基于STCl2C5410AD系列單片機的智能LED照明系統的設計*

王秀霞

(山東菏澤學院物理系，菏澤 274015)

1 引言

當前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節約能源是我們未來面臨的重要的問題，在照明領域，LED由于具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，其應用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢，二十一世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代。

LED，又稱發光二極管，是一種將電能轉化為光能的器件。它具有節能 (同白熾燈相比節省80%，同熒光燈相比節省60%)、發光效能高 (同白熾燈相比高20倍，同熒光燈相比高5倍)、壽命長 (是白熾燈的50倍，熒光燈的6倍，理論上可以點亮10萬～12萬小時)、污染小 (LED替代熒光燈后每年將減少8000萬噸CO2，65萬噸SO2，32萬噸NO2;減少Hg的危險;無紅外線和紫外線的發射。)和智能燈 (小尺寸光源，色彩再現良好、瞬時點亮;可進行傳統光源無法進行的等級控制;分光光譜、色溫、零食調制、偏振。)等特點。

LED是電流控制元件，通過流過的電流，將電能轉變為光能，因其不存在摩擦損耗和機械損耗，所以比一般的光源節能，但是LED光源并不能像一般的普通光源一樣可以直接使用電網電壓，它必須配置一個電壓轉換裝置，提供滿足其額定的電壓、電流，才能正常工作，即LED專用電源。由于各種不同的LED電源其性能和轉換效率不同，所以選擇合適、高效的LED專用電源，才能真正體現LED光源高效特性。為此本文設計了一種適用于公寓、辦公樓的樓道照明及衛生間的照明等場合的智能LED照明控制系統，該系統可以根據工作環境亮度和是否有人員等來自動控制照明的開關和亮度。

2 系統硬件設計

為充分利用LED光源的高效、節能及智能化等特點，系統選用具有PWM和A/D轉換的功能的8051系列單片機作為主控芯片。系統硬件主要包括以單片機為控制中心的LED驅動模塊及調光、亮度檢測、人體感應、溫度檢測等功能模塊，為此本系統設置了三套傳感系統。傳感器將檢測數據傳送給控制核心——單片機，單片機根據處理結果輸出PWM信號去控制照明設備的開啟、關閉和亮度。

2.1 系統硬件整體結構設計［1］［3］ (如圖1所示)

圖1 智能LED照明系統整體框圖

2.2 系統硬件單元電路設計

2.2.1 感應模塊

(1)亮度檢測模塊

亮度檢測模塊的核心器件是光敏器件，常用到的光敏器件有:光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管等。通過對光電管、光敏電阻等光電探測器的各種性能進行比較，發現光敏電阻除具靈敏度高，反應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫，多濕的惡劣環境下，還能保持高度的穩定性和可靠性，所以在系統中選用光敏電阻。有其組成的典型光控開關電路，如圖2所示。

(2)人體檢測模塊

圖2 光控開關電路

人體檢測模塊采用的是P2288被動式熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外線傳感器是80年代發展起來的一種新型高靈敏度探測元件。它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉換成電壓信號輸出，當有人進入探測區時輸出高電平(3.3V)，無人時輸出低電平 (0V)，將這個輸入到主控芯片的A/D轉換口的任意一路。

(3)LED燈溫度檢測模塊

LED燈溫度檢測模塊中的溫度傳感器采用Dallas半導體公司生產的數字化溫度傳感器DSl8820。其測量溫度范圍為 －55℃ ～125℃，在－10℃ ～85℃范圍內，精度為±0.5℃，完全滿足本設計的測量溫度范圍和精度要求，向單片機提供LED燈的溫度信息，并根據溫度值調整PWM的占空比，進而控制LED燈的溫度。

2.2.2 主控模塊［1］

本系統采用的主控模塊是宏晶科技生產的STCl2C5410AD系列單片機。它是單時鐘/機器周期(IT)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代805l單片機，內部集成MAX810專用復位電路，具有4路PWM，8路高速10位A/D轉換，指令代碼完全兼容805l系列單片機。選擇這個型號的單片機主要考慮到具有PWM和A/D轉換的功能，使得外圍電路得到了大大的簡化，同時產生的PWM信號可直接與驅動芯片相連，使得這個系統的成本降低了很多。

(1)A/D轉換模塊

STC12C5410AD系列單片機A/D轉換模塊在P1口 (P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D轉換器，STC12C5410AD系列是8位精度的A/D，速度均可達到100KHz(10萬次/秒)。上電復位后P1口為弱上拉型I/O口。不需作為A/D使用的口可繼續作為I/O口使用，需作為A/D使用的口用戶可以通過軟件在P1M0、P1M1寄存器中對相應的位進行設置(將其設置為開漏模式或高阻輸入)，將8路中的任何一路設置為A/D轉換。其設置如表1所示。

表1 A/D轉換寄存器的設置

(2)PWM模塊

STC12C5410AD系列單片機有四路可編程計數器陣列 (PCA)/PWM。PCA含有一個特殊的16位定時器，有4個16位的捕獲/比較模塊與之相連。每個模塊可編程工作在4種模式下:上升/下降沿捕獲、軟件定時器、高速輸出或可調制脈沖輸出。所有PCA模塊都可用作PWM輸出，輸出頻率取決于PCA定時器的時鐘源。兩者之間的關系為:

由于PWM是8位的，所以PCA時鐘輸入源可以從以下4種中選擇一種:Fosc/12，Fosc/2，定時器0的溢出，ECI/P3.4輸入。當要求PWM輸出固定頻率時，選前兩種，當要求輸出頻率可調時，選后兩種。

