基于單片機(jī)的新型節(jié)能日光燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng)，節(jié)能已成為一個(gè)重要的社會(huì)課題。日光燈是目前使用最為廣泛的一種燈具，但同大多數(shù)燈具一樣，一旦開(kāi)啟，無(wú)論外界光強(qiáng)多大，它們都只能發(fā)出單一光強(qiáng)的光，這造成了能源的浪費(fèi)。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文提出了基于單片機(jī)的新型日光燈系統(tǒng)，通過(guò)采集外界光強(qiáng)信息，采用AT89C51單片機(jī)控制日光燈輸出光強(qiáng)的方式，使日光燈隨外界光強(qiáng)的變化而自動(dòng)調(diào)整照射光強(qiáng)，在滿足使用者的用光要求的前提下，達(dá)到節(jié)約能源的目的。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)，可廣泛用于學(xué)校學(xué)習(xí)和家庭生活。

1 硬件電路組成及工作原理
1．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。系統(tǒng)分為光線采集、單片機(jī)控制和日光燈自動(dòng)調(diào)整3部分。光線采集部分主要由光敏電阻、三極管和配套電路組成；單片機(jī)控制部分主要由AT89C51單片機(jī)及其外圍電路，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成；日光燈自動(dòng)調(diào)整部分系統(tǒng)主要由光耦MOC3052，雙向三極管BT136及其外圍電路組成。光線采集部分通過(guò)光敏電阻感受外界光強(qiáng)，通過(guò)其阻值的變化將外界光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化。單片機(jī)控制部分通過(guò)ADC0809將電壓的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過(guò)分析處理輸出占空比可控的PWM波。日光燈自動(dòng)調(diào)整部分根據(jù)PWM波調(diào)整日光燈燈管兩端的電壓，可在一定電壓范圍內(nèi)達(dá)到較高的調(diào)控精度(0．1 V)，以達(dá)到控制照射光強(qiáng)的目的。

1．2 光強(qiáng)采集電路
    如圖2所示，本設(shè)計(jì)采用的是基極分壓式射極偏置電路，由Vcc(5 V)、基極電阻R5、R1和集電極電阻R6組成，三極管射極直接接地，其中R5、R6是普通電阻，R1為光敏電阻。該電路具有很好的穩(wěn)定性，阻值很大的R5直接接在三極管的基極，起到很強(qiáng)的控制基極電流的作用，可以有效防止由于溫度等原因造成的電阻阻值波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。光敏電阻直接接受外界光強(qiáng)，所選光敏電阻光譜峰值540 nm，亮電阻(10LUX)5～10 kΩ，暗電阻0．6 MΩ。

    當(dāng)外界光強(qiáng)變大時(shí)，光敏電阻R1阻值變小，電流IR1變小，三極管基極電流Ib變小，集電極電壓，即輸出電壓IN0-BAK變大。同理，當(dāng)外界光強(qiáng)變小時(shí)，輸出電壓IN0-BAK變小。這樣，三極管將由光強(qiáng)變化引起的電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化輸出，接入ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸入端口。
1．3 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)選用8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。該芯片是典型的8位8通道逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，可對(duì)8路模擬電壓實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換。為了換算方便，設(shè)置基準(zhǔn)電壓為5 V，即模擬量輸入為+5．0時(shí)，ADC輸出為0FFH，即225，系統(tǒng)分辨率為50／255=0．2V／LSB?；鶞?zhǔn)電壓設(shè)為5 V，為保證轉(zhuǎn)換的精度，由LM7805精密穩(wěn)壓器提供。
    LM7805聯(lián)接方式如圖3所示，J1接12 V普通直流電源，C6和C7作為輸入和輸出的濾波電容，C12為輸入電阻，C3為負(fù)載電阻。

1．4 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用Atmel公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。它是一種低電壓、低功耗、高性能的CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 kB可反復(fù)擦寫(xiě)的程序存儲(chǔ)器和256 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)及其必要的外圍電路，包括復(fù)位電路和晶振電路如圖4所示。

