基于單片機的LED自適應調光系統

柴遠波，賈宇飛，單 坡

（黃河科技學院 河南 鄭州 450063）

隨著經濟的快速發展，全球的能源消耗增長越來越快，伴隨而來的后果則是大量的環境被污染和生態遭到破壞，現在人們正在尋找新的節能方式。

人類消耗能源的比較重要的方面其中之一就是照明，根據我國調查，中國每年照明的用電量達到3000億度以上。如果全部的白熾燈有LED照明燈取代，可節省的用電量將達到1000億度。開發和推廣應用節能系統，成為迫在眉睫的任務。LED作為一種固態冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強度放電燈之后的第四代新光源。基于單片機的LED自適應調光系統，是一種典型的綠色照明方式，與傳統照明相比，具有智能、節能、環保、壽命長、安全可靠等這些優點，這是代表著照明技術的未來?；诖吮疚脑O計了一種LED燈光自動調光系統，可以根據環境的亮暗自動調節光的強弱。該系統成本低廉，有很強的現實意義和廣泛的應用前景。

1 系統硬件方案設計

硬件系統的各個組成部分和其應該實現的功能是：

1）主控單元。整個系統裝置的核心部分，所有采集到的信號、數據要經過CPU的處理，并進行判斷，發出控制信號。

2）光信號采集模塊。實時測量環境光強度，然后進行光電轉換和A/D轉換，送入主控單元進行處理，作為判斷光強度信息和監控的目標。

3）電源模塊。為裝置提供需要的電源，包括各種集成芯片需要的數字電源，采集單元需要的模擬電源和LED驅動電路的電源。電源要能夠保證其穩定性，使各個單元能夠正常工作[1]。

4）按鍵電路。用于設置環境光報警值。

5）報警、顯示電路。報警電路用于當環境光低于設定的環境光報警值時自動報警提示。顯示電路用于顯示環境光強度大小。

6）LED燈驅動電路。驅動芯片ULN2003接收單片機發出的PWM信號來驅動LED燈亮、調節其亮度大小。

2 系統設計方案

2.1 單片機的選擇

圖1 系統硬件總體結構圖Fig.1 The system hardware structure as a whole

STC12C5A60S2單片機內部就自帶高達60K FLASH ROM，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。而且STC系列單片機支持串口程序燒寫。顯而易見，這種單片機對開發設備的要求很低，開發時間也大大縮短。其中寫入單片機內的程序可以進行加密處理，可以保護你的勞動成果不受侵犯。重要的一點STC12C5A60S2目前的售價與傳統51差不多，市場供應也很充足。是一款高性價比的單片機?？紤]到MCS-51單片機具有較強的代表性以及該系列單片機資料較多，本設計采用STC12C5A60S2單片機來實現[2]。

2.2 LED燈調光方案

采用脈寬調制（PWM）來調光。通過STC12C5A60S2產生的PWM波來調節驅動芯片，來實現調光的目的。PWM調光具有精度高，節能，易于實現智能控制的等特點[3]。

本系統擬采用STC12C5A60S2單片機作為主控模塊，由光電轉換電路采集外界光強信號，經A/D轉換送單片機處理，單片機根據處理結果智能調節輸出PWM來控制驅動電路的電流大小，并以此來調節LED的亮度大小[4]。

2.3 光信號采集電路

光線檢測電路是比較重要的一個部分，其中關鍵的元件有兩個，一個是光敏電阻，一個可調電阻。光敏電阻通過對當前環境光線的強弱來改變自己的阻值，從而改變其兩端的電壓，來達到控制LED燈亮暗的效果，還可以根據實際情況再加一個可調電阻，通過改變電阻的大小來改變光敏電阻的靈敏度。如果認為天色還挺亮的，燈就開了，那就把電阻變大些，光敏電阻的靈敏度就下降了，這樣就可以等到天暗下來時再開燈，同樣的，天已經很暗了，燈還沒亮，那就把電阻調小點，這樣反復多調幾次，就可以把LED燈調到一個最理想最合適的狀態了。下圖為光信號采集電路。

