王秀霞

(山東菏澤學(xué)院物理系，菏澤 274015)

1 引言

當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來(lái)面臨的重要的問(wèn)題，在照明領(lǐng)域，LED由于具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，其應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代。

LED，又稱發(fā)光二極管，是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的器件。它具有節(jié)能 (同白熾燈相比節(jié)省80%，同熒光燈相比節(jié)省60%)、發(fā)光效能高 (同白熾燈相比高20倍，同熒光燈相比高5倍)、壽命長(zhǎng) (是白熾燈的50倍，熒光燈的6倍，理論上可以點(diǎn)亮10萬(wàn)～12萬(wàn)小時(shí))、污染小 (LED替代熒光燈后每年將減少8000萬(wàn)噸CO2，65萬(wàn)噸SO2，32萬(wàn)噸NO2;減少Hg的危險(xiǎn);無(wú)紅外線和紫外線的發(fā)射。)和智能燈 (小尺寸光源，色彩再現(xiàn)良好、瞬時(shí)點(diǎn)亮;可進(jìn)行傳統(tǒng)光源無(wú)法進(jìn)行的等級(jí)控制;分光光譜、色溫、零食調(diào)制、偏振。)等特點(diǎn)。

LED是電流控制元件，通過(guò)流過(guò)的電流，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，因其不存在摩擦損耗和機(jī)械損耗，所以比一般的光源節(jié)能，但是LED光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網(wǎng)電壓，它必須配置一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常工作，即LED專用電源。由于各種不同的LED電源其性能和轉(zhuǎn)換效率不同，所以選擇合適、高效的LED專用電源，才能真正體現(xiàn)LED光源高效特性。為此本文設(shè)計(jì)了一種適用于公寓、辦公樓的樓道照明及衛(wèi)生間的照明等場(chǎng)合的智能LED照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)工作環(huán)境亮度和是否有人員等來(lái)自動(dòng)控制照明的開(kāi)關(guān)和亮度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為充分利用LED光源的高效、節(jié)能及智能化等特點(diǎn)，系統(tǒng)選用具有PWM和A/D轉(zhuǎn)換的功能的8051系列單片機(jī)作為主控芯片。系統(tǒng)硬件主要包括以單片機(jī)為控制中心的LED驅(qū)動(dòng)模塊及調(diào)光、亮度檢測(cè)、人體感應(yīng)、溫度檢測(cè)等功能模塊，為此本系統(tǒng)設(shè)置了三套傳感系統(tǒng)。傳感器將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給控制核心——單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果輸出PWM信號(hào)去控制照明設(shè)備的開(kāi)啟、關(guān)閉和亮度。

2.1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［1］［3］ (如圖1所示)

圖1 智能LED照明系統(tǒng)整體框圖

2.2 系統(tǒng)硬件單元電路設(shè)計(jì)

2.2.1 感應(yīng)模塊

(1)亮度檢測(cè)模塊

亮度檢測(cè)模塊的核心器件是光敏器件，常用到的光敏器件有:光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管等。通過(guò)對(duì)光電管、光敏電阻等光電探測(cè)器的各種性能進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)光敏電阻除具靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，所以在系統(tǒng)中選用光敏電阻。有其組成的典型光控開(kāi)關(guān)電路，如圖2所示。

(2)人體檢測(cè)模塊

圖2 光控開(kāi)關(guān)電路

人體檢測(cè)模塊采用的是P2288被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外線傳感器是80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高靈敏度探測(cè)元件。它能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，當(dāng)有人進(jìn)入探測(cè)區(qū)時(shí)輸出高電平(3.3V)，無(wú)人時(shí)輸出低電平 (0V)，將這個(gè)輸入到主控芯片的A/D轉(zhuǎn)換口的任意一路。

(3)LED燈溫度檢測(cè)模塊

LED燈溫度檢測(cè)模塊中的溫度傳感器采用Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DSl8820。其測(cè)量溫度范圍為 －55℃ ～125℃，在－10℃ ～85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃，完全滿足本設(shè)計(jì)的測(cè)量溫度范圍和精度要求，向單片機(jī)提供LED燈的溫度信息，并根據(jù)溫度值調(diào)整PWM的占空比，進(jìn)而控制LED燈的溫度。