    本系統(tǒng)使用AT89C51自帶的PWM模塊，通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器，采用脈寬調(diào)制技術(shù)。輸入端P2．O～P2．7輸入8位由IN0-BAK端電壓轉(zhuǎn)化的數(shù)字輸入量，由P1．3口輸出不同占空比的方波。這樣將輸入的外界光強(qiáng)的變化轉(zhuǎn)化為輸出的PWM波的占空比的變化。
1．5 日光燈控制電路
    如圖5所示，本模塊為核心部分。P1．3為PWM波輸入，高低電平分別為5 V和0 V，R11為上拉電阻，起限流作用。SMD元件為MOC3052，是一種光電耦合器件，用于弱電電路和強(qiáng)電電路的有效隔離。J2接220 V交流電源，J3接地，R10為日光燈電阻，兩端分別接日光燈的火線和地線。R7和R8為對(duì)稱(chēng)大功率電阻，起限流作用。
    當(dāng)P1．3輸入為低電平時(shí)，光耦MOC3052導(dǎo)通，為雙向晶閘管控制極提供導(dǎo)通脈沖，雙向晶閘管導(dǎo)通，起到分流的作用，設(shè)此時(shí)日光燈電阻R10兩端電壓為V12；同理，當(dāng)P1．3輸入為高電平時(shí)，光耦截止，雙向晶閘管截止，設(shè)R10兩端電壓V2。其中，V2<V1。所以通過(guò)對(duì)占空比的改變，即改變光耦的導(dǎo)通時(shí)間，可以有效地控制日光燈兩端的電壓，即達(dá)到變?nèi)展鉄艄鈴?qiáng)的效果。
    由于日光燈的燈管開(kāi)始點(diǎn)燃時(shí)需要一個(gè)高電壓，正常發(fā)光時(shí)則允許通過(guò)不大的電流，這時(shí)燈管兩端的電壓低于電源電壓。本實(shí)驗(yàn)使用的日光燈功率為40 W，經(jīng)測(cè)定，起輝電壓最低為200 V，而正常發(fā)光后維持穩(wěn)定光亮的電壓要求為165～245 V，即電壓可控范圍為165～245 V。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)主要的任務(wù)是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外界的光強(qiáng)，然后通過(guò)單片機(jī)通過(guò)輸出PWM波控制光耦的開(kāi)合來(lái)達(dá)到控制日光燈光強(qiáng)的目的。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于單片機(jī)的編程。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

