遥控调光调色LED灯设计毕业设计.docx

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遥控调光调色LED灯设计毕业设计

毕业论文声明

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1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。

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对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

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4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。

论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。

学位论文作者（签名）：

年月

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论文作者签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

哈尔滨剑桥学院

毕业设计

论文题目：

遥控调光调色LED灯设计

学生：

杨光

指导教师：

崔莉讲师

专业：

电气工程及其自动化

班级：

12级电气2班

2016年5月

遥控调光调色LED灯设计

摘要

LED灯控制系统我们的生活中随处可见，在傍晚繁华的街道上，更是绚烂多彩，十分好看。

这种LED灯给我们的生活增添了美景，给我们以舒服的视觉环境，并且还能起到照明、指示等作用。

本文在对单片机技术研究的基础上，采用单片机作为LED控制系统的核心，通过外围电路的搭建，设计了一种基于智能化遥控方法实现的调光调色功能的LED灯控制系统。

本系统优于传统的LED照明控制系统，能够实现通过智能遥控方法调节光的强度，使用方便，功耗低，性价比高，便于推广使用。

本系统利用点亮LED灯的数目来改变光照强度，LED灯点亮的个数越多，光线强度越大。

本系统利用光敏传感器对光照的强度进行检测，然后将检测的结果送入到A/D转换模块中，并将转换结果送入单片机进行分析和处理，并利用结果调整光的强度。

在环境中光照强度较大时，本系统中的LED灯点亮个数自动较少，在不影响视觉效果的情况下，有效节约能耗；相反，在环境中的光照强度较弱时，本系统中的LED灯点亮个数自动增加，提高光照强度，获取更好的视觉效果。

本系统有效避免了手动开启、关闭、调整LED灯点亮个数等繁杂性操作，提高了LED系统的智能化程度，使系统能够自行根据环境情况，获取最佳视觉效果。

关键词：

智能调光；光敏传感器；LED灯；光照强度

附录29

遥控调光调色LED灯设计

1绪论

1.1研究背景和意义

经济的快速发展，LED照明系统的在我们的生活中应用的更加普遍。

LED灯控制系统我们的生活中随处可见，在傍晚繁华的街道上，更是绚烂多彩，十分好看。

这种LED灯给我们的生活增添了美景，给我们以舒服的视觉环境，并且还能起到照明、指示等作用。

LED灯的优点有很多，现在很多照明系统中采用的都是这种LED灯。

这种灯具有体积小、节能、使用时间长、亮度高、散热少、环保性好、耐用、外边结构结实、不易损坏等优点。

由于LED灯现在使用的领域越来越多，所以，有必要对LED灯控制系统智能化进行研究，提高LED灯的智能遥控能力，提高系统的自动化和智能化程度。

智能调光系统在未来的发展前景是非常好的。

现在物联网技术的飞速发展以及传感器技术的跨越式前进，使人们生活中的自动化和智能化程度越来越高。

在加上现在的物联网技术的发展，使得原先不可能的事情，都变成了显示。

利用各种新型技术的有效集合，都能够促进类似LED智能灯控制系统的发展。

随着社会的发展，照明系统已经成为各种场合具体应用的不可或缺的一部分，它甚至在舞台灯光、城市路灯、家居环保中起着举足轻重的作用，而其核心模块就是单片机智能控制系统。