當某個I/O口作為PWM使用時，該口的狀態如表2所示，外接負載電路如圖3所示。

表2PWM口的狀態

圖3 PWM口輸出電路

(3)主控模塊原理圖［1］［3］(如圖 4 所示)

圖4 系統主控模塊原理圖

2.2.3 LED燈驅動控制模塊［2］

LED燈驅動控制模塊中的核心器件采用深圳市流明芯半導體照明科技有限公司生產的降壓型恒流驅動芯片AX2015(如圖5所示)。AX2015是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，用于驅動一顆或多顆串聯LED。AX2015輸入電壓范圍從8伏到30伏，輸出電流可調，最大可達1.2安培。根據不同的輸入電壓和外部器件，AX2015可以驅動高達數十瓦的LED。AX2015內置功率開關，采用高端電流采樣設置LED平均電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調光和很寬范圍的PWM調光。當DIM的電壓低于0.3伏時，功率開關關斷，AX2015進入極低工作電流的待機狀態。

圖5 AX2015驅動LED燈原理圖

3 系統軟件設計

系統工作過程:首先利用光敏元件檢測需要照明環境光線的強弱，若需要照明的環境的照度X＞200lx時，LED照明燈具處于關閉狀態;若需要照明的環境的照度x＜200lx時，分為兩種情況:需要照明環境有人，LED照明燈具處于開啟狀態，并且隨著環境照度和LED燈的溫度調整PWM的占空比，進而調節LED燈具的照度;需要照明環境無人，LED照明燈具處于關閉狀態，達到智能照明的目的。為此設計了嚴密的軟件控制。本程序采用模塊化設計思想。以主程序為核心設置功能模塊子程序，簡化了設計結構。運行過程中通過主程序調用各功能模塊子程序，因為燈具控制實時要求不高，循環控制即可滿足要求。

3.1 系統主控軟件設計［3］

系統上電后，首先初始化主控芯片，并讀取其光通量信號、人體紅外感應信號和溫度信號，然后調整輸出PWM脈沖的占空比并發送至AX2015的DIM引腳，循環往復，從而達到動態調光的目的。系統主程序流程圖如圖6所示。

3.2 主控A/D轉換模塊軟件設計［1］

STC12C5410AD系列單片機A/D轉換模塊在P1口 (P1.7～P1.0)，通過軟件設置A/D轉換控制寄存器ADC_CONTR寄存器的低三位CHS2、CHS1、CHS0實現通道的選擇。其通道選擇表3所示。

圖6 系統主程序流程圖

表3 A/D轉換模擬輸入通道選擇

3.3 主控PWM模塊軟件設計［1］

所有PCA模塊都可用作PWM輸出，且所有模塊共用僅有的PCA定時器，所以它們的輸出頻率相同。各個模塊的輸出占空比是獨立變化的，與使用的捕獲寄存器 {EPCnL，CCAPnL}有關。當CLSFR的值小于 {EPCnL，CCAPnL}時，輸出為低，當 PCACLSFR的值等于或大于 {EPCnL，CCAPnL}時，輸出為高。當CL的值由FF變為00溢出時，{EPCnH，CCAPnH}的內容裝載到 {EPCnL，CCAPnL}中。這樣就可實現無干擾地更新PWM。要使能PWM模式，模塊寄存器CCAPMn的PWMn和ECOMn位必須置位。

當EPCnL=0及CCAPnL=00H時，PWM固定輸出高

當EPCnL=1及CCAPnL=0FFH時，PWM固定輸出低

PWM輸出C語言程序代碼如下:

#include＜reg52.h＞

sfr CCON=0xD8;

sfr CMOD=0xD9;

sfr CL=0xE9;

sfr CH=0xF9;

sfr CCAP0L=0xEA;

sfr CCAP0H=0xFA;

sfr CCAPM0=0xDA;

sfr CCAPM1=0xDB;

sbit CR=0xDE;

void main(void)

{

CMOD=0x02; //設置PCA定時器

CL=0x00;

CH=0x00;

CCAP0L=0xc0; //設置與CCAP0H相同的初始值

CCAP0H=0xc0; //設置PWM 的 占 空 比為25%

CCAPM0=0x42; //0100，0010將PCA的模塊0設置為PWM模式

CR=1; //啟動PCA定時器

while(1){};

}

4 結束語

本系統采用含具有A/D轉換、PWM輸出功能的STCl2C5410AD系列單片機為控制中心及大功率LED照明的設計方案，具有很好的靈活性和擴展性。利用被動式熱釋電紅外傳感器、光敏傳感器和溫度傳感器分別測得周圍是否有人、周圍環境的光強和LED燈的溫度，并根據這些信息實現動態調整LED亮度，能很好地節約能源，保護LED燈。

該系統結構簡單，實用性強。可適用于公寓。辦公樓的樓道燈，衛生間的照明燈等，可以達到很好的照明，節能，環保的效果。

［1］姚永平．STC12C5410AD系列單片機器件手冊．http//www．Mcu-Memory．com．

［2］大功率LED照明全方位解決方案．http//www．liumenchip．com．

［3］賈冬穎，王巍．基于STC單片機LED智能照明系統的設計 ［J］．照明工程學報，2010，4～2:p71～73．

［4］王立剛，建天成，李晶晶．智能LED照明系統的研究與設計［J］．黑龍江大學自然科學學報，2009，8:543～545．