《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機(jī)C8051F020的自動(dòng)測(cè)控LED節(jié)能照明系統(tǒng)
電子設(shè)計(jì)工程
鐘秋航 王曉萍 聞春敖 趙文義
摘要: 本文設(shè)計(jì)的LED照明系統(tǒng),利用單片機(jī)C8051F020作為控制核心,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)、紅外輻射、溫度條件變化而自動(dòng)開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)亮度等功能,突出了LED節(jié)能照明的優(yōu)勢(shì),因而具有較好的實(shí)用參考價(jià)值。本系統(tǒng)的最大特色是功能集成度高,集測(cè)量、控制、顯示為一體,包括光強(qiáng)、紅外輻射、溫度3種傳感器。
Abstract:
Key words :

在全球能源危機(jī)凸現(xiàn)的當(dāng)今社會(huì),LED照明以其綠色環(huán)保,高效節(jié)能的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前最具潛力的照明方式之一。LED號(hào)稱“綠色照明的第四代光源”,目前已開(kāi)始逐步應(yīng)用于電信、交通、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。LED(Light-emitting Diode,發(fā)光二極管)是一種固態(tài)的半導(dǎo)體組件,能夠把電能直接轉(zhuǎn)化為光能。作為一種固體照明光源,LED具有長(zhǎng)壽命、高光效、多光色等特性,可在安全低電壓下工作,也可連續(xù)開(kāi)關(guān)閃斷,能實(shí)現(xiàn)0%~100%調(diào)光。
    本文闡述一種基于單片機(jī)C8051F020" title="C8051F020">C8051F020自動(dòng)測(cè)控" title="自動(dòng)測(cè)控">自動(dòng)測(cè)控LED節(jié)能照明" title="LED節(jié)能照明">LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠?qū)ED燈的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控,當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)減弱時(shí)自動(dòng)提高LED的發(fā)光強(qiáng)度,當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)變強(qiáng)時(shí)自動(dòng)減弱LED燈的發(fā)光強(qiáng)度,維持環(huán)境光強(qiáng)值的穩(wěn)定并達(dá)到節(jié)能的效果。同時(shí),系統(tǒng)還具有光強(qiáng)、溫度、紅外3種感應(yīng)開(kāi)關(guān)控制LED燈的開(kāi)與關(guān),再加上過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)措施,進(jìn)一步提高節(jié)能效率并保證照明系統(tǒng)的正常工作。此外,系統(tǒng)還使用液晶實(shí)現(xiàn)LED照明工作信息的外部顯示。該系統(tǒng)可應(yīng)用于如樓道照明、工作照明、設(shè)備照明等很多場(chǎng)合。

1 總體設(shè)計(jì)方案
   
本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)LED照明燈的自動(dòng)測(cè)控,系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。


    整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì),硬件設(shè)計(jì)又可分為供電驅(qū)動(dòng)模塊、自動(dòng)測(cè)控與顯示模塊3部分。
    供電驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的過(guò)程為:12~24 V的直流供電輸入,經(jīng)過(guò)過(guò)壓保護(hù)電路后向SN3350芯片構(gòu)成的LED驅(qū)動(dòng)電路提供安全電壓,驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED照明燈正常工作。自動(dòng)測(cè)控與顯示模塊主要包括光強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、紅外無(wú)線傳感器和液晶顯示器。光強(qiáng)傳感器采用了硅光電池和集成運(yùn)放組成光電轉(zhuǎn)換電路,將環(huán)境中光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換,依據(jù)實(shí)測(cè)電壓和光照的關(guān)系曲線,將相應(yīng)電壓值轉(zhuǎn)化為照度并經(jīng)由LCD1602液晶顯示;溫度傳感器采用了DS18B20芯片電路,將實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給單片機(jī)分析處理,同樣經(jīng)LCD1602液晶顯示;紅外無(wú)線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無(wú)線感應(yīng)器電路,感應(yīng)電路接收到信號(hào)后傳給單片機(jī)控制LED照明燈的開(kāi)關(guān)。
    系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和自動(dòng)測(cè)控的功能由單片機(jī)C8051F020實(shí)現(xiàn)。軟件編程的思路是:由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號(hào)控制SN3350驅(qū)動(dòng)芯片的ADJ引腳。通過(guò)改變PWM的占空比,實(shí)現(xiàn)對(duì)ADJ輸入任意電壓,進(jìn)而控制LED照明燈的開(kāi)關(guān)及亮度調(diào)節(jié)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)C8051F020

