一種基于單片機的智能LED照明燈設(shè)計

胡子牛　張偉　肖雅金　尹輝

摘要：為了進一步提高照明燈的自動化水平，針對目前照明燈功能單一、自動化程度低的不足，提出了一種基于單片機的多功能智能LED照明燈設(shè)計。以STC89C52為控制器，采用LCD、LED燈泡、矩陣鍵盤、觸摸片、可控硅、光強度傳感器等完成照明燈硬件設(shè)計；以Keil u Vison3為軟件開發(fā)環(huán)境完成照明燈的軟件設(shè)計。實現(xiàn)了自適應調(diào)光、無級觸摸調(diào)控光亮以及萬年歷附加功能，具有較高的適用性。

關(guān)鍵詞：智能LED照明燈；單片機；自適應；無級觸摸調(diào)控

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2017）02-0220-03

A New Design of Intelligent LED Dimming Lights Based on MCU

HU Zi-niu，ZHANG Wei，XIAO Ya-jin， YIN Hui

（School of Automation and Electrical Engineering，Linyi University，Linyi 276000， China ）

Abstract：To further increase the degree of automation of lamps， and in view of the inadequacy of existing the single function of lamps and low lever of automation， a new design of intelligent LED lamps is proposed based on MCU. The new design uses STC89C52 as a controller， it adopts LCD/LED/matrix keyboards/touching tablets/ silicon control/photosensitive sensors to accomplish the hardware design of the lamps. And the software design of the lamp is achieved by Keil u Vision3 software development environment. It can automatically dim and steplessly adjust the intensity of light. It also contains perpetual calendar. The new design has higher practicability.

Key words： intelligent LED lamps； MCU； automatically dim； steplessly adjust

1 背景

隨著社會生活水平的提高和科技的發(fā)展，人們對燈具的要求也越來越高。當今市場上有著各式各樣的照明燈，但大多數(shù)功能單一、自動化水平低。多數(shù)照明燈的控制方式是通過按鍵開關(guān)、手動旋鈕式開關(guān)或三級觸摸調(diào)光方式，這些傳統(tǒng)開關(guān)使用壽命短，容易壞。用戶無法將燈光調(diào)節(jié)到最適合的亮度，不能使亮度平滑地轉(zhuǎn)變并且受到預設(shè)亮度的限制，無法滿足人們對照明燈多樣化的需求；有時周圍環(huán)境變亮，而用戶忙于工作或?qū)W習，忽視了亮度的變化，未將照明燈光調(diào)暗，易造成資源浪費，或者外界光線變暗，沒有使燈光變亮，不利于用戶的視力，尤其是青少年。針對照明燈現(xiàn)有的不足，本文設(shè)計的照明燈具有無級觸摸調(diào)控功能，用以實現(xiàn)燈光亮度的無級變化；還具有自適應調(diào)光功能，可以根據(jù)外界環(huán)境的亮度自動調(diào)節(jié)燈光的亮度；同時具有萬年歷附加功能，豐富了照明燈的功能。該照明燈的光源采用LED燈珠，LED光源與傳統(tǒng)的光源相比，其具有發(fā)光效率高、壽命長、安全可靠性等優(yōu)點[1]。本設(shè)計的自動化程度較高、功能多，具有較高的適用性和廣泛的應用價值。

2系統(tǒng)組成及硬件電路設(shè)計

該照明燈系統(tǒng)主要由外界光強度檢測電路、無級觸摸調(diào)控電路、信號處理電路、時鐘電路、LED照明電路、LCD、MCU、矩陣鍵盤、光強度傳感器、觸摸片、光敏電阻等組成。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本照明燈系統(tǒng)具有以下功能：

