王麗霞

摘要：本文設(shè)計(jì)的LED燈自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)以瑞薩公司的R8C/25單片機(jī)作為控制器的主控芯片，結(jié)合光敏電阻以及傳感器HC-SR501，來檢測環(huán)境外界光強(qiáng)和人體活動(dòng)。采用了單片機(jī)的PWM控制方式實(shí)現(xiàn)LED燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)光；單片機(jī)；傳感器；LED

中圖分類號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）10-0008-02

1 引言

隨著人們的生活水平不斷提高，用電負(fù)荷的增加，能源問題日益顯現(xiàn)，能源危機(jī)已成為世界面臨的一個(gè)嚴(yán)重問題。而我國作為一個(gè)人口大國，此問題尤為嚴(yán)重。LED（發(fā)光二極管）作為一種新型發(fā)展的冷光源，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命長等其它傳統(tǒng)光源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，代表著未來照明技術(shù)的發(fā)展方向。

目前樓宇內(nèi)燈光控制大多還是由人工控制，這樣造成電能的浪費(fèi)，本自動(dòng)調(diào)光系統(tǒng)以R8C/25單片機(jī)作為控制器的主控芯片，結(jié)合光敏電阻以及人體紅外熱釋電傳感器HC-SR501，來檢測環(huán)境外界光強(qiáng)和人體活動(dòng)。實(shí)現(xiàn)室內(nèi)燈光的自動(dòng)控制，節(jié)約了樓宇建筑的電能消耗。

2 控制模塊的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)主要由六大電路構(gòu)成，分別是：

系統(tǒng)主控電路、系統(tǒng)供電電路、數(shù)據(jù)采集電路、無線通信模塊、LED燈驅(qū)動(dòng)電路以及工頻燈驅(qū)動(dòng)電路。如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)主控電路

本系統(tǒng)的主控模塊采用瑞薩公司的R8C/25單片機(jī)作為控制器的主控芯片。R8C/25是采用高性能硅柵CMOS工藝以及裝載R8C/Tiny系列CPU內(nèi)核的單芯片微型計(jì)算機(jī)。該單芯片微型計(jì)算機(jī)采用16位CPU內(nèi)核，內(nèi)置Flash存儲(chǔ)器，抗干擾能力強(qiáng)。既有高功能指令又有高效率指令，并且具有1M字節(jié)的地址空間和高速執(zhí)行指令的能力。

由于R8C/25單片機(jī)自身擁有豐富的資料，所以其最小系統(tǒng)不需過多的配置，只需配置復(fù)位電路，晶振電路和程序下載口即可。

2.2 系統(tǒng)供電電路

該控制系統(tǒng)的電源部分主要由5V的數(shù)字電源和12V的LED燈的驅(qū)動(dòng)電源。采取工頻市電供電。

通過雙輸出的變壓器將幅值為220V的交流電轉(zhuǎn)變成幅值15V的交流電，在通過整流橋轉(zhuǎn)變成17V左右的直流電，但是該直流電的波動(dòng)，經(jīng)過濾波和L7812穩(wěn)壓芯片之后，讓電壓穩(wěn)定在12V，但是雙路輸出都為12V而單片機(jī)最小系統(tǒng)所需要的電源在5V左右，不能超過5.3V，因此其中一路還需要經(jīng)過L7805穩(wěn)壓芯片將電壓穩(wěn)定在5V，該5V用作單片機(jī)的數(shù)字電源。而對于無線通訊模塊的供電電源為3.3V，因此在之前的5V基礎(chǔ)上通過L1117穩(wěn)壓芯片將電壓再次穩(wěn)壓到3.3V。

2.3 數(shù)據(jù)采集電路

室內(nèi)的環(huán)境光和人體存在與否是系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)，因此室內(nèi)的環(huán)境光和人體存在成為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要對象。常見的環(huán)境光采集器件光電傳感器有光敏二極管和光敏三極管以及光敏電阻，根據(jù)需求，選用光敏電阻配合電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換電路更加有效并且價(jià)格便宜。此外，人體傳感器要求靈敏度高，可靠性強(qiáng)，本系統(tǒng)采用了邏輯電平輸出的HC-SR501型號(hào)的人體存在傳感器。

2.3.1 環(huán)境光采集電路

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，該材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。

自然光或者某一安裝環(huán)境下的光強(qiáng)采集電路為一個(gè)電阻與光敏電阻串聯(lián)后接到電源上，光敏電阻分得的電壓接與單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換管腳AN5。其工作原理是通過分壓電路的分壓值巧妙地將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。在阻值上R4選擇為10K，而當(dāng)光強(qiáng)較強(qiáng)是，由于光敏電阻值會(huì)呈現(xiàn)低阻值狀態(tài)，電阻值不到0.5K，這也就意味著在該光敏電阻上的電壓降在1V以下，那么單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換管腳AN5進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化時(shí)，則會(huì)得到一個(gè)較小的數(shù)值。但是當(dāng)某一時(shí)刻光線比較暗，使得該光敏電阻呈現(xiàn)了高阻值狀態(tài)，能夠達(dá)到300K左右，這就意味著電阻R4與此時(shí)的光敏電阻相比幾乎可以忽略不計(jì)，該光敏電阻的壓降幾乎能夠接近5V，當(dāng)然該電壓的A/D采樣的值將會(huì)比之前的大很多。

