基于单片机的LED光控灯的设计

卢燕

（苏州高等职业技术学校苏州215006）

基于单片机的LED光控灯的设计

卢燕

（苏州高等职业技术学校苏州215006）

论文以LED发光二极管阵列用作照明光源，结合单片机、光敏传感器以及AD模数转换芯片，应用PWM脉宽调制，实现LED光控灯的手动和自动调光。手动模式10档按键调光，LED阵列由全暗到全亮，受控档位逐渐变化，满足人们对光线强度的不同需求。自动模式则根据外部光线的亮暗，由光敏传感器接收后，进行数字化处理，自动调整LED阵列的亮度，从而保证照明亮度满足要求。该系统既节能环保又安全护眼，可以应用于家庭、办公大楼、厂房等需要照明的地方。

LED阵列；PWM；光敏传感器

Class NumberTN312

1 引言

LED是Light Emitting Diode的简称及发光二极管，是第四代照明光源，属于半导体器件，能将电能高效的转换成可见光，它具有体积小、损耗少、使用寿命长等优点［1］。因而在交通灯，显示屏，照明，大楼夜景灯光装饰等方面得以广泛应用。用LED灯来照明和普通白炽灯、钠灯相比，有不可比拟的优点，白炽灯、钠灯它们都是交流供电，只要电网电压波动就会出现频闪，其次传统灯会发出红色波长的光波这些都会对眼睛产生伤害，而LED由于是直流供电再加上光线中不含紫外线和红外线因而光线更加健康［2］。LED灯节能环保，光效率高，发热少，使用安全可靠，应用到生活、工业的方方面面。

2 LED光控灯的方案设计

LED光控灯由四部分构成：控制器电路、光线采样与转换电路、按键控制电路、LED阵列电路等，系统结构图如图所示。

图1 LED光控灯系统结构框图

光敏电阻检测室内光线亮度，通过AD转换芯片把转换得到数字量送到控制器，由控制器—单片机发出控制信号调整LED灯阵列的光线强弱，调整规则是外界光线越强则LED灯光线随之减弱，外界光线越暗则LED灯光线随之加强，实时调整，既有利于照明又节电环保。设置手动和自动切换按键，在自动情况下，灯的亮度随外界光线强弱而变化，在手动情况下可以通过按键进行调整。

3 LED光控灯硬件电路设计

LED光控灯主要用到单片机AT89C51、光敏电阻、独立按键、ADC0832、LED等器件。硬件电路由自动光控电路和手动亮度调整电路组成并由主控芯片控制。

3.1 自动光控电路

自动光控电路主要由光传感器、ADC0832构成，通过光传感器得到的模拟信号送入ADC0832进行模数转换经由控制器控制LED的亮度。

3.1.1 光传感模块

LED光控灯用到光传感器——光敏电阻，光敏电阻种类颇多，根据半导体光电晶体成分不同，可以分为可见光光敏电阻、红外光光敏电阻、紫外光光敏电阻。LED光控灯选用可见光光敏电阻，它对

可见光敏感，工作原理是在光照射下，其导电性能增强内部电流随之增大，而电阻值则相应降低，呈反比变化［3］，如图2所示。

图2 光敏电阻特性曲线图

3.1.2 光转换电路

该电路是光控灯硬件电路的核心，主要由ADC0832和光敏电阻构成。ADC0832是美国国家半导体公司生产的A/D模数转换芯片，它有2个模拟通道，8位分辨率，与ADC0809相比它的转换时间更短，并且它是串行数据输出比起ADC0809的并行输出更为节约口线。该芯片有8个引脚，除了电源（VCC）和地（GND）外，还有片选脚（CS）、两个模拟通道脚（CH0、CH1）、一个时钟脚（CLK）、一个数据信号输入脚（DI）、一个数据信号输出脚（DO）。在进行电路设计时可以把数据信号输入脚与输出脚相连，因为输入和输出并不会发生在同一时刻，这样做可以节约一个口线。它的控制原理分为四个步骤：1）CS片选选中及置成低电平，同时控制器送时钟脉冲到CLK端。2）数据输入端（DI）在第一个时钟脉冲时置高，启动转换，在接下来2个时钟脉冲收到由控制器发来的通道选择信号。3）接下来数据输出端DO随着时钟脉冲输出转换得到的数据，高位先低位后，共8位。4）在送完转换得到的数据后数据输出端继续送出低位先高位后的相反字节的数据作为验证码［4］。