2.2.2 主控模塊［1］

本系統(tǒng)采用的主控模塊是宏晶科技生產(chǎn)的STCl2C5410AD系列單片機(jī)。它是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(IT)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代805l單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，具有4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，指令代碼完全兼容805l系列單片機(jī)。選擇這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)主要考慮到具有PWM和A/D轉(zhuǎn)換的功能，使得外圍電路得到了大大的簡(jiǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生的PWM信號(hào)可直接與驅(qū)動(dòng)芯片相連，使得這個(gè)系統(tǒng)的成本降低了很多。

(1)A/D轉(zhuǎn)換模塊

STC12C5410AD系列單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊在P1口 (P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，STC12C5410AD系列是8位精度的A/D，速度均可達(dá)到100KHz(10萬(wàn)次/秒)。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口。不需作為A/D使用的口可繼續(xù)作為I/O口使用，需作為A/D使用的口用戶可以通過(guò)軟件在P1M0、P1M1寄存器中對(duì)相應(yīng)的位進(jìn)行設(shè)置(將其設(shè)置為開(kāi)漏模式或高阻輸入)，將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換。其設(shè)置如表1所示。

表1 A/D轉(zhuǎn)換寄存器的設(shè)置

(2)PWM模塊

STC12C5410AD系列單片機(jī)有四路可編程計(jì)數(shù)器陣列 (PCA)/PWM。PCA含有一個(gè)特殊的16位定時(shí)器，有4個(gè)16位的捕獲/比較模塊與之相連。每個(gè)模塊可編程工作在4種模式下:上升/下降沿捕獲、軟件定時(shí)器、高速輸出或可調(diào)制脈沖輸出。所有PCA模塊都可用作PWM輸出，輸出頻率取決于PCA定時(shí)器的時(shí)鐘源。兩者之間的關(guān)系為:

由于PWM是8位的，所以PCA時(shí)鐘輸入源可以從以下4種中選擇一種:Fosc/12，F(xiàn)osc/2，定時(shí)器0的溢出，ECI/P3.4輸入。當(dāng)要求PWM輸出固定頻率時(shí)，選前兩種，當(dāng)要求輸出頻率可調(diào)時(shí)，選后兩種。

當(dāng)某個(gè)I/O口作為PWM使用時(shí)，該口的狀態(tài)如表2所示，外接負(fù)載電路如圖3所示。

表2PWM口的狀態(tài)

圖3 PWM口輸出電路

(3)主控模塊原理圖［1］［3］(如圖 4 所示)

圖4 系統(tǒng)主控模塊原理圖

2.2.3 LED燈驅(qū)動(dòng)控制模塊［2］

LED燈驅(qū)動(dòng)控制模塊中的核心器件采用深圳市流明芯半導(dǎo)體照明科技有限公司生產(chǎn)的降壓型恒流驅(qū)動(dòng)芯片AX2015(如圖5所示)。AX2015是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆串聯(lián)LED。AX2015輸入電壓范圍從8伏到30伏，輸出電流可調(diào)，最大可達(dá)1.2安培。根據(jù)不同的輸入電壓和外部器件，AX2015可以驅(qū)動(dòng)高達(dá)數(shù)十瓦的LED。AX2015內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過(guò)DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當(dāng)DIM的電壓低于0.3伏時(shí)，功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷，AX2015進(jìn)入極低工作電流的待機(jī)狀態(tài)。

圖5 AX2015驅(qū)動(dòng)LED燈原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作過(guò)程:首先利用光敏元件檢測(cè)需要照明環(huán)境光線的強(qiáng)弱，若需要照明的環(huán)境的照度X＞200lx時(shí)，LED照明燈具處于關(guān)閉狀態(tài);若需要照明的環(huán)境的照度x＜200lx時(shí)，分為兩種情況:需要照明環(huán)境有人，LED照明燈具處于開(kāi)啟狀態(tài)，并且隨著環(huán)境照度和LED燈的溫度調(diào)整PWM的占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED燈具的照度;需要照明環(huán)境無(wú)人，LED照明燈具處于關(guān)閉狀態(tài)，達(dá)到智能照明的目的。為此設(shè)計(jì)了嚴(yán)密的軟件控制。本程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想。以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置功能模塊子程序，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)主程序調(diào)用各功能模塊子程序，因?yàn)闊艟呖刂茖?shí)時(shí)要求不高，循環(huán)控制即可滿足要求。

