智能照明系统主控制器设计.docx

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智能照明系统主控制器设计

智能照明系统主控制器设计

摘要

随着LED性能的不断改善和价格的不断降低，高亮度LED取代传统光源应用于通用照明是未来的法展趋势。

设计了一套基于单片机（MCU）控制的LED智能照明系统，LED采用恒流驱动，PWM调光方式。

其中光强度传感器使得LED能够根据环境需要自动调节自身亮度，声控开关方便操作。

详细给出了各个部分的设计。

实验表明，系统长时间运行稳定，高效节能，白光质量好，适用于公共场所通用照明。

关键词：

高亮度LEDPWM调光智能照明高效节能

DesignofintelligentLEDilluminationsystembasedonMCUcontroller

ABSTRACT

WiththeimprovementofLEDperformanceandthereductionofitsprice,itisatrendthathighbrightLED（HBLED）willbeusedinilluminationareainsteadoftraditionallightsources.Inthispaper,designofintelligentHBLEDilluminationsystemwasproposedbasedonMCUcontroller,whichadoptedconstantcurrentdriveandPWMdimming.ThelightsensorwasintendedtodimLEDautomaticallyaccordingtotheambientlight,whilethe.Thedesignforeachpartwasgivenindetailinthispaper.Theexperimentalresultsindicatethattheilluminationsystemworksstablyforalongtimewiththeadvantagesofenergysavingandgoodqualityofwhitelight.Thesystemissuitableforpublicgeneralilluminationapplications.

Keywords:

highbrightnessLEDPWMdimmingintelligentilluminationenergysaving

Voice-activatedswitchforeasyoperation

前言

第1章绪论

1.1课题研究背景…………………………………………………………………2

1.2课题研究的目的与意义………………………………………………………3

1.2.1良好的节能效果…………………………………………………………3

1.2.2改善工作环境与提高工作效率…………………………………………3

1.2.3较好的投资收益效果……………………………………………………3

第2章系统设计方案

2.1单片机选择……………………………………………………………………3

2.2光照检测方式…………………………………………………………………4

2.3声控开关检测方式……………………………………………………………5

2.4LED的调光控制………………………………………………………………5

2.4.1PWM信号的原理和形成…………………………………………………6

2.4.2PWM驱动白光LED………………………………………………………6

第3章硬件电路设计与实现

3.1系统硬件总述…………………………………………………………………7

3.2单片机最小系统………………………………………………………………8

3.2.1AT89C51引脚介绍………………………………………………………8

3.2.2CPU时钟电路……………………………………………………………9

3.2.3复位电路………………………………………………………………10

3.3光信号取样电路设计………………………………………………………10

3.3.1仪表放大器的结构及使用……………………………………………11

3.3.2OP07的介绍及应用……………………………………………………12

3.3.3TLC3545的介绍及应用…………………………………………………14

3.4声音信号采集电路……………………………………………………………16

3.4.1声音信号放大原理……………………………………………………16

3.3.3CD4051的介绍及应用…………………………………………………17

3.5LED驱动电路…………………………………………………………………18

3.5.1LED供电电源……………………………………………………………18

3.5.2LED驱动电路……………………………………………………………19

3.6键盘设计电路…………………………………………………………………19

3.6.1键盘的作用……………………………………………………………193.6.2键盘电路及其说明………………………………………………………20

3.6.3键盘功能说明…………………………………………………………21第4章软件设计

4.1系统流程图……………………………………………………………………22

4.2软件程序………………………………………………………………………24

4.3仿真环境介绍…………………………………………………………………28

4.3.1Keil介绍………………………………………………………………28

4.3.2Proteus介绍……………………………………………………………28

结论……………………………………………………………………………………29

参考文献………………………………………………………………………………30

附录………………………………………………………………………………………31

后记………………………………………………………………………………………32

（结论、参考文献、致谢及附录黑体4号）

前言

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，可以根据工作环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。

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。

第1章绪论

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，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。

就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否有人，也不管有多少人。

或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。

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。

特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加。

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。

1.2课题研究的目的与意义

1.2.1良好的节能效果

照明领域的能源消耗在总的能源消耗中占了相当大的比例，节约能源和提高照明质量是当务之急。

照明用电作为电力消耗的重要部分，已经占到了电力消耗的10%左右，并且随着我国国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，照明用电还将不断增加。

