LED號(hào)稱“綠色照明的第四代光源”，目前已開始逐步應(yīng)用于電信、交通、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。LED（Light-emitting Diode，發(fā)光二極管）是一種固態(tài)的半導(dǎo)體組件，能夠把電能直接轉(zhuǎn)化為光能。作為一種固體照明光源，LED具有長壽命、高光效、多光色等特性，可在安全低電壓下工作，也可連續(xù)開關(guān)閃斷，能實(shí)現(xiàn)0％～100％調(diào)光。
本文闡述一種基于單片機(jī)C8051F020自動(dòng)測控LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)能夠?qū)ED燈的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)減弱時(shí)自動(dòng)提高LED的發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)變強(qiáng)時(shí)自動(dòng)減弱LED燈的發(fā)光強(qiáng)度，維持環(huán)境光強(qiáng)值的穩(wěn)定并達(dá)到節(jié)能的效果。同時(shí)，系統(tǒng)還具有光強(qiáng)、溫度、紅外3種感應(yīng)開關(guān)控制LED燈的開與關(guān)，再加上過壓、過流保護(hù)措施，進(jìn)一步提高節(jié)能效率并保證照明系統(tǒng)的正常工作。此外，系統(tǒng)還使用液晶實(shí)現(xiàn)LED照明工作信息的外部顯示。該系統(tǒng)可應(yīng)用于如樓道照明、工作照明、設(shè)備照明等很多場合。
1 總體設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020為核心來實(shí)現(xiàn)LED照明燈的自動(dòng)測控，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)的整體框架
整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)又可分為供電驅(qū)動(dòng)模塊、自動(dòng)測控與顯示模塊3部分。
供電驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的過程為：12～24 V的直流供電輸入，經(jīng)過過壓保護(hù)電路后向SN3350芯片構(gòu)成的LED驅(qū)動(dòng)電路提供安全電壓，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED照明燈正常工作。自動(dòng)測控與顯示模塊主要包括光強(qiáng)傳感器、溫度傳感器、紅外無線傳感器和液晶顯示器。光強(qiáng)傳感器采用了硅光電池和集成運(yùn)放組成光電轉(zhuǎn)換電路，將環(huán)境中光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換，依據(jù)實(shí)測電壓和光照的關(guān)系曲線，將相應(yīng)電壓值轉(zhuǎn)化為照度并經(jīng)由LCD1602液晶顯示；溫度傳感器采用了DS18B20芯片電路，將實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給單片機(jī)分析處理，同樣經(jīng)LCD1602液晶顯示；紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路，感應(yīng)電路接收到信號(hào)后傳給單片機(jī)控制LED照明燈的開關(guān)。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和自動(dòng)測控的功能由單片機(jī)C8051F020實(shí)現(xiàn)。軟件編程的思路是：由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號(hào)控制SN3350驅(qū)動(dòng)芯片的ADJ引腳。通過改變PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)ADJ輸入任意電壓，進(jìn)而控制LED照明燈的開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)C8051F020
本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020，其片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。含有64 kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，4 352 B的RAM、8個(gè)I／O端口共64根I／O口線、1個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換器1個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)雙12位D／A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)比較器、5個(gè)16位通用定時(shí)器、5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)／定時(shí)器陣列、看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機(jī)支持雙時(shí)鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6 V（端口I／O、RST和JTAG引腳的耐壓為5 V）。
