基于单片机的LED室内照明控制系统设计和控制流程

本文描述了一种LED室内照明控制系统。该系统利用智能传感器感应室外亮度来自动调节灯光，以保持室内恒定照度，既能使室内有最佳照明环境，又能达到节能的效果。 　　当今社会正处于一个可用能源紧缺新能源使用有待开发的青黄不接的阶段，但在日常的生活中，大多数人们并没有意识到这一点。以室内照明为例，在很多公共场合中都采用手动开关，经常出现没有及时关灯的现象，从而造成能源的浪费，也会缩短灯具的使用寿命。针对这一现象，有必要研究一种智能照明控制系统。LED被称为第四代绿色光源，LED的发光器件是冷光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点。LED光的单色性好，光谱窄，无需过滤，可直接发出有色可见光。在相同的照明情况下，LED灯耗电量为白炽灯的十分之一，荧光灯的二分之一，是未来照明的发展趋势。 　　智能控制方案设计 　　系统采用光敏电阻检测环境亮度，热释红外传感器检测人体辐射的微量红外线，温度检测模块检测LED的温度，传感器检测到的信号经过预处理传给单片机，经单片机处理后控制LED灯的开关和亮度。系统框图如图1所示。 图1 系统框图 　　照明系统硬件设计 　　1、热释电红外探测模块 　　热释电红外探测模块不需要配置红外线发射源，能直接接受人体辐射的微量红外线，将其转变为相应的电信号输出。为了提高PIR传感器感受红外线的灵敏度，在传感器前加装配套的菲涅耳透镜。热释电红外探测模块由菲涅耳透镜、热释电红外传感器(PIR)、控制电路及驱动电路等组成。热释电红外探测模块框图如图2所示。 图2 热释电红外探测模块框图 　　人体都有恒定的体温，一般在37℃，会发出特定波长10μm左右的红外线。人体辐射的红外光线经过菲涅耳透镜汇集在PIR的2块探测元上，当人体移动时，红外辐射强度发生变化，探测元表面的电荷强度发生变化，经内部场效应管放大就有信号输出。 　　热释电红外探测模块采用热释电专用控制集成电路来处理，这里采用BISS0001型集成电路。BISS0001型集成电路内置独立的高输入阻抗运算放大器，可以与多种传感器匹配，进行红外信号预处理。芯片内含有电压比较器、状态控制器、延迟电路定时器、封锁时间定时器以及基准参考电压源等单元电路。电路如图3所示。 图3 热释电红外探测模块电路原理图 　　2、环境亮度检测模块 　　光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，这里用它来检测环境亮度。它的电阻值能随着外界光照强弱的变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态;当有光照射时，其电阻值迅速减小。 　　图3中的R6为光敏电阻，若环境较明亮，R6的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号VCC.SW1是工作方式选择开关，当SW1与3端连通时，芯片处于可重复触发工作方式;当SW1与1端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。 　　3、温度检测模块 　　该测温模块采用单线数字温度传感器DS18B20,它具有独特的单总线接口方式，支持多节点，测温时无需任何外围元件，它和单片机的接口只需一根信号线，具有超低功耗工作方式。它的测温范围为-55~+125℃，精度为0.5℃，而且不需要放大器和A/D转换器。所以DS18B20的外围电路简单，图4是该系统的测温模块的电路原理图。DS18B20测温系统编程实现相对比较容易，首先对DS18B20进行初始化，接着依次发跳过ROM命令和温度转换，启动DS18B20进行转换。然后再重新对DS18B20进行初始化并发匹配ROM命令。最后，对DS18B20进行读数。 图4 测温模块的电路原理图 　　4、单片机控制模块 　　STC12C5A60S2是宏晶科技公司生产的一款高速、低功耗和超强抗干扰的新一代8051单片机，它的指令系统完全兼容传统的8051，但是速度要快8~12倍。它设有2路PWM，8路高速A/D转换，使得外围电路大大简化，系统的成本大大降低。 　　5、LED驱动模块 　　系统采用PT4115驱动LED.PT4115芯片外围电路简单，输出电压范围很宽，从8~30V最大输出电流1.2A复用引脚DIM可以进行LED开关、模拟调光、PWM调光。驱动该电路如图5所示。 图5 PT415驱动电路 　　PT4115采用PWM调光，当DIM引脚电压低于0.3V时关断LED电流，高于2.5V时开启LED电流。PWM调光的基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，即控制每个周期电流导通的时间。计算方法如下： 　　通过PWM调光，LED的输出电流可以从0%到100%变化。PWM调光相对于传统的线性调光，不影响LED的光效。PWM调光的优势是LED正向导通的电流一直是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光那样会变化。PWM调光可以在精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度。 　　软件设计 　　该系统有3个功能模块：1)信号输入模块，实现相应信号向单片机输入;2)信号控制模块，实现对信号的处理;3)信号输出模块，实现处理结果的编码输出，达到控制LED发光亮度的目的。单片机接收3部分信号，即被动式热释电红外探测器输出的开关信号，可见光探测输出的室内亮度控制信号和温度传感器探测到的LED温度信号，将这些信号传输到单片机中。通过单片机处理，从而驱动LED的开关并控制亮度。软件流程如图6所示。 图6 系统软件流程图 　　结 语 　　经过实验验证，该文设计的LED智能照明控制系统，可根据室内光照亮度自动控制LED的开关和亮度，取得了很好的节能和改善照明环境的效果。该系统结构简单，实用性强，可适用于公寓、办公室的楼道灯，卫生间的照明灯等。