但对于一些大型的应用场合，如：

露天停车场、活禽养殖厂、工厂控制车间等，都存在光照应用不合理，电力能源过度消耗等严重问题，甚至城市光污染越来越成为一个新的议题。

智能调光系统不仅可以解决上述问题，还可以使灯在有需要的时候自动开启或者关闭，并且能够做到自适应调整，以达到对外界的最佳照明效果。

成功地避免了灯在不需要的时候开启或者需要时关闭，大大的避免了不必要的电力能源浪费，对于地球环保和能源的节约，可以起到巨大的推动作用。

据可靠调查，一个城市每年在电力消耗的经济支出上对于普通人来说简直是一个天文数字，且一个人一生中的不必要的用电都可能供城市公用路灯系统支持几天。

智能光照系统如果可以普及化，不仅可以为财政部门省下了一大笔的开支，使其可以将节省下的资金投资到更有意义的地方去，使得城市可以更好、更快的发展。

同时对于世界来说，更是可以取得巨大的节约能源效果，对于绿色地球的实现做出巨大的贡献。

展望一下未来，智能调光系统的应用前景是十分光明的。

伴随着物联网技术的广泛应用和传感器技术领域的突破，人们可以更加方便控制各种灯光了。

时下正在兴起的无线技术，也为智能调光增添了一缕新的色彩。

智能调光系统可以广泛应用于智能家居、智慧旅店、智能建筑、智能农业等系统中，实时探测环境中的光照强度，即时生成数据并发送到监控平台或系统中心。

如：

（1）智慧家居——根据实际需要，让你的家明亮舒适。

（2）智慧农业——为农作物提供适宜的光照，促进作物的生长。

（3）智慧厂房——为工厂生产提供合适的光照环境，节约能源消耗。

（4）智慧楼宇——结合阳光和灯光，让楼宇保持明亮舒适。

（5）智慧养殖——为家禽家畜提供适宜的光照，促进其生长繁殖。

本系统优于传统的LED照明控制系统，能够实现通过智能遥控方法调节光的强度，使用方便，功耗低，性价比高，便于推广使用。

本系统利用点亮LED灯的数目来改变光照强度，LED灯点亮的个数越多，光线强度越大。

1.2主要研究内容

LED灯智能调光系统具有很高的自动化程度，本系统由STC89C52RC和ADC0808、LED灯、七段数码显示管等芯片构成。

该系统能够实现光信号强度的检测、控制、以及显示功能。

本文研究的是一种通过光线强度情况，对LED灯的亮和灭个数进行自动遥控的一种调光系统。

本系统基于光敏电阻传感器，通过环境的光线强弱进行检测，并将检测得到的电压值送入ADC采集模块中，最终送入单片机内进行处理。

单片机的分析结果，可以直接遥控LED灯控制系统的开关，使得相应数量的开关闭合或者打开，从而让LED灯系统的光照强度在可控范围内，达到一定的程度。

本系统实现了对环境中光线强度的自动调节功能，节约了能耗，免去了手动打开或者关闭LED灯开关的操作，实现了感应遥控LED灯系统的目的。

因此，本系统对照明领域具有一定的研究意义。

2系统整体设计

2.1系统功能设计

本文利用以光敏电阻能够根据外界环境光线的强度变化而改变自身阻值的特性，设计了一种LED灯智能遥控调节系统。

外界环境的光线越强、光敏电阻的阻值越小；相反，外界环境的光线越弱、光敏电阻的阻值越大。

当光敏电阻的阻值发生变化时，光敏电阻的两端电压将会发生变化，通过ADC模块能够对这个电压信号进行采集，并经单片机进行处理，最终通过LED数码管进行显示。

本系统主要由五大模块组合而成，分别是：

单片机最小系统模块，光线接收模块，AD转换模块，地址锁存模块（74HC373），8255和LED显示模块。

系统整体结构框图如图2-1所示。

图2-1系统整体结构框图

LED的内在特征决定了它具有很多优点，诸如：

（1）体积小。

（2）耗电量低：

LED耗电相当低，直流驱动，功耗（单管0.03～0.06瓦），电光功率转换接近30%。

一般来说LED的工作电压是2～3.6V，工作电流是0.02～0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。

（3）使用寿命长：

有人称LED光源为长寿灯。

它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

（4）高亮度、低热量：

LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

（5）环保：

LED是由无毒的材料做成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

（6）坚固耐用：

LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。

上述一系列的优点，决定了LED灯正在成为主流应用最佳选择。

2.2所使用芯片的简介

2.2.1单片机芯片

单片微型计算机简称单片机，特别适合用于控制领域，故又称为微控制器，它是将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。

单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一个非常活跃和颇具有生命力的机种。

片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能化仪表、过程控制和家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。

