智能LED补光灯控制系统的设计.docx
《智能LED补光灯控制系统的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能LED补光灯控制系统的设计.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
智能LED补光灯控制系统的设计
智能LED补光灯控制系统的设计（总22页）
本科毕业论文（设计）
题目：
智能LED补光灯控制系统的设计
学院电子信息工程学院
学科门类工学
专业通信工程
学号46
姓名曹方
指导教师万丽娟
2015年5月28日
摘要
随着国民经济的快速发展，科技有了长足的进步，人民在物质生活上有了充足的保障，对于自己的人生生命以及财产安全也越来越重视。
在2004年的时候我国公布了中华人民共和国安防行业国家标准——《安全防范工程技术规范》，其中就提到了城市安防监控。
然而，虽然有了监控系统，但是现在的监控系统还有诸多缺点，例如在夜晚，受光线的限制，致使监控图像模糊、监控目标难以辨别，严重影响了社会治安动态视频监控系统的应用成效。
这就需要在夜晚或者阴雨天光线明显不足的时候，对监控对象进行补光处理，从而使监控设备和图像在光源较弱的情况下也能正常的工作，达到理想及满意的效果。
本文讨论的就是通过光敏电阻感应自然光线的强度来采集数据，通过A/D转换器输入信号给单片机，再利用单片机控制LED灯珠的亮灭个数来达到智能补光的目的。
关键词:
智能；LED；补光灯；单片机
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthenationaleconomy,scienceandtechnologyhavemadegreatprogress,people'smateriallifehasadequateprotectionfortheirlivesandpropertysafetyoflifemoreandmoreattention.In2004,whenthecountryannouncedthePeople'sRepublicofChinanationalstandardsecurityindustry"securityengineeringtechnicalspecifications",whichmentionstheurbansecuritymonitoring.However,evenwiththemonitoringsystem,butnowtherearemanyshortcomingsofmonitoringsystems,suchasatnight,thelightislimited,resultinginblurredimagesmonitoring,surveillancetargetisdifficulttodiscernaseriousimpactontheeffectivenessoftheapplicationofdynamicsocialsecurityvideosurveillancesystem.Thisrequiresatnightorrainydayswhenthelightisobviouslyinsufficientformonitoringobjectsfilllighttreatment,sothatthemonitoringequipmentandtheimagecanalsoworkundernormallightisweak,toachievethedesiredandsatisfactoryresults.Thisarticlediscussesthestrengthofthephotoresistorisinducedbythenaturallighttocollectdata,throughtheA/Dconverterinputsignaltothemicrocontroller,re-useSCMcontrolLEDlamplightoffnumbertoachievethepurposeofthesmartfilllight.
KeyWords:
intelligent;LED;lights;singlechipmicrocomputer
1.前言
研究背景及意义
由于近年来互联网科技、硬软件结合的科技、自动控制等科技的飞速发展，智能设备及建筑的结合越来越迅猛。
然而，就目前而言，国内外大多数的智能家具与智能建筑存在效率低、能耗高的现象。
