LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

未慶超，周德讓?zhuān)嵔鹚桑愭茫ò碴?yáng)師范學(xué)院人文管理學(xué)院 航空工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

未慶超，周德讓?zhuān)嵔鹚?，石麗?br/>（安陽(yáng)師范學(xué)院人文管理學(xué)院 航空工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000）

為了節(jié)能和智能控制燈光，構(gòu)建了一個(gè)以STC12C5410AD單片機(jī)為核心的LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)白光LED照明的閉環(huán)控制功能。該系統(tǒng)利用光敏電阻實(shí)時(shí)采集環(huán)境光線強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)白光LED亮度；采用A/D轉(zhuǎn)換將光線強(qiáng)度的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；采用I/O口實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 的PWM功率控制；采用電流驅(qū)動(dòng)，電流步距可調(diào)的方式來(lái)調(diào)節(jié)白光LED。通過(guò)測(cè)試表明，該系統(tǒng)提高了照明環(huán)境的品質(zhì)，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

STC12C5410AD；白光LED；A/D轉(zhuǎn)換；PWM；電流驅(qū)動(dòng)

0 引言

白光LED由于其獨(dú)特的發(fā)光原理使其具有節(jié)約能源、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、成本低、減少維護(hù)費(fèi)用、提供更好的燈光品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)［1］，而成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)在各行業(yè)的應(yīng)用得以快速發(fā)展，包括在景觀、沿途公路、隧道等場(chǎng)所都有一定的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外己經(jīng)開(kāi)始實(shí)行對(duì)燈光的智能控制，但國(guó)內(nèi)對(duì)樓宇燈光的智能控制還很簡(jiǎn)單且不完善，大多依然是傳統(tǒng)式的人工管理，造成了電能浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而且過(guò)強(qiáng)或過(guò)弱的光照條件會(huì)帶給人不適感覺(jué)。因此本文設(shè)計(jì)了LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PWM調(diào)光技術(shù)，采集環(huán)境光線強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)3mm LED亮度，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的目的。

LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)由12個(gè)3mm白光LED組成，采取軟硬件設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，以STC12C5410AD單片機(jī)［2］為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)總體方案的設(shè)計(jì)，從而完成該閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能。

1 總體思路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路框架如圖1所示，主要由STC12C5410AD主控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖電流驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、人機(jī)界面模塊5個(gè)模塊組成。其中，主控制模塊以STC12C5410AD為核心由電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊利用感光元件光敏電阻采集環(huán)境光線強(qiáng)度，再利用STC12C5410AD的ADC轉(zhuǎn)換器把光線強(qiáng)度值的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。脈沖電流驅(qū)動(dòng)模塊主要由S8050和白光LED構(gòu)成，通過(guò)脈寬調(diào)制PWM產(chǎn)生的脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED，改變脈沖電流的占空比來(lái)調(diào)節(jié)LED的亮度。人機(jī)界面模塊包括鍵盤(pán)處理模塊、LED顯示模塊和數(shù)碼管顯示模塊。鍵盤(pán)處理模塊用來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度變化的步長(zhǎng)，而且當(dāng)前步長(zhǎng)通過(guò)數(shù)碼管顯示模塊的七段數(shù)碼管來(lái)顯示。串口通信模塊用于硬件電路與PC的通信，傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)的硬件電路框架

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用功能模塊化編程思想實(shí)現(xiàn)，不同的模塊完成相應(yīng)的功能，并有程序上的中斷、循環(huán)等。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主控制模塊

系統(tǒng)主控制模塊是由STC12C5410AD單片機(jī)、電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊等構(gòu)成，是整個(gè)硬件電路的核心，處理各種輸入信號(hào)，發(fā)出指令控制各個(gè)器件工作，主控制電路如圖2所示。

圖2 主控制模塊的硬件電路圖

電源模塊為單片機(jī)及其他元器件提供5 V及3.3 V直流電壓。時(shí)鐘模塊為單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘和運(yùn)算速度。復(fù)位模塊用于硬件電路的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

STC12C5410AD單片機(jī)帶有 8路 10位的高速 A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到100 kHz。隨著光照的變化，感光元件光敏電阻從亮阻到暗阻的變化值在1 k級(jí)別到幾百k之間。設(shè)計(jì)中采用光敏電阻與一個(gè)100 kΩ電阻串聯(lián)分壓的辦法來(lái)將光敏電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化為可以采集的電壓變化。