3.1 系統(tǒng)主控軟件設(shè)計(jì)［3］

系統(tǒng)上電后，首先初始化主控芯片，并讀取其光通量信號(hào)、人體紅外感應(yīng)信號(hào)和溫度信號(hào)，然后調(diào)整輸出PWM脈沖的占空比并發(fā)送至AX2015的DIM引腳，循環(huán)往復(fù)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)光的目的。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

3.2 主控A/D轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)［1］

STC12C5410AD系列單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換模塊在P1口 (P1.7～P1.0)，通過(guò)軟件設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換控制寄存器ADC_CONTR寄存器的低三位CHS2、CHS1、CHS0實(shí)現(xiàn)通道的選擇。其通道選擇表3所示。

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

表3 A/D轉(zhuǎn)換模擬輸入通道選擇

3.3 主控PWM模塊軟件設(shè)計(jì)［1］

所有PCA模塊都可用作PWM輸出，且所有模塊共用僅有的PCA定時(shí)器，所以它們的輸出頻率相同。各個(gè)模塊的輸出占空比是獨(dú)立變化的，與使用的捕獲寄存器 {EPCnL，CCAPnL}有關(guān)。當(dāng)CLSFR的值小于 {EPCnL，CCAPnL}時(shí)，輸出為低，當(dāng) PCACLSFR的值等于或大于 {EPCnL，CCAPnL}時(shí)，輸出為高。當(dāng)CL的值由FF變?yōu)?0溢出時(shí)，{EPCnH，CCAPnH}的內(nèi)容裝載到 {EPCnL，CCAPnL}中。這樣就可實(shí)現(xiàn)無(wú)干擾地更新PWM。要使能PWM模式，模塊寄存器CCAPMn的PWMn和ECOMn位必須置位。

當(dāng)EPCnL=0及CCAPnL=00H時(shí)，PWM固定輸出高

當(dāng)EPCnL=1及CCAPnL=0FFH時(shí)，PWM固定輸出低

PWM輸出C語(yǔ)言程序代碼如下:

#include＜reg52.h＞

sfr CCON=0xD8;

sfr CMOD=0xD9;

sfr CL=0xE9;

sfr CH=0xF9;

sfr CCAP0L=0xEA;

sfr CCAP0H=0xFA;

sfr CCAPM0=0xDA;

sfr CCAPM1=0xDB;

sbit CR=0xDE;

void main(void)

{

CMOD=0x02; //設(shè)置PCA定時(shí)器

CL=0x00;

CH=0x00;

CCAP0L=0xc0; //設(shè)置與CCAP0H相同的初始值

CCAP0H=0xc0; //設(shè)置PWM 的 占 空 比為25%

CCAPM0=0x42; //0100，0010將PCA的模塊0設(shè)置為PWM模式

CR=1; //啟動(dòng)PCA定時(shí)器

while(1){};

}

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用含具有A/D轉(zhuǎn)換、PWM輸出功能的STCl2C5410AD系列單片機(jī)為控制中心及大功率LED照明的設(shè)計(jì)方案，具有很好的靈活性和擴(kuò)展性。利用被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器、光敏傳感器和溫度傳感器分別測(cè)得周圍是否有人、周圍環(huán)境的光強(qiáng)和LED燈的溫度，并根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整LED亮度，能很好地節(jié)約能源，保護(hù)LED燈。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)?？蛇m用于公寓。辦公樓的樓道燈，衛(wèi)生間的照明燈等，可以達(dá)到很好的照明，節(jié)能，環(huán)保的效果。

［1］姚永平．STC12C5410AD系列單片機(jī)器件手冊(cè)．http//www．Mcu-Memory．com．

［2］大功率LED照明全方位解決方案．http//www．liumenchip．com．

［3］賈冬穎，王巍．基于STC單片機(jī)LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ［J］．照明工程學(xué)報(bào)，2010，4～2:p71～73．

［4］王立剛，建天成，李晶晶．智能LED照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］．黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，8:543～545．