基于單片機(jī)的臺(tái)燈亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閔譯萱

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的臺(tái)燈亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閔譯萱

遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度，通過自動(dòng)控制臺(tái)燈亮度可以很好地節(jié)約電能。利用光強(qiáng)度傳感器采集光信號(hào)，用熱釋電紅外傳感器采集人體的信號(hào)，STC89C52單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，比較背景光的強(qiáng)弱來發(fā)出控制臺(tái)燈的亮度。

單片機(jī) 調(diào)光系統(tǒng) 臺(tái)燈

1 緒論

單片機(jī)的應(yīng)用無處不在，可控制燈具的芯片數(shù)不勝數(shù)，而使用單片機(jī)來控制燈具，達(dá)到人們預(yù)期效果的方法卻最為廣泛，利用單片機(jī)控制燈具逐漸成為當(dāng)下的一種趨勢(shì)?，F(xiàn)如今，為了環(huán)保節(jié)約，構(gòu)建資源節(jié)約型社會(huì)，臺(tái)燈也可以運(yùn)用單片機(jī)進(jìn)行智能調(diào)光控制，使其產(chǎn)生亮暗交替的效果，避免資源的過度浪費(fèi)。本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心，調(diào)光方式采用PWM調(diào)光。將采集到的信號(hào)傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)控制處理產(chǎn)生PWM調(diào)光信號(hào)，再把信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳送給以HV9931驅(qū)動(dòng)芯片控制的電路實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光。利用PWM調(diào)光技術(shù)，通過對(duì)PWM的周期和占空比的調(diào)節(jié)來改變流過臺(tái)燈電流的大小，進(jìn)而達(dá)到對(duì)臺(tái)燈亮暗的控制調(diào)節(jié)的目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)燈的PWM調(diào)光控制，本課題所研究的就是這種智能調(diào)光控制。

2 智能調(diào)光系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本次臺(tái)燈亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的核心部件是STC89C52單片機(jī)，所采用的調(diào)光方式是PWM調(diào)光。用光強(qiáng)度傳感器采集光信號(hào)，用HP208熱釋電紅外傳感器采集人信號(hào)，然后再傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)控制處理產(chǎn)生PWM調(diào)光信號(hào)，信號(hào)再傳送給驅(qū)動(dòng)電路，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)光。系統(tǒng)整體硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體硬件框圖

2.1 控制器

由STC公司生產(chǎn)的單片機(jī)控制器STC89C52，是MCS—51系列單片機(jī)，對(duì)比其他的單片機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是低電壓，高性能。片內(nèi)含有8位的CPU，ROM和RAM，由于它具有數(shù)據(jù)吞吐速率高，功耗低，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的使用。

它采用的是高密度、不容易失去存儲(chǔ)的技術(shù)所制作的，它使得MCS-51指令系統(tǒng)和89C52引腳可以同時(shí)進(jìn)行。STC89C52的管腳有電源電壓輸入端，電源地，P0口，P1口，P2口，P3口，復(fù)位輸出端，地址鎖存允許脈沖信號(hào)端，外部存儲(chǔ)器的選通信號(hào)，外部程序存儲(chǔ)器訪問允許等。

2.2 紅外傳感器

熱釋電傳感器是一種溫度傳感器。由于熱釋電效應(yīng)，當(dāng)在它的監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)有一個(gè)溫度的變化T時(shí)，那么，就會(huì)在傳感器的兩個(gè)電極之間釋放Q的電荷量，這樣一來的話，便會(huì)在傳感器的兩個(gè)電極之間產(chǎn)生V的電壓。由于其高輸出阻抗，傳感器由于有阻抗改變所以內(nèi)部帶有場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

當(dāng)環(huán)境溫度是定值，在T=0時(shí)，傳感器是沒有信號(hào)輸出；但，發(fā)現(xiàn)有人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，人體的體溫和環(huán)境溫度會(huì)存在差異，即存在溫差T，并被輸出；如果在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)沒有檢測(cè)到人體的存在，則溫度沒有變化，傳感器沒有輸出。

2.3 光線檢測(cè)傳感模塊

光電原件是一種將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿膫鞲衅骷怆娛絺鞲衅骶褪抢眠@個(gè)原理進(jìn)行工作。光電器件反映速度快、結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、使用起來很方便，可靠性高，因此在自動(dòng)檢測(cè)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。經(jīng)常使用的光電轉(zhuǎn)換器有光敏三極管和光敏二極管。從光敏三極管的構(gòu)成和運(yùn)作時(shí)的特點(diǎn)可以看出，對(duì)比光敏二極管，它具有更高的靈敏度，因此依據(jù)需要選取光敏三極管來完成對(duì)環(huán)境光的檢測(cè)。發(fā)射極輸出的電壓，通過二級(jí)放大后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)中。為了電壓采樣的靈敏度能夠盡可能的提高，采集電壓通過兩級(jí)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大和采集。同時(shí)為了減小兩級(jí)運(yùn)放輸入失調(diào)電壓，在電路中加了調(diào)零電路，它是由R13、R14和RW1這三部分組成的。單片機(jī)通過獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)換結(jié)果來確定背景光強(qiáng)的采集，背景光檢測(cè)電路如圖2所示：

