基于STC15W204S的LED智能調光系統設計

廖鈺 王偉 王慧君 付云露 林成

摘要：設計了一款基于STC15W204S的智能調光系統。為了實現護眼功能，此系統運用連續PWM脈寬調制原理，調整臺燈達到最適光線強度。系統設計有自動和手動模式，可通過按鍵進行模式切換。自動模式下，由熱釋紅外和多普勒傳感器實現人體檢測，由光敏電阻傳感器對光線進行采集其伏安特性線性度σ=0.995 63，并通過AD0832模數轉換送入主控制器，改變LED驅動電流，驅動電流與環境光照呈線性變化，線性度σ=0.970 72，說明系統在環境光照強度改變時，LED驅動電流會隨之改變，從而調節LED的亮度，實現自動調光的功能。手動模式下，用戶可通過按鍵改變臺燈亮度，還運用ESP8266模塊實現手機對系統的遠程控制。

關鍵詞：PWM脈寬調制;光線檢測;AD轉換;智能調光

中圖分類號：TP368.1

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.061

隨著學習壓力的增大，青少年的用眼頻度不斷增加，近視問題越發嚴重。目前雖然國家一直提倡減負，但是學生的作業依舊較多，學習效率和學習習慣的差異，導致夜晚大部分學生在臺燈下看書學習，以初中生為例，每日在臺燈下的學習時間一般在2-3h，因此，對臺燈的照明條件有比較苛刻的要求。除要求臺燈沒有頻閃以外，光照度也要達到要求，同時，根據人眼的生理特性，忽強忽暗的強烈變化對人眼有損害。但目前市場上存在的LED臺燈控制器，基本上都由簡單的電源開關、亮度調節旋鈕和LED驅動器組成，只具有簡單的LED臺燈開啟與關閉、手動調節和LED驅動恒流恒壓控制功能，功能單一，無法實現智能控制。臺燈是人們生產生活中的必需品，但由于經常忘記關燈而會造成能源浪費，且夜晚來臨時，人們得摸黑去開燈，非常不方便。考慮保護視力以及節約能源的要求，設計了一款智能護眼臺燈。

通過運用連續的PWM脈寬調制[1]原理，根據環境光線與人眼生理特性調整臺燈光線強度，以實現護眼的作用;運用人體感應技術，實現“人來燈亮，人走燈滅”的功能，從而實現節約資源的目的，本設計將具有廣泛的市場應用前景，也能產生較大的經濟效益。

1 系統設計

系統設計有自動和手動兩種模式，并通過開關按鍵實現兩種模式切換。LED智能調光系統如圖1所示，自動模式下，通過熱釋紅外和多普勒傳感器檢測周圍是否有人，如果有人觸發系統響應，A/D轉換器芯片不斷檢驗光敏傳感器的電壓，低功耗微處理器檢測到電平變化，開始讀取AD轉換器并控制單片機輸出PWM脈寬，脈寬調制LED燈的亮度，從而實現自動調節功能。手動模式下，根據人對光源強度需求不同，可手動改變臺燈的亮度。此外，系統還加入ESP8266物聯網模塊[2]，使得用戶可通過手機（ 4G/WiFi）遠程控制臺燈。

2 硬件設計

2.1 STC15W204S單片機

本控制系統采用STC15W204S單片機作為核心控制部分，管腳排列如圖2所示[3]。STC15W204S共有16個引腳，其功耗低，速度較51系列單片機快，外圍電路較為簡單，單片機內部內置復位電路，采用此單片機作為核心控制，速度快、電路簡單、功耗低。

2.2 人體感應電路

人體感應[4]部分采用RCWL-0516人體檢測模塊，該模塊與傳統紅外感應PIR相比具有靈敏度更高、感應距離遠、感應角度大、可靠性強、供電電壓范圍廣等特點。當該模塊正常工作時，如果用戶進入感應區域，模塊輸出端輸出高電平，如果用戶在感應區域內移動，模塊持續輸出高電平，如果用戶不在感應區，模塊則輸出低電平。人體感應模塊電路如圖3所示。

2.3 遠程控制電路

該部分采用ESP8266模塊來實現，遠程電路模塊如圖4所示。該模塊具有UART異步串行通信接口，用戶通過UART給無線模塊發送指令，芯片內部固件程序會根據指令集進行相應操作并給予數據反饋。這樣系統既可以通過手機直連也可以無線路由器連接達到遠程控制。

2.4 光線檢測電路

該部分由光線檢測模塊和AD轉化電路組成，電路如圖5所示。光線檢測模塊由光敏電阻和運算放大電路構成，光敏電阻受光線的影響阻值發生變化，運算放大電路輸出隨之變化。ADC0832將運算放大電路的輸出電壓通過模數轉換送人主控制器。

2.5 電源電路

該部分電路采用LM7805三端穩壓器[5]和AMS1117-3.3正向低壓降穩壓器，電源電路如圖6所示。LM7805內含過流和過載保護電路，能提供5V穩定電壓，給控制電路供電。AMS1117-3.3是一種輸出電壓為3.3 V的正向低壓降穩壓器，給遠程控制電路提供3.3 V工作電壓。

2.6 LED恒流驅動電路

LED驅動電路采用XL4001固定頻率脈寬調制（降壓型）DC/DC轉換器，具有2A負載驅動能力，并且具有效率高、低紋波和線性極好、負載調節能力強的優點。該電路可以從O到l00%線性調節占空比。因其內置頻率補償模塊，所以采用此模塊做恒流驅動[6]，外部元件最少。LED恒流驅動電路如圖7所示。