就智能交通建筑的监控补光灯系统来说，为了能够在夜晚或者在光线不足的情况下可以完美的呈现监控画面，基本上所有的监控补光灯经常是从早到晚开着的，不管光线是否充足。
或者，当自然条件下的光线强度可以满足需求时，监控的补光灯反而是打开着的，反之，当自然条件下光照度不足以满足监控的需求时，补光灯的补光强度却不能够达到监控所需的补光需求。
这种监控补光方式，在造成巨大的能源浪费的同时，而且还不能满足监控的最基础的要求，而且还会对市民的实力造成影响。
新世纪强调的是走可持续发展的道路，因此，所有的城市在建设的时候都将节能减排作为一项重要指标。
在中华人民共和国经济和社会发展的计划中，交通、安防监控等方面的节能也被提上发展日程，推广更加实用更加先进的节能产品，传播先进的节能理念，进一步完善节能减排的法律法规。
在环保无污染，绿色健康的理念思想下，“节约能源、减少排量”已经成为我国安全防控监控系统的明确规定及需求[1]。
我们将会更加关注能源的节省和使用要求上的简便，以能够满足人类个性化智能化的要求。
因此，为了能够达到在不同环境和工作需要的前提下，结合简单方便，稳固高效于一体的智能化监控补光灯系统已经成为现下城市安防建设不可或缺的重要环节。
然而，目前大多数监控系统依靠的是街道路灯或者普通的照明灯作为摄像光源，但是由于这些并不是专门针对监控所设的光源，所以效果并不好，因此近年来逐步有商家在监控中安装LED做为补偿光源。
就是用特定的光源对某些由于缺乏光照度的设备对象进行灯光补偿的一种照明器材[2]。
对光照进行补偿主要靠两种方法，直接对被照对象进行光线补偿，或者间接的进行光线补偿。
本篇文章研究的技术是后一种光线补偿方式。
由于最近几年LED产业的飞速发展，在补光灯的运用中LED占据越来越重要的地位。
国内外研究现状
在智能监控系统领域，相较于国内而言，国外一些发达国家的起步比我们要早，监控的技术以及理念也比我们要先进，而且国外的一些发达国家很早就开始了LED产业的研究与开发。
这就导致国外生产的LED补光灯技术比我们要成熟，LED补光灯技术已经在国外发达国家或者地区得到较为广泛的应用与实践。
国内的LED产业于上个世纪七十年代开始飞速发展，高亮度LED产业也在20世纪90年代后期也得到较为快速的发展[3]。
国家认识到LED产业对于国民生活的改变，于二十一世纪初开始大力支持LED产业的发展，奖励在LED领域做出贡献的团队和个人，在国内建立了许多LED产业孵化基地，支持LED技术的创新，LED的生产技术也得到了长足的进步[4]。
虽然近年来国家对于LED产业大力扶持，但是，LED产业仍然还有许多急需解决的问题和技术难关，目前的LED产业还并算不成熟。
而且，由于LED的大力发展，LED补光灯产业也成为一个重要的产业。
随着技术的革新与发展，LED也被认为是21世纪的照明光源。
LED具有光效高，能耗低等特点，使用安全可靠，便于维护，环保无污染。
这些特性也使LED成为人们生活中必不可少的一个重要物品。
另外，智能系统也走进了人类的视野，对人类的生活方式产生了深远的影响，越来越多的物品与智能挂钩，产生了一系列的智能化产业，而智能化LED补光灯也越来越火热，这也间接的刺激了国内LED产业的发展。
但是，智能和LED补光灯的结合也使得国内的技术更加的不成熟，有许多厂家只是着眼于目前的智能LED补光灯市场的巨大利益，一味的制造技术并不成熟的产品，而且并不是着力于去努力提高自家的LED生产技术。
可以说，现在国内的根本问题是诸多生产LED的企业根本就没有去研究更加核心的技术。
因此，如何去提高LED产业与智能化结合的技术，也成为现下首要问题。
LED补光灯的介绍
LED光源的产生以及发展
随着社会经济的快速发展，随着科技的进步，人类对于能源的依赖越来越严重，可以说，没有能源，人类将无法在地球上生存。
根据科学来分类，地球上的资源分为两大类，一种是不可再生资源如：
石油，煤炭，天然气；另一种是可再生能源如：
风能，水能，太阳能。
人类对于资源的需求越来越大，然而地球上的不可再生资源是有限的，为了生存，人类不得不热切的关注日益严重的资源问题。
资源短缺的问题已经成为世界上所有的国家都应该热切关注的关乎人类生存的大问题。
为了满足人类的资源需求，科学家们提出两个概念——开源、节流。
开源就是开发新型的环保绿色高效的清洁型能源，替代日益衰竭的不可再生资源。
节流就是开发新型的能源利用方式，从根本上节约能源，让能源的利用效率更加高效。
