摘 要： 為了節(jié)能和智能控制燈光，構(gòu)建了一個以STC12C5410AD單片機為核心的LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對白光LED照明的閉環(huán)控制功能。該系統(tǒng)利用光敏電阻實時采集環(huán)境光線強度，自動調(diào)節(jié)白光LED亮度；采用A/D轉(zhuǎn)換將光線強度的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；采用I/O口實現(xiàn)對LED的PWM功率控制；采用電流驅(qū)動，電流步距可調(diào)的方式來調(diào)節(jié)白光LED。通過測試表明，該系統(tǒng)提高了照明環(huán)境的品質(zhì)，具有電路簡單、可靠性強的優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： STC12C5410AD；白光LED；A/D轉(zhuǎn)換；PWM；電流驅(qū)動
0 引言
白光LED由于其獨特的發(fā)光原理使其具有節(jié)約能源、環(huán)保、壽命長、發(fā)光效率高、成本低、減少維護費用、提供更好的燈光品質(zhì)等優(yōu)點[1]，而成為人們關(guān)注的焦點。近年來在各行業(yè)的應(yīng)用得以快速發(fā)展，包括在景觀、沿途公路、隧道等場所都有一定的應(yīng)用。目前國內(nèi)外己經(jīng)開始實行對燈光的智能控制，但國內(nèi)對樓宇燈光的智能控制還很簡單且不完善，大多依然是傳統(tǒng)式的人工管理，造成了電能浪費和經(jīng)濟損失，而且過強或過弱的光照條件會帶給人不適感覺。因此本文設(shè)計了LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PWM調(diào)光技術(shù)，采集環(huán)境光線強度，自動調(diào)節(jié)3 mm LED亮度，達到經(jīng)濟、節(jié)能的目的。
LED照明閉環(huán)控制系統(tǒng)由12個3 mm白光LED組成，采取軟硬件設(shè)計相結(jié)合的方式，以STC12C5410AD單片機[2]為核心來實現(xiàn)總體方案的設(shè)計，從而完成該閉環(huán)控制系統(tǒng)的功能。
1 總體思路的設(shè)計
系統(tǒng)的硬件電路框架如圖1所示，主要由STC12C5410AD主控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、脈沖電流驅(qū)動模塊、通信模塊、人機界面模塊5個模塊組成。其中，主控制模塊以STC12C5410AD為核心由電源模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊利用感光元件光敏電阻采集環(huán)境光線強度，再利用STC12C5410AD的ADC轉(zhuǎn)換器把光線強度值的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。脈沖電流驅(qū)動模塊主要由S8050和白光LED構(gòu)成，通過脈寬調(diào)制PWM產(chǎn)生的脈沖電流來驅(qū)動LED，改變脈沖電流的占空比來調(diào)節(jié)LED的亮度。人機界面模塊包括鍵盤處理模塊、LED顯示模塊和數(shù)碼管顯示模塊。鍵盤處理模塊用來調(diào)節(jié)LED亮度變化的步長，而且當前步長通過數(shù)碼管顯示模塊的七段數(shù)碼管來顯示。串口通信模塊用于硬件電路與PC的通信，傳輸數(shù)據(jù)。
該系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用功能模塊化編程思想實現(xiàn)，不同的模塊完成相應(yīng)的功能，并有程序上的中斷、循環(huán)等。
2 硬件電路的設(shè)計
2.1 系統(tǒng)主控制模塊
系統(tǒng)主控制模塊是由STC12C5410AD單片機、電源模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊等構(gòu)成，是整個硬件電路的核心，處理各種輸入信號，發(fā)出指令控制各個器件工作，主控制電路如圖2所示。
電源模塊為單片機及其他元器件提供5 V及3.3 V直流電壓。時鐘模塊為單片機提供標準時鐘和運算速度。復(fù)位模塊用于硬件電路的穩(wěn)定性和可靠性。
2.2 數(shù)據(jù)采集模塊
STC12C5410AD單片機帶有8路10位的高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達到100 kHz。隨著光照的變化，感光元件光敏電阻從亮阻到暗阻的變化值在1 k級別到幾百k之間。設(shè)計中采用光敏電阻與一個100 k電阻串聯(lián)分壓的辦法來將光敏電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化為可以采集的電壓變化。
數(shù)據(jù)采集模塊主要由光敏電阻[3]及100 k電阻構(gòu)成。該閉環(huán)控制系統(tǒng)采用P1.7作為A/D轉(zhuǎn)換口。采集環(huán)境中，根據(jù)光線強度的變化，光敏電阻的阻值隨著改變，通過轉(zhuǎn)化為電壓的變化，將電壓的模擬量轉(zhuǎn)化為其數(shù)字量，然后根據(jù)電壓的大小來調(diào)節(jié)單片機輸出的脈沖電流占空比，從而調(diào)節(jié)脈沖電流的大小，進而自動調(diào)節(jié)LED亮度的大小。
2.3 脈沖電流驅(qū)動模塊
該系統(tǒng)中運用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)[4]來驅(qū)動12個白光LED。脈沖電流驅(qū)動模塊用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)產(chǎn)生的脈沖電流驅(qū)動LED，具有亮度高、散熱性能好、驅(qū)動效率高等優(yōu)點。通過STC12C5410AD，PWM信號頻率通常會超過100 Hz，以確保這個脈沖電流不會被肉眼察覺。
