家庭智能led照明灯具的设计论文.docx

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家庭智能led照明灯具的设计论文

摘要

在生活当中，照明在能耗当中所占的比例越来越大，当今照明的节能越显重要。

一个好的照明控制系统，能为人们的生活、学习、工作等提供良好的视觉条件，营造舒适的光环境。

目前在国内和国外通常使用的大概有这几种类型：

触摸型、声控型、感光型等。

论文主要介绍了基于单片机的家庭智能LED照明灯具的设计。

设计采用单片机作为控制系统，结合LED照明技术、光感技术、红外传感技术等实现了对照明设备的智能化控制。

智能化照明设备克服了传统照明设备耗能、不便于调节光强等缺点，实现了对光强调整的人性化、智能化的控制。

硬件设计主要包括单片机控制电路、按键电路、LCD显示电路、热释电传感器处理电路。

软件设计主要包括单片机主控程序、ADC控制程序的设计和LCD显示程序的设计。

家庭智能LED照明灯具通过人体感应模块（热释电传感器）决定LED灯的关闭和开启。

同时可以通过光照检测电路对周围环境亮度进行检测，进而实现对LED灯的控制。

设计通过点亮LED灯的个数来实现光照强度的调整，同时可用按键熄灭或者开启一组LED灯。

解决了照明设备关闭、自适应调整和自动开启的问题，从而达到良好的光环境和调光效果。

关键词：

单片机；光敏传感器；节能；LED灯；智能控制

ABSTRACT

Inlife,lightingintheproportionofenergyconsumptionwhichismoreandmorebig,theenergysavingoftoday'slightingismoreimportant.Agoodlightingcontrolsystem,forpeople'slife,study,work,etc.toprovideagoodvisualconditions,andcreateacomfortablelightenvironment.Itisusuallyusedathomeandabroadaboutseveraltypes:

touchtype,soundtype,photosensitivetypeetc..

ThispapermainlyintroducesthedesignofintelligentLEDlightinglampsbasedonsinglechipmicrocomputer.Designusesamicrocontrollerascontrolsystem,combinedwiththeLEDlightingtechnology,opticalsensingtechnology,infraredsensingtechnologytorealizetheintelligentcontroloflightingequipment.Intelligentlightingequipmenttoovercomethetraditionallightingequipment,energyconsumption,isnoteasytoadjustthelightintensityandothershortcomings,toachievethelightintensityadjustmentofhumannature,intelligentcontrol.

Thehardwaredesignmainlyincludesthesinglechipmicrocomputercontrolcircuit,thekeycircuit,theLCDdisplaycircuit,thepyroelectricsensorprocessingcircuit.Thesoftwaredesignmainlyincludesthecontrolprogramofthesinglechipmicrocomputer,thedesignoftheADCcontrolprogramandthedesignoftheLCDdisplayprogram.HomeintelligentLEDlightinglampsthroughthehumanbodyinductionmodule（pyroelectricsensor）todeterminetheLEDlightsoffandopen.Atthesametime,thebrightnessofthesurroundingenvironmentcanbedetectedbythelightdetectioncircuit,andthenthecontroloftheLEDlampcanberealized.ThedesignofanumberoftheLEDlamplittoachievelightintensityadjustment,whilekeyscanopenoutoragroupofLEDlamps.Tosolvetheproblemoflightingequipmentclosed,adaptiveadjustmentandautomaticopening,soastoachieveagoodlightenvironmentandlightadjustmenteffect.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer;photosensitivesensor;energysaving;LEDlamp;intelligentcontrol