而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。

1.2.2改善工作环境与提高工作效率

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，系统能根据不同的光照强度，自动调节照度。

1.2.3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％。

第2章系统设计方案

本系统是以单片机为控制器的核心，以AT89C51为基础，以光敏电阻为信号采集单元，再连接外围电路，通过单片机通信方式实现照明灯具的智能控制。

以下是各部分器件的选择与基本介绍。

2.1单片机选择

方案一、MCS-51单片机

AT89C51是MSC-51单片机中应用最广泛的型号，现在以其为代表介绍其参数。

如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。

它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。

但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

其内部结构主要有以下几部分：

⏹微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

⏹数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

⏹程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。

⏹中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。

⏹定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

⏹串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。

可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

⏹4个并行8位I/O口分别为P1口、P2口、P3口、P4口

⏹特殊功能寄存器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。

实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

方案二、AVR单片机

相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。

由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。

它与其它结构类型单片机相比，AVR具有以下一系列的优点：

⏹在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；

⏹芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；

⏹所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写（ISP）；

⏹多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；

⏹每个IO口都可以以推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；

⏹内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、

通信口、丰富的中断源等。

方案分析：

除了以上两种单片机，市场上还有好的其它结构单片机。

如果实现本系统，基本上上述两种类型的单片机都可以实现。

考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用AT89C51来实现。

2.2光照检测方式

方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。

方案二、采用光敏电阻利用桥式电路把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。

由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案二。

在本次设计中选用了带串行控制模数转换器TLC3545，TLC3545是一个家庭的高性能，14位，低功耗，微型CMOS模拟-数字转换（ADC）。

这种芯片只需要单一的+5V电源就能工作。

该芯片有单端输入，双端输入或单伪差分输入可选择。

该芯片有一个片选（CS），串行时钟（SCLK），串行数据输出（SDO），以及提供了一个最流行的串口直接的3线接口主机微处理器（SPI接口）。

当与DSP连接时，TLC3545ADC的连接只有通过引脚1到DSP（CS）。

​​TLC3545设计工作具有功耗低，以及自动电源关闭模式使节电功能进一步加强。

该产品系列具有一个高速串行链路与外部SCLK到现代的主机处理器15兆赫。

这种芯片使用一个内置的振荡器转换时钟，提供了2.67微秒最大转换时间。

为使电桥测得的微弱电信号与TLC3545级联，选取一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联放大。

其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大调节作用，从而实现微弱电信号与TLC3545的良好级联。

2.3声控开关检测方式

拾音器是一种声传感器，声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。

拾音器包括拾音头和音臂等附件，其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等。

由于驻极体传声器具有体积小巧，成本低廉的特点，本设计选其做声音采集。

本模块由驻极体话筒MIC、运算放大器UA741和NE5532、双电压比较器LM393组成。

由话筒将声音信号采集，送给接成射极跟随器的UA741，再由NE5532构成的放大器将声音信号进行放大送给比较器。

最后由比较器送出开关信号给单片机处理，从而实现开关灯目的。

UA741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。

放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。

NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。

与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。

因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。

用作音频放大时音色温暖，保真度高。

LM393是高增益,宽频带器件。

2.4LED的调光控制

本系统采用三颗1W的HBLED串联作为灯负载，额定电流350mA，11~30V直流输入。

LED的驱动电源将直接影响到LED的白光质量、光效和使用寿命。

若采用恒压原驱动，LED正向导通后，外加电压的细小变动将引起正向电流的很大变化，可靠性差。

为了保证LED的亮度恒定和防止其过流烧坏，恒流驱动是理想的方法。

LED的调光方式分为模拟调光和PWM调光。

其中模拟调光是直接改变通过LED的最大电流，白光质量差，容易形成色偏，故而采用PWM调光。

其原理如下：

2.4.1PWM信号的原理和形成

PWM调光基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗，如果亮暗的频率超过100Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的闪烁。

PWM调光通过调整亮和暗的时间比例实现调整亮度。

这种方法通过把可调占空比和固定频率的数字信号加到调整亮和暗时间比例的引脚即可实现调光，但调光的范围取决于器件内部电路软启动或恢复正常工作的速度，因而范围不是很宽。

PWM原理是以一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的开关K，从而控制改变LED上的电压。

设当LED接通时的最大电流为Imax。

开关开闭周期为T，每次闭合时间为t，则当占空比为D=t/T时，LED的平均电流为：

（1.1）

由

（1）式可知，当T不变（即开关的开关频率同定）时，只要改变导通时间t，就可以改变LED两端的平均电流。

从而改变LED的亮度。

脉冲调宽信号的形成电路有3种：

1）可用电压-脉宽变换器产生，即硬件产生脉宽调制信号;2）由软件定时产生，由定时器定时，定时时间受软件控制，并从脉宽信号的输出口P1.0或其他口输出脉宽可调信号;3）由单片机控制外接定时/计数器（如8253）硬件电路产生脉宽调制信号，只需用两个计数器分别工作于方式l和方式2，通过硬件连接便可以产生脉宽调制信号。

