基于單片機C8051F020的自動測控LED節(jié)能照明系統(tǒng)

在全球能源危機凸現(xiàn)的當今社會，LED照明以其綠色環(huán)保，高效節(jié)能的優(yōu)勢成為當前最具潛力的照明方式之一。LED號稱“綠色照明的第四代光源”，目前已開始逐步應(yīng)用于電信、交通、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。LED(Light-emitting Diode，發(fā)光二極管)是一種固態(tài)的半導(dǎo)體組件，能夠把電能直接轉(zhuǎn)化為光能。作為一種固體照明光源，LED具有長壽命、高光效、多光色等特性，可在安全低電壓下工作，也可連續(xù)開關(guān)閃斷，能實現(xiàn)0％～100％調(diào)光。
    本文闡述一種基于單片機C8051F020自動測控LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)能夠?qū)ED燈的發(fā)光強度進行調(diào)控，當環(huán)境光強減弱時自動提高LED的發(fā)光強度，當環(huán)境光強變強時自動減弱LED燈的發(fā)光強度，維持環(huán)境光強值的穩(wěn)定并達到節(jié)能的效果。同時，系統(tǒng)還具有光強、溫度、紅外3種感應(yīng)開關(guān)控制LED燈的開與關(guān)，再加上過壓、過流保護措施，進一步提高節(jié)能效率并保證照明系統(tǒng)的正常工作。此外，系統(tǒng)還使用液晶實現(xiàn)LED照明工作信息的外部顯示。該系統(tǒng)可應(yīng)用于如樓道照明、工作照明、設(shè)備照明等很多場合。

1 總體設(shè)計方案
    本系統(tǒng)采用單片機C8051F020為核心來實現(xiàn)LED照明燈的自動測控，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

    整個系統(tǒng)的設(shè)計分硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計又可分為供電驅(qū)動模塊、自動測控與顯示模塊3部分。
    供電驅(qū)動模塊實現(xiàn)的過程為：12～24 V的直流供電輸入，經(jīng)過過壓保護電路后向SN3350芯片構(gòu)成的LED驅(qū)動電路提供安全電壓，驅(qū)動電路驅(qū)動LED照明燈正常工作。自動測控與顯示模塊主要包括光強傳感器、溫度傳感器、紅外無線傳感器和液晶顯示器。光強傳感器采用了硅光電池和集成運放組成光電轉(zhuǎn)換電路，將環(huán)境中光照強度轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過單片機的A／D轉(zhuǎn)換，依據(jù)實測電壓和光照的關(guān)系曲線，將相應(yīng)電壓值轉(zhuǎn)化為照度并經(jīng)由LCD1602液晶顯示；溫度傳感器采用了DS18B20芯片電路，將實時的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給單片機分析處理，同樣經(jīng)LCD1602液晶顯示；紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路，感應(yīng)電路接收到信號后傳給單片機控制LED照明燈的開關(guān)。
    系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能和自動測控的功能由單片機C8051F020實現(xiàn)。軟件編程的思路是：由單片機內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號控制SN3350驅(qū)動芯片的ADJ引腳。通過改變PWM的占空比，實現(xiàn)對ADJ輸入任意電壓，進而控制LED照明燈的開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 單片機C8051F020
    本系統(tǒng)采用單片機C8051F020，其片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。含有64 kB片內(nèi)Flash程序存儲器，4 352 B的RAM、8個I／O端口共64根I／O口線、1個12位A／D轉(zhuǎn)換器1個8位A／D轉(zhuǎn)換器以及1個雙12位D／A轉(zhuǎn)換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2．7～3．6 V(端口I／O、RST和JTAG引腳的耐壓為5 V)。
2．2 LED驅(qū)動電路
    本系統(tǒng)選用了SN3350芯片作為LED驅(qū)動電路的核心。SN3350是一款降壓型電感電流連續(xù)模式驅(qū)動芯片，適用于電源電壓高于一顆或一串LED所需電壓的應(yīng)用場合。芯片的輸入電壓范圍為6～40 V，輸出電流可達750 mA，輸出功率可達30W。圖2為本系統(tǒng)采用的LED驅(qū)動電路。