數(shù)據(jù)采集模塊主要由光敏電阻［3］及 100 kΩ電阻構(gòu)成。該閉環(huán)控制系統(tǒng)采用P1.7作為A/D轉(zhuǎn)換口。采集環(huán)境中，根據(jù)光線強(qiáng)度的變化，光敏電阻的阻值隨著改變，通過(guò)轉(zhuǎn)化為電壓的變化，將電壓的模擬量轉(zhuǎn)化為其數(shù)字量，然后根據(jù)電壓的大小來(lái)調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的脈沖電流占空比，從而調(diào)節(jié)脈沖電流的大小，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度的大小。

2.3 脈沖電流驅(qū)動(dòng)模塊

該系統(tǒng)中運(yùn)用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)［4］來(lái)驅(qū)動(dòng)12個(gè)白光LED。脈沖電流驅(qū)動(dòng)模塊用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)產(chǎn)生的脈沖電流驅(qū)動(dòng)LED，具有亮度高、散熱性能好、驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)STC12C5410AD，PWM信號(hào)頻率通常會(huì)超過(guò)100 Hz，以確保這個(gè)脈沖電流不會(huì)被肉眼察覺(jué)。

脈沖電流驅(qū)動(dòng)模塊由 S8050和白光 LED組成，硬件電路如3圖所示。其中S8050是最大集存器電流為0.5 A 的NPN型晶體三極管，用在各種放大電路中。用三極管S8050驅(qū)動(dòng)12個(gè)并聯(lián)排列白光LED，單片機(jī)通過(guò) PWM控制工作在飽和區(qū)的 S8050，使其飽和導(dǎo)通或者截止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈亮度的控制。S8050飽和導(dǎo)通時(shí)，其集電極電流可以達(dá)到500 mA，可以提供12個(gè)LED所需的工作電流。

圖3 脈沖電流驅(qū)動(dòng)的硬件電路圖

2.4 人機(jī)界面模塊

該人機(jī)界面模塊包括LED顯示模塊、數(shù)碼顯示模塊和鍵盤(pán)處理模塊。LED顯示模塊用來(lái)顯示12個(gè)LED。鍵盤(pán)處理模塊用來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度變化的步長(zhǎng)。調(diào)節(jié)LED亮度變化的步長(zhǎng)時(shí)，數(shù)碼管顯示模塊用來(lái)顯示當(dāng)前步長(zhǎng)的值。當(dāng)LED亮度小時(shí)，增加步長(zhǎng)，使LED的亮度增強(qiáng)；當(dāng)LED亮度大時(shí)，減少步長(zhǎng)，使LED的亮度減弱。

2.5 通信模塊

由于上位機(jī)帶有RS232接口，利用上位機(jī)的串行口與下位機(jī)進(jìn)行RS232通信，傳輸數(shù)據(jù)。通信模塊電路采用了PC的RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)芯片MAX232，進(jìn)行串行通信。利用STC12C5410AD的串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片，整個(gè)接口電路簡(jiǎn)單，可靠性高。

3 軟件框架的設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)框架以 STC12C5410AD單片機(jī)為核心，以Keil uVision3為編程平臺(tái)，采用 C51編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。采用功能模塊化編程，不同的模塊完成相應(yīng)的功能，并有程序上的中斷、循環(huán)等。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框架包括主程序、中斷服務(wù)程序和子程序構(gòu)成，如圖4所示。其中，子程序包含A/D轉(zhuǎn)換、PWM［5］驅(qū)動(dòng)、串口通信、鍵盤(pán)處理、LED 顯示、數(shù)碼管顯示等程序。

圖4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)框架

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序由初始化程序和功能程序設(shè)計(jì)構(gòu)成。初始化程序包括串口初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、脈沖調(diào)制PWM初始化、外部中斷初始化，功能程序設(shè)計(jì)用來(lái)完成系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行程序。主程序設(shè)計(jì)的工作流程圖如圖5所示。

圖5 主程序的工作程序流程圖

3.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

中斷服務(wù)程序包括外部中斷0和外部中斷1服務(wù)程序，用于控制PWM脈沖電流的占空比的大小調(diào)節(jié)。其中，外部中斷0服務(wù)程序用于按鍵Key1處理，當(dāng)按鍵Key1按下時(shí)，增加電流步距，電流占空比減少；外部中斷1服務(wù)程序用于按鍵Key2處理，當(dāng)按鍵Key2按下時(shí)，減少電流步距，電流占空比增加。

3.3 子程序設(shè)計(jì)

3.3.1 延時(shí)程序設(shè)計(jì)

延時(shí)程序設(shè)計(jì)采用for循環(huán)的方法來(lái)延時(shí)，主要用于按鍵消抖。

3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)