其中，第1种是硬件电路实现，电路复杂。

第2种使用定时器TO，但由于系统计数器不足，必须扩展。

第3种是利用8253，非常方便，而且占用的软件时间少。

考虑到成本及整个系统的简化，本设计直接利用AT89C51单片机产生脉宽调制信号。

2.4.2PWM驱动白光LED

LED的发光强度基本上正比于通过LED器件的电流，这说明脉冲电流的平均电流与直流电流相同的条件下，LED的发光亮度一样。

另外，用高幅值的脉冲电流驱动LED，然后通过调节脉冲的占空比获得较合适的平均电流，这样可以降低功耗。

因为当LED工作在脉冲状态时，人眼觉察到的LED亮度值是介于峰值亮度与平均亮度值之间的。

因此，脉冲电流驱动LED可比直接恒流驱动的LED更亮，即获得同样的发光亮度，脉冲电流驱动方式比直流电流驱动方式所需要的平均电流值更小。

其次，对于LED，如果采用脉冲电路驱动，其控制部分采用脉宽调制方式，与恒流控制方式相比，控制部分的控制效率会有比较大的提升，另外还可去掉限流电阻或减小其值。

因此，从节能的角度出发，采用脉冲电源驱动方式更好。

脉冲驱动方式是利用人眼的视觉惰性，采用重复向LED器件通断供电的方式使之点亮的。

但采用这种驱动方式通常需考虑脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。

要获得与直流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值Ia应与直流驱动的电流值相同。

如图3所示，平均电流是瞬间电流i的时间积分。

　　对于矩形波，有

（1.2）

（1.3）

 式中，Ic为直流驱动电流值，Ia为脉冲驱动电流平均值，IF为脉冲电流幅值，ton/T是占空比。

为了使脉冲驱动方式下的平均电流Ia与直流驱动电流Ic相同，则需使其脉冲电流幅值IF满足：

（1.4）

可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值是直流驱动电路的电流幅值的T/ton倍。

需注意驱动器件的工作频率，当频率超过一定范同，器件将无法正常工作，因为器件无法正常导通和关断。

LED的工作频率是10MHz到几百MHz范围内。

第3章硬件电路设计与实现

3.1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，共有五个主要部分：

AT89C51芯片、光信号采集电路、声控开关电路、键盘电路、LED驱动电路、LED供电电路，

如图3.1示

图3.1系统硬件总述图

3.2单片机最小系统

3.2.1AT89C51引脚介绍

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据/地址的第八位。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，可用作输出。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，用作输入。

当外部下拉为低电平，P3口将输出电流，作为输出。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

 PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间选通外部程序存储器不管有无内部程序存储器。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

图3.2AT89C51的引脚图

3.2.2CPU时钟电路

AT89C51单片机有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图3.3所示：

图3.3AT89C51的时钟电路

外接晶振时，C1、C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷振荡器时，C1、C2约为47pF。

C1、C2对频率有微调作用，震荡频率范围是1.2—12MHz。

3.2.3复位电路

AT89C51通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。

上电复位电路在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的目的。

本设计采用按键电平复位方式，如图3.4所示：

图3.4AT89C51的复位电路

3.3光信号取样电路设计

本模块主要用来检测周围环境的光强度，并根据环境亮度来开/关LED灯或调节其亮度值。

主要由光信号采集电路、运放电路和A/D模数转换电路组成，其中模数转换是电路的核心。

信号经过采集送入A/D转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依据。

其中光采集电路有光敏电阻与另外3个电阻组成的桥式电路构成，这样可以提高微弱信号采集的灵敏度。

由于桥式电路的原理及应用比较普遍和简单，这里就不做介绍。

而光敏电阻采集的信号太小，无法驱动TLC3545，故需进行放大处理。

考虑到实际操作时为方便放大倍数的调节，本模块选取一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联放大。

其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大调节作用，从而实现微弱电信号与TLC3545的良好级联。

这样在调节电路时只需改变滑动变阻的大小即可调节到合适的放大倍数。

其完整联接如3.5图所示

图3.5