當(dāng)然環(huán)境光的變化是非常柔和的，不會(huì)出現(xiàn)突變，所以當(dāng)光強(qiáng)在緩慢變化的過程中，AN5的A/D采樣的數(shù)值，必然會(huì)有一個(gè)峰峰值的差距，在這個(gè)較大的數(shù)據(jù)差之間，實(shí)際上可以進(jìn)行分段處理，將這個(gè)差值分成幾個(gè)層次來反映光強(qiáng)的不同程度。

2.3.2 人體存在信號(hào)采集電路

人體存在信號(hào)的采集電路采用了邏輯電平輸出的HC-SR501型號(hào)的人體紅外感應(yīng)模塊構(gòu)成。

HC-SR501紅外感應(yīng)模塊靈敏度高，可靠性強(qiáng)，可以全自動(dòng)感應(yīng)，當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平。輸出低電平。熱釋電紅外傳感器能將檢測到的人發(fā)射的紅外線轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。如果單片機(jī)接收到傳感器輸出的是高電平，則認(rèn)為有人體存在。

人體傳感器的1號(hào)引腳為電源信號(hào)端，3號(hào)引腳為地信號(hào)端，2號(hào)引腳為采集信號(hào)輸出端。

2.4 LED燈驅(qū)動(dòng)電路

本文采用高亮白光LED燈進(jìn)行調(diào)光控制。高亮LED燈一般導(dǎo)通電壓約為3.0V～4.3V，它的核心是PN結(jié)，其特性和普通二極管一樣。當(dāng)加載在LED燈兩端的電壓小于導(dǎo)通電壓，此時(shí)LED燈幾乎沒有電流通過，LED燈不會(huì)點(diǎn)亮。由于LED燈的光通量和通過它的正向電流成正比，所以可以通過控制其正向電流來調(diào)節(jié)其亮度。同時(shí)，在LED燈的正向電流達(dá)到額定電流的70%以上后，其絕大部分的電流被轉(zhuǎn)化成了熱能，所以在進(jìn)行PWM調(diào)光時(shí)，最大電流不應(yīng)該超過最小電流的3倍。

經(jīng)過單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)，最終確定電源的電壓與限流電阻值，使得LED燈的功率保持在最大，實(shí)際上是最為簡單的用三極管作為控制開關(guān)來控制主回路的通斷。當(dāng)控制極為高電平，則燈亮，反之則滅。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在單片機(jī)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再配上相應(yīng)的軟件，才能構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。用戶軟件的開發(fā)與系統(tǒng)硬件有著密切的關(guān)系。在系統(tǒng)的硬件及輸入輸出方法確定后，程序軟件就可以完全獨(dú)立的進(jìn)行設(shè)計(jì)、開發(fā)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，總體設(shè)計(jì)采用自上至下的設(shè)計(jì)思想將主程序設(shè)計(jì)好，而在各個(gè)部分展開成從屬程序或子程序時(shí)，是將各個(gè)小模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和編程，同時(shí)在編程的過程中又用到了結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)的思想。

本控制系統(tǒng)軟件模塊主要包括：系統(tǒng)死循環(huán)主程序、信號(hào)采集模塊、無線通信模塊、PWM調(diào)光驅(qū)動(dòng)模塊。

常用的LED燈調(diào)光方式是PWM調(diào)光，這種方式是通過改變流過LED的電流時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間的比而改變其亮度。流過LED燈的電流是恒定的，而在關(guān)斷時(shí)流過LED燈的電流是零。PWM調(diào)光是通過以人眼察覺不到的頻率快速開關(guān)LED燈，為了人眼察覺不到，這個(gè)頻率應(yīng)該不小于100Hz。同時(shí)PWM調(diào)光有利于LED燈散熱。

在LED燈的驅(qū)動(dòng)電路中可知，燈的亮滅實(shí)際上是單片機(jī)給出的方波來控制的，單片機(jī)發(fā)出PWM波之后，在T1間斷內(nèi)，三極管導(dǎo)通，使得LED燈點(diǎn)亮。相應(yīng)的T2時(shí)段內(nèi)為熄滅狀態(tài)。因?yàn)镻WM波形是一個(gè)周期性波形，也就意味著LED燈是不斷地閃爍的。

當(dāng)這個(gè)周期T的值很小時(shí)，人眼就分辨不出燈光的閃爍。之所以能夠調(diào)節(jié)LED燈的亮度是因?yàn)楫?dāng)占空比D不同時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)燈亮的時(shí)常不一樣，也就是說燈發(fā)出的光的總量是較多的，光強(qiáng)自然也就越高。也可以理解為占空比越高，施加在LED燈兩端的平均電壓也就越大，因此亮度越高。

在程序上這點(diǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，只需要建立延時(shí)電路即可。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)是以R8C/25單片機(jī)為主控電路的控制芯片，通過與相關(guān)電路的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對LED燈的調(diào)光控制。系統(tǒng)的硬件電路一般采用簡易和性價(jià)比高的芯片，使電路設(shè)計(jì)簡化，降低成本，使系統(tǒng)的可推廣性更強(qiáng)，同時(shí)節(jié)省了單片機(jī)的I/0口資源，使系統(tǒng)的進(jìn)一步擴(kuò)展有很大的空間。系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)光軟件程序的實(shí)現(xiàn)采用分塊模式去編寫，將不必要的延時(shí)程序減少到最少，使系統(tǒng)的運(yùn)行效率大大提高。系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)可以完成預(yù)期目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)光，該設(shè)計(jì)可以大大節(jié)省電能資源。

參考文獻(xiàn)

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