2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路
本系統(tǒng)選用了SN3350芯片作為LED驅(qū)動(dòng)電路的核心。SN3350是一款降壓型電感電流連續(xù)模式驅(qū)動(dòng)芯片，適用于電源電壓高于一顆或一串LED所需電壓的應(yīng)用場合。芯片的輸入電壓范圍為*0 V，輸出電流可達(dá)750 mA，輸出功率可達(dá)30W。圖2為本系統(tǒng)采用的LED驅(qū)動(dòng)電路。
圖2 LED驅(qū)動(dòng)電路
圖2中，3號(hào)引腳ADJ為多功能開關(guān)／亮度控制腳，其引腳特性為：
1）引腳懸空：工作在普通模式。（普通模式下VADJ=VREF=1.2 V，工作電流IOUTnom=0.1／R1）；
2）輸入電壓低于0.2 V：關(guān)閉輸出電流；
3）輸入直流電壓從0.3～1.2 V：輸出電流調(diào)整范圍從25～100％；
4）通過不同占空比的PWM信號(hào)來控制輸出電流；
5）當(dāng)ADJ引腳電壓超過1.2 V：電流被自動(dòng)鉗位在100％。
SN3350的輸出電流可以通過在ADJ引腳加控制信號(hào)來設(shè)置。本系統(tǒng)利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)輸入ADJ引腳，驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)以上引腳特性在不同的電壓值下進(jìn)入不同的工作模式。
2.3 光強(qiáng)傳感器
本系統(tǒng)的光強(qiáng)傳感器采用了一種光電轉(zhuǎn)換電路，其原理圖如圖3所示。電路的作用在于，通過集成運(yùn)放LM324和反饋電阻Rf，將硅光電池（相當(dāng)于一個(gè)光控恒流源）輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。通過調(diào)節(jié)Rf阻值的大小，可以改變輸出電壓值的大小，從而能夠適應(yīng)后級(jí)控制電路對(duì)輸入信號(hào)電壓值的要求。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，光照強(qiáng)度影響，Is大小，進(jìn)而引起Vout的改變，從而實(shí)現(xiàn)了將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。
圖3 光電轉(zhuǎn)換電路
表1和圖4是在實(shí)際制成的光電轉(zhuǎn)換電路中，使用照度計(jì)和電壓表測得的光照度-電壓關(guān)系。
表1 光電轉(zhuǎn)換電路測試結(jié)果
圖4 光照度-電壓關(guān)系
由圖4可見，隨著環(huán)境光照度的增大，光電轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓也線性增大，相關(guān)度達(dá)99.1％，線性良好。這表明按照圖3制成的光電轉(zhuǎn)換電路的實(shí)際測試結(jié)果與理論預(yù)期符合度較好。同時(shí)，圖4的光照度-電壓關(guān)系直線也為軟件部分的程序設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。
2.4 紅外無線感應(yīng)器
本系統(tǒng)的紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器采用被動(dòng)探測方式，其電路原理如圖5所示。菲涅爾透鏡（DSG）接收進(jìn)入探測區(qū)域的人體所發(fā)射的波長為8～12 μm的紅外線，通過熱釋電傳感器（PIR）將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)電路系統(tǒng)放大，濾波，最后將信號(hào)輸出。
圖5 熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路
2.5 其他電路模塊
本系統(tǒng)中還有2個(gè)較簡單的電路模塊：過壓保護(hù)電路和溫度傳感器電路。
過壓保護(hù)的意義在于。當(dāng)開關(guān)電源內(nèi)部穩(wěn)壓環(huán)路出現(xiàn)故障或者由于用戶操作不當(dāng)引起輸出過壓現(xiàn)象時(shí)，過壓保護(hù)電路能進(jìn)行保護(hù)，以防止損壞后級(jí)用電設(shè)備。此外，還可在系統(tǒng)供電電路中串接自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，起到過流保護(hù)的作用。
