基于51單片機(jī)的自動測控LED節(jié)能照明系統(tǒng)

在全球能源危機(jī)凸現(xiàn)的當(dāng)今社會，LED照明以其綠色環(huán)保，高效節(jié)能的優(yōu)勢成為當(dāng)前最具潛力的照明方式之一。LED號稱“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，能實現(xiàn)0％～100％調(diào)光。
本文闡述一種基于單片機(jī)C8051F020自動測控LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設(shè)計方案。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)減弱時自動提高LED的發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)變強(qiáng)時自動減弱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，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)計方案
本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F020為核心來實現(xiàn)LED照明燈的自動測控，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

整個系統(tǒng)的設(shè)計分硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計又可分為供電驅(qū)動模塊、自動測控與顯示模塊3部分。
供電驅(qū)動模塊實現(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)動電路提供安全電壓，驅(qū)動電路驅(qū)動LED照明燈正常工作。自動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，經(jīng)過單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換，依據(jù)實測電壓和光照的關(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，將實時的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給單片機(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)電路接收到信號后傳給單片機(jī)控制LED照明燈的開關(guān)。
系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能和自動測控的功能由單片機(jī)C8051F020實現(xiàn)。軟件編程的思路是：由單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號控制SN3350驅(qū)動芯片的ADJ引腳。通過改變PWM的占空比，實現(xiàn)對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
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程序存儲器，4 352 B的RAM、8個I／O端口共64根I／O口線、1個12位A／D轉(zhuǎn)換器1個8位A／D轉(zhuǎn)換器以及1個雙12位D／A轉(zhuǎn)換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機(jī)支持雙時鐘，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)動電路
本系統(tǒng)選用了SN3350芯片作為LED驅(qū)動電路的核心。SN3350是一款降壓型電感電流連續(xù)模式驅(qū)動芯片，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6～40 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)動電路。

圖2中，3號引腳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：電流被自動鉗位在100％。
SN3350的輸出電流可以通過在ADJ引腳加控制信號來設(shè)置。本系統(tǒng)利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號輸入ADJ引腳，驅(qū)動電路依據(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，通過集成運放LM324和反饋電阻Rf，將硅光電池(相當(dāng)于一個光控恒流源)輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。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)后級控制電路對輸入信號電壓值的要求。實際應(yīng)用時，光照強(qiáng)度影響，Is大小，進(jìn)而引起Vout的改變，從而實現(xiàn)了將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

表1和圖4是在實際制成的光電轉(zhuǎn)換電路中，使用照度計和電壓表測得的光照度-電壓關(guān)系。