基于單片機的LED光控燈的設計

盧燕

（蘇州高等職業技術學校蘇州215006）

基于單片機的LED光控燈的設計

盧燕

（蘇州高等職業技術學校蘇州215006）

論文以LED發光二極管陣列用作照明光源，結合單片機、光敏傳感器以及AD模數轉換芯片，應用PWM脈寬調制，實現LED光控燈的手動和自動調光。手動模式10檔按鍵調光，LED陣列由全暗到全亮，受控檔位逐漸變化，滿足人們對光線強度的不同需求。自動模式則根據外部光線的亮暗，由光敏傳感器接收后，進行數字化處理，自動調整LED陣列的亮度，從而保證照明亮度滿足要求。該系統既節能環保又安全護眼，可以應用于家庭、辦公大樓、廠房等需要照明的地方。

LED陣列；PWM；光敏傳感器

Class NumberTN312

1 引言

LED是Light Emitting Diode的簡稱及發光二極管，是第四代照明光源，屬于半導體器件，能將電能高效的轉換成可見光，它具有體積小、損耗少、使用壽命長等優點［1］。因而在交通燈，顯示屏，照明，大樓夜景燈光裝飾等方面得以廣泛應用。用LED燈來照明和普通白熾燈、鈉燈相比，有不可比擬的優點，白熾燈、鈉燈它們都是交流供電，只要電網電壓波動就會出現頻閃，其次傳統燈會發出紅色波長的光波這些都會對眼睛產生傷害，而LED由于是直流供電再加上光線中不含紫外線和紅外線因而光線更加健康［2］。LED燈節能環保，光效率高，發熱少，使用安全可靠，應用到生活、工業的方方面面。

2 LED光控燈的方案設計

LED光控燈由四部分構成：控制器電路、光線采樣與轉換電路、按鍵控制電路、LED陣列電路等，系統結構圖如圖所示。

圖1 LED光控燈系統結構框圖

光敏電阻檢測室內光線亮度，通過AD轉換芯片把轉換得到數字量送到控制器，由控制器—單片機發出控制信號調整LED燈陣列的光線強弱，調整規則是外界光線越強則LED燈光線隨之減弱，外界光線越暗則LED燈光線隨之加強，實時調整，既有利于照明又節電環保。設置手動和自動切換按鍵，在自動情況下，燈的亮度隨外界光線強弱而變化，在手動情況下可以通過按鍵進行調整。

3 LED光控燈硬件電路設計

LED光控燈主要用到單片機AT89C51、光敏電阻、獨立按鍵、ADC0832、LED等器件。硬件電路由自動光控電路和手動亮度調整電路組成并由主控芯片控制。

3.1 自動光控電路

自動光控電路主要由光傳感器、ADC0832構成，通過光傳感器得到的模擬信號送入ADC0832進行模數轉換經由控制器控制LED的亮度。

3.1.1 光傳感模塊

LED光控燈用到光傳感器——光敏電阻，光敏電阻種類頗多，根據半導體光電晶體成分不同，可以分為可見光光敏電阻、紅外光光敏電阻、紫外光光敏電阻。LED光控燈選用可見光光敏電阻，它對

可見光敏感，工作原理是在光照射下，其導電性能增強內部電流隨之增大，而電阻值則相應降低，呈反比變化［3］，如圖2所示。

圖2 光敏電阻特性曲線圖

3.1.2 光轉換電路

該電路是光控燈硬件電路的核心，主要由ADC0832和光敏電阻構成。ADC0832是美國國家半導體公司生產的A/D模數轉換芯片，它有2個模擬通道，8位分辨率，與ADC0809相比它的轉換時間更短，并且它是串行數據輸出比起ADC0809的并行輸出更為節約口線。該芯片有8個引腳，除了電源（VCC）和地（GND）外，還有片選腳（CS）、兩個模擬通道腳（CH0、CH1）、一個時鐘腳（CLK）、一個數據信號輸入腳（DI）、一個數據信號輸出腳（DO）。在進行電路設計時可以把數據信號輸入腳與輸出腳相連，因為輸入和輸出并不會發生在同一時刻，這樣做可以節約一個口線。它的控制原理分為四個步驟：1）CS片選選中及置成低電平，同時控制器送時鐘脈沖到CLK端。2）數據輸入端（DI）在第一個時鐘脈沖時置高，啟動轉換，在接下來2個時鐘脈沖收到由控制器發來的通道選擇信號。3）接下來數據輸出端DO隨著時鐘脈沖輸出轉換得到的數據，高位先低位后，共8位。4）在送完轉換得到的數據后數據輸出端繼續送出低位先高位后的相反字節的數據作為驗證碼［4］。

