徐安安，任乘乘，吳珊珊，夏騰飛，何舒平

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230039)

基于STC系列單片機(jī)對(duì)智能LED臺(tái)燈調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐安安，任乘乘，吳珊珊，夏騰飛，何舒平

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230039)

本文設(shè)計(jì)了一套LED光源智能調(diào)光系統(tǒng)，該調(diào)光系統(tǒng)可以在自動(dòng)式、手動(dòng)式和延時(shí)式三個(gè)模式之間相互切換。在自動(dòng)模式下，通過光敏電阻檢測(cè)室內(nèi)光的強(qiáng)度，再利用ADC模塊對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，從而控制并調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度。在手動(dòng)模式下，通過按鍵的增加或減少來調(diào)整LED亮度。在延時(shí)模式下，系統(tǒng)具有延時(shí)打開、延時(shí)關(guān)閉和鬧鈴等功能。本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分主要包括運(yùn)放電路、與非門電路、ADC0832模塊、控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、人體感應(yīng)模塊和電源模塊組成，軟件部分主要包括總控程序和各個(gè)模塊子控制程序。通過Proteus軟件仿真可以看出本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，使用方便，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的有效性。

LED臺(tái)燈；智能調(diào)光；Proteus；ADC0832模塊

引言

LED被稱為新一代綠色光源，能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，而且能源轉(zhuǎn)換效率特別高[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，如今人們生活水平也在不斷提高，對(duì)于生活的智能化程度的要求也在不斷的提升。

目前市場(chǎng)上存在的LED臺(tái)燈控制器，基本上都由簡(jiǎn)單的電源開關(guān)，亮度調(diào)節(jié)旋鈕和LED驅(qū)動(dòng)器組成，只具有簡(jiǎn)單的LED臺(tái)燈開啟與關(guān)閉，手動(dòng)調(diào)節(jié)以及LED驅(qū)動(dòng)恒流恒壓控制功能，功能單一，能耗不精確，無法實(shí)現(xiàn)智能控制。在智能控制方面研究的有，如胡恩偉[2]設(shè)計(jì)了一種采用NXP和ARM Cortex MO的MCU作為核心控制器，通過環(huán)境光線傳感器和超聲波測(cè)距傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境光線強(qiáng)度來自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度。熊志偉[3]設(shè)計(jì)了一種采用STM32微控器和LD3320可編程語(yǔ)音識(shí)別控制系統(tǒng)，開發(fā)了一種高端智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈，實(shí)現(xiàn)聲控和防近視功能。此兩款臺(tái)燈設(shè)計(jì)的成本都是非常高的，而且不能完全滿足人性化設(shè)計(jì)，所以很難在人們生活中得到廣泛的應(yīng)用。

在人們的日常生活中，人眼對(duì)光線有個(gè)適應(yīng)過程，很多人在早上起床的時(shí)候，如果睜眼突然見到強(qiáng)烈的光線，那么人眼是難以快速適應(yīng)的。在延時(shí)模式下，本系統(tǒng)運(yùn)用連續(xù)的PWM脈寬調(diào)制原理，使得燈光緩慢的由暗變亮。另外我們可以定時(shí)打開臺(tái)燈，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到了，臺(tái)燈緩慢的打開，并且蜂鳴器發(fā)出響聲，這樣不僅可以很好的保護(hù)人的眼睛而且還可以起到鬧鐘的作用。另外有的人喜歡開著燈睡覺，這樣就會(huì)造成能源的浪費(fèi)以及減少LED燈泡使用壽命，因此該智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)了延時(shí)關(guān)閉的功能，可以根據(jù)每個(gè)用戶的睡眠習(xí)性，相應(yīng)的改變延時(shí)時(shí)間。在自動(dòng)模式下，只有同時(shí)滿足用戶的設(shè)定閾值大于光敏電阻檢測(cè)的室光線值，以及人體感應(yīng)檢測(cè)模塊檢測(cè)到有人活動(dòng)時(shí)，該智能臺(tái)燈才會(huì)工作[4]。在手動(dòng)模式下，可以根據(jù)每個(gè)人對(duì)光源強(qiáng)度不同，通過按鈕手動(dòng)改變臺(tái)燈的亮度。本控制系統(tǒng)主要通過自動(dòng)模式、手動(dòng)模式和延時(shí)模式調(diào)整光源強(qiáng)度等功能，從而使LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)和使用更加人性化。