    本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020,其片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核,指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。含有64 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器,4 352 B的RAM、8個(gè)I/O端口共64根I/O口線、1個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器1個(gè)8位A/D轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)雙12位D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)比較器、5個(gè)16位通用定時(shí)器、5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陣列、看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機(jī)支持雙時(shí)鐘,其工作電壓范圍為2.7~3.6 V(端口I/O、RST和JTAG引腳的耐壓為5 V)。
2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路
   
本系統(tǒng)選用了SN3350芯片作為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)電路的核心。SN3350是一款降壓型電感電流連續(xù)模式驅(qū)動(dòng)芯片,適用于電源電壓高于一顆或一串LED所需電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。芯片的輸入電壓范圍為6~40 V,輸出電流可達(dá)750 mA,輸出功率可達(dá)30W。圖2為本系統(tǒng)采用的LED驅(qū)動(dòng)電路。


    圖2中,3號(hào)引腳ADJ為多功能開(kāi)關(guān)/亮度控制腳,其引腳特性為:
    1)引腳懸空:工作在普通模式。(普通模式下VADJ=VREF=1.2 V,工作電流IOUTnom=0.1/R1);
    2)輸入電壓低于0.2 V:關(guān)閉輸出電流;
    3)輸入直流電壓從0.3~1.2 V:輸出電流調(diào)整范圍從25~100%;
    4)通過(guò)不同占空比的PWM信號(hào)來(lái)控制輸出電流;
    5)當(dāng)ADJ引腳電壓超過(guò)1.2 V:電流被自動(dòng)鉗位在100%。
    SN3350的輸出電流可以通過(guò)在ADJ引腳加控制信號(hào)來(lái)設(shè)置。本系統(tǒng)利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)輸入ADJ引腳,驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)以上引腳特性在不同的電壓值下進(jìn)入不同的工作模式。
2.3 光強(qiáng)傳感器
   
本系統(tǒng)的光強(qiáng)傳感器采用了一種光電轉(zhuǎn)換電路,其原理圖如圖3所示。電路的作用在于,通過(guò)集成運(yùn)放LM324和反饋電阻Rf,將硅光電池(相當(dāng)于一個(gè)光控恒流源)輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)Rf阻值的大小,可以改變輸出電壓值的大小,從而能夠適應(yīng)后級(jí)控制電路對(duì)輸入信號(hào)電壓值的要求。實(shí)際應(yīng)用時(shí),光照強(qiáng)度影響,Is大小,進(jìn)而引起Vout的改變,從而實(shí)現(xiàn)了將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。


    表1和圖4是在實(shí)際制成的光電轉(zhuǎn)換電路中,使用照度計(jì)和電壓表測(cè)得的光照度-電壓關(guān)系。


    由圖4可見(jiàn),隨著環(huán)境光照度的增大,光電轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓也線性增大,相關(guān)度達(dá)99.1%,線性良好。這表明按照?qǐng)D3制成的光電轉(zhuǎn)換電路的實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論預(yù)期符合度較好。同時(shí),圖4的光照度-電壓關(guān)系直線也為軟件部分的程序設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。
2.4 紅外無(wú)線感應(yīng)器
   
本系統(tǒng)的紅外無(wú)線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無(wú)線感應(yīng)器電路。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。以BISS0001為核心的熱釋電紅外無(wú)線感應(yīng)器采用被動(dòng)探測(cè)方式,其電路原理如圖5所示。菲涅爾透鏡(DSG)接收進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的人體所發(fā)射的波長(zhǎng)為8~12 μm的紅外線,通過(guò)熱釋電傳感器(PIR)將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)電路系統(tǒng)放大,濾波,最后將信號(hào)輸出。


2.5 其他電路模塊
   
本系統(tǒng)中還有2個(gè)較簡(jiǎn)單的電路模塊:過(guò)壓保護(hù)電路和溫度傳感器電路。
    過(guò)壓保護(hù)的意義在于.當(dāng)開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過(guò)壓現(xiàn)象時(shí),過(guò)壓保護(hù)電路能進(jìn)行保護(hù),以防止損壞后級(jí)用電設(shè)備。此外,還可在系統(tǒng)供電電路中串接自恢復(fù)保險(xiǎn)絲,起到過(guò)流保護(hù)的作用。
    本系統(tǒng)的溫度傳感器采用Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。這是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。選用DS18B20為溫度傳感器的電路十分簡(jiǎn)潔,9位溫度信號(hào)經(jīng)一條總線,直接傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。