利用感光元件光敏電阻來(lái)采集光照強(qiáng)度，然后將采樣值通過(guò)I/O口送給A/D轉(zhuǎn)換器。A/D［6］轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計(jì)將采樣值模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以查詢(xún)方式來(lái)讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。設(shè)計(jì)中采取A/D轉(zhuǎn)換的10位結(jié)果，并將取特殊功能寄存器ADCDATA的前5位和ADCLOW2的前2位作為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖6所示。

3.3.3 PWM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

PWM驅(qū)動(dòng)程序利用單片機(jī)內(nèi)部PCA模塊工作在8位PWM模式。采用矩形波電流脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。LED的平均電流是最大峰值電流與占空比的乘積。當(dāng)最大峰值電流一定時(shí)，輸出的亮度取決于驅(qū)動(dòng)脈沖電流的占空比。向PCA捕捉寄存器/比較寄存器CCAP0L和CCAP0H賦值，控制輸出信號(hào)的占空比。通過(guò)寄存器CCAP0H值，裝載到CCAP0L值。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖

3.3.4 串口通信程序設(shè)計(jì)

串口通信程序用于通過(guò)PC把程序下載到單片機(jī)中。其設(shè)計(jì)采用定時(shí)器1的8 bit自動(dòng)重裝模式設(shè)計(jì)波特率，使用中斷的方式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 測(cè)試與調(diào)試

在測(cè)試過(guò)程中，采用模塊化思想測(cè)試各個(gè)功能。首先，串口通信程序是否能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行檢驗(yàn)。在串口調(diào)試助手的窗口觀察是否有數(shù)據(jù)顯示，若出現(xiàn)“1”，則程序正確，否則錯(cuò)誤。其次，測(cè)試中斷程序，主要是檢測(cè)按鍵的消抖。最后，測(cè)試A/D轉(zhuǎn)換程序，主要是查看A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果及其變化。

根據(jù)測(cè)試的程序，調(diào)試好各個(gè)功能模塊的程序，然后綜合調(diào)試系統(tǒng)的整個(gè)功能。通過(guò)在不同的環(huán)境下光線的強(qiáng)弱來(lái)控制光敏電阻的阻值，從而控制12個(gè)白光LED的亮度。當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻的阻值變小，A/D采樣的結(jié)果變大，PWM脈沖電流的占空比減小，LED的亮度變小；當(dāng)光線較弱時(shí)，光敏電阻的阻值變大，A/D采樣的結(jié)果變小，PWM脈沖電流的占空比增大，LED的亮度變大，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的LED閉環(huán)控制系統(tǒng)可以節(jié)約電能，減少經(jīng)濟(jì)損失，克服了人工管理的缺點(diǎn)，能實(shí)時(shí)采集環(huán)境光線強(qiáng)度，自動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED照明的閉環(huán)控制功能，提高了照明環(huán)境的品質(zhì)，給人一種舒適的生活工作環(huán)境，具有電路簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

［1］樊岳標(biāo)，劉麗蘭，韓鎏.LED照明控制與仿真一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械制造，2013，51（592）：24-27.

［2］胡禮廣，王剛.基于STC12C5410AD單片機(jī)的鑲嵌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（8）：73-75.

［3］徐梅.基于 AT89C51的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2011（5）：43-44，47.

［4］張興，秦會(huì)斌，郭石磊.基于UCC3818A的600W APFC電源設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（6）：23-25，28.

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Design and realization of LED lighting closed-loop control system

Wei Qingchao，Zhou Derang，Zheng Jinsong，Shi Liting
（Aeronautic Engineering College，Humanistic Management College of Anyang Normal Univerity，Anyang 455000，China）

In order to save energy and control lighting intelligently，a LED lighting closed loop control system with STC12C5410AD MCU as the core was constructed.The white LED lighting closed-loop control functions were realized.The photosensitive resistance was used to real-timely gather environment light intensity in the system.The white LED light brightness was adjusted automatically.Through A/D conversion the analog of light intensity was converted to digital quantity.Through I/O port PWM power control of the LEDs was implemented.The white LEDs were adjusted by electric current driven and the current step distance is adjustable.Through the test，the quality of lighting environment was improved，it has advantages of simple circuit and high reliability.

STC12C5410AD；white LED；A/D converter；PWM；current drive

TP273

A

1674-7720（2015）22-0034-03

未慶超，周德讓?zhuān)嵔鹚桑?LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（22）：34-36，43.

2015-07-26）

未慶超（1985-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。E-mail：wqckhd@163.com。

周德讓?zhuān)?989-），男，碩士研究生，主要研究方向：新能源材料。

鄭金松（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向：成套裝備及其自動(dòng)化。