基于STC單片機(jī)LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賈冬穎 王巍

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300160)

1 引言

LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，LED的發(fā)光器件是冷光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)。白熾燈，鹵鎢燈的光效為12～24lm/W，熒光燈50～70lm/W，鈉燈90～140lm/W，而且大部分的耗電變成了熱耗。LED可達(dá)到50～200lm/W，而且單光的單色性好，光譜窄，無(wú)需過(guò)濾，可直接發(fā)出有色可見(jiàn)光。在相同照明效果的情況下，耗電量約為白熾燈的十分之一，熒光燈的二分之一。同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦。LED的平均壽命達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，安全可靠性強(qiáng)，不含汞，鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)，有利于環(huán)保，被稱為“綠色照明光源”。［1］

2 智能照明控制方案設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì):

利用光敏電阻檢測(cè)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱，被動(dòng)熱釋紅外探測(cè)器可探測(cè)人體的特征，傳感器將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送給控制核心——單片機(jī)，根據(jù)處理結(jié)果去控制照明設(shè)備的開(kāi)啟、關(guān)閉和照度。圖1為智能照明控制方案原理框圖。

該系統(tǒng)主要由三部分組成:傳感器部分，控制器部分和LED驅(qū)動(dòng)電路和照明系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 傳感器部分

3.1.1 被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器［2］

圖1 照明控制方案原理框圖

該探測(cè)器有三個(gè)關(guān)鍵元件:菲涅爾濾光晶片，它通過(guò)截止波長(zhǎng)8～12μm的濾光晶片，起帶通濾波器的作用，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制;菲涅爾透鏡，聚焦作用，即將熱釋的紅外信號(hào)折射 (反射)在熱釋電紅外傳感器上，第二個(gè)作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣熱釋電紅外傳感器就能產(chǎn)生變化的電信號(hào);熱釋電紅外傳感器將透過(guò)濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。

人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)10μm左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10μm左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過(guò)菲涅爾濾波片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通過(guò)采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射穩(wěn)定發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生電平的變化。

根據(jù)此原理應(yīng)用性能穩(wěn)定的紅外模塊，當(dāng)有人走動(dòng)時(shí)模塊輸出3.3V電壓，沒(méi)人時(shí)為低電平。模塊有可調(diào)的延時(shí)，最多可達(dá)到18秒。［3］

3.1.2 環(huán)境亮度傳感模塊［4］

此傳感模塊的核心器件是光敏電阻。光敏電阻利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器;入射光強(qiáng)，電阻小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換 (將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化)，見(jiàn)圖2。

3.2 控制部分［5］

STC12C5628AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(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8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 8～12倍，內(nèi)部集成MAx810專用復(fù)位電路。4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

圖2 光敏電阻值與光強(qiáng)的關(guān)系

圖3 環(huán)境亮度模塊的電路圖

選擇這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)主要考慮到具有PWM和AD轉(zhuǎn)換的作用，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。

由于采用的是PWM調(diào)光的方式，為了減少不必要的外圍的電路，選擇的驅(qū)動(dòng)芯片可直接由DIM管腳輸入PWM方波。

LM3407是一款集成了N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管的脈沖寬度調(diào)制的浮動(dòng)式降壓轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)是為提供精準(zhǔn)的恒定電流輸出，以驅(qū)動(dòng)高功率發(fā)光二極管 (LED)。LM3407的顯著特色是脈沖電平調(diào)制(PLM)控制方案，這一方案在使用一個(gè)外部1%精度的電流設(shè)定厚膜電阻時(shí)，能確保在整個(gè)輸入電壓和工作溫度范圍內(nèi)恒定電流輸出精度好于10%。轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)特點(diǎn)是具有一個(gè)可接收標(biāo)準(zhǔn)邏輯脈沖，控制LED陣列亮度的DIM引腳，使得LM3407成為精密功率LED驅(qū)動(dòng)器或者恒流源的理想器件。

4 軟件設(shè)計(jì)

本程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了2個(gè)功能模塊子程序，使一些功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，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)用個(gè)功能模塊子程序。［6］

圖4 控制模塊的原理圖3.3 led驅(qū)動(dòng)模塊

圖5 驅(qū)動(dòng)模塊的原理圖

該系統(tǒng)有2個(gè)功能模塊:1是AD轉(zhuǎn)換模塊;2是PWM產(chǎn)生模塊。在主函數(shù)中直接調(diào)用就可以了，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)的流程圖見(jiàn)圖6。

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)達(dá)到了很好的節(jié)能和改善照明環(huán)境的效果。既消除了居民樓道聲控?zé)舻臄_民問(wèn)題，又解決了能及時(shí)關(guān)燈大大節(jié)省能源的問(wèn)題，選取的LED燈更是被稱為“21世紀(jì)的綠色光源”。

圖6 系統(tǒng)的總體流程圖

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。可適用于公寓，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］LED光源與白熾燈的對(duì)比 http://www.cnledw.com/knowledge/detail-6517.htm(中國(guó)LED網(wǎng))

［2］趙玲，朱安慶.智能 LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2008 33(2):137～140

［3］超小型智能熱釋電紅外檢測(cè)器組件 http://www.xiegang.com/HWZ.htm

［4］陳虹頤.室內(nèi)燈光智能控制的一種可行性方案 ［J］.綿陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007 26(2):49～52

［5］姚永平，STC125628AD單片機(jī)系列1T 8051單片機(jī)中文指南http://www.mcu-memory.com

［6］ONAYGIL S，GULER O.Determination of the energy saving system with an example from istanbul［J］.Peragmon Building and Environment，2003，38:9732977