3 軟件設計

系統初始化，默認為自動模式，可通過手動或者手機APP遠程切換工作模式，在自動模式下，熱釋紅外傳感器與多普勒傳感器共同檢測感應區域是否有人，如果有人，系統開始檢測環境光線，通過調整脈寬恒流驅動LED達到設定的最佳亮度;如果無人，則保持休眠狀態。手動模式下，可根據用戶需要調整亮度;如果手動模式下忘記關燈，則可通過手機APP遠程控制關閉臺燈。程序流程如圖8所示。

4 結果與分析

通過5549光敏電阻傳感器、FT3424高精度數字測光儀、可調光源、DH1718-B高精度可調電源對系統進行測試并對結果進行分析。首先對光敏電阻的特性[7]進行測試，調節可調光源的光強分別為10lx、50lx、100 lx，并分別從0- 12V調節光敏電阻的工作電壓，讀取相應的光電流，得到不同光照強度下光敏電阻輸出電流隨電壓的關系，如圖9所示。從圖9中可以看到光照強度為IO lx時，輸出電流與電壓的線性度為0.996 29;在光照強度為50 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.993 28;在光照強度為100 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.997 32，且輸出電流與電壓變化關系擬合曲線Slope1< Slope2< Slope3，說明光照強度越大，光敏電阻傳感器的伏安變化越明顯。

在自動模式下，改變環境光照強度分別為10 lx、30 lx、50lx、60lx、70lx、80lx、90lx、100 lx，測量對應的LED驅動電流，得到不同光照強度下系統LED驅動電流變化關系，如圖10所示。從圖10可看出，系統LED驅動電流與環境光照強度呈線性變化，線性度為0.970 72.系統在環境光照強度改變時，LED驅動電流會隨之改變，環境光照越強驅動電流越小，LED光線越弱，環境光照強度越弱，驅動電流越大，LED光線越強，從而實現系統自動調光的功能。

由上面分析可知，測量值與公認值之間存在一定的誤差，產生該誤差的原因主要包括以下幾個方面：①實驗儀器自身因素的影響;②測量過程中產生的誤差，由于測量時受到外界環境自然光影響較大，所以在調節測試環境光照強度時存在誤差，由于數字萬用表、FT3424高精度數字測光儀等測量儀表靈敏度高，在讀數的過程中容易出現數據跳變，導致讀數誤差以及系統電路損耗產生誤差。

5 結束語

針對傳統臺燈的不足，提出了一種以PWM脈寬調制調光、光線檢測模塊采集光線和ADC0832進行信號轉換、STC15W204S單片機為主要控制核心的LED智能調光系統，系統有自動和手動兩種模式，在自動控制模式時，采用光敏電阻對光線進行采集，該光敏傳感器在光照為10 lx時，輸出電流與電壓的關系線性度為0.996 29，在光照強度為50 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.993 28，在光照強度為100 lx時，光敏電阻輸出電流與電壓的線性度為0.997 32，然后通過A/D轉換芯片檢驗光敏電阻的電壓，間接測量感應光度以及運用人體感應模塊來檢測周圍是否有人的存在，從而實現自動開關和調光功能，系統在進行自動調光時，LED驅動電流在一定程度上與環境光線強度呈線性變化，線性度為0.970 72，環境光線變強，LED驅動電流減小，系統補光少，當環境光線變弱，LED驅動電流增大，系統補光多，實現自動調光功能;在手動模式下，可以根據用戶對光源強度的不同要求，進而通過按鈕手動調節亮度，同時還可以通過手機APP遠程控制系統的開閉。本系統設計的臺燈采用高亮度LED直流供電技術照明光源，可消除交流電引起的可視頻閃問題，達到護眼功能;采用RCWL-0516人體檢測技術，實現自動調節燈光亮度與開閉臺燈的效果，從而大大降低了能源消耗;采用雙模式智能控制系統，使LED臺燈更加人性化。在人們生活水平不斷提高，追求生活智能化以及全球注重環境保護，提倡綠色節能的大趨勢下，本設計具有巨大的市場應用前景和經濟效益。

參考文獻：

[l]宋璐，馮艷平，衛亞博.基于單片機的智能教室照明系統的設計[J].電腦知識與技術，2019，15（4）： 253-254.

[2]吳允強，吳由松.基于ESP8266的智能家具控制系統設計[J].電子測試，2017 （21）：9，24.

[3]張杰，楊筆鋒，嚴學陽，等.基于STC15W204S單片機模擬單總線EEPROM芯片DS243I[J].微型機與應用，2017，36（8）：31-33.

[4]徐亮，劉勇，張瀟楊.基于單片機的教室智能照明系統的仿真設計[J].儀器儀表用戶，2018，25（ 12）：38-40， 68.

[5]蘭萍，劉旭光，劉洪春，等.新型能源多合一充電寶的設計與實現[J].電子設計工程，2016，24（ 16）：146-148.

[6]李圣乾，王輝，劉寧寧，等.一種多路輸出大功率LED恒流驅動電路[J].電力科學與工程，2019，35（1）： 7-12.

[7]王天會，李昂，王丹，等.光敏傳感器基本特性與應用教學研究[J].實驗技術與管理，2017，34（5）：170-173， 177.