    圖2中，3號引腳ADJ為多功能開關(guān)／亮度控制腳，其引腳特性為：
    1)引腳懸空：工作在普通模式。(普通模式下VADJ=VREF=1．2 V，工作電流IOUTnom=0．1／R1)；
    2)輸入電壓低于0．2 V：關(guān)閉輸出電流；
    3)輸入直流電壓從0．3～1．2 V：輸出電流調(diào)整范圍從25～100％；
    4)通過不同占空比的PWM信號來控制輸出電流；
    5)當ADJ引腳電壓超過1．2 V：電流被自動鉗位在100％。
    SN3350的輸出電流可以通過在ADJ引腳加控制信號來設(shè)置。本系統(tǒng)利用單片機產(chǎn)生PWM信號輸入ADJ引腳，驅(qū)動電路依據(jù)以上引腳特性在不同的電壓值下進入不同的工作模式。
2．3 光強傳感器
    本系統(tǒng)的光強傳感器采用了一種光電轉(zhuǎn)換電路，其原理圖如圖3所示。電路的作用在于，通過集成運放LM324和反饋電阻Rf，將硅光電池(相當于一個光控恒流源)輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。通過調(diào)節(jié)Rf阻值的大小，可以改變輸出電壓值的大小，從而能夠適應(yīng)后級控制電路對輸入信號電壓值的要求。實際應(yīng)用時，光照強度影響，Is大小，進而引起Vout的改變，從而實現(xiàn)了將光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

    表1和圖4是在實際制成的光電轉(zhuǎn)換電路中，使用照度計和電壓表測得的光照度-電壓關(guān)系。

    由圖4可見，隨著環(huán)境光照度的增大，光電轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓也線性增大，相關(guān)度達99．1％，線性良好。這表明按照圖3制成的光電轉(zhuǎn)換電路的實際測試結(jié)果與理論預(yù)期符合度較好。同時，圖4的光照度-電壓關(guān)系直線也為軟件部分的程序設(shè)計提供了重要依據(jù)。
2．4 紅外無線感應(yīng)器
    本系統(tǒng)的紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器采用被動探測方式，其電路原理如圖5所示。菲涅爾透鏡(DSG)接收進入探測區(qū)域的人體所發(fā)射的波長為8～12 μm的紅外線，通過熱釋電傳感器(PIR)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)電路系統(tǒng)放大，濾波，最后將信號輸出。

2．5 其他電路模塊
    本系統(tǒng)中還有2個較簡單的電路模塊：過壓保護電路和溫度傳感器電路。
    過壓保護的意義在于．當開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當引起輸出過壓現(xiàn)象時，過壓保護電路能進行保護，以防止損壞后級用電設(shè)備。此外，還可在系統(tǒng)供電電路中串接自恢復(fù)保險絲，起到過流保護的作用。
    本系統(tǒng)的溫度傳感器采用Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。這是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。選用DS18B20為溫度傳感器的電路十分簡潔，9位溫度信號經(jīng)一條總線，直接傳遞給單片機進行處理。

3 軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計的思路是先分模塊獨立設(shè)計，然后對各個模塊進行綜合整理。本系統(tǒng)程序設(shè)計的流程框圖如圖6所示。

    程序主要分為5個模塊：亮度控制模塊、溫度探測處理模塊、光照度探測處理模塊、紅外無線探測處理模塊、液晶顯示模塊，下面對前3個較為復(fù)雜的模塊分而述之。
    1)亮度控制模塊根據(jù)給定的LED驅(qū)動電路芯片SN3350的引腳特性，可以通過控制ADJ腳的信號的電壓來控制LED的亮度。單片機80C51F020能夠自行產(chǎn)生Vpp=5 V的PWM信號，因此可以通過控制該PWM信號的占空比來控制LED燈的亮度。依據(jù)圖4的光照度-電壓關(guān)系直線設(shè)定判定程序，得出對應(yīng)的占空比，就能實現(xiàn)對于亮度的控制。
    2)溫度探測處理模塊由于DS18B20芯片的信號輸出腳輸出的是數(shù)字信號，本模塊的內(nèi)容主要是對從DS18B20獲得的數(shù)字信號進行譯碼，從而獲得實際環(huán)境溫度數(shù)值。
    3)光照度探測處理模塊使用圖3光電轉(zhuǎn)換電路探測環(huán)境光強度輸出電壓信號。該信號是模擬信號，因此，需要對此信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能夠用單片機進行處理。使用80C51F020自帶的A／D轉(zhuǎn)換模塊，可以實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。光照度對應(yīng)的電壓信號在0～2．4 V之間，因此某一特定的電壓值轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字信號，然后通過與溫度信號類似的處理從而對光進行控制。
    根據(jù)本文2．2部分所述的SN3350驅(qū)動芯片控制端ADJ引腳特性，程序設(shè)計的具體方案如下：
    LED燈隨外界環(huán)境照度的自動調(diào)節(jié)和控制：當測得實際光照度大于2 000 lx(照度值可依據(jù)需要自行設(shè)定，下同)時，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0，LED滅；當測得實際光照度小于1 000 lx時，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0．3 V，LED亮；當測得實際光照度大于1 000 lx且小于2 000 lx時，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓在0．3～1．2 V之間做相應(yīng)變化。
    LED燈隨外界環(huán)境溫度的自動調(diào)節(jié)和控制：當LED的溫度大于80℃(溫度值可依據(jù)需要自行設(shè)定，下同)時，令VADJ=0；當LED的溫度小于50℃時，令VADJ=1．2 V。
    LED燈隨外界紅外輻射信號的自動調(diào)節(jié)和控制：當熱釋電紅外無線傳感器傳來感應(yīng)信號時，令VADJ=1．2 V，沒有信號傳來時，令VADJ=0。

