基于單片機的新型節(jié)能日光燈系統(tǒng)的設計

陳雄飛，趙宇先

（中國農業(yè)大學 信息與電氣工程學院，北京 100083）

隨著社會的發(fā)展和人口的增長，節(jié)能已成為一個重要的社會課題。日光燈是目前使用最為廣泛的一種燈具，但同大多數(shù)燈具一樣，一旦開啟，無論外界光強多大，它們都只能發(fā)出單一光強的光，這造成了能源的浪費。針對這一現(xiàn)象，本文提出了基于單片機的新型日光燈系統(tǒng)，通過采集外界光強信息，采用AT89C51單片機控制日光燈輸出光強的方式，使日光燈隨外界光強的變化而自動調整照射光強，在滿足使用者的用光要求的前提下，達到節(jié)約能源的目的。系統(tǒng)具有結構簡單、可靠性高、成本低等特點，可廣泛用于學校學習和家庭生活。其外圍電路組成。光線采集部分通過光敏電阻感受外界光強，通過其阻值的變化將外界光強的變化轉化為輸出電壓的變化。單片機控制部分通過ADC0809將電壓的模擬量轉化為數(shù)字量，經過分析處理輸出占空比可控的PWM波。日光燈自動調整部分根據(jù)PWM波調整日光燈燈管兩端的電壓，可在一定電壓范圍內達到較高的調控精度（0.1 V），以達到控制照射光強的目的[1]。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.1 Hardware block diagram of the system

1 硬件電路組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件結構[1-3]

系統(tǒng)構成如圖1所示。系統(tǒng)分為光線采集、單片機控制和日光燈自動調整3部分。光線采集部分主要由光敏電阻、三極管和配套電路組成；單片機控制部分主要由AT89C51單片機及其外圍電路，ADC0809模數(shù)轉換器組成；日光燈自動調整部分系統(tǒng)主要由光耦MOC3052，雙向三極管BT136及

1.2 光強采集電路

如圖2所示，本設計采用的是基極分壓式射極偏置電路，由 Vcc（5 V）、基極電阻 R5、R1和集電極電阻 R6組成，三極管射極直接接地，其中R5、R6是普通電阻，R1為光敏電阻。該電路具有很好的穩(wěn)定性，阻值很大的R5直接接在三極管的基極，起到很強的控制基極電流的作用，可以有效防止由于溫度等原因造成的電阻阻值波動對測量結果的影響。光敏電阻直接接受外界光強，所選光敏電阻光譜峰值540 nm，亮電阻（10LUX）5～10 kΩ，暗電阻 0.6 MΩ。

圖2 光強采路電路Fig.2 Intensity mining road circuit

當外界光強變大時，光敏電阻R1阻值變小，電流IR1變小，三極管基極電流Ib變小，集電極電壓，即輸出電壓IN0－BAK變大。同理，當外界光強變小時，輸出電壓INO－BAK變小。這樣，三極管將由光強變化引起的電流變化轉化為電壓變化輸出，接入ADC0809數(shù)模轉換的輸入端口。

1.3 A/D轉換電路設計

本設計選用8位模數(shù)轉換器ADC0809。該芯片是典型的8位8通道逐次逼近式A/D轉換器，可對8路模擬電壓實現(xiàn)分時轉換。為了換算方便，設置基準電壓為5 V，即模擬量輸入為+5.0時，ADC輸出為 0FFH，即225[2]，系統(tǒng)分辨率為 50/255=0.2 V/LSB?；鶞孰妷涸O為5 V，為保證轉換的精度，由LM7805精密穩(wěn)壓器提供。

LM7805聯(lián)接方式如圖3所示，J1接12 V普通直流電源，C6和C7作為輸入和輸出的濾波電容，C12為輸入電阻，C3為負載電阻。

圖3 LM7805精密穩(wěn)壓儀電路Fig.3 LM7805 precise voltage regulation circuit

1.4 單片機電路設計

本系統(tǒng)采用Atmel公司生產的AT89C51單片機。它是一種低電壓、低功耗、高性能的CMOS 8位單片機，片內含8 kB可反復擦寫的程序存儲器和256 B的數(shù)據(jù)存儲器。單片機及其必要的外圍電路，包括復位電路和晶振電路如圖4所示[3]。

本系統(tǒng)使用AT89C51自帶的PWM模塊，通過內部定時器，采用脈寬調制技術。輸入端P2.0～P2.7輸入8位由IN0－BAK端電壓轉化的數(shù)字輸入量，由P1.3口輸出不同占空比的方波。這樣將輸入的外界光強的變化轉化為輸出的PWM波的占空比的變化。

1.5 日光燈控制電路

如圖5所示，本模塊為核心部分。P1.3為PWM波輸入，高低電平分別為5 V和0 V，R11為上拉電阻，起限流作用。SMD元件為MOC3052，是一種光電耦合器件，用于弱電電路和強電電路的有效隔離。J2接220 V交流電源，J3接地，R10為日光燈電阻，兩端分別接日光燈的火線和地線。R7和R8為對稱大功率電阻，起限流作用。

圖4 單片機及其外圍電路Fig.4 MCU and peripheral circuit

圖5 日光燈控制電路Fig.5 Fluorescent lamp control circuit

當P1.3輸入為低電平時，光耦MOC3052導通，為雙向晶閘管控制極提供導通脈沖，雙向晶閘管導通，起到分流的作用，設此時日光燈電阻R10兩端電壓為V1；同理，當P1.3輸入為高電平時，光耦截止，雙向晶閘管截止，設R10兩端電壓V2。其中，V2＜V1。所以通過對占空比的改變，即改變光耦的導通時間，可以有效地控制日光燈兩端的電壓，即達到變日光燈光強的效果。