ADC0832通道選擇模式有兩種，一種是只進行單通道轉換，另一種是雙通道轉換［4］。如表1所示。

表1 模擬通道選擇信號規則

ADC0832結合光敏電阻構成光轉換電路，如圖3所示，光敏電阻和電阻R2串聯，選用光敏電阻的亮電阻2kΩ左右，暗電阻在0.2MΩ左右，由RG與R2的分壓作為模擬信號送到模數轉換芯片ADC0832，如光敏電阻值發生變化則分壓值也發生變化，送到芯片的電壓隨之改變，該電壓值與光照相關，光照越強，光敏阻值越小，分得的電壓越小，因而送到芯片的電壓越大，反之電壓越小。轉換得到的數據送入控制器中進行處理，由控制器產生脈寬PWM信號驅動LED的亮暗。

圖3 光轉換電路

3.2 手動調整電路

該電路由獨立按鍵構成，把按鍵分別接到3根口線上，由控制器根據按鍵狀態，控制LED的亮暗。三個按鍵中key1用來切換自動還是手動，key2用來調高亮度，key3用來調低亮度，從最亮到全滅共有10個檔位，調整時可以明顯看到LED的亮度變化過程。

4 LED光控燈軟件流程設計

軟件設計把整個功能程序模塊化，設計了幾個子模塊：ADC0832模數轉換、獨立按鍵掃描模塊、按鍵處理模塊、檔位調整模塊、PWM產生模塊，所有功能模塊在主程序中調用。系統程序流程圖如圖4所示。

4.1 PWM產生模塊

本設計LED陣列是由一個PNP三極管來控制，控制器送出低電平，三極管導通，LED點亮，高電平時三極管截至，LED熄滅，但不論是手動還是自動控制LED陣列，要使LED產生亮度大小變化，都需要用到PWM來產生控制信號，設計時根據需要把一個脈寬周期進行等分，等分越多亮度漸變越細致，這里把脈寬周期進行了100等分，AD轉換先得到的數字量再轉換成十進制數0～99作為光線值，這個值作為脈寬的占空比，考慮人眼觀察不到閃爍的最低頻率為50Hz左右，因此定脈寬周期為20ms，利用定時器0產生200μs定時時間，在控制器口線為高電平（LED滅）時進行計數累加，當計數值超過光線值，控制器口線轉為電平（LED亮），這時計數清零，進行重新累加，當計數值超過100減光線值，就完成了一個脈寬周期，由于高低電平占比時間會根據AD轉換發生變化，因而能看到LED陣列的亮度變化。PWM產生模塊流程圖如圖5所示。

圖4 系統程序流程圖

4.2 檔位調整模塊

手動控制時需要通過增減按鍵進行亮度調整，設計時分為10個檔位，0檔位和9檔都是關閉定時器直接由控制器口線輸出低或高電平，從而決定LED亮滅狀態。其他8個檔位，分別賦予光線值變量相應的數值，在定時器0中根據這個數值用PWM來實現LED陣列的亮度變化。

圖5 PWM程序流程圖

5 結語

LED是今后照明系統的發展趨勢，本設計用LED陣列、單片機、AD芯片、光敏電阻等少量元件，實現節能護眼的LED光控燈，經試驗證明該設計實用、節能、環保，能應用于家庭的燈光照明以及辦公大樓的辦公室照明，工廠廠房照明等。它結構簡單，容易實現，節省電能具有較強的實用性和可行性。考慮到不同年紀，不同個體的人對光強度的感受能力不同，可以在設計中增加用按鍵調整標準亮度的功能，以該亮度為基準再結合周圍光線進行自動調整，從而滿足不同用戶的需求。

［1］賈冬穎，王巍.基于STC單片機LED智能照明系統的設計［J］.照明工程學報，2010，21（2）：71-73.

