基于單片機的LED自適應調光系統

摘要：隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展人們對照明的要求越來(lái)越高，照明越來(lái)越普遍化、多樣化、耗能化，能源缺乏問(wèn)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，具有高效節能、綠色環(huán)保、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，代表著(zhù)未來(lái)照明技術(shù)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，通過(guò)光敏傳感器感知外界光強，單片機系統依據此信號以PWM控制方式聯(lián)合大功率LED驅動(dòng)芯片ULN2003實(shí)現LED燈亮度調節的設計，從而實(shí)現光線(xiàn)強度的自動(dòng)調節，以達到節能的目的。

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

人類(lèi)消耗能源的比較重要的方面其中之一就是照明，根據我國調查，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，可節省的用電量將達到1000億度。開(kāi)發(fā)和推廣應用節能系統，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、高強度放電燈之后的第四代新光源?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/單片機">單片機的LED自適應調光系統，是一種典型的綠色照明方式，與傳統照明相比，具有智能、節能、環(huán)保、壽命長(cháng)、安全可靠等這些優(yōu)點(diǎn)，這是代表著(zhù)照明技術(shù)的未來(lái)?；诖吮疚脑O計了一種LED燈光自動(dòng)調光系統，可以根據環(huán)境的亮暗自動(dòng)調節光的強弱。該系統成本低廉，有很強的現實(shí)意義和廣泛的應用前景。

1 系統硬件方案設計

硬件系統的各個(gè)組成部分和其應該實(shí)現的功能是：

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

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

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字電源，采集單元需要的模擬電源和LED驅動(dòng)電路的電源。電源要能夠保證其穩定性，使各個(gè)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(shí)自動(dòng)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(dòng)電路。驅動(dòng)芯片ULN2003接收單片機發(fā)出的PWM信號來(lái)驅動(dòng)LED燈亮、調節其亮度大小。

2 系統設計方案

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(hù)可以用電的方式瞬間擦除、改寫(xiě)。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫(xiě)。顯而易見(jiàn)，這種單片機對開(kāi)發(fā)設備的要求很低，開(kāi)發(fā)時(shí)間也大大縮短。其中寫(xiě)入單片機內的程序可以進(jìn)行加密處理，可以保護你的勞動(dòng)成果不受侵犯。重要的一點(diǎn)STC12C5A60S2目前的售價(jià)與傳統51差不多，市場(chǎng)供應也很充足。是一款高性?xún)r(jià)比的單片機?？紤]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(lái)實(shí)現。

2.2 LED燈調光方案

采用脈寬調制(PWM)來(lái)調光。通過(guò)STC12C5A60S2產(chǎn)生的PWM波來(lái)調節驅動(dòng)芯片，來(lái)實(shí)現調光的目的。PWM調光具有精度高，節能，易于實(shí)現智能控制的等特點(diǎn)。

本系統擬采用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，單片機根據處理結果智能調節輸出PWM來(lái)控制驅動(dòng)電路的電流大小，并以此來(lái)調節LED的亮度大小。

2.3 光信號采集電路

光線(xiàn)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)可調電阻。光敏電阻通過(guò)對當前環(huán)境光線(xiàn)的強弱來(lái)改變自己的阻值，從而改變其兩端的電壓，來(lái)達到控制LED燈亮暗的效果，還可以根據實(shí)際情況再加一個(gè)可調電阻，通過(guò)改變電阻的大小來(lái)改變光敏電阻的靈敏度。如果認為天色還挺亮的，燈就開(kāi)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(lái)時(shí)再開(kāi)燈，同樣的，天已經(jīng)很暗了，燈還沒(méi)亮，那就把電阻調小點(diǎn)，這樣反復多調幾次，就可以把LED燈調到一個(gè)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(pán)就是一個(gè)按鍵對應一個(gè)端口輸入，每一個(gè)按鍵都有一個(gè)按鍵電路來(lái)區分是否有按鍵按下。這些按鍵可以直接與單片機I/O線(xiàn)相接或者是通過(guò)輸入口與數據線(xiàn)相連接，結構比較簡(jiǎn)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(shí)自動(dòng)報警提示。圖4為報警電路。

2.5 LED驅動(dòng)電路設計

燈光驅動(dòng)電路是整個(gè)系統中硬件電路的關(guān)鍵，他決定著(zhù)整個(gè)系統的工作性能，而且本系統所采用的是PWM控制自動(dòng)調光，來(lái)實(shí)現室內的亮度調節。

ULN2003是一種大電流驅動(dòng)陣列，適用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡這些控制電路中?？芍苯域寗?dòng)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(gè)硅NPN達林頓管組成。ULN2003的每一對達林頓都都是串聯(lián)一個(gè)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(diǎn)。而且還有溫度范圍寬、帶負載能力強這些特點(diǎn)，能夠適用于各類(lèi)需要高速大功率驅動(dòng)的系統。

ULN2003的輸出端可達500 mA/50 V。輸出端的二極管學(xué)名為續流二極管。如果ULN2003的達林頓管輸入端輸入低電平使其截止，其驅動(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(méi)有二極管，達林頓管會(huì )被擊穿，所以這個(gè)二極管主要起保護作用。由于ULN2003是集電極開(kāi)路輸出，為了讓這個(gè)二極管起到續流作用，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流回路。

因為本設計中需要用ULN2003來(lái)驅動(dòng)燈，圖5是LED燈的驅動(dòng)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 系統軟件設計及實(shí)現

3.1 系統總體程序

軟件開(kāi)始首先必須對單片機進(jìn)行初始化，其中初始化的內容包括：PWM的設定，定時(shí)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(jìn)入光線(xiàn)強度采集部分，并將處理了的數據通過(guò)對于關(guān)系的PWM輸出，并顯示相應的光線(xiàn)強度值。

3.2 光信號采集程序

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

4 結論

本系統的主要優(yōu)點(diǎn)是系統的功能全面同時(shí)達到了智能節能的要求，技術(shù)難點(diǎn)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(huì )經(jīng)過(guò)光照強度的增加而變小，以此通過(guò)一定比例關(guān)系映射到PWM的占空比上來(lái)調節對應的光強度。

本系統制作的主要設計源泉來(lái)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(jiàn)的問(wèn)題。光敏電阻采集信號，利用單片機進(jìn)行處理，以達到便于控制的目的。當房間亮度不夠時(shí)，臺燈便會(huì )自動(dòng)點(diǎn)亮，省去了黑暗中摸開(kāi)關(guān)的麻煩。本設計結構簡(jiǎn)單，有較強的實(shí)際意義。