本系統(tǒng)的溫度傳感器采用Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。這是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。選用DS18B20為溫度傳感器的電路十分簡潔，9位溫度信號(hào)經(jīng)一條總線，直接傳遞給單片機(jī)進(jìn)行處理。
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)的思路是先分模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行綜合整理。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程框圖如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的流程框圖
程序主要分為5個(gè)模塊：亮度控制模塊、溫度探測處理模塊、光照度探測處理模塊、紅外無線探測處理模塊、液晶顯示模塊，下面對(duì)前3個(gè)較為復(fù)雜的模塊分而述之。
1）亮度控制模塊根據(jù)給定的LED驅(qū)動(dòng)電路芯片SN3350的引腳特性，可以通過控制ADJ腳的信號(hào)的電壓來控制LED的亮度。單片機(jī)80C51F020能夠自行產(chǎn)生Vpp=5 V的PWM信號(hào)，因此可以通過控制該P(yáng)WM信號(hào)的占空比來控制LED燈的亮度。依據(jù)圖4的光照度-電壓關(guān)系直線設(shè)定判定程序，得出對(duì)應(yīng)的占空比，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)于亮度的控制。
2）溫度探測處理模塊由于DS18B20芯片的信號(hào)輸出腳輸出的是數(shù)字信號(hào)，本模塊的內(nèi)容主要是對(duì)從DS18B20獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行譯碼，從而獲得實(shí)際環(huán)境溫度數(shù)值。
3）光照度探測處理模塊使用圖3光電轉(zhuǎn)換電路探測環(huán)境光強(qiáng)度輸出電壓信號(hào)。該信號(hào)是模擬信號(hào)，因此，需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能夠用單片機(jī)進(jìn)行處理。使用80C51F020自帶的A／D轉(zhuǎn)換模塊，可以實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。光照度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)在0～2.4 V之間，因此某一特定的電壓值轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字信號(hào)，然后通過與溫度信號(hào)類似的處理從而對(duì)光進(jìn)行控制。
根據(jù)本文2.2部分所述的SN3350驅(qū)動(dòng)芯片控制端ADJ引腳特性，程序設(shè)計(jì)的具體方案如下：
LED燈隨外界環(huán)境照度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制：當(dāng)測得實(shí)際光照度大于2 000 lx（照度值可依據(jù)需要自行設(shè)定，下同）時(shí)，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0，LED滅；當(dāng)測得實(shí)際光照度小于1 000 lx時(shí)，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0.3 V，LED亮；當(dāng)測得實(shí)際光照度大于1 000 lx且小于2 000 lx時(shí)，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓在0.3～1.2 V之間做相應(yīng)變化。
LED燈隨外界環(huán)境溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制：當(dāng)LED的溫度大于80℃（溫度值可依據(jù)需要自行設(shè)定，下同）時(shí)，令VADJ=0；當(dāng)LED的溫度小于50℃時(shí)，令VADJ=1.2 V。
LED燈隨外界紅外輻射信號(hào)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制：當(dāng)熱釋電紅外無線傳感器傳來感應(yīng)信號(hào)時(shí)，令VADJ=1.2 V，沒有信號(hào)傳來時(shí)，令VADJ=0。
4 系統(tǒng)測試
4.1 基本工作測試
電源供電15 V；實(shí)測三盞LED燈兩端的工作電壓為14V；驅(qū)動(dòng)電路輸出電流為320 mA；過壓保護(hù)測試調(diào)節(jié)輸入電壓大于24 V時(shí)，LED兩端電壓很快下降；當(dāng)輸入電壓升至27V時(shí)LED兩端電壓已降至0V。
