基于單片機的臺燈亮度調節系統設計

閔譯萱

遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的臺燈亮度調節系統設計

閔譯萱

遼寧錦州渤海大學工學院

系統通過設計自動調節臺燈的亮度，通過自動控制臺燈亮度可以很好地節約電能。利用光強度傳感器采集光信號，用熱釋電紅外傳感器采集人體的信號，STC89C52單片機對采集到的信號進行處理，比較背景光的強弱來發出控制臺燈的亮度。

單片機 調光系統 臺燈

1 緒論

單片機的應用無處不在，可控制燈具的芯片數不勝數，而使用單片機來控制燈具，達到人們預期效果的方法卻最為廣泛，利用單片機控制燈具逐漸成為當下的一種趨勢。現如今，為了環保節約，構建資源節約型社會，臺燈也可以運用單片機進行智能調光控制，使其產生亮暗交替的效果，避免資源的過度浪費。本設計以STC89C52單片機為核心，調光方式采用PWM調光。將采集到的信號傳送給單片機，由單片機控制處理產生PWM調光信號，再把信號經過轉換后傳送給以HV9931驅動芯片控制的電路實現智能調光。利用PWM調光技術，通過對PWM的周期和占空比的調節來改變流過臺燈電流的大小，進而達到對臺燈亮暗的控制調節的目的，實現對臺燈的PWM調光控制，本課題所研究的就是這種智能調光控制。

2 智能調光系統的硬件設計

本次臺燈亮度調節系統設計所使用的核心部件是STC89C52單片機，所采用的調光方式是PWM調光。用光強度傳感器采集光信號，用HP208熱釋電紅外傳感器采集人信號，然后再傳送給單片機，由單片機控制處理產生PWM調光信號，信號再傳送給驅動電路，從而實現智能調光。系統整體硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統整體硬件框圖

2.1 控制器

由STC公司生產的單片機控制器STC89C52，是MCS—51系列單片機，對比其他的單片機，其優點是低電壓，高性能。片內含有8位的CPU，ROM和RAM，由于它具有數據吞吐速率高，功耗低，性價比高等優點而被廣泛的使用。

它采用的是高密度、不容易失去存儲的技術所制作的，它使得MCS-51指令系統和89C52引腳可以同時進行。STC89C52的管腳有電源電壓輸入端，電源地，P0口，P1口，P2口，P3口，復位輸出端，地址鎖存允許脈沖信號端，外部存儲器的選通信號，外部程序存儲器訪問允許等。

2.2 紅外傳感器

熱釋電傳感器是一種溫度傳感器。由于熱釋電效應，當在它的監測范圍內有一個溫度的變化T時，那么，就會在傳感器的兩個電極之間釋放Q的電荷量，這樣一來的話，便會在傳感器的兩個電極之間產生V的電壓。由于其高輸出阻抗，傳感器由于有阻抗改變所以內部帶有場效應晶體管。

當環境溫度是定值，在T=0時，傳感器是沒有信號輸出；但，發現有人進入檢測區域內，人體的體溫和環境溫度會存在差異，即存在溫差T，并被輸出；如果在檢測區域內沒有檢測到人體的存在，則溫度沒有變化，傳感器沒有輸出。

2.3 光線檢測傳感模塊

光電原件是一種將光能轉變為電能的傳感器件，光電式傳感器就是利用這個原理進行工作。光電器件反映速度快、結構較簡單、使用起來很方便，可靠性高，因此在自動檢測，計算機控制系統中，應用非常廣泛。經常使用的光電轉換器有光敏三極管和光敏二極管。從光敏三極管的構成和運作時的特點可以看出，對比光敏二極管，它具有更高的靈敏度，因此依據需要選取光敏三極管來完成對環境光的檢測。發射極輸出的電壓，通過二級放大后輸入到A/D轉換器當中。為了電壓采樣的靈敏度能夠盡可能的提高，采集電壓通過兩級運算放大器進行放大和采集。同時為了減小兩級運放輸入失調電壓，在電路中加了調零電路，它是由R13、R14和RW1這三部分組成的。單片機通過獲取的信號轉換結果來確定背景光強的采集，背景光檢測電路如圖2所示：