脈沖電流驅(qū)動模塊由S8050和白光LED組成，硬件電路如3圖所示。其中S8050是最大集存器電流為0.5 A的NPN型晶體三極管，用在各種放大電路中。用三極管S8050驅(qū)動12個并聯(lián)排列白光LED，單片機通過PWM控制工作在飽和區(qū)的S8050，使其飽和導(dǎo)通或者截止，從而實現(xiàn)對LED燈亮度的控制。S8050飽和導(dǎo)通時，其集電極電流可以達到500 mA，可以提供12個LED所需的工作電流。
2.4 人機界面模塊
該人機界面模塊包括LED顯示模塊、數(shù)碼顯示模塊和鍵盤處理模塊。LED顯示模塊用來顯示12個LED。鍵盤處理模塊用來調(diào)節(jié)LED亮度變化的步長。調(diào)節(jié)LED亮度變化的步長時，數(shù)碼管顯示模塊用來顯示當前步長的值。當LED亮度小時，增加步長，使LED的亮度增強；當LED亮度大時，減少步長，使LED的亮度減弱。
2.5 通信模塊
由于上位機帶有RS232接口，利用上位機的串行口與下位機進行RS232通信，傳輸數(shù)據(jù)。通信模塊電路采用了PC的RS232標準串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動芯片MAX232，進行串行通信。利用STC12C5410AD的串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片，整個接口電路簡單，可靠性高。
3 軟件框架的設(shè)計
軟件設(shè)計框架以STC12C5410AD單片機為核心，以Keil uVision3為編程平臺，采用C51編程，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。采用功能模塊化編程，不同的模塊完成相應(yīng)的功能，并有程序上的中斷、循環(huán)等。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計框架包括主程序、中斷服務(wù)程序和子程序構(gòu)成，如圖4所示。其中，子程序包含A/D轉(zhuǎn)換、PWM[5]驅(qū)動、串口通信、鍵盤處理、LED顯示、數(shù)碼管顯示等程序。
3.1 主程序設(shè)計
主程序由初始化程序和功能程序設(shè)計構(gòu)成。初始化程序包括串口初始化、A/D轉(zhuǎn)換初始化、脈沖調(diào)制PWM初始化、外部中斷初始化，功能程序設(shè)計用來完成系統(tǒng)的整個運行程序。主程序設(shè)計的工作流程圖如圖5所示。
3.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計
中斷服務(wù)程序包括外部中斷0和外部中斷1服務(wù)程序，用于控制PWM脈沖電流的占空比的大小調(diào)節(jié)。其中，外部中斷0服務(wù)程序用于按鍵Key1處理，當按鍵Key1按下時，增加電流步距，電流占空比減少；外部中斷1服務(wù)程序用于按鍵Key2處理，當按鍵Key2按下時，減少電流步距，電流占空比增加。
3.3 子程序設(shè)計
3.3.1 延時程序設(shè)計
延時程序設(shè)計采用for循環(huán)的方法來延時，主要用于按鍵消抖。
3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計
利用感光元件光敏電阻來采集光照強度，然后將采樣值通過I/O口送給A/D轉(zhuǎn)換器。A/D[6]轉(zhuǎn)換程序的設(shè)計將采樣值模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以查詢方式來讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。設(shè)計中采取A/D轉(zhuǎn)換的10位結(jié)果，并將取特殊功能寄存器ADCDATA的前5位和ADCLOW2的前2位作為A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換流程圖如圖6所示。
3.3.3 PWM驅(qū)動程序設(shè)計
PWM驅(qū)動程序利用單片機內(nèi)部PCA模塊工作在8位PWM模式。采用矩形波電流脈沖來驅(qū)動LED。LED的平均電流是最大峰值電流與占空比的乘積。當最大峰值電流一定時，輸出的亮度取決于驅(qū)動脈沖電流的占空比。向PCA捕捉寄存器/比較寄存器CCAP0L和CCAP0H賦值，控制輸出信號的占空比。通過寄存器CCAP0H值，裝載到CCAP0L值。
3.3.4 串口通信程序設(shè)計
串口通信程序用于通過PC把程序下載到單片機中。其設(shè)計采用定時器1的8 bit自動重裝模式設(shè)計波特率，使用中斷的方式來發(fā)送數(shù)據(jù)。
4 測試與調(diào)試
在測試過程中，采用模塊化思想測試各個功能。首先，串口通信程序是否能夠發(fā)送數(shù)據(jù)，通過串口調(diào)試助手進行檢驗。在串口調(diào)試助手的窗口觀察是否有數(shù)據(jù)顯示，若出現(xiàn)“1”，則程序正確，否則錯誤。其次，測試中斷程序，主要是檢測按鍵的消抖。最后，測試A/D轉(zhuǎn)換程序，主要是查看A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果及其變化。
根據(jù)測試的程序，調(diào)試好各個功能模塊的程序，然后綜合調(diào)試系統(tǒng)的整個功能。通過在不同的環(huán)境下光線的強弱來控制光敏電阻的阻值，從而控制12個白光LED的亮度。當光線較強時，光敏電阻的阻值變小，A/D采樣的結(jié)果變大，PWM脈沖電流的占空比減小，LED的亮度變小；當光線較弱時，光敏電阻的阻值變大，A/D采樣的結(jié)果變小，PWM脈沖電流的占空比增大，LED的亮度變大，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。
5 結(jié)論
本文設(shè)計的LED閉環(huán)控制系統(tǒng)可以節(jié)約電能，減少經(jīng)濟損失，克服了人工管理的缺點，能實時采集環(huán)境光線強度，自動調(diào)節(jié)LED亮度，實現(xiàn)了對LED照明的閉環(huán)控制功能，提高了照明環(huán)境的品質(zhì)，給人一種舒適的生活工作環(huán)境，具有電路簡單、可靠性強等優(yōu)點。
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