基于STC系列单片机对智能LED台灯调光系统设计

徐安安，任乘乘，吴珊珊，夏腾飞，何舒平

(安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230039)

基于STC系列单片机对智能LED台灯调光系统设计

徐安安，任乘乘，吴珊珊，夏腾飞，何舒平

(安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230039)

本文设计了一套LED光源智能调光系统，该调光系统可以在自动式、手动式和延时式三个模式之间相互切换。在自动模式下，通过光敏电阻检测室内光的强度，再利用ADC模块对采集的信号进行转变，从而控制并调节台灯的亮度。在手动模式下，通过按键的增加或减少来调整LED亮度。在延时模式下，系统具有延时打开、延时关闭和闹铃等功能。本系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分主要包括运放电路、与非门电路、ADC0832模块、控制模块、驱动模块、人体感应模块和电源模块组成，软件部分主要包括总控程序和各个模块子控制程序。通过Proteus软件仿真可以看出本系统具有较强的应用性，使用方便，也进一步验证了本文设计的有效性。

LED台灯；智能调光；Proteus；ADC0832模块

引言

LED被称为新一代绿色光源，能够将电能直接转化为可见光的固态的半导体器件，而且能源转换效率特别高[1]。随着社会经济的不断发展，如今人们生活水平也在不断提高，对于生活的智能化程度的要求也在不断的提升。

目前市场上存在的LED台灯控制器，基本上都由简单的电源开关，亮度调节旋钮和LED驱动器组成，只具有简单的LED台灯开启与关闭，手动调节以及LED驱动恒流恒压控制功能，功能单一，能耗不精确，无法实现智能控制。在智能控制方面研究的有，如胡恩伟[2]设计了一种采用NXP和ARM Cortex MO的MCU作为核心控制器，通过环境光线传感器和超声波测距传感器实时采集环境光线强度来自动调节台灯的亮度。熊志伟[3]设计了一种采用STM32微控器和LD3320可编程语音识别控制系统，开发了一种高端智能学习台灯，实现声控和防近视功能。此两款台灯设计的成本都是非常高的，而且不能完全满足人性化设计，所以很难在人们生活中得到广泛的应用。

在人们的日常生活中，人眼对光线有个适应过程，很多人在早上起床的时候，如果睁眼突然见到强烈的光线，那么人眼是难以快速适应的。在延时模式下，本系统运用连续的PWM脉宽调制原理，使得灯光缓慢的由暗变亮。另外我们可以定时打开台灯，当定时时间到了，台灯缓慢的打开，并且蜂鸣器发出响声，这样不仅可以很好的保护人的眼睛而且还可以起到闹钟的作用。另外有的人喜欢开着灯睡觉，这样就会造成能源的浪费以及减少LED灯泡使用寿命，因此该智能台灯设计了延时关闭的功能，可以根据每个用户的睡眠习性，相应的改变延时时间。在自动模式下，只有同时满足用户的设定阈值大于光敏电阻检测的室光线值，以及人体感应检测模块检测到有人活动时，该智能台灯才会工作[4]。在手动模式下，可以根据每个人对光源强度不同，通过按钮手动改变台灯的亮度。本控制系统主要通过自动模式、手动模式和延时模式调整光源强度等功能，从而使LED台灯设计和使用更加人性化。

1 系统总体概述

本智能台灯系统共有自动式、手动式和延时式三种不同的模式，并且可以通过开关按钮对这三种模式进行相应的切换。在自动控制模式时，通过A/D转换器(ADC0832)芯片不断检验光敏电阻的电压，间接测量感应光度以及运用人体感应模块来检测周围是否有人的存在，从而实现自动调节功能；在手动模式下，可以通过按键的增减对灯光的亮度进行调节；在延时模式下，可以通过单片机定时器进行定时，调整I/O导通和关断时间实现PWM控制，对台灯延时打开和延时关闭，并且数码管会显示延时时间的。此系统主要考虑的是人性化设计，只要LED亮了光线都是由暗缓慢变亮的。系统总体框图如图1所示。

图1 智能LED台灯控制器总体框图Fig.1 Overall block diagram of intelligent LED desk lamp controller

2 系统硬件电路设计

本文是在STC89C52芯片为核心的基础上进行开发的，具有上电复位、手动复位和晶振复位等复位电路。具有电源电路、ADC模式转换电路、人体感应模块电路和负载等电路，系统控制模块原理图如图2所示。

图2 系统控制模块原理图Fig.2 Principle diagram of system control module

2.1 负载电路设计

由于51单片机接口驱动负载能力比较低，所以本文在负载电路加入与非门电路和达林顿管，与非门电路使用74HC132D芯片，该芯片具有2路与非门施密特触发器输入，所有的输入和输出均具有内部保护线路，以减少由于静电感应而损坏器件的可能性。

