基于單片機(jī)的LED自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)

摘要：隨著社會(huì)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(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，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(diǎn)，代表著未來照明技術(shù)的發(fā)展方向。本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)STC12C5A60S2的LED自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)，通過光敏傳感器感知外界光強(qiáng)，單片機(jī)系統(tǒng)依據(jù)此信號(hào)以PWM控制方式聯(lián)合大功率LED驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003實(shí)現(xiàn)LED燈亮度調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)光線強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到節(jié)能的目的。

隨著經(jīng)濟(jì)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(diào)查，中國每年照明的用電量達(dá)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(dá)到1000億度。開發(fā)和推廣應(yīng)用節(jié)能系統(tǒng)，成為迫在眉睫的任務(wù)。LED作為一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度放電燈之后的第四代新光源。基于單片機(jī)的LED自適應(yīng)調(diào)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(diǎn)，這是代表著照明技術(shù)的未來?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)了一種LED燈光自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)，可以根據(jù)環(huán)境的亮暗自動(dòng)調(diào)節(jié)光的強(qiáng)弱。該系統(tǒng)成本低廉，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)的各個(gè)組成部分和其應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能是：

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

2)光信號(hào)采集模塊。實(shí)時(shí)測量環(huán)境光強(qiáng)度，然后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換，送入主控單元進(jìn)行處理，作為判斷光強(qiáng)度信息和監(jiān)控的目標(biāo)。

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(qū)動(dòng)電路的電源。電源要能夠保證其穩(wěn)定性，使各個(gè)單元能夠正常工作。

4)按鍵電路。用于設(shè)置環(huán)境光報(bào)警值。

5)報(bào)警、顯示電路。報(bào)警電路用于當(dāng)環(huán)境光低于設(shè)定的環(huán)境光報(bào)警值時(shí)自動(dòng)報(bào)警提示。顯示電路用于顯示環(huán)境光強(qiáng)度大小。

6)LED燈驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003接收單片機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)LED燈亮、調(diào)節(jié)其亮度大小。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 單片機(jī)的選擇

STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部就自帶高達(dá)60K FLASHROM，這種工藝的存儲(chǔ)器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機(jī)支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。其中寫入單片機(jī)內(nèi)的程序可以進(jìn)行加密處理，可以保護(hù)你的勞動(dòng)成果不受侵犯。重要的一點(diǎn)STC12C5A60S2目前的售價(jià)與傳統(tǒng)51差不多，市場供應(yīng)也很充足。是一款高性價(jià)比的單片機(jī)。考慮到MCS-51單片機(jī)具有較強(qiáng)的代表性以及該系列單片機(jī)資料較多，本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

2.2 LED燈調(diào)光方案

采用脈寬調(diào)制(PWM)來調(diào)光。通過STC12C5A60S2產(chǎn)生的PWM波來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)芯片，來實(shí)現(xiàn)調(diào)光的目的。PWM調(diào)光具有精度高，節(jié)能，易于實(shí)現(xiàn)智能控制的等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)擬采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控模塊，由光電轉(zhuǎn)換電路采集外界光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果智能調(diào)節(jié)輸出PWM來控制驅(qū)動(dòng)電路的電流大小，并以此來調(diào)節(jié)LED的亮度大小。

2.3 光信號(hào)采集電路

光線檢測電路是比較重要的一個(gè)部分，其中關(guān)鍵的元件有兩個(gè)，一個(gè)是光敏電阻，一個(gè)可調(diào)電阻。光敏電阻通過對當(dāng)前環(huán)境光線的強(qiáng)弱來改變自己的阻值，從而改變其兩端的電壓，來達(dá)到控制LED燈亮暗的效果，還可以根據(jù)實(shí)際情況再加一個(gè)可調(diào)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(rèn)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(shí)再開燈，同樣的，天已經(jīng)很暗了，燈還沒亮，那就把電阻調(diào)小點(diǎn)，這樣反復(fù)多調(diào)幾次，就可以把LED燈調(diào)到一個(gè)最理想最合適的狀態(tài)了。下圖為光信號(hào)采集電路。

2.4 按鍵電路與報(bào)警電路設(shè)計(jì)

獨(dú)立式鍵盤就是一個(gè)按鍵對應(yīng)一個(gè)端口輸入，每一個(gè)按鍵都有一個(gè)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(jī)I/O線相接或者是通過輸入口與數(shù)據(jù)線相連接，結(jié)構(gòu)比較簡單。按鍵電路如圖3所示。

環(huán)境光低于設(shè)定的環(huán)境光報(bào)警值時(shí)自動(dòng)報(bào)警提示。圖4為報(bào)警電路。

2.5 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

燈光驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)系統(tǒng)中硬件電路的關(guān)鍵，他決定著整個(gè)系統(tǒng)的工作性能，而且本系統(tǒng)所采用的是PWM控制自動(dòng)調(diào)光，來實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的亮度調(diào)節(jié)。

ULN2003是一種大電流驅(qū)動(dòng)陣列，適用于單片機(jī)、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡這些控制電路中?？芍苯域?qū)動(dòng)繼電器這些負(fù)載。當(dāng)輸入5VTTL電平，輸出則可達(dá)到500 mA/50 V。ULN2003是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。ULN2003的每一對達(dá)林頓都都是串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器。ULN2003是一種具有高電壓大電流，是達(dá)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(diǎn)。而且還有溫度范圍寬、帶負(fù)載能力強(qiáng)這些特點(diǎn)，能夠適用于各類需要高速大功率驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。

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

因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中需要用ULN2003來驅(qū)動(dòng)燈，圖5是LED燈的驅(qū)動(dòng)電路。

2.6 電源模塊硬件設(shè)計(jì)

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(zhuǎn)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(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體程序

軟件開始首先必須對單片機(jī)進(jìn)行初始化，其中初始化的內(nèi)容包括：PWM的設(shè)定，定時(shí)器初始化，各I/O口的功能設(shè)定等。初始化完成程序后程序進(jìn)入光線強(qiáng)度采集部分，并將處理了的數(shù)據(jù)通過對于關(guān)系的PWM輸出，并顯示相應(yīng)的光線強(qiáng)度值。

3.2 光信號(hào)采集程序

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

4 結(jié)論

本系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的功能全面同時(shí)達(dá)到了智能節(jié)能的要求，技術(shù)難點(diǎn)在于對光照強(qiáng)度信號(hào)的采集與對應(yīng)燈光強(qiáng)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(huì)經(jīng)過光照強(qiáng)度的增加而變小，以此通過一定比例關(guān)系映射到PWM的占空比上來調(diào)節(jié)對應(yīng)的光強(qiáng)度。

本系統(tǒng)制作的主要設(shè)計(jì)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(hào)，利用單片機(jī)進(jìn)行處理，以達(dá)到便于控制的目的。當(dāng)房間亮度不夠時(shí)，臺(tái)燈便會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，省去了黑暗中摸開關(guān)的麻煩。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，有較強(qiáng)的實(shí)際意義。