基于PWM智能LED照明控制系统设计

1基于PWM技术的LED家庭智能照明系统设计郎昊,苏容，王祥舟(电子科技大学，光电信息学院)摘要：随着社会的发展人们对生活质量的要求越来越高，照明在能耗中所占的比例日益增加,因而照明节能也日显重要。现在国内外普及使用的节能开关基本有声控型、触摸型、感光型等。这几种开关各有自己的弊端，如声控型不适合环境嘈杂场所、感光型开关在无人期间不能自动关闭。本设计通过STC89C52单片机结合LED照明技术、红外传感技术、光传感技术、数字信号转换、PWM脉宽调制等技术来实现对照明设备的智能控制。单片机通过PWM信号控制照明设备的打开或者关闭、通过光照检测电路对照明设备周边亮度进行检测，根据环境亮度输出PWM信号，红外传感检测是否有人以控制照明设备打开或关闭。关键词：单片机；传感器；照明控制；节能；PWMBasedonPWMtechnologyLEDhouseholdintelligentlightingsystemdesignSuRong,WangXiangzhou,LangHao(SchoolofOptoelectronicInformation,UESTC)Abstract：Withthedevelopmentofsociety，peoplearerequireahigherqualityoflife,theproportionoflightinenergyconsumption,thusincreasingilluminationenergyconservationalsomoreandmoreimportantly.Nowuniversaluseenergy-savingswitchathomeandabroadhavesonicbasictype,touchtype,photographictypeandsoon.Thisseveralswitchhavetheirowndisadvantages,suchassonictypeisnotsuitableforenvironmentalnoisyplaces,photographicswitchinoneperiodcan'tshutautomatically.ThisdesigncombinedbySTC89C52LEDlightingtechnology,infraredsensingtechnology,lightsensortechnology,Opticalsensingtechnology,DigitalsignalconversionandPulsewidthmodulation(PWM)technologytorealizetheintelligentcontroloflightingequipment.Microcomputercontrolslightingequipmentopenorclosed,bythePWMsignal,throughthelightdetectioncircuitforlightingequipmenttesting.MicrocomputeroutputPWMsignalbyThebrightnessoftheenvironment,Infraredsensoropenthelightingsystemwhenpeoplewalkintotheroom.Keywords:microcontroller;sensor;lightingcontrol;energy-saving2前言随着国民经济的快速发展和社会进步，家庭照明在全社会愈加被关注和重视，人们已经不仅仅满足于普通的照明需求，对光照的舒适度，智能度，光的色彩都有新的要求。特别是照明系统的智能度，即可根据环境的亮度调整灯的光亮度，达到节能和舒适的要求。LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10％，荧光灯的50％。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12％。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了一套LED智能照明控制系统设计方案，可以根据是否有人以及环境光亮度等来自动控制照明系统的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。单片机的出现至今已经有30多年的历史了。微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。本篇论文介绍了就是基于单片机STC89C52的室内灯光控制系统的研究和开发。本系统是以单片机为控制器的核心，本系统主要由红外探测电路、光照检测电路、AD转换电路、LED驱动电路、数码管显示电路组成。1概述1.1课题研究背景随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。目前，国内大多数照明系统存在效率低、能耗高的现象。就日常家居的照明系统来说，白天室内开灯过亮，而不开灯自然光照明无法满足工作或学习所需的光照需求。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经成为必不可少了。而在住宅的建设热潮中，各大房地产商和他们的建设者也意识到了智能照明的重要性。相对商业楼宇而言，人们对家用住房中照明系统的智能度关注更多。家庭照明系统既应该保证智能度，又要保证节能，绿色环保。31.2课题研究的目的与意义1.2.1良好的节能效果和延长灯具寿命节能是照明控制系统的最大优势。传统的家庭照明，只能是白天关灯，晚上开灯。