基于STCl2C5410AD系列單片機的智能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計*

王秀霞

(山東菏澤學(xué)院物理系，菏澤 274015)

1 引言

當前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領(lǐng)域，LED由于具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，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，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代。

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 (是白熾燈的50倍，熒光燈的6倍，理論上可以點亮10萬～12萬小時)、污染小 (LED替代熒光燈后每年將減少8000萬噸CO2，65萬噸SO2，32萬噸NO2;減少Hg的危險;無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、瞬時點亮;可進行傳統(tǒng)光源無法進行的等級控制;分光光譜、色溫、零食調(diào)制、偏振。)等特點。

LED是電流控制元件，通過流過的電流，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，因其不存在摩擦損耗和機械損耗，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自動控制照明的開關(guān)和亮度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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

2.1 系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計［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

2.2.1 感應(yīng)模塊

(1)亮度檢測模塊

亮度檢測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。通過對光電管、光敏電阻等光電探測器的各種性能進行比較，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關(guān)電路，如圖2所示。

(2)人體檢測模塊

圖2 光控開關(guān)電路

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

(3)LED燈溫度檢測模塊

LED燈溫度檢測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)計的測量溫度范圍和精度要求，向單片機提供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。它是單時鐘/機器周期(IT)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代805l單片機，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。選擇這個型號的單片機主要考慮到具有PWM和A/D轉(zhuǎn)換的功能，使得外圍電路得到了大大的簡化，同時產(chǎn)生的PWM信號可直接與驅(qū)動芯片相連，使得這個系統(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，速度均可達到100KHz(10萬次/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軟件在P1M0、P1M1寄存器中對相應(yīng)的位進行設(shè)置(將其設(shè)置為開漏模式或高阻輸入)，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系列單片機有四路可編程計數(shù)器陣列 (PCA)/PWM。PCA含有一個特殊的16位定時器，有4個16位的捕獲/比較模塊與之相連。每個模塊可編程工作在4種模式下:上升/下降沿捕獲、軟件定時器、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定時器的時鐘源。兩者之間的關(guān)系為:

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

當某個I/O口作為PWM使用時，該口的狀態(tài)如表2所示，外接負載電路如圖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)動控制模塊［2］

LED燈驅(qū)動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)動高達數(shù)十瓦的LED。AX2015內(nèi)置功率開關(guān)，采用高端電流采樣設(shè)置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調(diào)光和很寬范圍的PWM調(diào)光。當DIM的電壓低于0.3伏時，功率開關(guān)關(guān)斷，AX2015進入極低工作電流的待機狀態(tài)。

圖5 AX2015驅(qū)動LED燈原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作過程:首先利用光敏元件檢測需要照明環(huán)境光線的強弱，若需要照明的環(huán)境的照度X＞200lx時，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，分為兩種情況:需要照明環(huán)境有人，LED照明燈具處于開啟狀態(tài)，并且隨著環(huán)境照度和LED燈的溫度調(diào)整PWM的占空比，進而調(diào)節(jié)LED燈具的照度;需要照明環(huán)境無人，LED照明燈具處于關(guān)閉狀態(tài)，達到智能照明的目的。為此設(shè)計了嚴密的軟件控制。本程序采用模塊化設(shè)計思想。以主程序為核心設(shè)置功能模塊子程序，簡化了設(shè)計結(jié)構(gòu)。運行過程中通過主程序調(diào)用各功能模塊子程序，因為燈具控制實時要求不高，循環(huán)控制即可滿足要求。

3.1 系統(tǒng)主控軟件設(shè)計［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、人體紅外感應(yīng)信號和溫度信號，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)，從而達到動態(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［1］

STC12C5410AD系列單片機A/D轉(zhuǎn)換模塊在P1口 (P1.7～P1.0)，通過軟件設(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［1］

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

當EPCnL=0及CCAPnL=00H時，PWM固定輸出高

當EPCnL=1及CCAPnL=0FFH時，PWM固定輸出低

PWM輸出C語言程序代碼如下:

#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PCA定時器

while(1){};

}

4 結(jié)束語

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

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實用性強?？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系列單片機器件手冊．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LED智能照明系統(tǒng)的設(shè)計 ［J］．照明工程學(xué)報，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［J］．黑龍江大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2009，8:543～545．