在全球能源危機凸現(xiàn)的當(dāng)今社會,，LED照明以其綠色環(huán)保，高效節(jié)能的優(yōu)勢成為當(dāng)前最具潛力的照明方式之一,。LED號稱“綠色照明的第四代光源”,，目前已開始逐步應(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)開關(guān)閃斷,，能實現(xiàn)0％～100％調(diào)光,。
本文闡述一種基于單片機C8051F020" title="C8051F020">C8051F020自動測控" title="自動測控">自動測控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)計方案。該系統(tǒng)能夠?qū)ED燈的發(fā)光強度進行調(diào)控,，當(dāng)環(huán)境光強減弱時自動提高LED的發(fā)光強度,，當(dāng)環(huán)境光強變強時自動減弱LED燈的發(fā)光強度，維持環(huán)境光強值的穩(wěn)定并達到節(jié)能的效果,。同時,，系統(tǒng)還具有光強、溫度,、紅外3種感應(yīng)開關(guān)控制LED燈的開與關(guān),，再加上過壓、過流保護措施,，進一步提高節(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)備照明等很多場合,。
1 總體設(shè)計方案
本系統(tǒng)采用單片機C8051F020為核心來實現(xiàn)LED照明燈的自動測控,，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。
整個系統(tǒng)的設(shè)計分硬件設(shè)計和軟件設(shè)計,，硬件設(shè)計又可分為供電驅(qū)動模塊,、自動測控與顯示模塊3部分。
供電驅(qū)動模塊實現(xiàn)的過程為：12～24 V的直流供電輸入,，經(jīng)過過壓保護電路后向SN3350芯片構(gòu)成的LED驅(qū)動電路提供安全電壓,，驅(qū)動電路驅(qū)動LED照明燈正常工作。自動測控與顯示模塊主要包括光強傳感器,、溫度傳感器,、紅外無線傳感器和液晶顯示器。光強傳感器采用了硅光電池和集成運放組成光電轉(zhuǎn)換電路,，將環(huán)境中光照強度轉(zhuǎn)換為電壓信號,，經(jīng)過單片機的A／D轉(zhuǎn)換，依據(jù)實測電壓和光照的關(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,，將實時的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給單片機分析處理，同樣經(jīng)LCD1602液晶顯示,；紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路,，感應(yīng)電路接收到信號后傳給單片機控制LED照明燈的開關(guān)。
系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能和自動測控的功能由單片機C8051F020實現(xiàn),。軟件編程的思路是：由單片機內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號控制SN3350驅(qū)動芯片的ADJ引腳,。通過改變PWM的占空比，實現(xiàn)對ADJ輸入任意電壓,，進而控制LED照明燈的開關(guān)及亮度調(diào)節(jié),。
2 硬件電路設(shè)計
2．1 單片機C8051F020
本系統(tǒng)采用單片機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程序存儲器，4 352 B的RAM,、8個I／O端口共64根I／O口線,、1個12位A／D轉(zhuǎn)換器1個8位A／D轉(zhuǎn)換器以及1個雙12位D／A轉(zhuǎn)換器、2個比較器,、5個16位通用定時器,、5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器,、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分,。C8051F020單片機支持雙時鐘，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)動電路
本系統(tǒng)選用了SN3350芯片作為LED驅(qū)動電路的核心。SN3350是一款降壓型電感電流連續(xù)模式驅(qū)動芯片,，適用于電源電壓高于一顆或一串LED所需電壓的應(yīng)用場合,。芯片的輸入電壓范圍為6～40 V，輸出電流可達750 mA,，輸出功率可達30W,。圖2為本系統(tǒng)采用的LED驅(qū)動電路。
圖2中,，3號引腳ADJ為多功能開關(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)通過不同占空比的PWM信號來控制輸出電流,；
5)當(dāng)ADJ引腳電壓超過1．2 V：電流被自動鉗位在100％。