然而，就目前的技术而言，在开源上，无论是国内还是国外，都存在巨大的技术难题，能源的转化率不高，这就导致利用率不高。
而且在大型的项目上无法满足需求，在能源的提供上还存在技术性的难题；这就导致人们将目光转到节流上来，从能源的利用效率来解决问题。
在这种情况的催生下，LED光源应运而生。
有了几十年的各个国家的研究与开发，就现在而言，在技术方面，日本与美国的技术绝对领先于其他国家，而德国在某些方面绝对处于国际领先水平。
而在全球LED市场销售情况来看，日本就占全球LED市场的半壁江山，台湾地区也占有百分之二十的市场。
而且在LED的产业封装与生产上绝对可以占据一席之地。
然而，在技术方面相比国内而言，在LED产业的发展上美国和日本占据时间的绝对优势，这就导致在LED的技术创新和生产工艺及技术方面美国和日本占据天然的优势，所以这两个国家生产的产品附加值最高；欧洲的优势则主要体现在对LED的技术开发和研究方面，其生产的产品虽然相较于美国和日本有所不足，但是在新颖技术创新方面也占据一份较大的市场；而中国台湾地区的LED产业经过将近十年的快速发展，在LED芯片的封装方面迅速占据世界第一的位置[5]。
LED产业不仅具有环保无污染、能耗小等特点，而且，还会产生巨大的销售商机和经济利益，因此在国外发达国家，对LED产业的前景十分看好，在研究是着重于技术方面的突破。
这也导致这些LED技术水平较高的国外产业在这种良性竞争的刺激下保证了LED产业的高速发展，促使LED具有更加高效的发光性能，更加的节能，更加的环保[6]。
然而虽然国内的LED产业发展的开始时间比欧美发达国家要晚，但是我们的发展空间很大，国内LED产业只有在不断的创新与开发新型的技术才能在国际大市场上分得一口蛋糕。
LED补光灯与智能化LED补光灯
所谓补光灯，就是用特定的光源对某些由于缺乏光照度的设备或植物进行灯光补偿的一种照明器材。
LED补光灯具有如下的显着优点：
1.寿命长。
LED补光灯由发光二极管组成，理论上的使用寿命长达几万小时。
2.能耗低。
LED灯比传统的白炽灯、荧光灯、金卤灯等，在相同的亮度下能节约一半以上的能源。
3.结构单一，抗震动和耐冲击力强。
LED芯片封装在坚硬的外壳中，固定很牢靠，具有很好的稳固性。
4.体积小。
LED灯具体积小巧，设计灵活，可以根据室外的设计需求随时改变灯具模式，而且运输安装方便。
5.受电压波动影响小。
LED受电压波动的影响很小，可靠性很高。
6.独特的冷光特性。
发光二极管的特性决定LED灯具不用担心因为长时间的使用从而使灯具的外壳高温变形，从而间接的提高了LED灯具的使用寿命。
随着近年来智能系统的发展，越来越多的产品和智能化相结合，智能化是科学技术在发展进程中靠先进信息技术与工业及建筑等艺术不断完美结合的一个过程，智能化带给人们生活的变化是日新月异有目共睹的。
而且智能化的LED补光灯能够有效的节约电力资源，并且极大的提高LED补光灯的使用寿命。
智能LED补光灯是时代的产物，智能LED补光灯是必然会取代传统式的补光灯，而且还会得到更加长足的发展。
LED的原理与特性
LED是发光二极管的简称（LightEmittingDiode）,是一种新型的半导体式的固体照明光源，能够通过芯片技术用光能的形式来表现电能。
LED最主要的就是一个半导体的晶片，该晶片由P型半导体和N型半导体两部分构成,其中P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴导电，空穴占多数。
N型半导体中，主要靠自由电子导电，自由电子的浓度远远大于空穴的浓度。
采用不同的参杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结,PN结具有单向导电性[7]。
物质总是趋之若鹜的从高浓度的地方向低浓度的地方运动，当把一个P型半导体和一个N型半导体放在一起的时候，在两种半导体的交界面会产生一个巨大的截流子浓度差，因而P区的空穴会浓度低的N区扩散，而N区的自由电子会向浓度低的P区扩散。
这就会形成内部的电场[7]。
如下图1-1是PN结的形成过程说明图。
图1-1PN结的形成图
当PN结外加反向电压，且|u|>>Ut时,这时i与u的关系曲线如下图1-2所示，称为PN结的伏安特性。
图1-2PN结的伏安特性曲线图
相较于PN结的伏安特性来说，二极管由于存在半导体体电阻和引线的电阻，所以在相同的电流下，二极管的端电压大于PN结上的压降；尤其在大电流的情况下这种影响更加明显。