1）自適應調(diào)光功能：采用PWM調(diào)光方式[2]，利用外界光強度檢測電路來檢測外界光強度，通過信號處理電路，將光強度信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳送至單片機，利用相應程序軟件改變PWM的占空比來進行自適應調(diào)光，以使LED照明燈達到最佳照明效果。即當外界環(huán)境變亮時，照明燈自動調(diào)暗一些，當外界環(huán)境變暗時，照明燈自動變亮。

2）無級觸摸調(diào)光：采用觸摸調(diào)光集成電路SM7232，可以使照明燈的亮度轉(zhuǎn)變平滑而且不受預設(shè)亮度的限制。

3）萬年歷功能：通過時鐘電路、LCD、矩陣鍵盤、光強度傳感器準確實時地顯示時間信息和光的亮度信息。

2.1單片機最小系統(tǒng)模塊

單片機最小系統(tǒng)為本設(shè)計的控制核心，本設(shè)計采用STC89C52單片機。該單片機內(nèi)部自帶8KB Flash ROM、512B RAM，內(nèi)帶4KB EEPROM，含有一個全雙工串行接口，內(nèi)有振蕩電路等，是一種增強型8051單片機。廣泛地使用在工業(yè)測控系統(tǒng)中[3]，價格低廉，功耗小，所具備的功能足以滿足本設(shè)計的需求。同時STC系列單片機支持串口程序燒寫，對開發(fā)設(shè)備要求低，具有較高的性價比。

2.2無級觸摸調(diào)控模塊

利用無級觸摸調(diào)控電路，如圖2所示。其核心器件是一塊SM7232調(diào)光專用集成電路，如圖3所示。它有8個引腳：1腳（VDD）為電源正端，7腳（VSS）為電源負端，2腳（DOZE）、5腳（SEN）、6腳（SLAVE）是相移控制輸入端，5腳為觸摸控制輸入端，手觸摸信號經(jīng)R5，R4這兩個高值電阻輸入，當觸摸時間在0.4s內(nèi)可完成開或關(guān)功能，如果想使燈光由暗變亮或由亮變暗，無級變化，則需要長時間（大于0.4s）觸摸M。3腳（CAP）是內(nèi)部PLL的低通濾波電容外接端，4腳（SYN）是電源率同步輸入，8腳（OUT）是觸發(fā)輸出端。與觸摸片M相連的R4、R5電阻的阻值較高，用以保證使用者的安全。電阻降壓半波整流穩(wěn)壓電路由V1、V3、V2與V1組成，輸出5V直流電。C4是濾波電容，可濾去尖脈沖干擾，提高穩(wěn)定性。R1為可控硅，穩(wěn)壓穩(wěn)流，提高觸發(fā)信號穩(wěn)定性。

2.3自適應調(diào)光模塊

自適應調(diào)光模塊的核心是光強度傳感器[4]，本設(shè)計采用BH1750FVI芯片，其結(jié)構(gòu)如圖4。該芯片是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路[5]。照明燈系統(tǒng)根據(jù)光強度傳感器采集到的外界光強度信號，通過AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，與單片機內(nèi)部程序中預先設(shè)置的光強度數(shù)值梯度作對比，從而確定外界光強屬于哪個范圍，從而使照明燈自動調(diào)節(jié)其光亮，以達到自適應功能。

該芯片具有接近視覺靈敏度的光譜靈敏度特性，可通過降低功率，實現(xiàn)電流化。其光源依賴性弱，誤差小，且受紅外線影響較小，有較強的可靠性，滿足本設(shè)計的要求。PD是光敏二極管，反應速度接近人眼的反應速度；AMP集成運算放大器：將PD電流轉(zhuǎn)換為PD電壓；ADC：模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲取16位數(shù)字數(shù)據(jù)； logi+icinterface：光強度計算和i?c總線接口，具有光強度數(shù)據(jù)寄存器、時間測量數(shù)據(jù)寄存器；OSC：內(nèi)部振蕩器，其時鐘頻率值為320KHZ，內(nèi)部邏輯時鐘。