1 系統(tǒng)總體概述

本智能臺(tái)燈系統(tǒng)共有自動(dòng)式、手動(dòng)式和延時(shí)式三種不同的模式，并且可以通過開關(guān)按鈕對(duì)這三種模式進(jìn)行相應(yīng)的切換。在自動(dòng)控制模式時(shí)，通過A/D轉(zhuǎn)換器(ADC0832)芯片不斷檢驗(yàn)光敏電阻的電壓，間接測(cè)量感應(yīng)光度以及運(yùn)用人體感應(yīng)模塊來檢測(cè)周圍是否有人的存在，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能；在手動(dòng)模式下，可以通過按鍵的增減對(duì)燈光的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)；在延時(shí)模式下，可以通過單片機(jī)定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，調(diào)整I/O導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)PWM控制，對(duì)臺(tái)燈延時(shí)打開和延時(shí)關(guān)閉，并且數(shù)碼管會(huì)顯示延時(shí)時(shí)間的。此系統(tǒng)主要考慮的是人性化設(shè)計(jì)，只要LED亮了光線都是由暗緩慢變亮的。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 智能LED臺(tái)燈控制器總體框圖Fig.1 Overall block diagram of intelligent LED desk lamp controller

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本文是在STC89C52芯片為核心的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，具有上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和晶振復(fù)位等復(fù)位電路。具有電源電路、ADC模式轉(zhuǎn)換電路、人體感應(yīng)模塊電路和負(fù)載等電路，系統(tǒng)控制模塊原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制模塊原理圖Fig.2 Principle diagram of system control module

2.1 負(fù)載電路設(shè)計(jì)

由于51單片機(jī)接口驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力比較低，所以本文在負(fù)載電路加入與非門電路和達(dá)林頓管，與非門電路使用74HC132D芯片，該芯片具有2路與非門施密特觸發(fā)器輸入，所有的輸入和輸出均具有內(nèi)部保護(hù)線路，以減少由于靜電感應(yīng)而損壞器件的可能性。

2.2 人體感應(yīng)模塊設(shè)計(jì)

本文人體感應(yīng)模塊采用的是HC-SR501芯片。人體感應(yīng)模塊，如圖3所示，此模塊是基于紅外技術(shù)自動(dòng)控制模塊，當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)(感應(yīng)范圍如圖4所示)時(shí)[5]，因人體溫度與環(huán)境有溫差ΔT(ΔT=TH-TR),則ΔT有輸出，再通過熱電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極產(chǎn)生電荷ΔQ，即產(chǎn)生微弱電壓ΔU，然后通過觸發(fā)方式(本文通過短接帽選用的是可重復(fù)觸發(fā)方式)感應(yīng)輸出高電平。

圖3 HC-SR501模塊外部接線圖Fig.3 External wiring diagram of HC-SR501 module

圖4 感應(yīng)距離Fig.4 Induction distance

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的總體流程框圖如圖5所示，當(dāng)系統(tǒng)上電以后，先進(jìn)行模式判斷，如果該系統(tǒng)是自動(dòng)模式下，首先讀取A/D芯片值與用戶設(shè)置的閾值進(jìn)行比較，如果兩個(gè)值的大小不同時(shí)，則PWM自動(dòng)調(diào)節(jié)，直到兩個(gè)值相等[7]。如果該系統(tǒng)是手動(dòng)模式時(shí)，我們可以通過按鍵調(diào)整LED燈的亮度，此系統(tǒng)一共分為5個(gè)等級(jí)，等級(jí)之間可以循環(huán)改變的。當(dāng)切換到延時(shí)模式下，具有延時(shí)打開和延時(shí)關(guān)閉功能，在延時(shí)打開功能下，當(dāng)延時(shí)時(shí)間到了，蜂鳴器也會(huì)發(fā)生聲音。

圖5 系統(tǒng)軟件的總體流程Fig.5 The overall process of system software

圖6 境光線強(qiáng)度對(duì)PWM輸出占空比調(diào)整Fig.6 Ambient light intensity adjustment for PWM output duty cycle