在实际检测二极管的伏安特性时发现，只要在足够大的正向电压下，正向电流才从零随端电压指数规律增大[7]。
二极管的伏安特性如下图1-3所示。
图1-3二极管的伏安特性曲线
论文的主要内容
该篇论文研究的内容主要包括：
第一部分介绍了LED补光灯在国际环境下的发展历史以及诞生的历史原因，LED的原理和特性以及LED补光灯和智能化的结合。
第二部分介绍了设计的整体方案，系统的整体流程图，单片机的选取，灯珠的选择，控制回路的流程示意图。
第三部分介绍了LED补光灯系统的设计与制作，AT89S52-24PU单片机的引脚与内部结构图，模数转换器ADC0832的引脚功能以及程序代码，系统整体供电电源的选取，整体系统控制电路的设计和框图，以及控制回路的程序代码。
第四部分介绍了设计完成后制作出的实物的正反面拍摄图。
第五部分对于整篇论文做了一个总结，以及对于本次设计的不足之处的美好展望。
2.论文的整体设计方案
整体方案简介
本设计中的补光灯主要是用于城市安全防控监控系统中进行监控摄像等工作的，因此对于系统整体的稳定性、牢固性、抗震性以及在可能的恶劣环境中的能力都有很高的要求。
本论文设计的物品需要达到的目标和需求：
在外界的光照强度足够满足监控摄像的需求时，智能LED补光灯处于休眠状态，以最大限度的节约能源；在外界的光照强度不足以满足监控摄像的需求时，智能LED补光灯会自动开启，并且根据当前的自然光照强度智能调节补光灯的补光强度。
整体设计理念结构框图如图2-1所示。
图2-1系统整体结构框图
系统设计器材选取：
首先选取合适的发光二极管作为这次设计的补光灯光源；拟采用能耗小，环保无污染，体积小巧，稳定性强等优点的LED灯珠。
其次，电源的选取。
根据选择的LED光源设计选取合适的能够提供高效稳定电压的驱动电源。
由于本次设计的LED灯珠只有10个，对于电压的要求并不高，故而选用四节五号电池盒作为驱动电源。
然后，单片机控制电路的设计与选取。
该设计完成后需要达到的要求对于单片机来说并不高，也不难设计，不过对于单片机的稳定可靠性有一点的需求，因此此次单片机选用了低功耗、高性能的AT89S52。
AT89S52单片机如下图2-2所示。
图2-2AT89S52-24PU单片机
系统工作原理：
当光敏电阻器受到自然光照射时，会返回一个值，如果低于设定的值时，会发出相应的信号，根据相应变化改变亮的灯珠个数，电源给LED灯珠进行供电。
如果自然光照强度高于设定的触发值时，光敏电阻增大，控制器发出断开控制信号，电源停止供电，LED停止工作，系统待机。
补光灯光源的选择
由于该补光灯是用于城市安全防控监控系统中，用来在光线昏暗时对摄录对象进行补光，所以要选取发光高效，大功率的LED灯珠。
不过由于此次购买设备时要求各零部件相互间更好的结合在一起，也为了更加突出智能化的优势，特选取红色发光二极管最为此次LED补光灯的光源。
此次选取的灯珠图片如图2-3所示。
图2-3发光二极管构造图
LED补光灯的控制电路
对于本设计而言，只需用到小型的微控制单元（MicrocontrollerUnit）就足以胜任设计的全部需求。
另外为了不造成器件的浪费和程序过程的冗余，AT89S52型单片机具有低能耗，稳定性强，性能高等优点，特选择AT89S52型单片机作为本系统的控制中心[8]。
控制系统部分整体流程图如图2-4所示。
强
弱
图2-4单片机控制回路流程图
3.LED补光灯控制电路的设计与制作
单片机的介绍
基于本设计的需求，通过接收外界的信号对10个LED灯珠进行两个作为一对进行开关控制，这在功能需求上相对单一，操作简单，不过对于系统的稳定性需求很高，故而选用了低能耗，高性能的AT89S52-24PU型单片机作为核心控制单元[9]。
AT89S52是一种低能耗、高性能的八位CMOS微控制器，采用Atmel高密度非易失性存取技术，兼容80C51指令集和管脚，8K字节可在线编程（ISP）的Flash存储区。
AT89S52引脚结构图如下图3-1所示。
图3-1AT89S52引脚结构图
主要性能：
·?
与MCS-51单片机产品兼容
·?
8K字节在系统可编程Flash存储器
·?
1000次擦写周期
·?
全静态操作：
0Hz～33Hz
·?
三级加密程序存储器
·?
32个可编程I/O口线
·?
三个16位定时器/计数器
·?
八个中断源
·?
全双工UART串行通道
·?
低功耗空闲和掉电模式
·?
掉电后中断可唤醒
·?
看门狗定时器
·双数据指针
·?