4 系統(tǒng)測試
4．1 基本工作測試
    電源供電15 V；實測三盞LED燈兩端的工作電壓為14V；驅(qū)動電路輸出電流為320 mA；過壓保護測試調(diào)節(jié)輸入電壓大于24 V時，LED兩端電壓很快下降；當輸入電壓升至27V時LED兩端電壓已降至0V。
    測試結(jié)果表明本系統(tǒng)能在低壓條件下正常穩(wěn)定工作，具有過壓保護功能。
4．2 功能測試
    1)測量與顯示功能
    能否顯示環(huán)境光照強度：能，LCD顯示環(huán)境光強可精確到1 lx；
    能否顯示環(huán)境溫度：能，LCD顯示環(huán)境溫度可精確到0.1℃；
    2)自動控制功能
    光強改變時能否開關(guān)燈：能，光強大于2 170 lx時自動關(guān)燈；光強小于1 040lx時自動關(guān)燈(設(shè)計閾值分別為2 000lx和1 000 lx)；
    溫度改變時能否關(guān)燈：能，溫度高于82．5℃時自動關(guān)燈；
    溫度低于49．3℃時自動開燈(設(shè)計閾值分別為80℃和50℃)；
    能否維持環(huán)境光強的基本穩(wěn)定：能，環(huán)境光強減弱但不小于1 000 lx時，自動提高LED的發(fā)光強度；環(huán)境光強增強但不超過2 000 lx時，自動減弱LED的發(fā)光強度；
    能否感應(yīng)紅外輻射并開關(guān)燈：能，在有人進入LED燈一定距離(最大半徑3．5 m處)時，自動開燈，并維持10 s后逐步減弱燈光亮度直至關(guān)閉。
    測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具備隨環(huán)境光強、溫度、紅外輻射變化而自動控制開關(guān)、調(diào)節(jié)光強的功能，實測數(shù)據(jù)與理論設(shè)計值符合得比較好。

5 設(shè)計過程需要注意的問題
    本系統(tǒng)的特點是硬件模塊電路較多，設(shè)計時應(yīng)注意共地與接口匹配。具體來說，單片機C8051F020、LED驅(qū)動電路的SN3350芯片、光電轉(zhuǎn)換電路中的集成運放LM324、熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路的核心BISS0001芯片、DS18B20溫度傳感器電路和過壓保護電路6個模塊都要與直流電源共地。接口匹配問題主要存在于光強、紅外輻射、溫度3個傳感器的輸出口與單片機的輸入口，以及單片機的輸出口與液晶LCD1602、LED驅(qū)動芯片SN3350的控制引腳之間。此外，由于LM324、BISS0001、DS18B20等芯片的工作電壓為5 V，小于LED照明系統(tǒng)15 V的工作電壓，測試時需另接5 V電源，而實際制作成品時則需增加一個電平轉(zhuǎn)換電路，將統(tǒng)一的15 V供電電壓轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)壓輸出給相關(guān)芯片。
    在編寫程序時需考慮各個傳感器傳送的信息被單片機處理的優(yōu)先級。根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)接收信號的參考優(yōu)先級順序為：溫度信號、紅外信號、光強信號。

6 結(jié)束語
    本文設(shè)計的LED照明系統(tǒng)，利用單片機C8051F020作為控制核心，實現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境光強、紅外輻射、溫度條件變化而自動開關(guān)、調(diào)節(jié)亮度等功能，突出了LED節(jié)能照明的優(yōu)勢，因而具有較好的實用參考價值。本系統(tǒng)的最大特色是功能集成度高，集測量、控制、顯示為一體，包括光強、紅外輻射、溫度3種傳感器。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同需要設(shè)置相關(guān)閾值或突出某一功能。例如，應(yīng)用在樓道、洗手間照明時主要用到紅外輻射傳感功能，無人時燈不亮，有人時燈才亮，達到了節(jié)約電能的效果；應(yīng)用在辦公室、教室照明時主要用到光強傳感器及調(diào)光功能，使環(huán)境光強穩(wěn)定在某一設(shè)定值，白天燈不亮或較暗，夜晚燈亮，從而提高電能利用率；應(yīng)用在智能臺燈、工件加工臺照明時還可以監(jiān)測工作溫度(比如超過80℃時燈滅)；等等。