圖2 背景光檢測(cè)電路

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)采用HV9921作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)芯片。HV9921是一種集成控制器，其特征是輸出電流定值，適用于臺(tái)燈恒流驅(qū)動(dòng)，其功能特點(diǎn)還可以方便的用作PWM調(diào)光，主電路是一個(gè)降壓-升壓斬波電路的非孤立的單級(jí)單開關(guān)恒流輸出電路。由L1、C11、D3、D2和Q2組成的Buck-Boost電路是輸入級(jí)，工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式；降壓電路的輸出級(jí)是由C11、Q2、D5、D6及L2組成的，工作于連續(xù)導(dǎo)電模式下。驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示：

圖3 臺(tái)燈驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是和硬件相聯(lián)調(diào)，準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的功能。當(dāng)系統(tǒng)在受到環(huán)境強(qiáng)光照射時(shí)，無論人在還是不在臺(tái)燈都不會(huì)亮燈；但在規(guī)定亮燈時(shí)間內(nèi)，如果環(huán)境光照足夠弱，當(dāng)有人存在并且待上一段時(shí)間之后，單片機(jī)便驅(qū)動(dòng)控制器點(diǎn)亮臺(tái)燈，同時(shí)根據(jù)環(huán)境光的強(qiáng)度，單片機(jī)做出相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，通過PWM調(diào)光來調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度，直到人離開再延時(shí)一定時(shí)間后關(guān)燈。

3.1 軟件主程序

系統(tǒng)基于AT89C52單片機(jī)運(yùn)用KeilμVision4軟件進(jìn)行編程，使用的編程語言是C語言。與匯編相比，C語言的程序代碼更容易讀懂，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易掌握，從而縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期，提高工作效率。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，加上人們對(duì)Keil C51的青睞，Keil C51編譯器的功能也在不斷得到改進(jìn)，使它更加接近于CPU。系統(tǒng)主程序流如圖4所示：

圖4 主程序流程圖

3.2 PWM產(chǎn)生模塊

本設(shè)計(jì)通過采用PWM控制的方法來改變臺(tái)燈的亮度變化，在一定頻率的方波中，只要調(diào)整高低電平的占空比，便可實(shí)現(xiàn)。所謂PWM調(diào)光是指通過改變臺(tái)燈流過電流的時(shí)間與關(guān)斷的時(shí)間之比來改變臺(tái)燈的亮度。通過臺(tái)燈的電流時(shí)，電流是恒定的，關(guān)閉時(shí)，通過臺(tái)燈的電流為零，PWM脈沖寬度調(diào)制是用來開關(guān)臺(tái)燈高頻開關(guān)頻率超出人的范圍，一般認(rèn)（100Hz），給人一種臺(tái)燈總亮的假象。本程序利用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生PWM波，通過改變PWM的周期和占空比進(jìn)而來控制流過臺(tái)燈的電流，從而來調(diào)控臺(tái)燈的亮度。

3.3 臺(tái)燈亮度增減程序

本程序用占空比可調(diào)節(jié)的PWM方波來控制大功率臺(tái)燈的亮度，PWM波占空比（0~100）。

程序首先設(shè)置一個(gè)標(biāo)志flag，當(dāng)c2和c3都未按下時(shí)，其值為0，當(dāng)PWM值增加到最大或最小時(shí)，其值置1。當(dāng)c2被按下時(shí)，PWM_T值就會(huì)增加，占空比就變大，臺(tái)燈逐漸變的更亮。當(dāng)按下c3，PWM_T值便會(huì)逐漸減小，占空比同時(shí)也會(huì)隨之減小，則臺(tái)燈逐漸變暗。PWM值一旦增大或減小到臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生報(bào)警。

4 軟件仿真調(diào)試

在軟件選擇中，開發(fā)MCS-51系列單片機(jī)最主要用的是Keil軟件。最主要的原因是Kiel方便，操作簡(jiǎn)單。Proteus仿真軟件可以方便的搭建基于單片機(jī)的硬件電路，將μVision4中生成的.hex文件下載至Proteus仿真軟件單片機(jī)中即可完成程序的運(yùn)行調(diào)試。在Proteus中，通過點(diǎn)擊單片機(jī)元件屬性，在Program File中將Keil軟件中生成的16進(jìn)制程序文件導(dǎo)入其中，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿真。把調(diào)試成功之后的軟件程序燒制進(jìn)單片機(jī)芯片內(nèi)，做好一系列準(zhǔn)備工作之后，然后接上電源，進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)工作，檢測(cè)硬件部分是否與預(yù)期效果一致。最終決定路燈的亮滅是由人體傳感器和環(huán)境光采集的信號(hào)來共同決定的。為了簡(jiǎn)化電路，所以將人體傳感器與環(huán)境光采集電路焊接到同一塊板子上面，從而簡(jiǎn)化了電路，也簡(jiǎn)化了軟件程序。如果沒有達(dá)到預(yù)期效果，則需要檢測(cè)軟件是否有缺陷，若存在錯(cuò)誤或者是不足之處，則要及時(shí)改寫軟件再進(jìn)行調(diào)試，直到調(diào)試現(xiàn)象與預(yù)期效果一致，則設(shè)計(jì)才算圓滿成功。

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