基于單片機的LED燈自動調光系統設計

王麗霞

摘要：本文設計的LED燈自動調光系統以瑞薩公司的R8C/25單片機作為控制器的主控芯片，結合光敏電阻以及傳感器HC-SR501，來檢測環境外界光強和人體活動。采用了單片機的PWM控制方式實現LED燈亮度的自動調節設計。

關鍵詞：自動調光；單片機；傳感器；LED

中圖分類號：TM923 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0008-02

1 引言

隨著人們的生活水平不斷提高，用電負荷的增加，能源問題日益顯現，能源危機已成為世界面臨的一個嚴重問題。而我國作為一個人口大國，此問題尤為嚴重。LED（發光二極管）作為一種新型發展的冷光源，具有高效節能、綠色環保、使用壽命長等其它傳統光源無法比擬的優點，代表著未來照明技術的發展方向。

目前樓宇內燈光控制大多還是由人工控制，這樣造成電能的浪費，本自動調光系統以R8C/25單片機作為控制器的主控芯片，結合光敏電阻以及人體紅外熱釋電傳感器HC-SR501，來檢測環境外界光強和人體活動。實現室內燈光的自動控制，節約了樓宇建筑的電能消耗。

2 控制模塊的硬件構成

本系統主要由六大電路構成，分別是：

系統主控電路、系統供電電路、數據采集電路、無線通信模塊、LED燈驅動電路以及工頻燈驅動電路。如圖1所示。

2.1 系統主控電路

本系統的主控模塊采用瑞薩公司的R8C/25單片機作為控制器的主控芯片。R8C/25是采用高性能硅柵CMOS工藝以及裝載R8C/Tiny系列CPU內核的單芯片微型計算機。該單芯片微型計算機采用16位CPU內核，內置Flash存儲器，抗干擾能力強。既有高功能指令又有高效率指令，并且具有1M字節的地址空間和高速執行指令的能力。

由于R8C/25單片機自身擁有豐富的資料，所以其最小系統不需過多的配置，只需配置復位電路，晶振電路和程序下載口即可。

2.2 系統供電電路

該控制系統的電源部分主要由5V的數字電源和12V的LED燈的驅動電源。采取工頻市電供電。

通過雙輸出的變壓器將幅值為220V的交流電轉變成幅值15V的交流電，在通過整流橋轉變成17V左右的直流電，但是該直流電的波動，經過濾波和L7812穩壓芯片之后，讓電壓穩定在12V，但是雙路輸出都為12V而單片機最小系統所需要的電源在5V左右，不能超過5.3V，因此其中一路還需要經過L7805穩壓芯片將電壓穩定在5V，該5V用作單片機的數字電源。而對于無線通訊模塊的供電電源為3.3V，因此在之前的5V基礎上通過L1117穩壓芯片將電壓再次穩壓到3.3V。

2.3 數據采集電路

室內的環境光和人體存在與否是系統的主要輸入參數，因此室內的環境光和人體存在成為系統數據采集的主要對象。常見的環境光采集器件光電傳感器有光敏二極管和光敏三極管以及光敏電阻，根據需求，選用光敏電阻配合電壓模數轉換電路更加有效并且價格便宜。此外，人體傳感器要求靈敏度高，可靠性強，本系統采用了邏輯電平輸出的HC-SR501型號的人體存在傳感器。

2.3.1 環境光采集電路

光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，該材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。

自然光或者某一安裝環境下的光強采集電路為一個電阻與光敏電阻串聯后接到電源上，光敏電阻分得的電壓接與單片機的A/D轉換管腳AN5。其工作原理是通過分壓電路的分壓值巧妙地將光強信號轉變成電壓信號。在阻值上R4選擇為10K，而當光強較強是，由于光敏電阻值會呈現低阻值狀態，電阻值不到0.5K，這也就意味著在該光敏電阻上的電壓降在1V以下，那么單片機的A/D轉換管腳AN5進行A/D轉化時，則會得到一個較小的數值。但是當某一時刻光線比較暗，使得該光敏電阻呈現了高阻值狀態，能夠達到300K左右，這就意味著電阻R4與此時的光敏電阻相比幾乎可以忽略不計，該光敏電阻的壓降幾乎能夠接近5V，當然該電壓的A/D采樣的值將會比之前的大很多。