2.4萬年歷模塊

本模塊采用LCD顯示年、月、日、星期、時間以及當前環(huán)境光強、照明燈亮度等信息。采用實時DS1302時鐘芯片，其結(jié)構(gòu)圖如圖 5，通過串口與單片機進行通信，實時提供時間信息。采用1602LCD顯示DS1302提供的日期、時間信息以及光強度傳感器提供的光強度等信息。

2.5電源模塊

本系統(tǒng)需要+5V直流電以供單片機以及一些模塊電路使用，但民用一般為220V，故需要將220V的交流電轉(zhuǎn)化為5V的直流電供系統(tǒng)使用。通過變壓器將220V轉(zhuǎn)10V，然后利用整流橋?qū)⒔涣麟娹D(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡蠖思?805穩(wěn)壓器進行處理，最后輸出+5V直流穩(wěn)壓電源。整流橋利用的是二極管的單向?qū)щ娦裕?805穩(wěn)壓器采用深度負反饋原理，C1與C2兩個電容起到降壓、濾波的作用。具體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

3軟件設(shè)計

本設(shè)計采用模塊化的設(shè)計思想，利用C51語言編寫[6]，將各個硬件模塊的程序分別調(diào)試后，再聯(lián)合調(diào)試，以減少誤差，提高效率。系統(tǒng)的軟件構(gòu)成分為自適應調(diào)光模塊軟件、無級觸摸調(diào)控模塊軟件、萬年歷顯示模塊軟件，軟件設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

而軟件設(shè)計中比較重要的是自適應調(diào)光模塊軟件，其程序流程圖如圖8所示。

部分程序清單：

//起始信號

void BH1750_Start（）

{

SDA = 1； //拉高數(shù)據(jù)線

SCL = 1； //拉高時鐘線

Delay5us（）； //延時

SDA = 0； //產(chǎn)生下降沿

Delay5us（）； //延時

SCL = 0； //拉低時鐘線

}

//發(fā)送應答信號

void BH1750_SendACK（bit ack）

{

SDA = ack； //寫應答信號

SCL = 1； //拉高時鐘線

Delay5us（）； //延時

SCL = 0； //拉低時鐘線

Delay5us（）； //延時

}

//接收應答信號

bit BH1750_RecvACK（）

{

SCL = 1； //拉高時鐘線

Delay5us（）； //延時

CY = SDA； //讀應答信號

SCL = 0； //拉低時鐘線

Delay5us（）； //延時

return CY；

}

//初始化BH1750

void Init_BH1750（）

{ Single_Write_BH1750（0x01）； }

4結(jié)束語

針對照明燈自動化程度低，功能單一的不足，提出了一種基于單片機的智能LED照明燈設(shè)計。采用無級觸摸調(diào)光電路，實現(xiàn)無級調(diào)控光強度，并利用光強傳感器以及相應的軟件程序，完成了照明燈自適應調(diào)光的功能，最后采用時鐘時路、光強度檢測電路與LCD顯示屏相結(jié)合，實時準確地顯示時間、光強等有用信息。由試驗結(jié)果表明，該設(shè)計具有集成化和較高自動化的優(yōu)點，并且具有較強的實用價值和商業(yè)價值。

參考文獻：

[1] 李孔旗. 大功率LED自調(diào)節(jié)控制技術(shù)研究與應用[D]. 哈爾濱： 哈爾濱理工大學，2015.

[2] 劉春玲，王道乾，崔文沖， 等. LED路燈自適應調(diào)光無線控制器[J]. 遼寧工程技術(shù)大學學報：自然科學版，2015（1）：97-101.

[3] 國慶鋒. AT89系列51單片機系統(tǒng)的低功耗方法與設(shè)計思考[J]. 黑龍江科技信息，2015（22）：41.

[4] 楊少春.傳感器原理及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2011.

[5] 劉博. 基于BH1750光照強度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].河南科技，2016（13）：27-28.

[6] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.