一种基于单片机的智能LED照明灯设计

胡子牛　张伟　肖雅金　尹辉

摘要：为了进一步提高照明灯的自动化水平，针对目前照明灯功能单一、自动化程度低的不足，提出了一种基于单片机的多功能智能LED照明灯设计。以STC89C52为控制器，采用LCD、LED灯泡、矩阵键盘、触摸片、可控硅、光强度传感器等完成照明灯硬件设计；以Keil u Vison3为软件开发环境完成照明灯的软件设计。实现了自适应调光、无级触摸调控光亮以及万年历附加功能，具有较高的适用性。

关键词：智能LED照明灯；单片机；自适应；无级触摸调控

中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1009-3044（2017）02-0220-03

A New Design of Intelligent LED Dimming Lights Based on MCU

HU Zi-niu，ZHANG Wei，XIAO Ya-jin， YIN Hui

（School of Automation and Electrical Engineering，Linyi University，Linyi 276000， China ）

Abstract：To further increase the degree of automation of lamps， and in view of the inadequacy of existing the single function of lamps and low lever of automation， a new design of intelligent LED lamps is proposed based on MCU. The new design uses STC89C52 as a controller， it adopts LCD/LED/matrix keyboards/touching tablets/ silicon control/photosensitive sensors to accomplish the hardware design of the lamps. And the software design of the lamp is achieved by Keil u Vision3 software development environment. It can automatically dim and steplessly adjust the intensity of light. It also contains perpetual calendar. The new design has higher practicability.

Key words： intelligent LED lamps； MCU； automatically dim； steplessly adjust

1 背景

隨着社会生活水平的提高和科技的发展，人们对灯具的要求也越来越高。当今市场上有着各式各样的照明灯，但大多数功能单一、自动化水平低。多数照明灯的控制方式是通过按键开关、手动旋钮式开关或三级触摸调光方式，这些传统开关使用寿命短，容易坏。用户无法将灯光调节到最适合的亮度，不能使亮度平滑地转变并且受到预设亮度的限制，无法满足人们对照明灯多样化的需求；有时周围环境变亮，而用户忙于工作或学习，忽视了亮度的变化，未将照明灯光调暗，易造成资源浪费，或者外界光线变暗，没有使灯光变亮，不利于用户的视力，尤其是青少年。针对照明灯现有的不足，本文设计的照明灯具有无级触摸调控功能，用以实现灯光亮度的无级变化；还具有自适应调光功能，可以根据外界环境的亮度自动调节灯光的亮度；同时具有万年历附加功能，丰富了照明灯的功能。该照明灯的光源采用LED灯珠，LED光源与传统的光源相比，其具有发光效率高、寿命长、安全可靠性等优点[1]。本设计的自动化程度较高、功能多，具有较高的适用性和广泛的应用价值。

2系统组成及硬件电路设计

该照明灯系统主要由外界光强度检测电路、无级触摸调控电路、信号处理电路、时钟电路、LED照明电路、LCD、MCU、矩阵键盘、光强度传感器、触摸片、光敏电阻等组成。系统硬件总体结构图如图1所示。

本照明灯系统具有以下功能：

1）自适应调光功能：采用PWM调光方式[2]，利用外界光强度检测电路来检测外界光强度，通过信号处理电路，将光强度信号转化为数字信号，传送至单片机，利用相应程序软件改变PWM的占空比来进行自适应调光，以使LED照明灯达到最佳照明效果。即当外界环境变亮时，照明灯自动调暗一些，当外界环境变暗时，照明灯自动变亮。

2）无级触摸调光：采用触摸调光集成电路SM7232，可以使照明灯的亮度转变平滑而且不受预设亮度的限制。

3）万年历功能：通过时钟电路、LCD、矩阵键盘、光强度传感器准确实时地显示时间信息和光的亮度信息。

2.1单片机最小系统模块

单片机最小系统为本设计的控制核心，本设计采用STC89C52单片机。该单片机内部自带8KB Flash ROM、512B RAM，内带4KB EEPROM，含有一个全双工串行接口，内有振荡电路等，是一种增强型8051单片机。广泛地使用在工业测控系统中[3]，价格低廉，功耗小，所具备的功能足以满足本设计的需求。同时STC系列单片机支持串口程序烧写，对开发设备要求低，具有较高的性价比。

