基于單片機(jī)的LED光控?zé)舻脑O(shè)計(jì)

盧燕

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校蘇州215006）

基于單片機(jī)的LED光控?zé)舻脑O(shè)計(jì)

盧燕

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校蘇州215006）

論文以LED發(fā)光二極管陣列用作照明光源，結(jié)合單片機(jī)、光敏傳感器以及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，應(yīng)用PWM脈寬調(diào)制，實(shí)現(xiàn)LED光控?zé)舻氖謩雍妥詣诱{(diào)光。手動模式10檔按鍵調(diào)光，LED陣列由全暗到全亮，受控檔位逐漸變化，滿足人們對光線強(qiáng)度的不同需求。自動模式則根據(jù)外部光線的亮暗，由光敏傳感器接收后，進(jìn)行數(shù)字化處理，自動調(diào)整LED陣列的亮度，從而保證照明亮度滿足要求。該系統(tǒng)既節(jié)能環(huán)保又安全護(hù)眼，可以應(yīng)用于家庭、辦公大樓、廠房等需要照明的地方。

LED陣列；PWM；光敏傳感器

Class NumberTN312

1 引言

LED是Light Emitting Diode的簡稱及發(fā)光二極管，是第四代照明光源，屬于半導(dǎo)體器件，能將電能高效的轉(zhuǎn)換成可見光，它具有體積小、損耗少、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)［1］。因而在交通燈，顯示屏，照明，大樓夜景燈光裝飾等方面得以廣泛應(yīng)用。用LED燈來照明和普通白熾燈、鈉燈相比，有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，白熾燈、鈉燈它們都是交流供電，只要電網(wǎng)電壓波動就會出現(xiàn)頻閃，其次傳統(tǒng)燈會發(fā)出紅色波長的光波這些都會對眼睛產(chǎn)生傷害，而LED由于是直流供電再加上光線中不含紫外線和紅外線因而光線更加健康［2］。LED燈節(jié)能環(huán)保，光效率高，發(fā)熱少，使用安全可靠，應(yīng)用到生活、工業(yè)的方方面面。

2 LED光控?zé)舻姆桨冈O(shè)計(jì)

LED光控?zé)粲伤牟糠謽?gòu)成：控制器電路、光線采樣與轉(zhuǎn)換電路、按鍵控制電路、LED陣列電路等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示。

圖1 LED光控?zé)粝到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光敏電阻檢測室內(nèi)光線亮度，通過AD轉(zhuǎn)換芯片把轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量送到控制器，由控制器—單片機(jī)發(fā)出控制信號調(diào)整LED燈陣列的光線強(qiáng)弱，調(diào)整規(guī)則是外界光線越強(qiáng)則LED燈光線隨之減弱，外界光線越暗則LED燈光線隨之加強(qiáng)，實(shí)時(shí)調(diào)整，既有利于照明又節(jié)電環(huán)保。設(shè)置手動和自動切換按鍵，在自動情況下，燈的亮度隨外界光線強(qiáng)弱而變化，在手動情況下可以通過按鍵進(jìn)行調(diào)整。

3 LED光控?zé)粲布娐吩O(shè)計(jì)

LED光控?zé)糁饕玫絾纹瑱C(jī)AT89C51、光敏電阻、獨(dú)立按鍵、ADC0832、LED等器件。硬件電路由自動光控電路和手動亮度調(diào)整電路組成并由主控芯片控制。

3.1 自動光控電路

自動光控電路主要由光傳感器、ADC0832構(gòu)成，通過光傳感器得到的模擬信號送入ADC0832進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換經(jīng)由控制器控制LED的亮度。

3.1.1 光傳感模塊

LED光控?zé)粲玫焦鈧鞲衅鳌饷綦娮瑁饷綦娮璺N類頗多，根據(jù)半導(dǎo)體光電晶體成分不同，可以分為可見光光敏電阻、紅外光光敏電阻、紫外光光敏電阻。LED光控?zé)暨x用可見光光敏電阻，它對

可見光敏感，工作原理是在光照射下，其導(dǎo)電性能增強(qiáng)內(nèi)部電流隨之增大，而電阻值則相應(yīng)降低，呈反比變化［3］，如圖2所示。

圖2 光敏電阻特性曲線圖

3.1.2 光轉(zhuǎn)換電路

該電路是光控?zé)粲布娐返暮诵模饕葾DC0832和光敏電阻構(gòu)成。ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它有2個(gè)模擬通道，8位分辨率，與ADC0809相比它的轉(zhuǎn)換時(shí)間更短，并且它是串行數(shù)據(jù)輸出比起ADC0809的并行輸出更為節(jié)約口線。該芯片有8個(gè)引腳，除了電源（VCC）和地（GND）外，還有片選腳（CS）、兩個(gè)模擬通道腳（CH0、CH1）、一個(gè)時(shí)鐘腳（CLK）、一個(gè)數(shù)據(jù)信號輸入腳（DI）、一個(gè)數(shù)據(jù)信號輸出腳（DO）。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)可以把數(shù)據(jù)信號輸入腳與輸出腳相連，因?yàn)檩斎牒洼敵霾⒉粫l(fā)生在同一時(shí)刻，這樣做可以節(jié)約一個(gè)口線。它的控制原理分為四個(gè)步驟：1）CS片選選中及置成低電平，同時(shí)控制器送時(shí)鐘脈沖到CLK端。2）數(shù)據(jù)輸入端（DI）在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)置高，啟動轉(zhuǎn)換，在接下來2個(gè)時(shí)鐘脈沖收到由控制器發(fā)來的通道選擇信號。3）接下來數(shù)據(jù)輸出端DO隨著時(shí)鐘脈沖輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)，高位先低位后，共8位。4）在送完轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)后數(shù)據(jù)輸出端繼續(xù)送出低位先高位后的相反字節(jié)的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證碼［4］。