3.1 PWM波形輸出

本文主要通過光敏電阻檢測(cè)實(shí)際光照強(qiáng)度，光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值，該阻值隨著光的強(qiáng)度的變化而改變，當(dāng)光線越來越強(qiáng)時(shí)，相應(yīng)的電阻值會(huì)逐漸減小，同理，光線越來越暗時(shí)，相應(yīng)的電阻值會(huì)增大[8]。光敏電阻實(shí)際電壓值通過ADC0832芯片轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，與用戶設(shè)置LED臺(tái)燈使用亮度進(jìn)行比較，如圖6所示。

在自動(dòng)模式下，首先利用光敏電阻原件檢測(cè)照明環(huán)境光線強(qiáng)度，若檢測(cè)的環(huán)境照明光線強(qiáng)度X>90 lx時(shí)，其中

(1)

則LED燈屬于關(guān)閉狀態(tài)，若X≤25 lx時(shí)，LED燈是最亮的，隨著X的值逐漸增加，LED燈的亮度相應(yīng)降低。當(dāng)在X<90 lx時(shí)，此時(shí)可分為兩種情況，若照明中無人時(shí)，則LED始終不會(huì)亮，若人體感應(yīng)模塊檢測(cè)有人時(shí)LED燈處于開啟狀態(tài)。

3.2 ADC0832 A/D轉(zhuǎn)換

ADC0832為8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨率可達(dá)256級(jí)，芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μs,因此工作效率非常高[9-10]。ADC0832與單片接口應(yīng)為CS, CLK, DO,DI,但由于DO端和DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效，所以電路中可將DO與DI并聯(lián)在一根線上，如圖7所示。

圖7 人體感應(yīng)模塊外部接線圖Fig.7 The external wiring diagram of human body inductiom module

ADC0832工作時(shí)期共有四種工作方式，本文選用的是工作數(shù)據(jù)為“1”，“0”，只需對(duì)CH0進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換，如圖8所示，到第三個(gè)脈沖的下降沿之后DI端的輸入電平就失去作用，此后DO/DI端則開始用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)下降沿開始有DO端轉(zhuǎn)出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高為DATA1，隨后每一個(gè)脈沖下沿DO端輸出下一位數(shù)據(jù)，直到第11脈沖發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)輸出完成，也正是從此位開始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下降沿輸出DATA0，隨后輸出8為數(shù)據(jù)，到第19個(gè)脈沖是數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)束，最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。

圖8 ADC0832工作時(shí)序圖Fig.8 The work sequence diagram of ADC0832

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)

Proteus軟件是英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。本文仿真了自動(dòng)模式和手動(dòng)模式下PWM脈沖輸出[10]。

4.1 自動(dòng)模式下PWM波形輸出

當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式下，主要依靠光敏電阻自動(dòng)調(diào)光的，當(dāng)外界光線比較亮?xí)r，LED燈會(huì)相應(yīng)暗一點(diǎn)，相反是亮一點(diǎn)[11]。為了使系統(tǒng)仿真現(xiàn)象比較直觀，在仿真中光敏電阻用了滑動(dòng)變阻器代替了，改變滑動(dòng)變阻器的阻值相當(dāng)于外界光線的變化，圖9分別是滑動(dòng)變阻器值100%、90%、85%、80%PWM脈沖輸出圖。

圖9 自動(dòng)模式下PWM波形輸出Fig.9 PWM waveform output in automatic mode

圖10 手動(dòng)模式下PWM波形輸出Fig.10 PWM waveform output in manual mode

4.2 手動(dòng)模式PWM波形輸出

本系統(tǒng)一共分為5級(jí)，通過增減鍵改變PWM輸出，一級(jí)脈沖最小,LED也是最暗的，五級(jí)脈沖最大，LED燈也是最亮的，在仿真中通過觀察PWM脈沖的變化，就相當(dāng)于LED亮度的相應(yīng)改變[12]，波形圖如圖10所示。

4.3 實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸出

在實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)光器件選用的是10個(gè)LED燈珠，圖11是手動(dòng)模式下1、3、5級(jí)實(shí)際燈珠的亮度。其中最左邊是1級(jí)模式對(duì)應(yīng)的亮度，最右邊圖是5級(jí)模式對(duì)應(yīng)的亮度，中間圖是3級(jí)模式對(duì)應(yīng)的亮度。

4.4 仿真結(jié)果分析

通過proteus 軟件里面的虛擬示波器輸出的圖像驗(yàn)證了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，當(dāng)在自動(dòng)模式下：

(2)

