基于單片機的LED自適應調光系統(tǒng)

摘要：隨著社會的發(fā)展人們對照明的要求越來越高，照明越來越普遍化、多樣化、耗能化，能源缺乏問題也隨之成為社會關注的焦點，LED作為一種新型光源，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點，代表著未來照明技術的發(fā)展方向。本設計是一種基于單片機STC12C5A60S2的LED自適應調光系統(tǒng)，通過光敏傳感器感知外界光強，單片機系統(tǒng)依據(jù)此信號以PWM控制方式聯(lián)合大功率LED驅動芯片ULN2003實現(xiàn)LED燈亮度調節(jié)的設計，從而實現(xiàn)光線強度的自動調節(jié)，以達到節(jié)能的目的。

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，全球的能源消耗增長越來越快，伴隨而來的后果則是大量的環(huán)境被污染和生態(tài)遭到破壞，現(xiàn)在人們正在尋找新的節(jié)能方式。

人類消耗能源的比較重要的方面其中之一就是照明，根據(jù)我國調查，中國每年照明的用電量達到3000億度以上。如果全部的白熾燈有LED照明燈取代，可節(jié)省的用電量將達到1000億度。開發(fā)和推廣應用節(jié)能系統(tǒng)，成為迫在眉睫的任務。LED作為一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強度放電燈之后的第四代新光源。基于單片機的LED自適應調光系統(tǒng)，是一種典型的綠色照明方式，與傳統(tǒng)照明相比，具有智能、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、安全可靠等這些優(yōu)點，這是代表著照明技術的未來?；诖吮疚脑O計了一種LED燈光自動調光系統(tǒng)，可以根據(jù)環(huán)境的亮暗自動調節(jié)光的強弱。該系統(tǒng)成本低廉，有很強的現(xiàn)實意義和廣泛的應用前景。

1 系統(tǒng)硬件方案設計

硬件系統(tǒng)的各個組成部分和其應該實現(xiàn)的功能是：

1)主控單元。整個系統(tǒng)裝置的核心部分，所有采集到的信號、數(shù)據(jù)要經(jīng)過CPU的處理，并進行判斷，發(fā)出控制信號。

2)光信號采集模塊。實時測量環(huán)境光強度，然后進行光電轉換和A/D轉換，送入主控單元進行處理，作為判斷光強度信息和監(jiān)控的目標。

3)電源模塊。為裝置提供需要的電源，包括各種集成芯片需要的數(shù)字電源，采集單元需要的模擬電源和LED驅動電路的電源。電源要能夠保證其穩(wěn)定性，使各個單元能夠正常工作。

4)按鍵電路。用于設置環(huán)境光報警值。

5)報警、顯示電路。報警電路用于當環(huán)境光低于設定的環(huán)境光報警值時自動報警提示。顯示電路用于顯示環(huán)境光強度大小。

6)LED燈驅動電路。驅動芯片ULN2003接收單片機發(fā)出的PWM信號來驅動LED燈亮、調節(jié)其亮度大小。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 單片機的選擇

STC12C5A60S2單片機內部就自帶高達60K FLASHROM，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發(fā)設備的要求很低，開發(fā)時間也大大縮短。其中寫入單片機內的程序可以進行加密處理，可以保護你的勞動成果不受侵犯。重要的一點STC12C5A60S2目前的售價與傳統(tǒng)51差不多，市場供應也很充足。是一款高性價比的單片機。考慮到MCS-51單片機具有較強的代表性以及該系列單片機資料較多，本設計采用STC12C5A60S2單片機來實現(xiàn)。

2.2 LED燈調光方案

采用脈寬調制(PWM)來調光。通過STC12C5A60S2產(chǎn)生的PWM波來調節(jié)驅動芯片，來實現(xiàn)調光的目的。PWM調光具有精度高，節(jié)能，易于實現(xiàn)智能控制的等特點。

本系統(tǒng)擬采用STC12C5A60S2單片機作為主控模塊，由光電轉換電路采集外界光強信號，經(jīng)A/D轉換送單片機處理，單片機根據(jù)處理結果智能調節(jié)輸出PWM來控制驅動電路的電流大小，并以此來調節(jié)LED的亮度大小。

