階段，我國在照明電路控制系統方面的研究逐漸成熟。然而，受到部分自然因素與技術因素的影響，在電路控制系統終端節點照度遠程控制方面仍然存在一定的不足，照明方式存在限制性，過于單一化，嚴重降低了照明電路控制的整體效果[4]。聲光傳感器作為傳感器的一種，主要以超聲波與光波作為傳輸介質，可以根據系統客戶端發出的請求，接收并分析照明控制命令，并及時作出響應，從而改善傳統照明電路控制系統的不足[5]?；诖?，文章在傳統照明電路控制系統的基礎上引入聲光傳感器，對系統的硬件與軟件進行優化設計，提出一種新的控制系統，為照明設備的高效運行提供保障。

1 系統硬件設計

為了提升照明電路控制系統硬件的運行效率與質量，文章在傳統電路控制系統的基礎上采用C/S硬件架構，對系統的硬件進行了優化設計。文章設計的基于聲光傳感器的照明電路控制系統采用AT 75C5型號的單片機，其具有較高的兼容性，能夠節省照明電路的耗電量[6]。系統的電源模塊采用交流220 V電壓，設置其直流電壓為24 V，能夠為CPU進行可靠供電。系統CPU采用型號為236-2 TL/MD的集成CPU，與通信PN口之間建立連接，實現系統內的數據交換[7]。系統的傳感器采用MTL-4165C5型號的聲光傳感器，其尺寸為35 mm×109 mm，由發送器、接收器、投光器、受光器與控制器組成，聲波發射端的脈沖電信號為25～40 kHz，通過傳感器振動發出相應的聲波，生成電信號，經過濾波處理后，傳送給系統單片機[8]。設置傾角傳感器的比例電壓輸出與負載驅動能量測量范圍，保證其運行的工作溫度在-45～120 ℃。

根據照明電路控制系統的實際運行狀況，不斷調節傳感器的檢測亮度，將接收到的光信號轉換為電信號，經過單片機的處理操作后，實現照明電路調光、節能的目標。系統的驅動器采用HT-5520T3型號的高效LED驅動器，成本較低，在系統運行中起到升降電壓的控制作用。設置LED驅動器芯片的運行效率大于90%，輸入電壓在8～450 V范圍內，驅動電流變化平穩。通過上述照明電路控制系統的硬件設計，可以為系統提供穩定的運行環境。

2 系統軟件設計

在照明電路控制系統硬件設計結束后，對系統的軟件進行全方位設計，以彌補傳統照明電路控制系統中的不足。

2.1 光照信號數據采集模塊設計

光照信號數據對照明電路控制系統的運行有重要意義。首先，結合聲光傳感器的采集作用，設計光照信號數據采集模塊。選取合適的光照強度與光照條件，設置采集模塊的采集時間間隔，控制照明設備與聲光傳感器之間的距離。在此基礎上，設置照明設備在開啟與關閉狀態下的光照度數據采集參數及設備照度平均值，如表1所示。

表1 照明設備光照度數據采集參數

先獲取照明設備的照度值，制訂對應的照明電路調試規劃方案，安裝PLC調試程序，再與中控室上位機及數據采集模塊之間建立連接，通過中控室能夠實時監控照明電路控制系統的運行狀況。

2.2 照明設備管理模塊設計

在光照信號數據采集模塊設計結束后，對系統內的照明設備管理模塊進行相應設計。將照明設備管理模塊與系統的通信端口連接，通過串口接口接入通信網絡下的局域網。對系統內整體的照明設備管理模塊進行區域劃分，結構如圖1所示。