JIA Dongying，WANG Wei.The Intelligent System for LED lighting Based on STC—MCU［J］.Lighting Engineering Journal，2010，21（2）：71-73.

［2］趙玲，朱安慶.智能LED節能照明系統的設計［J］.半導體技術，2008，33（2）：137-140.

ZHAO Ling，ZHU Anqing.Design of Energy-Saving Intelligent LED Illumination System［J］.Semiconductor Technology，2008，33（2）：137-140.

［3］秉時.光敏電阻的種類、原理及工作特性［J］.紅外，2003（11）：48-49.

BING Shi.Resistance type，and working principle［J］.INFRARED，2003（11）：48-49.

［4］張亞林.基于C52控制的ADC0832應用詳解［J］.數字技術與應用，2013（3）：5-6.

ZHANG Yalin.C52 control of ADC0832 based on detailed applications［J］.Digital Technology and Application，2013（3）：5-6.

［5］晏勇.基于熱釋電傳感器樓宇智能照明控制系統［J］.電子產品世界，2012，19（3）：57-60.

YAN Yong.Intelligent Lighting Control System Based on Pyroelectric Sensors［J］.Electronic Engineering&Product World，2012，19（3）：57-60.

［6］饒豐，徐安成，朱錫芳.LED照明節律效應隨年齡的變化［J］.發光學報，2016，37（2）：250-255.

RAO Feng，XU Ancheng，ZHU Xifang.Change of The Circadian Effect of LED Lighting with Age［J］.Chinese Journal of Luminescence，2016，37（2）：250-255.

［7］張崇暉，張暉.基于STC12LE5A32S2單片機的車輪

LED POV系統設計［J］.南通航運職業技術學院學報，2016，15（1）：57-61. ZHANG Chonghui，ZHANG Hui.Wheel LED POV System Design Basedon STC12LE5A32S2 Microcontroller［J］. Journal of Nantong Vocational&Technical Shipping College，2016，15（1）：57-61.

［8］蔣欣哲.基于單片機的旋轉LED時鐘設計與制作［J］.現代制造技術與裝備，2016（6）：120-121.

JIANG Xinzhe.Design and Fabrication of Rotating LED Clock Basedon Single Chip Microcomputer［J］.Modern manufacturing technology and equipment，2016（6）：120-121.

［9］柴遠波，賈宇飛，單坡.基于單片機的LED自適應調光系統［J］.電子設計工程，2015（12）：187-189.

CHAI Yuanbo，JIA Yufei，SHAN Po.Design of LED automatic dimming system based on MCU［J］.Electronic Design Engineering，2015（12）：187-189.

［10］溫錦輝.基于STC12單片機控制LED點陣書寫顯示屏［J］.電子測試，2015（9）：40-42.

WEN Jinhui.STC12 SCM control LED dot matrix display based on［J］.Electronic Test，2015（9）：40-42.

Design of LED Light Control Lamps Based on Single-chip

LU Yan
（Suzhou Vocational and Technical School，Suzhou215006）

This paper designed a light source with light emitting diode array.The led lamps that made up single-chip，light sensors and AD analog-digital conversion chips，and it applied for PWM，which achieved a brightness change with the manual and automatic.The manual mode had 10 files changes that contained a full dark to full brightness.To meet the people's needs of different light intensity.The automatic mode according to light sensors

the light from outside，and digitized，thereby automatically adjusted the brightness of the LED array.The illumination brightness meted the requirements of people's needs.The system was both energy saving and safe for eyes，that could be used in homes，office buildings，factories and other places which need lighting.

LED array，PWM，light sensors

TN312

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.047

2016年12月8日，

2017年1月29日

盧燕，女，碩士，講師，研究方向：信號與信息處理，嵌入式系統應用。