3 軟件設(shè)計(jì)
   
軟件設(shè)計(jì)的思路是先分模塊獨(dú)立設(shè)計(jì),然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行綜合整理。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程框圖如圖6所示。


    程序主要分為5個(gè)模塊:亮度控制模塊、溫度探測(cè)處理模塊、光照度探測(cè)處理模塊、紅外無(wú)線探測(cè)處理模塊、液晶顯示模塊,下面對(duì)前3個(gè)較為復(fù)雜的模塊分而述之。
    1)亮度控制模塊根據(jù)給定的LED驅(qū)動(dòng)電路芯片SN3350的引腳特性,可以通過(guò)控制ADJ腳的信號(hào)的電壓來(lái)控制LED的亮度。單片機(jī)80C51F020能夠自行產(chǎn)生Vpp=5 V的PWM信號(hào),因此可以通過(guò)控制該P(yáng)WM信號(hào)的占空比來(lái)控制LED燈的亮度。依據(jù)圖4的光照度-電壓關(guān)系直線設(shè)定判定程序,得出對(duì)應(yīng)的占空比,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)于亮度的控制。
    2)溫度探測(cè)處理模塊由于DS18B20芯片的信號(hào)輸出腳輸出的是數(shù)字信號(hào),本模塊的內(nèi)容主要是對(duì)從DS18B20獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行譯碼,從而獲得實(shí)際環(huán)境溫度數(shù)值。
    3)光照度探測(cè)處理模塊使用圖3光電轉(zhuǎn)換電路探測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度輸出電壓信號(hào)。該信號(hào)是模擬信號(hào),因此,需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能夠用單片機(jī)進(jìn)行處理。使用80C51F020自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊,可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。光照度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)在0~2.4 V之間,因此某一特定的電壓值轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字信號(hào),然后通過(guò)與溫度信號(hào)類似的處理從而對(duì)光進(jìn)行控制。
    根據(jù)本文2.2部分所述的SN3350驅(qū)動(dòng)芯片控制端ADJ引腳特性,程序設(shè)計(jì)的具體方案如下:
    LED燈隨外界環(huán)境照度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制:當(dāng)測(cè)得實(shí)際光照度大于2 000 lx(照度值可依據(jù)需要自行設(shè)定,下同)時(shí),令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0,LED滅;當(dāng)測(cè)得實(shí)際光照度小于1 000 lx時(shí),令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0.3 V,LED亮;當(dāng)測(cè)得實(shí)際光照度大于1 000 lx且小于2 000 lx時(shí),令A(yù)DJ引腳的輸入電壓在0.3~1.2 V之間做相應(yīng)變化。
    LED燈隨外界環(huán)境溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制:當(dāng)LED的溫度大于80℃(溫度值可依據(jù)需要自行設(shè)定,下同)時(shí),令VADJ=0;當(dāng)LED的溫度小于50℃時(shí),令VADJ=1.2 V。
    LED燈隨外界紅外輻射信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制:當(dāng)熱釋電紅外無(wú)線傳感器傳來(lái)感應(yīng)信號(hào)時(shí),令VADJ=1.2 V,沒(méi)有信號(hào)傳來(lái)時(shí),令VADJ=0。

4 系統(tǒng)測(cè)試
4.1 基本工作測(cè)試

    電源供電15 V;實(shí)測(cè)三盞LED燈兩端的工作電壓為14V;驅(qū)動(dòng)電路輸出電流為320 mA;過(guò)壓保護(hù)測(cè)試調(diào)節(jié)輸入電壓大于24 V時(shí),LED兩端電壓很快下降;當(dāng)輸入電壓升至27V時(shí)LED兩端電壓已降至0V。
    測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)能在低壓條件下正常穩(wěn)定工作,具有過(guò)壓保護(hù)功能。
4.2 功能測(cè)試
   