ADC0832通道选择模式有两种，一种是只进行单通道转换，另一种是双通道转换［4］。如表1所示。

表1 模拟通道选择信号规则

ADC0832结合光敏电阻构成光转换电路，如图3所示，光敏电阻和电阻R2串联，选用光敏电阻的亮电阻2kΩ左右，暗电阻在0.2MΩ左右，由RG与R2的分压作为模拟信号送到模数转换芯片ADC0832，如光敏电阻值发生变化则分压值也发生变化，送到芯片的电压随之改变，该电压值与光照相关，光照越强，光敏阻值越小，分得的电压越小，因而送到芯片的电压越大，反之电压越小。转换得到的数据送入控制器中进行处理，由控制器产生脉宽PWM信号驱动LED的亮暗。

图3 光转换电路

3.2 手动调整电路

该电路由独立按键构成，把按键分别接到3根口线上，由控制器根据按键状态，控制LED的亮暗。三个按键中key1用来切换自动还是手动，key2用来调高亮度，key3用来调低亮度，从最亮到全灭共有10个档位，调整时可以明显看到LED的亮度变化过程。

4 LED光控灯软件流程设计

软件设计把整个功能程序模块化，设计了几个子模块：ADC0832模数转换、独立按键扫描模块、按键处理模块、档位调整模块、PWM产生模块，所有功能模块在主程序中调用。系统程序流程图如图4所示。

4.1 PWM产生模块

本设计LED阵列是由一个PNP三极管来控制，控制器送出低电平，三极管导通，LED点亮，高电平时三极管截至，LED熄灭，但不论是手动还是自动控制LED阵列，要使LED产生亮度大小变化，都需要用到PWM来产生控制信号，设计时根据需要把一个脉宽周期进行等分，等分越多亮度渐变越细致，这里把脉宽周期进行了100等分，AD转换先得到的数字量再转换成十进制数0～99作为光线值，这个值作为脉宽的占空比，考虑人眼观察不到闪烁的最低频率为50Hz左右，因此定脉宽周期为20ms，利用定时器0产生200μs定时时间，在控制器口线为高电平（LED灭）时进行计数累加，当计数值超过光线值，控制器口线转为电平（LED亮），这时计数清零，进行重新累加，当计数值超过100减光线值，就完成了一个脉宽周期，由于高低电平占比时间会根据AD转换发生变化，因而能看到LED阵列的亮度变化。PWM产生模块流程图如图5所示。

图4 系统程序流程图

4.2 档位调整模块

手动控制时需要通过增减按键进行亮度调整，设计时分为10个档位，0档位和9档都是关闭定时器直接由控制器口线输出低或高电平，从而决定LED亮灭状态。其他8个档位，分别赋予光线值变量相应的数值，在定时器0中根据这个数值用PWM来实现LED阵列的亮度变化。

图5 PWM程序流程图

5 结语

LED是今后照明系统的发展趋势，本设计用LED阵列、单片机、AD芯片、光敏电阻等少量元件，实现节能护眼的LED光控灯，经试验证明该设计实用、节能、环保，能应用于家庭的灯光照明以及办公大楼的办公室照明，工厂厂房照明等。它结构简单，容易实现，节省电能具有较强的实用性和可行性。考虑到不同年纪，不同个体的人对光强度的感受能力不同，可以在设计中增加用按键调整标准亮度的功能，以该亮度为基准再结合周围光线进行自动调整，从而满足不同用户的需求。

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Design of LED Light Control Lamps Based on Single-chip

LU Yan
（Suzhou Vocational and Technical School，Suzhou215006）

This paper designed a light source with light emitting diode array.The led lamps that made up single-chip，light sensors and AD analog-digital conversion chips，and it applied for PWM，which achieved a brightness change with the manual and automatic.The manual mode had 10 files changes that contained a full dark to full brightness.To meet the people's needs of different light intensity.The automatic mode according to light sensors

the light from outside，and digitized，thereby automatically adjusted the brightness of the LED array.The illumination brightness meted the requirements of people's needs.The system was both energy saving and safe for eyes，that could be used in homes，office buildings，factories and other places which need lighting.

LED array，PWM，light sensors

TN312

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.06.047

2016年12月8日，

2017年1月29日

卢燕，女，硕士，讲师，研究方向：信号与信息处理，嵌入式系统应用。