如圖1所示，照明設備管理模塊主要分為照明分區管理子模塊、燈具信息管理子模塊、通信狀態跟蹤子模塊、自動調光子模塊、照明場景設置子模塊及遠程控制子模塊6個模塊。其中，照明分區管理子模塊為設備管理模塊的主要入口分區，通過設計該模塊，可以使系統內各個照明控制區域實現獨立操作的目標，通過快速切換按鈕，可以根據照明任務實時切換設備照明區域；燈具信息管理子模塊主要負責照明設備關聯節點的信息存儲、照明使用場景信息存儲、燈具節點管理等，通過系統PC端，將燈具信息發送到通信模塊，進行照明燈具模組的控制管理；通信狀態跟蹤子模塊負責跟蹤處理照明設備運行狀態，并及時反饋給系統終端；自動調光子模塊負責調控照明設備的照度狀態，基于傳感器的數據采集，實現自動調光與照明的目標；照明場景設置子模塊負責調節設備照明時間、照明亮度與設置照明場景，針對不同的照明需求，選取舒適度較高的照明場景；遠程控制子模塊作為配置調控模塊，能夠初始化系統時間，對照明設備與照明目標進行批量控制，遠程控制系統照明設備的開關，全方位實現照明電路控制系統的自動化與智能化管理目標。

圖1 照明設備管理模塊結構示意圖

2.3 照明控制程序設計

照明控制程序作為照明電路控制系統中的重要組成部分，直接決定照明設備的照明運行模式。首先，選取適用于照明電路控制系統的通信協議，實時采集并反饋照明設備的運行狀況，發送與接收系統的各項信息數據；在選取通信協議的基礎上，設計系統照明控制程序的運行流程，如圖2所示。

如圖2所示，首先，利用聲光傳感器，采集照明設備的初始化運行數據，將運行數據轉換為電信號，利用數據讀取器，讀取照明電路信號；通過系統的主控模塊，定期發送照明電路命令請求信號，主控子模塊在接收到請求信號后，根據請求信號的位置反饋定位信號；照明電路控制系統接收定位信號后執行對應的客戶端命令，完成照明電路的控制。

圖2 照明電路控制程序流程圖

3 系統測試

為了客觀分析文章設計的基于聲光傳感器的照明電路控制系統的可行性，進行了系統測試。搭建系統測試環境，服務器硬件采用Windows Server 2008操作系統，CPU為Intel(R)Xeon(R) Silver 4214，硬件內存為64 G，服務器代理為Tomcat；客戶端硬件采用Windows 10專業版操作系統，瀏覽器為Google Chrome，CPU為Inter Core i5-12640KF，硬件內存為16 G；系統運行的網絡帶寬為1 000 M。將文章設計的照明電路控制系統應用到測試環境中，先采用白盒測試的方法，測試系統中各個功能模塊的運行狀況是否符合預期，結果如表2所示。

表2 照明電路控制系統功能模塊測試結果

如表2所示，通過白盒測試可以得知，文章設計的照明電路控制系統的各個功能模塊的測試結果均符合預期目標，表明系統功能模塊運行狀況良好，滿足照明電路的照明需求。然后，采用MATLAB分析軟件，全方位地對系統的運行性能進行多次分析測試。為了使測試結果更加具有對比性，將文章設計的基于聲光傳感器的照明電路控制系統與傳統的照明電路控制系統進行對比，對比兩種系統運行中產生的能耗及響應時間，結果如表3所示。

表3 兩種系統的能耗及響應時間對比

根據表3的測試結果可知，在兩種照明電路控制系統中，文章設計的基于聲光傳感器的控制系統產生的電路能耗低于傳統控制系統，且系統響應時間更短，能夠快速對照明電路控制作出響應，系統的整體運行效果更加具有優勢。

4 結束語

綜上所述，為了改善傳統照明電路控制系統運行效率較低、能耗較大的問題，文章在傳統控制系統的基礎上引入聲光傳感器，對系統的硬件與軟件進行了全方位的改進設計。通過應用新系統，可以降低照明設備使用中產生的能耗，且系統整體的響應速度較快，根據不同用戶的照明需求，可以提供對應的照明電路控制方案，顯著提升了用戶的整體體驗。