    單片機(jī)編程主要包括初始化程序、光強(qiáng)采集處理程序和PWM波輸出程序等。初始化包括硬件的初始化和定時(shí)器的初始化；光強(qiáng)采集處理主要完成外部采集的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換：產(chǎn)生PWM波采用中斷延時(shí)配合循環(huán)指令。下面對(duì)各部分作詳細(xì)分析。
    首先通過(guò)光敏電阻感應(yīng)相應(yīng)的光線強(qiáng)度并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字變量傳入單片機(jī)。單片機(jī)集成的ADC0809將光線強(qiáng)度模擬變量轉(zhuǎn)化成數(shù)字變量(因?yàn)锳DC0809是8位通道，所以其轉(zhuǎn)化范圍為0～255)，將得到的8位數(shù)字變量從P2．0～P2．7端口輸入到AT98C51。程序中讀入8位輸入量并將其除以255得到光強(qiáng)度系數(shù)，這里用變量1d表示(變量范圍0～1)。
    得到光強(qiáng)度系數(shù)后就以這個(gè)數(shù)字為占空比輸出PWM信號(hào)來(lái)控制光電耦合器。此步是在程序中通過(guò)調(diào)用計(jì)時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，將輸出口定于P1.3。依據(jù)日常用的日光燈頻率將輸出方波的周期定為50 Hz，因?yàn)?0 Hz頻率的光能讓人眼感覺(jué)不到交流燈光的閃爍。將正波的時(shí)間跨度假設(shè)為1s，因此負(fù)波的時(shí)間跨度就為(1-1)s。正波時(shí)間跨度通過(guò)光強(qiáng)度系數(shù)乘以周期可得到。由此設(shè)置定時(shí)器，首先在程序中將定時(shí)器模式調(diào)為方式0，使用12 MHz的晶振，并通過(guò)中斷響應(yīng)來(lái)調(diào)用。
    根據(jù)定時(shí)初值=，t是所需要定時(shí)的時(shí)間(ms)，計(jì)算出初值為5 ms，然后以5 ms為一周期進(jìn)行定時(shí)處理。因?yàn)轭l率50 Hz即周期為0．02 s，故需要對(duì)此定時(shí)器進(jìn)行4次循環(huán)。本系統(tǒng)將循環(huán)的次數(shù)與定時(shí)器中斷的次數(shù)相同步，即定時(shí)器中斷一次算一次循環(huán)，這樣就可以樣就可以保證0．02s的周期長(zhǎng)度。
    輸出方波的正負(fù)性，可以根據(jù)光強(qiáng)度系數(shù)乘以4得出的值來(lái)決定。當(dāng)循環(huán)的次數(shù)小于這個(gè)數(shù)時(shí)，輸出的是正波，當(dāng)大于這個(gè)數(shù)時(shí)，輸出的是負(fù)波。以此就可以輸出頻率為50 Hz并且符合相應(yīng)光強(qiáng)度系數(shù)的方波來(lái)進(jìn)行光電耦合器的控制。單片機(jī)將相應(yīng)的PWM波從P1．3口輸出，系統(tǒng)接收到后進(jìn)行相應(yīng)的判斷，根據(jù)占空比大小進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整來(lái)決定輸出電壓的大小。當(dāng)正波時(shí)間跨度大于一定的值時(shí)，即表示光強(qiáng)小，需打開(kāi)燈。當(dāng)正波時(shí)間跨度小于規(guī)定值時(shí)，表示光強(qiáng)足夠大不需要打開(kāi)燈。正波時(shí)間跨度在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，目光燈正常工作。

3 系統(tǒng)測(cè)試
    試驗(yàn)中用一個(gè)光強(qiáng)可變的獨(dú)立光源照射光敏電阻(距離20 cm)，光強(qiáng)由暗到亮逐漸變化，然后測(cè)試日光燈兩端的電壓，并在距燈管1 m處擺放一個(gè)光度計(jì)，測(cè)試光強(qiáng)；在燈管處接功率表，測(cè)試功率。在試驗(yàn)過(guò)程中，光敏電阻接收的唯一光源是獨(dú)立光源，光度計(jì)接收的唯一光源是日光燈。測(cè)試數(shù)據(jù)范圍為日光燈保持穩(wěn)定光強(qiáng)的范圍(170～245 V)，測(cè)量次數(shù)為10次。測(cè)試結(jié)果如表1所示，表中光強(qiáng)數(shù)據(jù)為光度計(jì)10次測(cè)量的平均值，功率比為10次測(cè)量的平均功率值和未改裝日光燈功率(40W)之比。

    由表可知，該新型日光燈在滿足使用者足夠光強(qiáng)的前提下，節(jié)能效果顯著。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，該燈接受光強(qiáng)較為靈敏，發(fā)光亮度變化范圍較大，發(fā)光較為穩(wěn)定，適宜廣泛用于日常學(xué)習(xí)生活中。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的新型日光燈系統(tǒng)以解決普通日光燈因光強(qiáng)固定而產(chǎn)生的能源浪費(fèi)問(wèn)題。本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)外界光強(qiáng)的采集分析，通過(guò)單片機(jī)控制日光燈的發(fā)出光強(qiáng)，使其根據(jù)外界環(huán)境的不同而做出相應(yīng)調(diào)整。在滿足使用者用光要求的前提下，極大地降低了日光燈的功率，節(jié)省了能源，適宜于推廣使用。