2.2 人体感应模块设计

本文人体感应模块采用的是HC-SR501芯片。人体感应模块，如图3所示，此模块是基于红外技术自动控制模块，当人体进入检测区(感应范围如图4所示)时[5]，因人体温度与环境有温差ΔT(ΔT=TH-TR),则ΔT有输出，再通过热电效应会在两个电极产生电荷ΔQ，即产生微弱电压ΔU，然后通过触发方式(本文通过短接帽选用的是可重复触发方式)感应输出高电平。

图3 HC-SR501模块外部接线图Fig.3 External wiring diagram of HC-SR501 module

图4 感应距离Fig.4 Induction distance

3 软件设计

系统软件的总体流程框图如图5所示，当系统上电以后，先进行模式判断，如果该系统是自动模式下，首先读取A/D芯片值与用户设置的阈值进行比较，如果两个值的大小不同时，则PWM自动调节，直到两个值相等[7]。如果该系统是手动模式时，我们可以通过按键调整LED灯的亮度，此系统一共分为5个等级，等级之间可以循环改变的。当切换到延时模式下，具有延时打开和延时关闭功能，在延时打开功能下，当延时时间到了，蜂鸣器也会发生声音。

图5 系统软件的总体流程Fig.5 The overall process of system software

图6 境光线强度对PWM输出占空比调整Fig.6 Ambient light intensity adjustment for PWM output duty cycle

3.1 PWM波形输出

本文主要通过光敏电阻检测实际光照强度，光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值，该阻值随着光的强度的变化而改变，当光线越来越强时，相应的电阻值会逐渐减小，同理，光线越来越暗时，相应的电阻值会增大[8]。光敏电阻实际电压值通过ADC0832芯片转换成相应的数字信号，与用户设置LED台灯使用亮度进行比较，如图6所示。

在自动模式下，首先利用光敏电阻原件检测照明环境光线强度，若检测的环境照明光线强度X>90 lx时，其中

(1)

则LED灯属于关闭状态，若X≤25 lx时，LED灯是最亮的，随着X的值逐渐增加，LED灯的亮度相应降低。当在X<90 lx时，此时可分为两种情况，若照明中无人时，则LED始终不会亮，若人体感应模块检测有人时LED灯处于开启状态。

3.2 ADC0832 A/D转换

ADC0832为8位分辨率的A/D转换芯片，其最高分辨率可达256级，芯片转换时间仅为32μs,因此工作效率非常高[9-10]。ADC0832与单片接口应为CS, CLK, DO,DI,但由于DO端和DI端在通信时并未同时有效，所以电路中可将DO与DI并联在一根线上，如图7所示。

图7 人体感应模块外部接线图Fig.7 The external wiring diagram of human body inductiom module

ADC0832工作时期共有四种工作方式，本文选用的是工作数据为“1”，“0”，只需对CH0进行单通道转换，如图8所示，到第三个脉冲的下降沿之后DI端的输入电平就失去作用，此后DO/DI端则开始用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个下降沿开始有DO端转出转换数据最高为DATA1，随后每一个脉冲下沿DO端输出下一位数据，直到第11脉冲发出最低位数据DATA0，一个字节数据输出完成，也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下降沿输出DATA0，随后输出8为数据，到第19个脉冲是数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束，最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

图8 ADC0832工作时序图Fig.8 The work sequence diagram of ADC0832

4 系统仿真与实际实验

Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是比较好的仿真单片机及外围器件的工具。本文仿真了自动模式和手动模式下PWM脉冲输出[10]。

4.1 自动模式下PWM波形输出

当系统处于自动模式下，主要依靠光敏电阻自动调光的，当外界光线比较亮时，LED灯会相应暗一点，相反是亮一点[11]。为了使系统仿真现象比较直观，在仿真中光敏电阻用了滑动变阻器代替了，改变滑动变阻器的阻值相当于外界光线的变化，图9分别是滑动变阻器值100%、90%、85%、80%PWM脉冲输出图。

图9 自动模式下PWM波形输出Fig.9 PWM waveform output in automatic mode

图10 手动模式下PWM波形输出Fig.10 PWM waveform output in manual mode

4.2 手动模式PWM波形输出

本系统一共分为5级，通过增减键改变PWM输出，一级脉冲最小,LED也是最暗的，五级脉冲最大，LED灯也是最亮的，在仿真中通过观察PWM脉冲的变化，就相当于LED亮度的相应改变[12]，波形图如图10所示。

4.3 实际实验结果输出

在实际实验发光器件选用的是10个LED灯珠，图11是手动模式下1、3、5级实际灯珠的亮度。其中最左边是1级模式对应的亮度，最右边图是5级模式对应的亮度，中间图是3级模式对应的亮度。

4.4 仿真结果分析

通过proteus 软件里面的虚拟示波器输出的图像验证了本系统设计的正确性，当在自动模式下：

(2)

(3)