測試結(jié)果表明本系統(tǒng)能在低壓條件下正常穩(wěn)定工作，具有過壓保護(hù)功能。
4.2 功能測試
1）測量與顯示功能
能否顯示環(huán)境光照強(qiáng)度：能，LCD顯示環(huán)境光強(qiáng)可精確到1 lx；
能否顯示環(huán)境溫度：能，LCD顯示環(huán)境溫度可精確到0.1℃；
2）自動(dòng)控制功能
光強(qiáng)改變時(shí)能否開關(guān)燈：能，光強(qiáng)大于2 170 lx時(shí)自動(dòng)關(guān)燈；光強(qiáng)小于1 040lx時(shí)自動(dòng)關(guān)燈（設(shè)計(jì)閾值分別為2 000lx和1 000 lx）；
溫度改變時(shí)能否關(guān)燈：能，溫度高于82.5℃時(shí)自動(dòng)關(guān)燈；
溫度低于49.3℃時(shí)自動(dòng)開燈（設(shè)計(jì)閾值分別為80℃和50℃）；
能否維持環(huán)境光強(qiáng)的基本穩(wěn)定：能，環(huán)境光強(qiáng)減弱但不小于1 000 lx時(shí)，自動(dòng)提高LED的發(fā)光強(qiáng)度；環(huán)境光強(qiáng)增強(qiáng)但不超過2 000 lx時(shí)，自動(dòng)減弱LED的發(fā)光強(qiáng)度；
能否感應(yīng)紅外輻射并開關(guān)燈：能，在有人進(jìn)入LED燈一定距離（最大半徑3.5 m處）時(shí)，自動(dòng)開燈，并維持10 s后逐步減弱燈光亮度直至關(guān)閉。
測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具備隨環(huán)境光強(qiáng)、溫度、紅外輻射變化而自動(dòng)控制開關(guān)、調(diào)節(jié)光強(qiáng)的功能，實(shí)測數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)值符合得比較好。
5 設(shè)計(jì)過程需要注意的問題
本系統(tǒng)的特點(diǎn)是硬件模塊電路較多，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意共地與接口匹配。具體來說，單片機(jī)C8051F020、LED驅(qū)動(dòng)電路的SN3350芯片、光電轉(zhuǎn)換電路中的集成運(yùn)放LM324、熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路的核心BISS0001芯片、DS18B20溫度傳感器電路和過壓保護(hù)電路6個(gè)模塊都要與直流電源共地。接口匹配問題主要存在于光強(qiáng)、紅外輻射、溫度3個(gè)傳感器的輸出口與單片機(jī)的輸入口，以及單片機(jī)的輸出口與液晶LCD1602、LED驅(qū)動(dòng)芯片SN3350的控制引腳之間。此外，由于LM324、BISS0001、DS18B20等芯片的工作電壓為5 V，小于LED照明系統(tǒng)15 V的工作電壓，測試時(shí)需另接5 V電源，而實(shí)際制作成品時(shí)則需增加一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，將統(tǒng)一的15 V供電電壓轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)壓輸出給相關(guān)芯片。
在編寫程序時(shí)需考慮各個(gè)傳感器傳送的信息被單片機(jī)處理的優(yōu)先級(jí)。根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)接收信號(hào)的參考優(yōu)先級(jí)順序?yàn)椋簻囟刃盘?hào)、紅外信號(hào)、光強(qiáng)信號(hào)。
6 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的LED照明系統(tǒng)，利用單片機(jī)C8051F020作為控制核心，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)、紅外輻射、溫度條件變化而自動(dòng)開關(guān)、調(diào)節(jié)亮度等功能，突出了LED節(jié)能照明的優(yōu)勢，因而具有較好的實(shí)用參考價(jià)值。本系統(tǒng)的最大特色是功能集成度高，集測量、控制、顯示為一體，包括光強(qiáng)、紅外輻射、溫度3種傳感器。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同需要設(shè)置相關(guān)閾值或突出某一功能。例如，應(yīng)用在樓道、洗手間照明時(shí)主要用到紅外輻射傳感功能，無人時(shí)燈不亮，有人時(shí)燈才亮，達(dá)到了節(jié)約電能的效果；應(yīng)用在辦公室、教室照明時(shí)主要用到光強(qiáng)傳感器及調(diào)光功能，使環(huán)境光強(qiáng)穩(wěn)定在某一設(shè)定值，白天燈不亮或較暗，夜晚燈亮，從而提高電能利用率；應(yīng)用在智能臺(tái)燈、工件加工臺(tái)照明時(shí)還可以監(jiān)測工作溫度（比如超過80℃時(shí)燈滅）；等等。