由于日光燈的燈管開始點燃時需要一個高電壓，正常發(fā)光時則允許通過不大的電流，這時燈管兩端的電壓低于電源電壓。本實驗使用的日光燈功率為40 W，經測定，起輝電壓最低為200 V，而正常發(fā)光后維持穩(wěn)定光亮的電壓要求為165～245 V，即電壓可控范圍為 165～245 V。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主要的任務是實時監(jiān)測外界的光強，然后通過單片機通過輸出PWM波控制光耦的開合來達到控制日光燈光強的目的。系統(tǒng)軟件設計的重點在于單片機的編程。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

單片機編程主要包括初始化程序、光強采集處理程序和PWM波輸出程序等。初始化包括硬件的初始化和定時器的初始化；光強采集處理主要完成外部采集的光強轉換；產生PWM波采用中斷延時配合循環(huán)指令。下面對各部分作詳細分析。

首先通過光敏電阻感應相應的光線強度并將其轉換成數(shù)字變量傳入單片機。單片機集成的ADC0809將光線強度模擬變量轉化成數(shù)字變量（因為ADC0809是8位通道，所以其轉化范圍為0～255），將得到的8位數(shù)字變量從P2.0～P2.7端口輸入到AT98C51。程序中讀入8位輸入量并將其除以255得到光強度系數(shù)[4]，這里用變量ld表示（變量范圍0～1）。

得到光強度系數(shù)后就以這個數(shù)字為占空比輸出PWM信號來控制光電耦合器。此步是在程序中通過調用計時器來實現(xiàn)，將輸出口定于P1.3。依據(jù)日常用的日光燈頻率將輸出方波的周期定為50 Hz，因為50 Hz頻率的光能讓人眼感覺不到交流燈光的閃爍。將正波的時間跨度假設為l s，因此負波的時間跨度就為（1-l）s。正波時間跨度通過光強度系數(shù)乘以周期可得到。由此設置定時器，首先在程序中將定時器模式調為方式0，使用12 MHz的晶振，并通過中斷響應來調用。

根據(jù)定時初值=2^n-t/12 M，t是所需要定時的時間（ms）,計算出初值為5 ms,然后以5 ms為一周期進行定時處理。因為頻率50 Hz即周期為0.02 s，故需要對此定時器進行4次循環(huán)。本系統(tǒng)將循環(huán)的次數(shù)與定時器中斷的次數(shù)相同步，即定時器中斷一次算一次循環(huán)，這樣就可以樣就可以保證0.02 s的周期長度[5]。

輸出方波的正負性，可以根據(jù)光強度系數(shù)乘以4得出的值來決定。當循環(huán)的次數(shù)小于這個數(shù)時，輸出的是正波，當大于這個數(shù)時，輸出的是負波。以此就可以輸出頻率為50 Hz并且符合相應光強度系數(shù)的方波來進行光電耦合器的控制。單片機將相應的PWM波從P1.3口輸出，系統(tǒng)接收到后進行相應的判斷，根據(jù)占空比大小進行相應的調整來決定輸出電壓的大小。當正波時間跨度大于一定的值時，即表示光強小，需打開燈。當正波時間跨度小于規(guī)定值時，表示光強足夠大不需要打開燈[6]。正波時間跨度在規(guī)定范圍內時，日光燈正常工作。

3 系統(tǒng)測試

試驗中用一個光強可變的獨立光源照射光敏電阻（距離20 cm），光強由暗到亮逐漸變化，然后測試日光燈兩端的電壓，并在距燈管1 m處擺放一個光度計，測試光強；在燈管處接功率表，測試功率。在試驗過程中，光敏電阻接收的唯一光源是獨立光源，光度計接收的唯一光源是日光燈。測試數(shù)據(jù)范圍為日光燈保持穩(wěn)定光強的范圍（170～245 V），測量次數(shù)為10次。測試結果如表1所示，表中光強數(shù)據(jù)為光度計10次測量的平均值，功率比為10次測量的平均功率值和未改裝日光燈功率（40 W）之比。

表1 實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data

由表可知，該新型日光燈在滿足使用者足夠光強的前提下，節(jié)能效果顯著。經反復調試，該燈接受光強較為靈敏，發(fā)光亮度變化范圍較大，發(fā)光較為穩(wěn)定，適宜廣泛用于日常學習生活中。

4 結束語

本文設計了一種基于單片機的新型日光燈系統(tǒng)以解決普通日光燈因光強固定而產生的能源浪費問題。本系統(tǒng)通過對外界光強的采集分析，通過單片機控制日光燈的發(fā)出光強，使其根據(jù)外界環(huán)境的不同而做出相應調整。在滿足使用者用光要求的前提下，極大地降低了日光燈的功率，節(jié)省了能源，適宜于推廣使用。

[1] 錢峰.單片機原理，編程及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

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[4] Kucera J.Basic SCM Program Design[M].USA CRC Press，Inc.2002.

[5] VENDELIN G D.Microwave circuit design using liner and nonlinear techniques[M].Canada:Library of Congress Cataloging in Publication Data，1990.

[6] TI公司.OPA404 Data sheet[EB/OL].[2009-07-25].http://focus.ti.com.cn/cn/docs/prod/folders/print/opa404.html.