基于單片機的光敏控制照明系統

侯志斌，何鯤鵬，嚴豪，吳磊，劉蘭蘭，郭世偉

（1.湖北中煙工業有限責任公司，湖北 武漢 430040；2.湖北中煙廣水卷煙廠，湖北 廣水 432721）

隨著人們生活水平的提高，對照明的需求也變得多樣化。不同的生活條件、工作條件、學習條件需要的燈光亮度也不同[1]。LED燈被廣泛應用于在當代社會中，但其無法根據用光條件自動調節光照強度，牛犇等[2]提出一種基于ATmega2560的智能LED控制器，利用紅外遙感技術實現感應開關和控制光源光照強度、色溫的功能;陳恩果等[3]提出了一種實現多通道實時動態規劃的LED智能照明系統，用于提高LED作為光源的高效性、舒適性和環保性。上述文獻對于提高LED的智能化都有很好的效果，但需要改造或替換原有LED燈具，甚至改造建設環境。針對LED照明設備智能化改造過程中，數量多、難度大、成本高等問題，設計了一種基于單片機的光敏控制照明系統可直接用于替換現有的傳統控制開關，從而達到自動控制LED調光。

1 系統總體設計

系統的總體設計包括硬件系統設計與整體程序設計。硬件系統主要分為以下三個模塊：光檢測模塊、主控模塊及LED顯示模塊，硬件系統設計原理如圖1所示；整體程序設計主要分為以下兩個程序設計：亮度采集程序設計、分級發光程序設計，整體程序設計流程圖如圖2所示。

圖1 硬件系統

圖2 整體程序設計

2 硬件系統設計

2.1 光檢測模塊

光檢測模塊[4]檢測光的亮度，并且將檢測的數據由模擬信號轉換為數字信號，然后發送給主控模塊。在根據實際需求設計電子應用的時候，常常需要單片機來計算和分析數據。而一部分數據單片機是無法處理的，那就是模擬信號。因此，要使得單片機能夠處理這樣的數據，必須要將模擬信號用AD芯片轉換為數字信號，此處用了TSSOP16的封裝，結合傳感器設計原理圖如圖3電路。

圖3 光檢測模塊原理圖

此芯片是SPI總線與單片機進行通信的，DCLK，CS，DI，DO四個引腳是和單片機連接通信的。IOVDD是數字電路的電源，所以直接接上VCC。VREF引腳是參考電壓的輸入端，在本設計中接入5 V穩壓即可。此次選用的光敏電阻在較黑暗時電阻約為20 kΩ，如果分壓電阻較小，則漏電流比較大，功率會比較大；分壓電阻比較大的話，輸入模擬信號的范圍會比較小，影響系統的功能。均衡這兩方面，選擇100 kΩ的電阻。VCC腳加一個0.1 uf的濾波電容，濾除比較高頻的干擾波，防止高的瞬時電壓對芯片造成傷害，影響電路的耐久性。

2.2 主控模塊

主控模塊是光敏控制照明系統的控制核心，采用了STC89C52型號的單片機。其實質是一個單片機的最小系統，它能夠保證單片機正常運行，運行基本功能，圖4為主控電路原理圖，與其他不同的也就是加了兩個8P的接口，主要是為了測試的方便。

圖4 主控電路原理圖

2.3 LED發光模塊

作為一個照明系統，LED燈作為光源自然就是整個設計的主體。本次設計選用了額定電壓3.3 V的LED燈，一般工作在3 mA～10 mA。因為用5 V電壓供電，所以串聯了一個200 Ω的電阻。由于單片機的灌電流的最大限制要比拉電流要大，所以用灌電流驅動二極管，這樣能提高電路的穩定性，原理如圖5所示。

圖5 led發光模塊原理圖

2.4 電路設計及制作

根據以上三個模塊的電路分析，結合實際情況，設計整體電路原理圖如圖6所示。根據整體電路圖用Altium designer15用之前選擇的封裝形式設計pcb板[5]，按照規范的pcb設計原則，設計了如圖7的pcb圖。

圖6 整體電路原理圖

圖7 pcb圖

3 整體程序設計

3.1 亮度采集程序設計

環境光亮度采集的基本程序是按照xpt2046的通信時序編寫，即xpt2046將模擬數據轉換的數字數據發送并保存到51單片機中。

xpt2046是使用SPI總線的通信，所以根據數據手冊并參照SPI的時序進行編寫程序。首先要對芯片進行使能。單片機會向xpt2046發送一個字節的命令數據，此時xpt2046會發出一個忙信號，因此，需要另外發送一個時鐘周期清除這個忙信號。然后xpt2046會發出兩個字節的AD值。因為xpt2046是12位，所以在編寫程序時需要忽略后四位。詳細的命令數據是根據寄存器的每個位的具體作用編寫。具體工作流程如圖8所示。

圖8 亮度采集程序設計流程圖

3.2 分級發光程序設計

分級發光程序的核心部分就是量化光亮度的級別，然后用相應的pwm波控制LED燈的亮度。由于需要對光的亮度需要量化處理，所以在畫原理圖和制板時預留了接口用于接數碼管。這樣在編寫程序的時候可以直觀看到輸出的AD值。

為了測定需要打開LED燈的AD值，需要控制環境的光強屬于燈正好需要開的那個范圍。然后將主控芯片接收到的AD值用數碼管顯示出來如圖9所示。

圖9 環境光需要開燈時的AD值

光線特別暗的時候，需要將LED燈的亮度開到最大，所以要設置一個下限值。這樣就需要將光線調節到比較暗，然后將轉換后的AD值用數碼管顯示出來，AD值如圖10所示。經過觀察AD值過后，我選擇在50～200之間進行pwm波占空比調節。在200以上燈關閉。根據LED燈一般工作在3 mA～10 mA，所以占空比設置為30%～100%。所以需要對AD值改變比例匹配到占空比上，流程圖如圖11所示。

圖10 環境光需要燈最亮時的AD值

圖11 分級發光程序流程圖

4 結語

將編寫好的程序進行編譯，把生成的hex文件燒錄到單片機里，利用手遮擋光線對光敏電阻周圍的光的強度進行調節，能夠實現LED分級發光，理論上是有70級的分級，但是人眼只能分辨出4級左右。設計是基于單片機的光敏控制照明系統，實現了隨著外部光亮的調節從而調節LED燈光亮度，達到節能的效果。