2.2无级触摸调控模块

利用无级触摸调控电路，如图2所示。其核心器件是一块SM7232调光专用集成电路，如图3所示。它有8个引脚：1脚（VDD）为电源正端，7脚（VSS）为电源负端，2脚（DOZE）、5脚（SEN）、6脚（SLAVE）是相移控制输入端，5脚为触摸控制输入端，手触摸信号经R5，R4这两个高值电阻输入，当触摸时间在0.4s内可完成开或关功能，如果想使灯光由暗变亮或由亮变暗，无级变化，则需要长时间（大于0.4s）触摸M。3脚（CAP）是内部PLL的低通滤波电容外接端，4脚（SYN）是电源率同步输入，8脚（OUT）是触发输出端。与触摸片M相连的R4、R5电阻的阻值较高，用以保证使用者的安全。电阻降压半波整流稳压电路由V1、V3、V2与V1组成，输出5V直流电。C4是滤波电容，可滤去尖脉冲干扰，提高稳定性。R1为可控硅，稳压稳流，提高触发信号稳定性。

2.3自适应调光模块

自适应调光模块的核心是光强度传感器[4]，本设计采用BH1750FVI芯片，其结构如图4。该芯片是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路[5]。照明灯系统根据光强度传感器采集到的外界光强度信号，通过AD转换器，将模拟信号转变为数字信号，与单片机内部程序中预先设置的光强度数值梯度作对比，从而确定外界光强属于哪个范围，从而使照明灯自动调节其光亮，以达到自适应功能。

该芯片具有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性，可通过降低功率，实现电流化。其光源依赖性弱，误差小，且受红外线影响较小，有较强的可靠性，满足本设计的要求。PD是光敏二极管，反应速度接近人眼的反应速度；AMP集成运算放大器：将PD电流转换为PD电压；ADC：模数转换，获取16位数字数据； logi+icinterface：光强度计算和i?c总线接口，具有光强度数据寄存器、时间测量数据寄存器；OSC：内部振荡器，其时钟频率值为320KHZ，内部逻辑时钟。

2.4万年历模块

本模块采用LCD显示年、月、日、星期、时间以及当前环境光强、照明灯亮度等信息。采用实时DS1302时钟芯片，其结构图如图 5，通过串口与单片机进行通信，实时提供时间信息。采用1602LCD显示DS1302提供的日期、时间信息以及光强度传感器提供的光强度等信息。

2.5电源模块

本系统需要+5V直流电以供单片机以及一些模块电路使用，但民用一般为220V，故需要将220V的交流电转化为5V的直流电供系统使用。通过变压器将220V转10V，然后利用整流桥将交流电转变为直流电，后端加7805稳压器进行处理，最后输出+5V直流稳压电源。整流桥利用的是二极管的单向导电性，7805稳压器采用深度负反馈原理，C1与C2两个电容起到降压、滤波的作用。具体结构图如图6所示。

3软件设计

本设计采用模块化的设计思想，利用C51语言编写[6]，将各个硬件模块的程序分别调试后，再联合调试，以减少误差，提高效率。系统的软件构成分为自适应调光模块软件、无级触摸調控模块软件、万年历显示模块软件，软件设计的结构图如图7所示。

而软件设计中比较重要的是自适应调光模块软件，其程序流程图如图8所示。

部分程序清单：

//起始信号

void BH1750_Start（）

{

SDA = 1； //拉高数据线

SCL = 1； //拉高时钟线

Delay5us（）； //延时

SDA = 0； //产生下降沿

Delay5us（）； //延时

SCL = 0； //拉低时钟线

}

//发送应答信号

void BH1750_SendACK（bit ack）

{

SDA = ack； //写应答信号

SCL = 1； //拉高时钟线

Delay5us（）； //延时

SCL = 0； //拉低时钟线

Delay5us（）； //延时

}

//接收应答信号

bit BH1750_RecvACK（）

{

SCL = 1； //拉高时钟线

Delay5us（）； //延时

CY = SDA； //读应答信号

SCL = 0； //拉低时钟线

Delay5us（）； //延时

return CY；

}

//初始化BH1750

void Init_BH1750（）

{ Single_Write_BH1750（0x01）； }

4结束语

针对照明灯自动化程度低，功能单一的不足，提出了一种基于单片机的智能LED照明灯设计。采用无级触摸调光电路，实现无级调控光强度，并利用光强传感器以及相应的软件程序，完成了照明灯自适应调光的功能，最后采用时钟时路、光强度检测电路与LCD显示屏相结合，实时准确地显示时间、光强等有用信息。由试验结果表明，该设计具有集成化和较高自动化的优点，并且具有较强的实用价值和商业价值。

参考文献：

[1] 李孔旗. 大功率LED自调节控制技术研究与应用[D]. 哈尔滨： 哈尔滨理工大学，2015.

[2] 刘春玲，王道乾，崔文冲， 等. LED路灯自适应调光无线控制器[J]. 辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2015（1）：97-101.

[3] 国庆锋. AT89系列51单片机系统的低功耗方法与设计思考[J]. 黑龙江科技信息，2015（22）：41.

[4] 杨少春.传感器原理及应用[M].北京：电子工业出版社， 2011.

[5] 刘博. 基于BH1750光照强度数据采集系统的设计[J].河南科技，2016（13）：27-28.

[6] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2008.