因此要完成此系统的设计，考虑到实际的应用和性价比，在数据处理和控制方面单片机是首选。

STC89C52RC是一款低功耗和高性能的CMOS8位微控制器，拥有8K的系统可编程Flash存储器[1]。

在这个单独的芯片内，具有8位CPU。

它的系统可编程Flash，能够让STC89C52RC成为嵌入式控制应用系统中，一种具有高度灵活性的实际方案解决芯片[2]。

STC89C52RC引脚图如图2-2所示。

图2-2STC89C52RC引脚图

STC89C52RC的内部具有很多构造，包括：

8k字节Flash；512字节RAM；32位I/O口线；看门狗定时器。

它的内部还设置有4KBEEPROM和MAX810复位电路，含有3个16位定时器/计数器，1个6向量的2级中断结构[3]。

它的工作方式为全双工串行口形式。

STC89X52芯片能够将自身频率降至0Hz的静态逻辑下实施工作。

它在空闲模式的状态下，CPU能够停止工作，能够让RAM、定时器/计数器、串口、中断不间断性的进行工作[4]。

在掉电保护状态的情况下，RAM内容能够进行存储操作。

它的振荡器可以实现被冻结，而且单片机在冻结以后，所有的工作也就停止运行了，直至接收到下一个中断或者硬件复位电路启动为止。

它的最高工作频率能够实现高达35Mhz，并且可以从6T/12T中进行选择[5]。

P1.0和P1.1引脚复用功能如表2-1所示。

表2-1P1.0和P1.1引脚复用功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）

P3口既能够作为一般的I/O口使用，还具有很多特殊功能，如表2-2所示。

表2-2P3口引脚复用功能

引脚号

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

2.2.2模数转换芯片ADC0808

ADC0808属于带有8位的A/D转换器、8路多路开关，而且能够和微处理机具有兼容性的控制逻辑的CMOS组件。

该芯片为逐次逼近式A/D转换器，能够与单片机直接进行接口[6]。

ADC0808具有1个8路模拟开关、1个地址锁存和译码器、1个A/D转换器和1个三态输出锁存器。

多路开关能够对8个模拟通道进行选通，允许8路模拟量分时进行输入，同时应用A/D转换器实施信息的转换[7]。

三态输出锁器可以应用在锁存A/D转换完的数字量情况，在OE端是高电平的情况下，允许利用三态输出锁存器取走转换完的数据信息[8]。

ADC0808对输入模拟量要求：

信号单极性，电压范围是0～5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。

ADC0808的引脚图如图2-3所示。

图2-3ADC0808管脚图

1～5和26～28（IN0～IN7）：

用来作为8路模拟量输入端口。

8、14、15和17～21：

用来作为8位数字量输出端口。

22（ALE）：

用来作为地址锁存允许信号，输入，在高电平的情况有效。

6（START）：

在START位于上跳沿的情况下，全部内部寄存器将会清零；下跳沿的情况下，实行A/D转换操作；在此转换过程中，START会维持在低电平的情况。

7（EOC）：

作为A/D转换结束信号，输出，在A/D转换结束操作的情况下，此端口将会输出一个高电平。

9（OE）：

作为数据输出允许信号，输入，在高电平的情况有效。

在A/D转换结束的情况下，该端口将输入一个高电平，然后才可以打开输出三态门，输出数字量。

10（CLK）：

用来作为时钟脉冲输入端口。

12（VREF（+））和16（VREF（-））：

用来作为参考电压输入端口。

11（VCC）：

用来作为主电源输入端口。

13（GND）：

用来作为接地端口。

23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：

3位地址输入线，用来选通8路模拟输入中的某一路。

2.2.3地址锁存芯片74HC373

74HC373芯片内部具有八路D型透明锁存器。

该芯片经常使用在面向总线的三态输出领域中，其全部的锁存器都会共同使用1个锁存使能端口LE和1个输出使能端口————OE端[9]。

74HC373芯片引脚图如图2-4所示。

图2-474HC373的引脚图

————OE：

output_enable，用来作为输出使能端口；

LE：

latch_enable，用来作为数据锁存使能。

其中，latch为锁存；

Dn：

是芯片的第n路输入数据端口；

Qn：

是芯片的第n路输出数据端口；

74HC373的真值表如表2-3所示。

表2-374HC373的真值表

————OE

（1）真值表，表示芯片在输入和其它的情况下的输出情况。

真值表的意思如下：

第一、二行：

当————OE＝0、LE＝1时，输出端数据等于输入端数据；第三行：

当OE＝0、LE＝0时，输出端保持不变；第四行：

当————OE＝1时，无论Dn、LE为何值,输出端为高阻态。

（2）高阻态，就是输出既不是高电平，也不是低电平，而是高阻抗的状态；在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是,这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯片烧毁。

（3）数据锁存，即当输入的数据消失时，在芯片的输出端,数据仍然保持。

（4）数据缓冲，加强驱动能力。

74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。

在实际应用的时候是这样做的：

①OE＝0；②先将数据从单片机的口线上输出到Dn；③再将LE从0->1->0；④这时,你所需要输出的数据就锁存在Qn上了，输入的数据在变化也影响不到输出的数据了；实际上，单片机现在可以忙着干别的事情，如串行通信、扫描键盘。

2.2.4并行口扩展芯片8255

8255为Intel公司研究并推广的一种具有可编程并行I/O接口功能的芯片。

该片拥有3个8位并行I/O口，具有3个通道以及3种不同形式的工作方式[10]。

它的各个端口的功能能够通过软件进行设置，能够便于使用，便于推广，具有很强的应用性[11]。

8255能够当成是单片机和外围很多器件连接时的中间过渡电路[12]。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。

由于8255可编程,所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为3个部分：

与CPU连接部分、与外设连接部分、控制部分。

8255芯片的引脚图如图2-5所示。

图2-58255芯片的引脚图

8255各引脚的功能[13]如下：

RESET：

作为复位输入线端口使用。

——C——S：

作为芯片选择信号线端口使用。

在此输入引脚是低电平的情况下，也就是——C——S=0的情况，代表芯片已经被选中，许可8255和CPU相互间实现通讯操作；相对应的，在——C——S=1的情况下，8255将不能和CPU进行数据的传输操作。

