單片機(jī)的智能LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)探索范文
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【摘要】介紹以STC89C51RC單片機(jī)為核心的集多功能于一體的智能led臺(tái)燈設(shè)計(jì)方案，包含單片機(jī)控制模塊、照明模塊、亮度檢測(cè)模塊、紅外人體感應(yīng)模塊、按鍵模塊等多個(gè)部分。通過亮度檢測(cè)模塊采集環(huán)境亮度，采用PWM調(diào)光技術(shù)控制臺(tái)燈功率，實(shí)現(xiàn)LED臺(tái)燈的亮度的自動(dòng)控制功能。紅外人體模塊感應(yīng)到人離開臺(tái)燈超過預(yù)設(shè)時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)燈，解決臺(tái)燈浪費(fèi)電能的問題。
【關(guān)鍵詞】臺(tái)燈；PWM調(diào)光；亮度檢測(cè)；紅外人體感應(yīng)
隨著社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，家用電器的節(jié)能、環(huán)保受到了人們的日益關(guān)注。照明是現(xiàn)代生活必不可少的一部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國全社會(huì)的用電量約6.3萬億度[1]。而照明用電量約占全社會(huì)用電量的13%[2]，巨大的照明用電量產(chǎn)生很大的能源損耗。由于忘記關(guān)燈或者燈光亮度無法隨著環(huán)境亮度變化導(dǎo)致的過度照明，也帶來很大的電能浪費(fèi)[3，4]。本文以LED臺(tái)燈照明節(jié)能、健康為目標(biāo)，提出了智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)方案。通過傳感器檢測(cè)環(huán)境亮度和人體信號(hào)，智能控制臺(tái)燈的亮度和工作方式，避免過度照明和無用照明問題。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
智能LED臺(tái)燈系統(tǒng)主要包含單片機(jī)系統(tǒng)、LED照明模塊、亮度檢測(cè)模塊、紅外人體模塊、按鍵、狀態(tài)指示燈等部分組成。主要部分的電路原理描述如下：
1.1環(huán)境亮度檢測(cè)模塊
環(huán)境亮度檢測(cè)電路如圖2所示，主要由光電轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。光敏電阻RO和精密電位器RD構(gòu)成分壓電路，把環(huán)境亮度的變化轉(zhuǎn)化為電壓VO的變化。RO的電阻值與環(huán)境亮度成反比。暗環(huán)境的阻值大，亮環(huán)境阻值小[4]。由式（1）可知，電壓VO的大小與環(huán)境亮度成正比。可變電阻RG用來調(diào)整光線感應(yīng)的閾值范圍和靈敏度。VO=5RDRD+RO（1）ADC0809是8位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把環(huán)境亮度量化為8位的二進(jìn)制數(shù)值。假設(shè)其輸出的8位數(shù)字量對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值為D。
1.2紅外人體感應(yīng)模塊
為避免人離開時(shí)，忘記關(guān)燈，導(dǎo)致臺(tái)燈長(zhǎng)期亮著浪費(fèi)電能，系統(tǒng)采用人體紅外熱釋放感應(yīng)HC-SR501模塊判斷是否有人在使用臺(tái)燈[5]。模塊采用全自動(dòng)重復(fù)觸發(fā)感應(yīng)模式，人在臺(tái)燈感應(yīng)范圍時(shí)，輸出高電平；人離開臺(tái)燈感應(yīng)范圍后自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。
1.3LED照明模塊
LED照明模塊采用白色草帽燈珠構(gòu)成LED陣列，每個(gè)燈珠的半徑為5毫米，0.06瓦。三級(jí)管Q1實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈陣列的點(diǎn)亮和熄滅關(guān)控制。當(dāng)P13為低電平時(shí)，LED燈亮；高電平則LED燈熄滅。
1.4PWM調(diào)光原理
脈沖寬度調(diào)制PWM（PulseWidthModulation）是燈光功率控制中的常用技術(shù)[6]。PWM調(diào)光的基本原理是在確定的時(shí)間周期T內(nèi)，控制燈光點(diǎn)亮與熄滅的時(shí)間比值，實(shí)現(xiàn)LED臺(tái)燈功率的調(diào)節(jié)。假設(shè)在周期T內(nèi)，燈點(diǎn)亮的時(shí)間為TL，熄滅的時(shí)間為TH，則臺(tái)燈功率控制的占空比如式（3）所示。PWM燈光功率控制示意圖如圖4所示。左邊的控制周期是高電平，臺(tái)燈在控制周期內(nèi)是關(guān)閉的，PWM值為0%，輸出功率最小；右邊的控制周期為低電平，臺(tái)燈在周期內(nèi)都是點(diǎn)亮的，PWM值達(dá)到100%，輸出功率達(dá)到最大。通過控制PWM的值，可以使得臺(tái)燈功率在最大值和最小值之間進(jìn)行變化。在實(shí)際應(yīng)用中，為避免PWM的臺(tái)燈開關(guān)控制，引起臺(tái)燈燈光閃爍，引起眼睛的不適，應(yīng)當(dāng)要注意控制周期T的數(shù)值設(shè)計(jì)。根據(jù)人眼對(duì)光的殘留效應(yīng)的效果，T要小于20毫秒，也就是燈光功率控制的頻率要大于50赫茲。PWM=TLT%（3）
2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程
LED臺(tái)燈的軟件設(shè)計(jì)流程圖，主要實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈手動(dòng)亮度控制、自動(dòng)亮度控制和智能控制三種工作模式。系統(tǒng)通電后，先進(jìn)行參數(shù)初始化，然后判斷模式選擇鍵SET是否按下。如果按下，則修改系統(tǒng)工作模式計(jì)數(shù)器MODE。接著，根據(jù)工作MODE的值，選擇相應(yīng)的軟件模式代碼。在手動(dòng)模式下，利用系統(tǒng)的ADD鍵和SUB鍵手動(dòng)調(diào)整臺(tái)燈的功率。自動(dòng)控制模式下，利用光敏元件感應(yīng)環(huán)境亮度并模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并根據(jù)環(huán)境亮度的數(shù)字值自適應(yīng)控制臺(tái)燈功率。同時(shí)，為了避免臺(tái)燈在無人使用時(shí)常亮，浪費(fèi)電能，設(shè)置了智能控制模式。該模式利用紅外傳感器檢測(cè)人體信號(hào)，燈光的功率采用自動(dòng)控制的方式。圖中，P27為人體干擾信號(hào)輸入引腳，Infrared為人離開系統(tǒng)檢測(cè)范圍的時(shí)間計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)的時(shí)間間隔約1微秒。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)到P27為0，表示人離開臺(tái)燈臺(tái)燈，計(jì)數(shù)器Infrared加1。如果計(jì)數(shù)器計(jì)到預(yù)設(shè)時(shí)間長(zhǎng)度后，人還沒有回來，就自動(dòng)將PWM值設(shè)為0%，關(guān)閉臺(tái)燈。臺(tái)燈在運(yùn)行過程匯總檢測(cè)到人，則計(jì)數(shù)器清零，并自動(dòng)控制臺(tái)燈的亮度。
3總結(jié)
對(duì)LED臺(tái)燈的單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、環(huán)境亮度采集與數(shù)字化、紅外人體感應(yīng)和PWM調(diào)光技術(shù)等臺(tái)燈的關(guān)鍵硬件電路進(jìn)行描述，并詳細(xì)介紹了實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈功能的軟件編程思路。完成了系統(tǒng)的硬件制作、軟件編程和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制功能。具有節(jié)能省電，控制可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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作者:劉力齊 單位:重慶南開中學(xué)高三13班