SN3350的輸出電流可以通過在ADJ引腳加控制信號來設(shè)置,。本系統(tǒng)利用單片機產(chǎn)生PWM信號輸入ADJ引腳,，驅(qū)動電路依據(jù)以上引腳特性在不同的電壓值下進入不同的工作模式。
2．3 光強傳感器
本系統(tǒng)的光強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，通過集成運放LM324和反饋電阻Rf,，將硅光電池(相當(dāng)于一個光控恒流源)輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出,。通過調(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)后級控制電路對輸入信號電壓值的要求,。實際應(yīng)用時，光照強度影響,，Is大小,，進而引起Vout的改變，從而實現(xiàn)了將光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,。
表1和圖4是在實際制成的光電轉(zhuǎn)換電路中,，使用照度計和電壓表測得的光照度-電壓關(guān)系。
由圖4可見,，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99．1％,，線性良好,。這表明按照圖3制成的光電轉(zhuǎn)換電路的實際測試結(jié)果與理論預(yù)期符合度較好。同時,，圖4的光照度-電壓關(guān)系直線也為軟件部分的程序設(shè)計提供了重要依據(jù),。
2．4 紅外無線感應(yīng)器
本系統(tǒng)的紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路。BISS0001是由運算放大器,、電壓比較器,、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器采用被動探測方式，其電路原理如圖5所示,。菲涅爾透鏡(DSG)接收進入探測區(qū)域的人體所發(fā)射的波長為8～12 μm的紅外線,，通過熱釋電傳感器(PIR)將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)電路系統(tǒng)放大，濾波,，最后將信號輸出,。
2．5 其他電路模塊
本系統(tǒng)中還有2個較簡單的電路模塊：過壓保護電路和溫度傳感器電路。
過壓保護的意義在于．當(dāng)開關(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)引起輸出過壓現(xiàn)象時,，過壓保護電路能進行保護,，以防止損壞后級用電設(shè)備。此外,，還可在系統(tǒng)供電電路中串接自恢復(fù)保險絲,，起到過流保護的作用。
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潔，9位溫度信號經(jīng)一條總線,，直接傳遞給單片機進行處理,。
3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計的思路是先分模塊獨立設(shè)計，然后對各個模塊進行綜合整理,。本系統(tǒng)程序設(shè)計的流程框圖如圖6所示,。
程序主要分為5個模塊：亮度控制模塊、溫度探測處理模塊,、光照度探測處理模塊,、紅外無線探測處理模塊、液晶顯示模塊,，下面對前3個較為復(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)動電路芯片SN3350的引腳特性，可以通過控制ADJ腳的信號的電壓來控制LED的亮度,。單片機80C51F020能夠自行產(chǎn)生Vpp=5 V的PWM信號,，因此可以通過控制該PWM信號的占空比來控制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,，得出對應(yīng)的占空比,，就能實現(xiàn)對于亮度的控制。
2)溫度探測處理模塊由于DS18B20芯片的信號輸出腳輸出的是數(shù)字信號,，本模塊的內(nèi)容主要是對從DS18B20獲得的數(shù)字信號進行譯碼,，從而獲得實際環(huán)境溫度數(shù)值。
3)光照度探測處理模塊使用圖3光電轉(zhuǎn)換電路探測環(huán)境光強度輸出電壓信號,。該信號是模擬信號,，因此，需要對此信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能夠用單片機進行處理,。使用80C51F020自帶的A／D轉(zhuǎn)換模塊,，可以實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,。光照度對應(yīng)的電壓信號在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,，然后通過與溫度信號類似的處理從而對光進行控制,。
根據(jù)本文2．2部分所述的SN3350驅(qū)動芯片控制端ADJ引腳特性，程序設(shè)計的具體方案如下：