1)測(cè)量與顯示功能
    能否顯示環(huán)境光照強(qiáng)度:能,LCD顯示環(huán)境光強(qiáng)可精確到1 lx;
    能否顯示環(huán)境溫度:能,LCD顯示環(huán)境溫度可精確到0.1℃;
    2)自動(dòng)控制功能
    光強(qiáng)改變時(shí)能否開(kāi)關(guān)燈:能,光強(qiáng)大于2 170 lx時(shí)自動(dòng)關(guān)燈;光強(qiáng)小于1 040lx時(shí)自動(dòng)關(guān)燈(設(shè)計(jì)閾值分別為2 000lx和1 000 lx);
    溫度改變時(shí)能否關(guān)燈:能,溫度高于82.5℃時(shí)自動(dòng)關(guān)燈;
    溫度低于49.3℃時(shí)自動(dòng)開(kāi)燈(設(shè)計(jì)閾值分別為80℃和50℃);
    能否維持環(huán)境光強(qiáng)的基本穩(wěn)定:能,環(huán)境光強(qiáng)減弱但不小于1 000 lx時(shí),自動(dòng)提高LED的發(fā)光強(qiáng)度;環(huán)境光強(qiáng)增強(qiáng)但不超過(guò)2 000 lx時(shí),自動(dòng)減弱LED的發(fā)光強(qiáng)度;
    能否感應(yīng)紅外輻射并開(kāi)關(guān)燈:能,在有人進(jìn)入LED燈一定距離(最大半徑3.5 m處)時(shí),自動(dòng)開(kāi)燈,并維持10 s后逐步減弱燈光亮度直至關(guān)閉。
    測(cè)試結(jié)果表明,本系統(tǒng)具備隨環(huán)境光強(qiáng)、溫度、紅外輻射變化而自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)光強(qiáng)的功能,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)值符合得比較好。

5 設(shè)計(jì)過(guò)程需要注意的問(wèn)題
   
本系統(tǒng)的特點(diǎn)是硬件模塊電路較多,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意共地與接口匹配。具體來(lái)說(shuō),單片機(jī)C8051F020、LED驅(qū)動(dòng)電路的SN3350芯片、光電轉(zhuǎn)換電路中的集成運(yùn)放LM324、熱釋電紅外無(wú)線感應(yīng)器電路的核心BISS0001芯片、DS18B20溫度傳感器電路和過(guò)壓保護(hù)電路6個(gè)模塊都要與直流電源共地。接口匹配問(wèn)題主要存在于光強(qiáng)、紅外輻射、溫度3個(gè)傳感器的輸出口與單片機(jī)的輸入口,以及單片機(jī)的輸出口與液晶LCD1602、LED驅(qū)動(dòng)芯片SN3350的控制引腳之間。此外,由于LM324、BISS0001、DS18B20等芯片的工作電壓為5 V,小于LED照明系統(tǒng)15 V的工作電壓,測(cè)試時(shí)需另接5 V電源,而實(shí)際制作成品時(shí)則需增加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路,將統(tǒng)一的15 V供電電壓轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)壓輸出給相關(guān)芯片。
    在編寫程序時(shí)需考慮各個(gè)傳感器傳送的信息被單片機(jī)處理的優(yōu)先級(jí)。根據(jù)實(shí)際需要,本系統(tǒng)接收信號(hào)的參考優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋簻囟刃盘?hào)、紅外信號(hào)、光強(qiáng)信號(hào)。

6 結(jié)束語(yǔ)
   
本文設(shè)計(jì)的LED照明系統(tǒng),利用單片機(jī)C8051F020作為控制核心,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)、紅外輻射、溫度條件變化而自動(dòng)開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)亮度等功能,突出了LED節(jié)能照明的優(yōu)勢(shì),因而具有較好的實(shí)用參考價(jià)值。本系統(tǒng)的最大特色是功能集成度高,集測(cè)量、控制、顯示為一體,包括光強(qiáng)、紅外輻射、溫度3種傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)不同需要設(shè)置相關(guān)閾值或突出某一功能。例如,應(yīng)用在樓道、洗手間照明時(shí)主要用到紅外輻射傳感功能,無(wú)人時(shí)燈不亮,有人時(shí)燈才亮,達(dá)到了節(jié)約電能的效果;應(yīng)用在辦公室、教室照明時(shí)主要用到光強(qiáng)傳感器及調(diào)光功能,使環(huán)境光強(qiáng)穩(wěn)定在某一設(shè)定值,白天燈不亮或較暗,夜晚燈亮,從而提高電能利用率;應(yīng)用在智能臺(tái)燈、工件加工臺(tái)照明時(shí)還可以監(jiān)測(cè)工作溫度(比如超過(guò)80℃時(shí)燈滅);等等。

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