當然環境光的變化是非常柔和的，不會出現突變，所以當光強在緩慢變化的過程中，AN5的A/D采樣的數值，必然會有一個峰峰值的差距，在這個較大的數據差之間，實際上可以進行分段處理，將這個差值分成幾個層次來反映光強的不同程度。

2.3.2 人體存在信號采集電路

人體存在信號的采集電路采用了邏輯電平輸出的HC-SR501型號的人體紅外感應模塊構成。

HC-SR501紅外感應模塊靈敏度高，可靠性強，可以全自動感應，當有人進入其感應范圍則輸入高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平。輸出低電平。熱釋電紅外傳感器能將檢測到的人發射的紅外線轉換成電信號輸出。如果單片機接收到傳感器輸出的是高電平，則認為有人體存在。

人體傳感器的1號引腳為電源信號端，3號引腳為地信號端，2號引腳為采集信號輸出端。

2.4 LED燈驅動電路

本文采用高亮白光LED燈進行調光控制。高亮LED燈一般導通電壓約為3.0V～4.3V，它的核心是PN結，其特性和普通二極管一樣。當加載在LED燈兩端的電壓小于導通電壓，此時LED燈幾乎沒有電流通過，LED燈不會點亮。由于LED燈的光通量和通過它的正向電流成正比，所以可以通過控制其正向電流來調節其亮度。同時，在LED燈的正向電流達到額定電流的70%以上后，其絕大部分的電流被轉化成了熱能，所以在進行PWM調光時，最大電流不應該超過最小電流的3倍。

經過單獨的實驗，最終確定電源的電壓與限流電阻值，使得LED燈的功率保持在最大，實際上是最為簡單的用三極管作為控制開關來控制主回路的通斷。當控制極為高電平，則燈亮，反之則滅。endprint

3 系統軟件設計

在單片機硬件系統的基礎上，再配上相應的軟件，才能構成一個完整的系統。用戶軟件的開發與系統硬件有著密切的關系。在系統的硬件及輸入輸出方法確定后，程序軟件就可以完全獨立的進行設計、開發。在本系統的設計過程中，總體設計采用自上至下的設計思想將主程序設計好，而在各個部分展開成從屬程序或子程序時，是將各個小模塊分別進行設計和編程，同時在編程的過程中又用到了結構程序設計的思想。

本控制系統軟件模塊主要包括：系統死循環主程序、信號采集模塊、無線通信模塊、PWM調光驅動模塊。

常用的LED燈調光方式是PWM調光，這種方式是通過改變流過LED的電流時間和關斷時間的比而改變其亮度。流過LED燈的電流是恒定的，而在關斷時流過LED燈的電流是零。PWM調光是通過以人眼察覺不到的頻率快速開關LED燈，為了人眼察覺不到，這個頻率應該不小于100Hz。同時PWM調光有利于LED燈散熱。

在LED燈的驅動電路中可知，燈的亮滅實際上是單片機給出的方波來控制的，單片機發出PWM波之后，在T1間斷內，三極管導通，使得LED燈點亮。相應的T2時段內為熄滅狀態。因為PWM波形是一個周期性波形，也就意味著LED燈是不斷地閃爍的。

當這個周期T的值很小時，人眼就分辨不出燈光的閃爍。之所以能夠調節LED燈的亮度是因為當占空比D不同時，在一個周期內燈亮的時常不一樣，也就是說燈發出的光的總量是較多的，光強自然也就越高。也可以理解為占空比越高，施加在LED燈兩端的平均電壓也就越大，因此亮度越高。

在程序上這點很容易實現，只需要建立延時電路即可。

4 結語

本文設計是以R8C/25單片機為主控電路的控制芯片，通過與相關電路的結合，實現對LED燈的調光控制。系統的硬件電路一般采用簡易和性價比高的芯片，使電路設計簡化，降低成本，使系統的可推廣性更強，同時節省了單片機的I/0口資源，使系統的進一步擴展有很大的空間。系統自動調光軟件程序的實現采用分塊模式去編寫，將不必要的延時程序減少到最少，使系統的運行效率大大提高。系統的硬件及軟件設計完成后進行了聯合調試，調試結果表明系統可以完成預期目標進行自動調光，該設計可以大大節省電能資源。

參考文獻

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