圖2 背景光檢測電路

2.4 驅動電路

本設計采用HV9921作為驅動電路的驅動芯片。HV9921是一種集成控制器，其特征是輸出電流定值，適用于臺燈恒流驅動，其功能特點還可以方便的用作PWM調光，主電路是一個降壓-升壓斬波電路的非孤立的單級單開關恒流輸出電路。由L1、C11、D3、D2和Q2組成的Buck-Boost電路是輸入級，工作于不連續導電模式；降壓電路的輸出級是由C11、Q2、D5、D6及L2組成的，工作于連續導電模式下。驅動電路如圖3所示：

圖3 臺燈驅動電路

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要是和硬件相聯調，準確的實現系統的自動調節控制的功能。當系統在受到環境強光照射時，無論人在還是不在臺燈都不會亮燈；但在規定亮燈時間內，如果環境光照足夠弱，當有人存在并且待上一段時間之后，單片機便驅動控制器點亮臺燈，同時根據環境光的強度，單片機做出相應的數據處理，通過PWM調光來調節臺燈的亮度，直到人離開再延時一定時間后關燈。

3.1 軟件主程序

系統基于AT89C52單片機運用KeilμVision4軟件進行編程，使用的編程語言是C語言。與匯編相比，C語言的程序代碼更容易讀懂，結構簡單，易掌握，從而縮短了項目開發周期，提高工作效率。隨著科學技術的不斷發展，加上人們對Keil C51的青睞，Keil C51編譯器的功能也在不斷得到改進，使它更加接近于CPU。系統主程序流如圖4所示：

圖4 主程序流程圖

3.2 PWM產生模塊

本設計通過采用PWM控制的方法來改變臺燈的亮度變化，在一定頻率的方波中，只要調整高低電平的占空比，便可實現。所謂PWM調光是指通過改變臺燈流過電流的時間與關斷的時間之比來改變臺燈的亮度。通過臺燈的電流時，電流是恒定的，關閉時，通過臺燈的電流為零，PWM脈沖寬度調制是用來開關臺燈高頻開關頻率超出人的范圍，一般認（100Hz），給人一種臺燈總亮的假象。本程序利用單片機定時器產生PWM波，通過改變PWM的周期和占空比進而來控制流過臺燈的電流，從而來調控臺燈的亮度。

3.3 臺燈亮度增減程序

本程序用占空比可調節的PWM方波來控制大功率臺燈的亮度，PWM波占空比（0~100）。

程序首先設置一個標志flag，當c2和c3都未按下時，其值為0，當PWM值增加到最大或最小時，其值置1。當c2被按下時，PWM_T值就會增加，占空比就變大，臺燈逐漸變的更亮。當按下c3，PWM_T值便會逐漸減小，占空比同時也會隨之減小，則臺燈逐漸變暗。PWM值一旦增大或減小到臨界點時，就會發生報警。

4 軟件仿真調試

在軟件選擇中，開發MCS-51系列單片機最主要用的是Keil軟件。最主要的原因是Kiel方便，操作簡單。Proteus仿真軟件可以方便的搭建基于單片機的硬件電路，將μVision4中生成的.hex文件下載至Proteus仿真軟件單片機中即可完成程序的運行調試。在Proteus中，通過點擊單片機元件屬性，在Program File中將Keil軟件中生成的16進制程序文件導入其中，從而實現相應的仿真。把調試成功之后的軟件程序燒制進單片機芯片內，做好一系列準備工作之后，然后接上電源，進行軟硬件聯調工作，檢測硬件部分是否與預期效果一致。最終決定路燈的亮滅是由人體傳感器和環境光采集的信號來共同決定的。為了簡化電路，所以將人體傳感器與環境光采集電路焊接到同一塊板子上面，從而簡化了電路，也簡化了軟件程序。如果沒有達到預期效果，則需要檢測軟件是否有缺陷，若存在錯誤或者是不足之處，則要及時改寫軟件再進行調試，直到調試現象與預期效果一致，則設計才算圓滿成功。

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[2]李冰冰.城市路燈智能監控與節能控制系統的研究[D].合肥工業大學,2010

[3]宋適,劉廷章等.基于AVR單片機的臺燈自適應調光系統[J].電氣自動化,2009