LED燈隨外界環(huán)境照度的自動調(diào)節(jié)和控制：當(dāng)測得實際光照度大于2 000 lx(照度值可依據(jù)需要自行設(shè)定,，下同)時,，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0,，LED滅,；當(dāng)測得實際光照度小于1 000 lx時，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0．3 V,，LED亮,；當(dāng)測得實際光照度大于1 000 lx且小于2 000 lx時，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，令VADJ=0,；當(dāng)LED的溫度小于50℃時,，令VADJ=1．2 V。
LED燈隨外界紅外輻射信號的自動調(diào)節(jié)和控制：當(dāng)熱釋電紅外無線傳感器傳來感應(yīng)信號時,，令VADJ=1．2 V,，沒有信號傳來時，令VADJ=0,。
4 系統(tǒng)測試
4．1 基本工作測試
電源供電15 V,；實測三盞LED燈兩端的工作電壓為14V；驅(qū)動電路輸出電流為320 mA,；過壓保護測試調(diào)節(jié)輸入電壓大于24 V時,，LED兩端電壓很快下降；當(dāng)輸入電壓升至27V時LED兩端電壓已降至0V,。
測試結(jié)果表明本系統(tǒng)能在低壓條件下正常穩(wěn)定工作,，具有過壓保護功能。
4．2 功能測試
1)測量與顯示功能
能否顯示環(huán)境光照強度：能,，LCD顯示環(huán)境光強可精確到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)自動控制功能
光強改變時能否開關(guān)燈：能,，光強大于2 170 lx時自動關(guān)燈；光強小于1 040lx時自動關(guān)燈(設(shè)計閾值分別為2 000lx和1 000 lx),；
溫度改變時能否關(guān)燈：能,，溫度高于82．5℃時自動關(guān)燈,；
溫度低于49．3℃時自動開燈(設(shè)計閾值分別為80℃和50℃)；
能否維持環(huán)境光強的基本穩(wěn)定：能,，環(huán)境光強減弱但不小于1 000 lx時,，自動提高LED的發(fā)光強度；環(huán)境光強增強但不超過2 000 lx時,，自動減弱LED的發(fā)光強度,；
能否感應(yīng)紅外輻射并開關(guān)燈：能，在有人進入LED燈一定距離(最大半徑3．5 m處)時,，自動開燈,，并維持10 s后逐步減弱燈光亮度直至關(guān)閉。
測試結(jié)果表明,，本系統(tǒng)具備隨環(huán)境光強,、溫度、紅外輻射變化而自動控制開關(guān),、調(diào)節(jié)光強的功能,，實測數(shù)據(jù)與理論設(shè)計值符合得比較好。
5 設(shè)計過程需要注意的問題
本系統(tǒng)的特點是硬件模塊電路較多,，設(shè)計時應(yīng)注意共地與接口匹配,。具體來說，單片機C8051F020,、LED驅(qū)動電路的SN3350芯片,、光電轉(zhuǎn)換電路中的集成運放LM324、熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路的核心BISS0001芯片,、DS18B20溫度傳感器電路和過壓保護電路6個模塊都要與直流電源共地,。接口匹配問題主要存在于光強、紅外輻射,、溫度3個傳感器的輸出口與單片機的輸入口,，以及單片機的輸出口與液晶LCD1602、LED驅(qū)動芯片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，測試時需另接5 V電源,，而實際制作成品時則需增加一個電平轉(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。
在編寫程序時需考慮各個傳感器傳送的信息被單片機處理的優(yōu)先級,。根據(jù)實際需要,，本系統(tǒng)接收信號的參考優(yōu)先級順序為：溫度信號,、紅外信號、光強信號,。
6 結(jié)束語
本文設(shè)計的LED照明系統(tǒng),，利用單片機C8051F020作為控制核心，實現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境光強,、紅外輻射,、溫度條件變化而自動開關(guān)、調(diào)節(jié)亮度等功能,，突出了LED節(jié)能照明的優(yōu)勢,，因而具有較好的實用參考價值。本系統(tǒng)的最大特色是功能集成度高,，集測量,、控制、顯示為一體,，包括光強、紅外輻射,、溫度3種傳感器,。在實際應(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、洗手間照明時主要用到紅外輻射傳感功能,，無人時燈不亮,，有人時燈才亮，達到了節(jié)約電能的效果,；應(yīng)用在辦公室,、教室照明時主要用到光強傳感器及調(diào)光功能，使環(huán)境光強穩(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)用在智能臺燈,、工件加工臺照明時還可以監(jiān)測工作溫度(比如超過80℃時燈滅)；等等,。