ADC0832通道選擇模式有兩種，一種是只進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換，另一種是雙通道轉(zhuǎn)換［4］。如表1所示。

表1 模擬通道選擇信號規(guī)則

ADC0832結(jié)合光敏電阻構(gòu)成光轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示，光敏電阻和電阻R2串聯(lián)，選用光敏電阻的亮電阻2kΩ左右，暗電阻在0.2MΩ左右，由RG與R2的分壓作為模擬信號送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832，如光敏電阻值發(fā)生變化則分壓值也發(fā)生變化，送到芯片的電壓隨之改變，該電壓值與光照相關(guān)，光照越強(qiáng)，光敏阻值越小，分得的電壓越小，因而送到芯片的電壓越大，反之電壓越小。轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)送入控制器中進(jìn)行處理，由控制器產(chǎn)生脈寬PWM信號驅(qū)動LED的亮暗。

圖3 光轉(zhuǎn)換電路

3.2 手動調(diào)整電路

該電路由獨(dú)立按鍵構(gòu)成，把按鍵分別接到3根口線上，由控制器根據(jù)按鍵狀態(tài)，控制LED的亮暗。三個(gè)按鍵中key1用來切換自動還是手動，key2用來調(diào)高亮度，key3用來調(diào)低亮度，從最亮到全滅共有10個(gè)檔位，調(diào)整時(shí)可以明顯看到LED的亮度變化過程。

4 LED光控?zé)糗浖鞒淘O(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)把整個(gè)功能程序模塊化，設(shè)計(jì)了幾個(gè)子模塊：ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換、獨(dú)立按鍵掃描模塊、按鍵處理模塊、檔位調(diào)整模塊、PWM產(chǎn)生模塊，所有功能模塊在主程序中調(diào)用。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

4.1 PWM產(chǎn)生模塊

本設(shè)計(jì)LED陣列是由一個(gè)PNP三極管來控制，控制器送出低電平，三極管導(dǎo)通，LED點(diǎn)亮，高電平時(shí)三極管截至，LED熄滅，但不論是手動還是自動控制LED陣列，要使LED產(chǎn)生亮度大小變化，都需要用到PWM來產(chǎn)生控制信號，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要把一個(gè)脈寬周期進(jìn)行等分，等分越多亮度漸變越細(xì)致，這里把脈寬周期進(jìn)行了100等分，AD轉(zhuǎn)換先得到的數(shù)字量再轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)0～99作為光線值，這個(gè)值作為脈寬的占空比，考慮人眼觀察不到閃爍的最低頻率為50Hz左右，因此定脈寬周期為20ms，利用定時(shí)器0產(chǎn)生200μs定時(shí)時(shí)間，在控制器口線為高電平（LED滅）時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)累加，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過光線值，控制器口線轉(zhuǎn)為電平（LED亮），這時(shí)計(jì)數(shù)清零，進(jìn)行重新累加，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過100減光線值，就完成了一個(gè)脈寬周期，由于高低電平占比時(shí)間會根據(jù)AD轉(zhuǎn)換發(fā)生變化，因而能看到LED陣列的亮度變化。PWM產(chǎn)生模塊流程圖如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

4.2 檔位調(diào)整模塊

手動控制時(shí)需要通過增減按鍵進(jìn)行亮度調(diào)整，設(shè)計(jì)時(shí)分為10個(gè)檔位，0檔位和9檔都是關(guān)閉定時(shí)器直接由控制器口線輸出低或高電平，從而決定LED亮滅狀態(tài)。其他8個(gè)檔位，分別賦予光線值變量相應(yīng)的數(shù)值，在定時(shí)器0中根據(jù)這個(gè)數(shù)值用PWM來實(shí)現(xiàn)LED陣列的亮度變化。

圖5 PWM程序流程圖

5 結(jié)語

LED是今后照明系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本設(shè)計(jì)用LED陣列、單片機(jī)、AD芯片、光敏電阻等少量元件，實(shí)現(xiàn)節(jié)能護(hù)眼的LED光控?zé)簦?jīng)試驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)實(shí)用、節(jié)能、環(huán)保，能應(yīng)用于家庭的燈光照明以及辦公大樓的辦公室照明，工廠廠房照明等。它結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，節(jié)省電能具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可行性。考慮到不同年紀(jì)，不同個(gè)體的人對光強(qiáng)度的感受能力不同，可以在設(shè)計(jì)中增加用按鍵調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)亮度的功能，以該亮度為基準(zhǔn)再結(jié)合周圍光線進(jìn)行自動調(diào)整，從而滿足不同用戶的需求。

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Design of LED Light Control Lamps Based on Single-chip

LU Yan
（Suzhou Vocational and Technical School，Suzhou215006）

This paper designed a light source with light emitting diode array.The led lamps that made up single-chip，light sensors and AD analog-digital conversion chips，and it applied for PWM，which achieved a brightness change with the manual and automatic.The manual mode had 10 files changes that contained a full dark to full brightness.To meet the people's needs of different light intensity.The automatic mode according to light sensors

the light from outside，and digitized，thereby automatically adjusted the brightness of the LED array.The illumination brightness meted the requirements of people's needs.The system was both energy saving and safe for eyes，that could be used in homes，office buildings，factories and other places which need lighting.

LED array，PWM，light sensors

TN312

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.047

2016年12月8日，

2017年1月29日

盧燕，女，碩士，講師，研究方向：信號與信息處理，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。