圖2 光信號采集電路Fig.2 Optical signal acquisition circuit

2.4 按鍵電路與報警電路設計

獨立式鍵盤就是一個按鍵對應一個端口輸入，每一個按鍵都有一個按鍵電路來區分是否有按鍵按下。這些按鍵可以直接與單片機I/O線相接或者是通過輸入口與數據線相連接，結構比較簡單[5]。按鍵電路如圖3所示。

圖3 按鍵電路Fig.3 Keying circuit

環境光低于設定的環境光報警值時自動報警提示。圖4為報警電路。

圖4 報警電路Fig.4 Alarm circuit

2.5 LED驅動電路設計

燈光驅動電路是整個系統中硬件電路的關鍵，他決定著整個系統的工作性能，而且本系統所采用的是PWM控制自動調光，來實現室內的亮度調節。

ULN2003是一種大電流驅動陣列，適用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡這些控制電路中?？芍苯域寗永^電器這些負載。 當輸入5VTTL電平，輸出則可達到500 mA/50 V。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。ULN2003的每一對達林頓都都是串聯一個2.7K的基極電阻，當工作在5 V的電壓下它能夠與TTL和CMOS電路直接相連連，可以去直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。ULN2003是一種具有高電壓大電流，是達林頓晶體管陣列系列的產品，ULN2003不僅在電流增益、工作電壓方面好的特點。而且還有溫度范圍寬、帶負載能力強這些特點，能夠適用于各類需要高速大功率驅動的系統。

ULN2003的輸出端可達500 mA/50 V。輸出端的二極管學名為續流二極管。如果ULN2003的達林頓管輸入端輸入低電平使其截止，其驅動的元件是感性元件，則電流不能突變，此時會產生一個高壓；如果沒有二極管，達林頓管會被擊穿，所以這個二極管主要起保護作用。由于ULN2003是集電極開路輸出，為了讓這個二極管起到續流作用，必須將COM引腳（pin9）接在負載的供電電源上，只有這樣才能夠形成續流回路[6]。

因為本設計中需要用ULN2003來驅動燈，圖5是LED燈的驅動電路。

圖5 LED燈驅動電路Fig.5 The lamp driver circuit

2.6 電源模塊硬件設計

由于目前我國居民最常用為220 V，50 Hz交流電，而系統需+5 V直流電，故電源模塊采用220 V轉12 V變壓器，然后經橋式整流及LM317穩壓芯片處理，最后經濾波后輸出+5 V直流電壓。電源模塊電路圖如圖6所示。

圖6 電源模塊電路圖Fig.6 Power supply module circuit diagram

3 系統軟件設計及實現

3.1 系統總體程序

軟件開始首先必須對單片機進行初始化，其中初始化的內容包括：PWM的設定，定時器初始化，各I/O口的功能設定等。初始化完成程序后程序進入光線強度采集部分，并將處理了的數據通過對于關系的PWM輸出，并顯示相應的光線強度值。

圖7 總體程序框圖Fig.7 The overall program block diagram

3.2 光信號采集程序

光信號采集程序用ADC0832來對輸入的光敏電阻的電壓進行采集測量，并將對應的數值存入相應的內存單元，其程序流程圖如圖8所示。

4 結 論

圖8 光信號采集程序Fig.8 Optical signal acquisition program

本系統的主要優點是系統的功能全面同時達到了智能節能的要求，技術難點在于對光照強度信號的采集與對應燈光強度的控制。由于我們采用的是光敏電阻，AD采集光敏電阻兩端電壓會經過光照強度的增加而變小，以此通過一定比例關系映射到PWM的占空比上來調節對應的光強度。

本系統制作的主要設計源泉來源于生活，因此創新之處也在于處理生活中一些比較常見的問題。光敏電阻采集信號，利用單片機進行處理，以達到便于控制的目的。當房間亮度不夠時，臺燈便會自動點亮，省去了黑暗中摸開關的麻煩。本設計結構簡單，有較強的實際意義。

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