基于STC單片機(jī)和傳感器的LED智能照明控制系統(tǒng)

摘要： 　　介紹了一種LED智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和控制流程。該系統(tǒng)采用STC12C5A60S2作為主控器，利用熱釋紅外傳感器檢測人體輻射的微量紅外線，光敏電阻檢測環(huán)境亮度，采用DS18B20檢測LED的溫度，LED驅(qū)動采用PWM調(diào)光技術(shù)。 　　0引言 　　我國是一個(gè)資源緊缺的國家，但在日常的生活中，人們并沒有意識到這一點(diǎn)。以室內(nèi)照明為例，在很多公共場合中都采用手動開關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)沒有及時(shí)關(guān)燈的現(xiàn)象，從而造成能源的浪費(fèi)，也會縮短燈具的使用壽命。針對這一現(xiàn)象，有必要研究一種智能照明控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用智能傳感器感應(yīng)室外亮度來自動調(diào)節(jié)燈光，以保持室內(nèi)恒定照度，既能使室內(nèi)有最佳照明環(huán)境，又能達(dá)到節(jié)能的效果。 　　LED被稱為第四代綠色光源，LED的發(fā)光器件是冷光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點(diǎn)。LED光的單色性好，光譜窄，無需過濾，可直接發(fā)出有色可見光。在相同的照明情況下，LED燈耗電量為白熾燈的十分之一，熒光燈的二分之一，是未來照明的發(fā)展趨勢。 　　1智能控制方案設(shè)計(jì) 　　系統(tǒng)采用光敏電阻檢測環(huán)境亮度，熱釋紅外傳感器檢測人體輻射的微量紅外線，溫度檢測模塊檢測LED的溫度，傳感器檢測到的信號經(jīng)過預(yù)處理傳給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后控制LED燈的開關(guān)和亮度。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 　　2硬件設(shè)計(jì) 　　2.1熱釋電紅外探測模塊 　　熱釋電紅外探測模塊不需要配置紅外線發(fā)射源，能直接接受人體輻射的微量紅外線，將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號輸出。為了提高PIR傳感器感受紅外線的靈敏度，在傳感器前加裝配套的菲涅耳透鏡。 　　熱釋電紅外探測模塊由菲涅耳透鏡、熱釋電紅外傳感器(PIR)、控制電路及驅(qū)動電路等組成。熱釋電紅外探測模塊框圖如圖2所示。 　　人體都有恒定的體溫，一般在37℃，會發(fā)出特定波長10μm左右的紅外線。人體輻射的紅外光線經(jīng)過菲涅耳透鏡匯集在PIR的2塊探測元上，當(dāng)人體移動時(shí)，紅外輻射強(qiáng)度發(fā)生變化，探測元表面的電荷強(qiáng)度發(fā)生變化，經(jīng)內(nèi)部場效應(yīng)管放大就有信號輸出。 　　熱釋電紅外探測模塊采用熱釋電專用控制集成電路來處理，這里采用BISS0001型集成電路。 　　BISS0001型集成電路內(nèi)置獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可以與多種傳感器匹配，進(jìn)行紅外信號預(yù)處理。芯片內(nèi)含有電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲電路定時(shí)器、封鎖時(shí)間定時(shí)器以及基準(zhǔn)參考電壓源等單元電路。電路如圖3所示。 　　2.2環(huán)境亮度檢測模塊 　　光敏電阻是利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種特殊電阻器，對光線十分敏感，這里用它來檢測環(huán)境亮度。它的電阻值能隨著外界光照強(qiáng)弱的變化而變化。它在無光照射時(shí)，呈高阻狀態(tài);當(dāng)有光照射時(shí)，其電阻值迅速減小。 　　圖3中的R6為光敏電阻，若環(huán)境較明亮，R6的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號VCC.SW1是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)SW1與3端連通時(shí)，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式;當(dāng)SW1與1端連通時(shí)，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。 　　2.3溫度檢測模塊 　　該測溫模塊采用單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它具有獨(dú)特的單總線接口方式，支持多節(jié)點(diǎn)，測溫時(shí)無需任何外圍元件，它和單片機(jī)的接口只需一根信號線，具有超低功耗工作方式。它的測溫范圍為-55~+125℃，精度為0.5℃，而且不需要放大器和A/D轉(zhuǎn)換器。所以DS18B20的外圍電路簡單，圖4是該系統(tǒng)的測溫模塊的電路原理圖。 　　DS18B20測溫系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)相對比較容易，首先對DS18B20進(jìn)行初始化，接著依次發(fā)跳過ROM命令和溫度轉(zhuǎn)換，啟動DS18B20進(jìn)行轉(zhuǎn)換。然后再重新對DS18B20進(jìn)行初始化并發(fā)匹配ROM命令。最后，對DS18B20進(jìn)行讀數(shù)。 　　2.4單片機(jī)控制模塊 　　STC12C5A60S2是宏晶科技公司生產(chǎn)的一款高速、低功耗和超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，它的指令系統(tǒng)完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度要快8~12倍。它設(shè)有2路PWM，8路高速A/D轉(zhuǎn)換，使得外圍電路大大簡化，系統(tǒng)的成本大大降低。 　　2.5LED驅(qū)動模塊 　　系統(tǒng)采用PT4115驅(qū)動LED.PT4115芯片外圍電路簡單，輸出電壓范圍很寬，從8~30V，最大輸出電流1.2A，復(fù)用引腳DIM可以進(jìn)行LED開關(guān)、模擬調(diào)光、PWM調(diào)光。驅(qū)動該電路如圖5所示。 　　PT4115采用PWM調(diào)光，當(dāng)DIM引腳電壓低于0.3V時(shí)關(guān)斷LED電流，高于2.5V時(shí)開啟LED電流。PWM調(diào)光的基本原理是保持LED正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例，即控制每個(gè)周期電流導(dǎo)通的時(shí)間。計(jì)算方法如下： 　　通過PWM調(diào)光，LED的輸出電流可以從0%到100%變化。PWM調(diào)光相對于傳統(tǒng)的線性調(diào)光，不影響LED的光效。PWM調(diào)光的優(yōu)勢是LED正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ?，LED的色度就不會像模擬調(diào)光那樣會變化。PWM調(diào)光可以在精確控制LED的亮度的同時(shí)，也保證LED發(fā)光的色度。 　　3軟件設(shè)計(jì) 　　該系統(tǒng)有3個(gè)功能模塊：1)信號輸入模塊，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信號向單片機(jī)輸入;2)信號控制模塊，實(shí)現(xiàn)對信號的處理;3)信號輸出模塊，實(shí)現(xiàn)處理結(jié)果的編碼輸出，達(dá)到控制LED發(fā)光亮度的目的。單片機(jī)接收3部分信號，即被動式熱釋電紅外探測器輸出的開關(guān)信號，可見光探測輸出的室內(nèi)亮度控制信號和溫度傳感器探測到的LED溫度信號，將這些信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中。通過單片機(jī)處理，從而驅(qū)動LED的開關(guān)并控制亮度。軟件流程如圖6所示。 　　4結(jié)語 　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該文設(shè)計(jì)的LED智能照明控制系統(tǒng)，可根據(jù)室內(nèi)光照亮度自動控制LED的開關(guān)和亮度，取得了很好的節(jié)能和改善照明環(huán)境的效果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)用性強(qiáng)，可適用于公寓、辦公室的樓道燈，衛(wèi)生間的照明燈等。