(3)

由于R1和U都是固定值，所以改變K的值可以改變功率P，從而改變LED的輸入功率，LED的亮度相應(yīng)得到改變。

在手動(dòng)模式下，通過增加鍵或減少鍵來改變LED的亮度，當(dāng)系統(tǒng)上電后，默認(rèn)LED的亮度是最暗的，如圖10中1級(jí)波形圖，當(dāng)按下增加鍵：

(4)

其中YK為手動(dòng)調(diào)節(jié)亮度對(duì)比值，初始值為100。每次按下增加鍵，亮度對(duì)比值會(huì)增加200，輸出的波形如8中相應(yīng)的等級(jí)，連續(xù)按下5次增加鍵后，YK的值會(huì)增加到1 100，這時(shí)通過程序給YK自動(dòng)賦值為100。相反如果按下減少鍵：

(5)

圖11 實(shí)際實(shí)驗(yàn)手動(dòng)模式LED亮度Fig.11 The manual mode LED brightness in actual experiment

每次按下減少鍵，YK的值會(huì)減少200，當(dāng)YK值為100值，繼續(xù)按下減少鍵，YK通過程序自動(dòng)賦值1100，這樣就可以循環(huán)改變LED的亮度。

5 總結(jié)

本文基于C51單片機(jī)的PWM調(diào)光臺(tái)燈以STC89C51作為主控芯片，設(shè)置了手動(dòng)控制模式、自動(dòng)控制和延時(shí)模式三種不同的工作模式。在手動(dòng)控制下，分為5個(gè)擋，輸出不同的PWM占空比實(shí)現(xiàn)了對(duì)光度的手動(dòng)調(diào)節(jié)；在自動(dòng)控制時(shí)，通過模式鍵進(jìn)行相互切換，運(yùn)用ADC0832 A/D轉(zhuǎn)換芯片不斷檢測(cè)光敏電阻的電壓來間接測(cè)量感應(yīng)光度，將電壓和預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整PWM的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)亮度調(diào)節(jié)。在延時(shí)模式下，系統(tǒng)具有延時(shí)打開、延時(shí)關(guān)閉和鬧鈴等功能。

本智能臺(tái)燈調(diào)光系統(tǒng)，在自動(dòng)模式下，中午使用時(shí)比相同規(guī)格非智能臺(tái)燈節(jié)能30%～50%；在早上或下午使用時(shí)節(jié)能20%～30%，取得了明顯的節(jié)能效果。本系統(tǒng)三種模式可以相互切換，增加了臺(tái)燈個(gè)性化設(shè)計(jì)，能更好的滿足每個(gè)人的生活所求。本系統(tǒng)所用的元器件的成本比其它相同功能智能臺(tái)燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)便宜20%～30%。在人們生活水平不斷的提高，以及全球注重環(huán)境保護(hù)，提倡綠色節(jié)能的大趨勢(shì)下，本設(shè)計(jì)具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

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The Intelligent System for LED Lighting Based on STC SCM

XU Anan, REN Chengcheng, WU Shanshan, XIA Tengfei, HE Shuping

(School of Electrical Engineering and Automation,Anhui University,Hefei 230039, China)

This paper mainly introduces the design of intelligent LED lighting dimming system which can switches among automatic type, manual type and delay type. In the automatic mode, the system can test the intensity of the indoor light through the photoconductive resistance and transform the signal it gathered by using the ADC module so as to control and adjust the brightness of the lamp. In the manual mode, it can adjust the brightness of LED lights by increasing or decreasing the time you press the keystrokes. In the delay mode, the system has functions which include delay to open, delay to shutdown and alarm. This system consists of hardware parts and software parts. The hardware parts are mainly made up of the op-amp circuit, nand gate circuit, ADC0832 module, control module, drive module, body induction module and power module. The software parts mainly include the general control program and module control of each part. We can learn from the Proteus software simulation that the system designed in this paper is of stronger applicability and is more convenient to use compared with other similar systems, which further verifies the effectiveness of the design in this paper.

LED table lamp;aptitude light-dimmer;Proteus;ADC0832 module

安徽省杰出青年基金(1608085J05)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61203051)；安徽大學(xué)本科教育質(zhì)量提升計(jì)劃項(xiàng)目(xjjyxm14048) 通信作者：何舒平，E-mail:shuping.he@ahu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.018