——R——D：

作为读信号线端口使用。

在此输入引脚是低跳变沿的情况下，也就是————RD会生成一种低脉冲，而且当——C——S=0的情况下，能够让8255利用数据总线向CPU发送数据，或者是状态数据信息，也就是CPU由8255读取得到的信息或者数据。

————WR：

作为写入信号端口使用。

在此输入引脚是低跳变沿的情况下，也就是————WR生成某个低脉冲信号时，而且当——C——S=0的情况下，则许CPU把数据或者控制字写入到8255的内部。

D0～D7：

作为三态双向数据总线端口使用。

8255和CPU能够进行数据的传送，并且作为其传输通道使用。

在CPU执行输入以及输出指令的情况下，可以利用它完成8位数据的读或者写操作。

同时，控制字和状态信息也就可以利用数据总线进行传送操作。

8255具有3个相互独立的输入/输出通道端口，用+5V单电源供电，能在以下三种方式下工作。

方式0——基本输入输出方式；

方式1——选通输入/出方式；

方式2——双向选通输入/输出方式；

PA0～PA7：

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

工作于三种方式中的任何一种。

PB0～PB7：

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

不能工作于方式二。

PC0～PC7：

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

不能工作于方式一或二。

A1A0：

地址选择线，用来选择8255的PA口、PB口、PC口和控制寄存器。

当A1A0=00时，PA口被选择；当A1A0=01时，PB口被选择；

当A1A0=10时，PC口被选择；当A1A0=11时，控制寄存器被选择。

2.2.5七段数码器

显示器的类型有很多种，系统的显示器通常用来作为数据信息的输出设备。

在基于单片机技术设计的系统内，使用最为广泛的共有两种显示器[14]。

第一种是发光二极管显示器，也就是LED显示器；第二种是液晶显示器，也就是LCD显示器。

LED和LCD显示器各自具有不同的特点，相对来说，两种显示器共有的优点是结构简易，性价比高，接口形式方便使用，并且都具有广泛的应用范围[15]。

发光二极管，也就是LED。

LED显示器还可以叫做数码管。

LED显示器的内部构造中，通常是具有8个发光二极管。

其中，7个长条形的发光管进行整齐的排列，在外部看来呈现一种“日”字形。

还有一种发光管会在显示器右下方作为小数显示时使用。

这种数码管能够实现各种数字和部分英文字母的显示。

LED显示器主要具有两种不同的构建形式：

一种是基于8个发光二极管的阳极，将阳极全部连接以后，就可以称作是共阳极LED显示器；还有一种是基于8个发光二极管的阴极，将阴极全部连接在一起以后，就可以称作是共阴极LED显示器。

通过发光二极管能够构成显示屏，并且显示屏中的每个点均属于一个或多个发光二极管。

利用控制电路能够实现对二极管的有效控制。

这种方式能够控制二极管的亮和灭，并且能够通过这种方法控制点的发光与否。

然后，通过控制让整个大屏幕系统对图案进行显示。

液晶显示器的LCD中，使用最为广泛的一种是TFT类型。

这种类型的LCD显示器是通过光源、液晶光栅以及芯片控制电路构成的。

LCD的光源一般情况下会显示常亮的白色强光。

在光线在液晶液晶屏中通过的情况下，可以将电压进行转变，转换到液晶颗粒的滤光方向上，使得每个点的颜色发生变化，并且以一定的强度实施图案的显示[16]。

液晶显示器的型号有很多种，依据显示方式的不同能够分成不同的显示类型。

其中，包括：

段式显示，行点阵式显示以及全点阵式显示，共3种类型。

液晶显示器中的段式显示类型和数码管显示的原理很相似。

行点阵式型液晶显示器，通常情况下是用来显示英文字符。

全点阵式液晶显示器，一般情况下用来对信息进行显示，显示的范围比较多样，例如：

汉字、图形以及图表等信息。

考虑到本系统的设计要求和实际使用情况，本系统选用八位七段数码显示器，其外形结构如图2-6所示。

图2-6八位七段数码显示器

8个笔划段h、g、f、e、d、c、b、a，分别对应1个字节，也就是8位的D7、D6、D5、D4、D3、D2、D1、D0。

所以，通过8位二进制码就能够对想要显示的字符和字形代码进行表示。

LED显示器的点亮形式主要有以下两种，第一种是静态显示，还有一种是动态显示。

静态显示，意思是说每个显示器必须占有独立的，而且能够实现锁存功能的I/O界面，并将其用在笔划段字形代码中。

这种情况下，单片机仅需要将要显示的字形代码发送到界面电路，然后就不必需要更多的关注

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