而采用了智能照明控制系统后，可以根据不同场合、不同的人流量，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明关掉，在需要时自动开启。同时，系统还能充分利用自然光，自动调节室内照度。控制系统实现了不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必要照明的同时，有效减少了灯具的工作时间，节省了不必要的能源开支，也延长了灯具的寿命。1.2.2改善工作环境，提高工作效率良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的时间段，人们的不同需要，自动调节照度。1.2.3提高管理水平智能照明控制系统是以自动控制为主、人工控制为辅的系统。在一般的情况下，不需要有人的参与，照明系统自动实现开关和调光功能，既大大减少了管理人员的数量，也排除了由于人为因素而出现的不定时开关，影响学校的正常教学、生活秩序的情况。1.2.4较好的投资收益效果智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到40％以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到25％～30％。2.硬件电路设计与实现2.1系统硬件总述系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有六个主要部分：STC89C52芯片、红外传感电路、光信号采集电路、AD转换电路、LED驱动电路、亮度等级显示电路。2.2CPU性能介绍本系统采用了MCS-51系列单片机中的STC89C52芯片，它是低压高性能CMOS8位微处理器，带有8k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I／O口线，两个16位定时／计数器，—个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。2.3主控制机电路设计主控制器采用STC89C52单片机作为微处理器，STC89C52是国产低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8Kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。主控制器系统的外围接口电路由信号处理电路、LED显示及控制电路、时间显示电路等几部分组成。2.4红外探测电路红外探测器检测是否有人进入房间，当有人进入房间，红外探测器输出高电平，单片机开始工作。2.5光照检测电路4当外界环境光照强时，光敏电阻阻值较小，电阻两端分压较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻阻值较大，电阻两端分压较高。将光敏电阻两端电压输入到ADC0804芯片中。2.6AD转换电路ADC0804检测vin输入的模拟电压，电压范围应在0到Vcc之间，否则超过检测范围无法检测。单片机P0^5引脚输出低电平选通AD芯片，P0^6引脚输出1个机器周期的低电平信号使AD芯片开始转换，AD芯片的INTR引脚接到单片机P3^2引脚，采用外部中断方式，当AD转换结束，INTR引脚置低，单片机检测到下降沿，外部中断产生，控制P0^7引脚输出读信号，持续一个时钟周期，同时打开锁存器，LE置1，保存此次的8位数字信号，同时单片机P1口读取8位数字信号。2.7数码管显示电路单片机P2^4、P2^3、P2^2引脚从高位到地位分别输出当前亮度等级的3位数字信号，74LS48译码芯片接收到3位数字信号，译码位数码管使用的8位数字信号（“点”可以不使用），打开锁存器，保存当前的8位数字信号，将8位数字信号输入到数码管中，显示当前亮度等级。2.8LED驱动电路P0^4引脚输出单片机模拟的PWM信号，通过改变PWM信号一个周期内的占空比，改变LED灯的导通时间，根据人眼的视觉暂留效应，若频率达到1KHz以上，人眼只会感到亮暗变化，导通时间越长，LED灯越亮。采用低电平导通方式，LED灯正极接Vcc，负极接限流电阻和PWM信号，当PWM信5号为低电平是LED导通。采用这种方式的原因是51单片机的驱动能力有限，若LED灯较多时，高电平驱动无法提供足够的导通电流。2.9键盘按键P0^2、P0^1、P0^0引脚分别检测手动切换、亮度上升和亮度下降按键是否按下，低电平有效。手动切换用于自动检测光亮度和手动调节光亮度之间切换、在手动调节光亮度状态下，亮度上升有效则增大PWM信号占空比，亮度下降有效则减小PWM信号占空比。在自动检测状态下，亮度上升和亮度下降按键均无效。63.系统工作流程红外探测模块检测房间是否有人，若有人，输出高电平，单片机继续工作；若没有人，则继续等待，单片机暂停工作。有人进入房间后，AD芯片采样光敏电阻两端的电压，进行转换，转为8位数字信号传递到锁存器中锁存，之后单片机读取锁存器中的数据，进行处理。8位数字信号转换为0-7之间数字，对应为LED灯的亮度等级。输出PWM信号占空比根据LED亮度等级数据进行修改。0为低电平输出，7为高电平输出，0-7之间输出矩形波。同时单片机输出3位二进制数，通过74LS48译码，74hc573锁存后输出到数码管，显示当前亮度等级。手动切换开关按下后，停止AD采样，保持当前亮度等级，检测亮度上升和下降按键是否有效，手动控制LED灯亮暗。当手动切换开关再次按下后，AD采样开始。4.仿真环境介绍4.1Keil介绍随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的