由于R1和U都是固定值，所以改变K的值可以改变功率P，从而改变LED的输入功率，LED的亮度相应得到改变。

在手动模式下，通过增加键或减少键来改变LED的亮度，当系统上电后，默认LED的亮度是最暗的，如图10中1级波形图，当按下增加键：

(4)

其中YK为手动调节亮度对比值，初始值为100。每次按下增加键，亮度对比值会增加200，输出的波形如8中相应的等级，连续按下5次增加键后，YK的值会增加到1 100，这时通过程序给YK自动赋值为100。相反如果按下减少键：

(5)

图11 实际实验手动模式LED亮度Fig.11 The manual mode LED brightness in actual experiment

每次按下减少键，YK的值会减少200，当YK值为100值，继续按下减少键，YK通过程序自动赋值1100，这样就可以循环改变LED的亮度。

5 总结

本文基于C51单片机的PWM调光台灯以STC89C51作为主控芯片，设置了手动控制模式、自动控制和延时模式三种不同的工作模式。在手动控制下，分为5个挡，输出不同的PWM占空比实现了对光度的手动调节；在自动控制时，通过模式键进行相互切换，运用ADC0832 A/D转换芯片不断检测光敏电阻的电压来间接测量感应光度，将电压和预设的阈值进行对比，调整PWM的占空比实现对亮度调节。在延时模式下，系统具有延时打开、延时关闭和闹铃等功能。

本智能台灯调光系统，在自动模式下，中午使用时比相同规格非智能台灯节能30%～50%；在早上或下午使用时节能20%～30%，取得了明显的节能效果。本系统三种模式可以相互切换，增加了台灯个性化设计，能更好的满足每个人的生活所求。本系统所用的元器件的成本比其它相同功能智能台灯系统的设计便宜20%～30%。在人们生活水平不断的提高，以及全球注重环境保护，提倡绿色节能的大趋势下，本设计具有巨大的市场应用前景和经济效益。

[1] 王纪永,王建平. 基于两通道PWM的LED调光调色方法[J]. 光电工程，2012，39(7)：132-136.

[2] 胡恩威,周建林. 基于LPC1114的智能节能LED台灯控制器设计[J]. 电子世界，2013，33(6)：28-30.

[3] 殷小芳,任家富,季翔宇. LED光源调光系统[J]. 科研设计成果，2011，38(5)：52-56.

[4] 田立东,周继军,秦会斌. PWM调光LED驱动设计[J]. 机电工程， 2012，27(3)：36-38.

[5] 王秀霞. 基于STC12C5410AD系列单片机的智能LED照明系统设计[J]. 照明工程学报，2012，25(6)：36-39.

[6] 熊志辉,王仁波. 基于STM32的智能学习台灯设计[J]. 电子世界，2015，32(7)：26-28.

[7] 冯勇,刘诗斌,李晓骏. 一种新型CMOS施密特触发器[J]. 设计与应用，2008，15(5)：15-17.

[8] 田立东,周继军,秦会斌. PWM调光LED驱动器设计[J]. 机电工程，2012，29(4)：465-468.

[9] 贾冬颖,王巍. 基于STC单片机智能照明系统的设计[J]. 照明工程学报，2010，24(2)：72-73.

[10] 谢龙汉,莫衍. Proteus电子电路设计及仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[11] 刘珊,宫杰,鲍建宇. 恒照亮度调光的LED驱动设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2014，6(2)：22-25.

[12] 梁人杰. 智能照明控制技术发展现状与未来展望[J]. 照明工程学报，2014，25(2)： 19-20.

The Intelligent System for LED Lighting Based on STC SCM

XU Anan, REN Chengcheng, WU Shanshan, XIA Tengfei, HE Shuping

(School of Electrical Engineering and Automation,Anhui University,Hefei 230039, China)

This paper mainly introduces the design of intelligent LED lighting dimming system which can switches among automatic type, manual type and delay type. In the automatic mode, the system can test the intensity of the indoor light through the photoconductive resistance and transform the signal it gathered by using the ADC module so as to control and adjust the brightness of the lamp. In the manual mode, it can adjust the brightness of LED lights by increasing or decreasing the time you press the keystrokes. In the delay mode, the system has functions which include delay to open, delay to shutdown and alarm. This system consists of hardware parts and software parts. The hardware parts are mainly made up of the op-amp circuit, nand gate circuit, ADC0832 module, control module, drive module, body induction module and power module. The software parts mainly include the general control program and module control of each part. We can learn from the Proteus software simulation that the system designed in this paper is of stronger applicability and is more convenient to use compared with other similar systems, which further verifies the effectiveness of the design in this paper.

LED table lamp;aptitude light-dimmer;Proteus;ADC0832 module

安徽省杰出青年基金(1608085J05)；国家自然科学基金项目(61203051)；安徽大学本科教育质量提升计划项目(xjjyxm14048) 通信作者：何舒平，E-mail:shuping.he@ahu.edu.cn

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2016.06.018