掉电标识符
AT89S52内部组成方框图如下图3-2所示。
图3-2AT89S52内部组成方框图
AT89S52部分重要引脚功能介绍：
VCC：
接电源端
GND：
接地端
P0端口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口，作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻8位双向I/O，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平，在Flash编程和校验时，P1口接收8位地址字节。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平，在Flash编程和校验时，P2口也接受高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平，P3口也接受一些控制信号。
RET：
复位输出。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
A/D转换器的介绍
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换
芯片，它具有体积小，兼容性强，性价比高等等特点。
ADC0832具有以下特点：
·8位分辨率；
·双通道A/D转换；
·输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；
·5V电源供电时输入电压在0~5V之间；
·工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；
·一般功耗仅为15mW；
·8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；
·商用级芯片温宽为0°Cto+70°C，工业级芯片温宽为?
40°Cto+85°C；
A/D芯片顶视图如下图3-3所示。
图3-3ADC0832芯片图
芯片接口说明：
·CS_片选使能，低电平芯片使能。
·CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
·CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
·GND芯片参考0电位（地）。
·DI数据信号输入，选择通道控制。
·DO数据信号输出，转换数据输出。
·CLK芯片时钟输入。
·VCC/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
ADC0832在本设计中用于将光敏电阻收集到的模拟信号转换为数字信号输出给AT89S52单片机控制端[10]。
整体供电电源的选择
AT89S52芯片的供电电压理论值在之间，为了使设计更加简便实用，特选取四节五号电池盒来为系统进行整体的供电。
四节五号电池盒既能够满足系统的电源需要求又简便实用。
整体控制电路的设计与制作
本设计是采用光敏电阻器来接收外界光照强度，通过模数转换器将光敏电阻器采集到的数据装换成数字信号，单片机主控制中央通过对传输进来的数字信号进行判断从而控制LED灯珠，从而达到智能化控制的目的。
此次设计将光照强度分为六个阶段，强光为断开供电，没有LED灯珠点亮，弱光从2至4至6至8至10个分阶段的点亮LED灯珠。
从而能够完成对补光灯的智能化的控制[11]。
系统总电路图如下图3-4所示。
图3-4系统总电路图
4.实物的制作
经过前面的设计选材和电路设计规划，进行实物的制作，实物图如下图4-1（a）（b）所示。
图4-1（a）实物正面图图4-1（b）实物背面图
对照电路图进行实物的制作，然后拿到不同的光照强度下进行一系列的检测，实验结果很好的达到了设计之初计划达到的目标，本次设计基本完美。
5.总结与展望
总结
作为城市安全防控监控系统的一个重要部分，智能LED补光灯起到至关重要的作用，在各种光线昏暗的恶劣环境下，为监控系统补充足够的光照，并且做到尽可能的节约能源。
本次设计研究分析了以下所列出的问题：
1 分析研究了LED光源诞生的背景以及它出现的意义，分析了国际大环境下的LED产业的发展概况，重点研究了LED补光灯相较于其他几代照明光源和其他几种补光灯的优劣势。
2 研究探讨了LED的工作特性以及形成原理，以及LED补光灯与智能系统的结合，以及结合后对于人类社会产生的改变。
3 详尽的介绍了本次设计所选用的单片机和模数转换器，以及各个的作用与选取的理由。
4 对LED补光灯的智能化设计，利用光敏电阻对于光强的感知灵敏度，完成了LED补光灯智能化的过程。
展望
本次设计论文在LED补光灯智能化方面做了一定程度的研究与分析，但是由于器材设备不完善以及本人精力有限能力不足等各客观方面的原因，该设计在某些方面还存在一定的及缺陷，这在后续的研究还有待各位学弟学妹们的进一步改善，在这里提出对以后工作的展望。
1 可以根据不同的环境下选择不同的LED灯珠进行更近一步的优化设计，另外，还可以根据实时情况增加灯珠数量，选择更加优质的LED灯珠作为光源。
2 本次设计根据光强将补光分为六个阶段，在以后的研究中可以更加详细的划分光照层次，最好可以实现动态化的实时补光，以达到更加高效的补光效率。
3 在以后的设计研究中，可以考虑加入定时模块，和红外感光模块，以实现深夜无人的情况下补光灯停止工作进入休眠状态，在有人的情况下才进入工作状态,以达到更加高效的节能环保目的。
4 开关电路设计加入无线发射模块或者智能控制开关，以实现高效智能。
参考文献
[1]王庆纲,杨晓丹,顾应欣.低碳经济背景下
升级会员 