2.3 光信號采集電路

光線檢測電路是比較重要的一個部分，其中關鍵的元件有兩個，一個是光敏電阻，一個可調電阻。光敏電阻通過對當前環(huán)境光線的強弱來改變自己的阻值，從而改變其兩端的電壓，來達到控制LED燈亮暗的效果，還可以根據(jù)實際情況再加一個可調電阻，通過改變電阻的大小來改變光敏電阻的靈敏度。如果認為天色還挺亮的，燈就開了，那就把電阻變大些，光敏電阻的靈敏度就下降了，這樣就可以等到天暗下來時再開燈，同樣的，天已經(jīng)很暗了，燈還沒亮，那就把電阻調小點，這樣反復多調幾次，就可以把LED燈調到一個最理想最合適的狀態(tài)了。下圖為光信號采集電路。

2.4 按鍵電路與報警電路設計

獨立式鍵盤就是一個按鍵對應一個端口輸入，每一個按鍵都有一個按鍵電路來區(qū)分是否有按鍵按下。這些按鍵可以直接與單片機I/O線相接或者是通過輸入口與數(shù)據(jù)線相連接，結構比較簡單。按鍵電路如圖3所示。

環(huán)境光低于設定的環(huán)境光報警值時自動報警提示。圖4為報警電路。

2.5 LED驅動電路設計

燈光驅動電路是整個系統(tǒng)中硬件電路的關鍵，他決定著整個系統(tǒng)的工作性能，而且本系統(tǒng)所采用的是PWM控制自動調光，來實現(xiàn)室內的亮度調節(jié)。

ULN2003是一種大電流驅動陣列，適用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡這些控制電路中。可直接驅動繼電器這些負載。當輸入5VTTL電平，輸出則可達到500 mA/50 V。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。ULN2003的每一對達林頓都都是串聯(lián)一個2.7K的基極電阻，當工作在5 V的電壓下它能夠與TTL和CMOS電路直接相連連，可以去直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。ULN2003是一種具有高電壓大電流，是達林頓晶體管陣列系列的產(chǎn)品，ULN2003不僅在電流增益、工作電壓方面好的特點。而且還有溫度范圍寬、帶負載能力強這些特點，能夠適用于各類需要高速大功率驅動的系統(tǒng)。

ULN2003的輸出端可達500 mA/50 V。輸出端的二極管學名為續(xù)流二極管。如果ULN2003的達林頓管輸入端輸入低電平使其截止，其驅動的元件是感性元件，則電流不能突變，此時會產(chǎn)生一個高壓;如果沒有二極管，達林頓管會被擊穿，所以這個二極管主要起保護作用。由于ULN2003是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續(xù)流作用，必須將COM引腳(pin9)接在負載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續(xù)流回路。

因為本設計中需要用ULN2003來驅動燈，圖5是LED燈的驅動電路。

2.6 電源模塊硬件設計

由于目前我國居民最常用為220 V，50 Hz交流電，而系統(tǒng)需+5 V直流電，故電源模塊采用220 V轉12 V變壓器，然后經(jīng)橋式整流及LM317穩(wěn)壓芯片處理，最后經(jīng)濾波后輸出+5 V直流電壓。電源模塊電路圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體程序

軟件開始首先必須對單片機進行初始化，其中初始化的內容包括：PWM的設定，定時器初始化，各I/O口的功能設定等。初始化完成程序后程序進入光線強度采集部分，并將處理了的數(shù)據(jù)通過對于關系的PWM輸出，并顯示相應的光線強度值。

3.2 光信號采集程序

光信號采集程序用ADC0832來對輸入的光敏電阻的電壓進行采集測量，并將對應的數(shù)值存入相應的內存單元，其程序流程圖如圖8所示。

4 結論

本系統(tǒng)的主要優(yōu)點是系統(tǒng)的功能全面同時達到了智能節(jié)能的要求，技術難點在于對光照強度信號的采集與對應燈光強度的控制。由于我們采用的是光敏電阻，AD采集光敏電阻兩端電壓會經(jīng)過光照強度的增加而變小，以此通過一定比例關系映射到PWM的占空比上來調節(jié)對應的光強度。

本系統(tǒng)制作的主要設計源泉來源于生活，因此創(chuàng)新之處也在于處理生活中一些比較常見的問題。光敏電阻采集信號，利用單片機進行處理，以達到便于控制的目的。當房間亮度不夠時，臺燈便會自動點亮，省去了黑暗中摸開關的麻煩。本設計結構簡單，有較強的實際意義。