1绪论

1.1研究背景与意义

现在社会正在高速发展，照明已成为我们生活中息息相关的一部分，在学习，城市建设等有着举足轻重的作用。

LED灯的芯片由半导体材料制成，这种材料最大的特点在于可以电致发光。

相较于传统光源有着不可比拟的优势，而且在其他方面也有着广泛的用途。

1、体积小：

LED很小，它是将一块非常小的晶片进行封装。

二、耗电量低：

LED耗电相当低，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。

三、使用寿命长：

与传统照明设备相比，LED的使用时限高达10多万个小时。

四、高亮度、低热量：

LED光源是一种冷光源，采用冷发光技术，发热量较低。

五、环保：

LED灯的制作材料是无毒不含水银等有毒物质，所以非常环保。

六、坚固耐用

LED灯发展及其的迅速，从工业、建筑到家居几乎都有它的身影。

近年来，随着高亮度黄光LED灯的出现，智能控制技术，网络技术相结合的智能化调光系统将成为发展的必然趋势。

以自动控制为主，尽量减少人为的操作，这是智能控制主要的思想。

所以其在一般的情况下，不需要人的参与。

这样有利于效率的提升，也避免出现一些不可控的因素。

有利于提高管理水平。

其实家庭智能化照明灯具在环保和节能方面也具有巨大的发展空间。

它可以做到自适应调整，根据个人需要自动开启和关闭。

这样既节约了电力，又避免了一些不必要的人力的浪费。

相信对于现在地球的环保将起着巨大的推动作用。

自动化控制系统有很多种，设计的智能调光系统由AT89C51、模数转换ADC0832辅以一些传感器，检测设备，控制设备和显示设备等组成。

光敏电阻可以根据周围环境光线情况改变阻值，通过转换模块将信号输入到单片机，从而能控制LED灯。

另外，可以根据周围环境光照情况，自动点亮或者熄灭LED灯。

同时可以手动控制其亮度和色温，从而达到最佳的灯光效果，实现智能化控制化的目的。

可以想象，未来LED将有机会全部取代普通的照明光源。

其发展的潜力是巨大的。

相信在不久以后将其应用于生活中的方方面面，如农业，家居，楼宇等不再是一个梦想。

1.2国内外研究现状

随着科技和工业的发展及各种新型材料的出现，LED灯的制作成本越来越低。

其商业潜力无限，商业规模也更加巨大。

LED灯不在局限于高端市场，开始进入普通百姓人家。

家居照明成为其拓展的亮点。

相较于普通的照明设备，LED灯亮度高，节能，而且不含汞，符合政府节能环保的政策。

所以LED灯在各个方面都具有其应用价值。

比如LED灯泡、吸顶灯、面板灯等。

一般来说，智能控制一般以计算机技术为主，通信，电气，自动化等相关学科为辅。

其能够根据外界不同环境，不同情况，进行智能化控制。

达到节能，降低相关费用的目的。

而在传统领域，其控制方式一般为手动控制，需要人实时的去控制，管理。

这对人力资源是一种很大的浪费。

在国外，一些学者已研发了专门的控制系统，控制的方式呈现多样化，如遥控，现场感应等。

营造各种适宜的光环境。

但不可忽视的是LED灯的研究仍存在一些问题：

对于普通照明来说，LED灯主要目的在于节能，与其驱动设计不符，也忽略了人们对恒照明光环境的追求。

另外，其在保护这一方面还有欠缺，如过温和过流保护。

同时由于LED灯在户外领域发展的迅速，更多的人力，物力资源向户外领域研究倾斜，室内照明稍显落后。

所以LED在户内照明的发展前景是巨大的。

2设计总体方案

2.1设计内容与要求

设计一种家庭智能LED照明灯具，能通过按键控制LED灯的开关，当有人进入探测范围，可以根据环境光线强度控制LED灯的开关。

2.2设计方案选择

自动化控制系统有很多种，设计的智能调光系统的设计方案也多种多样，下面介绍各种设计方案的选择。

2.2.1单片机的选择

方案一、MCS-51单片机

AT89C51是51系列单片机中最具代表性的型号，得到了广泛的应用。

AT89C51以一块集成芯片为主，集成了控制所需要的基本内容。

一般来说，它包括了CPU、存储器、I/O口、定时器、寄存器等。

以CPU为主，结合芯片，其他部分通过片内单一的总线连接起来。

控制方式以寄存器中的集中控制方式为主。

方案二、AVR单片机

AVR单片机是一种高速8位单片机，它精简了RISC指令集。

它出现在51系列单片机之后，相对51系列，AVR资源更为丰富，也拥有更为强大的接口。

其在很多设计与场合可以代替51系列单片机，而且价格也更为低廉。

AVR单片机使用的是MCU，硬件结构较为简单，没有大量的外围器件，系统的可靠性也较强。

方案分析：

上述两种单片机基本都可以实现设计，因为AT89C51有较强的代表性，可查资料也比较多，设计采用方案一。

2.2.2人体感应检测方案的选择

方案一、主要的检测元件为红外对管。

其由红外发送管和红外接收管组成，这两个元件是相对的，只要中间有物体，将会遮挡信号，这样红外接收管将接收不到信号，以此进行检测。

方案二、采用常见的BIS0001电路，能够将传感信号进行处理。

一般来说，人体热释电传感器是一个模块，由BIS0001、热释电传感器和一些外部元件组成。

一般用于一些自动灯光和智能照明系统。

方案一中的两个元件必须要求相对，使用起来不太方便，选用方案二较为合适。

2.2.3光照检测的方案的选择

方案一、光敏电阻能够根据外界光照强度而改变阻值，通过这一特性，可以把相应的亮度转换成一个模拟值。

方案二、利用一些常见的光传感器件，如光敏二极管和三级管，目前使用较多的是硅光电二极管。

它能够把周围环境的光照强度转换成一个数字电平，将其输入到单片机中。

因为手动模式需要根据LCD显示的亮度信息（模拟值）来调节LED灯的亮度，所以采用方案一。

2.2.4ADC芯片的选择

方案一、ADC0809

ADC0809是一种8通道的A/D模数转换器，可以根据译码后的信号，选择其中一个进行A/D的转换。

它常应用在单片机初学设计中。

方案二、ADC0832

ADC0832相较于0809，它只有两个转换通道，其分辨率为8位，在设计中有很高的普及率。

它的性价比和兼容性高，深受单片机爱好者的欢迎，基本可以适应一般的模拟量转换要求。

芯片的转换时间也极短，转换速度快，误差性小，芯片使能输入是独立的，控制起来更加的方便。

ADC0809是八通道，ADC0832为双通道，而且ADC0832能够轻易的实现通道功能的选择，设计选择方案二。

2.3系统总体设计方案

设计以ADC数据采集模块为核心，辅以时钟电路，复位电路，热释电传感电路，LCD显示电路和LED发光电路组成。

光敏电阻在特定波长的光照射下自身的阻值会改变，通过这一特性，可以同时加载一个电阻，电阻两端电压变化。

ADC采集电压值，并将其转换成数字信号传输到单片机。

设计在默认上电状态下为自动模式，可以根据光照强度自动调节LED的亮度（通过点亮LED灯的个数）。

同时LCD液晶显示器可以显示相关信息，便于手动调节。

系统设计框图如图1所示。

图1系统设计框图

智能调光的自动化调整的控制方式有很多，设计由AT89C51、ADC0832辅以一些传感器，检测设备，控制设备和显示设备来设计智能光照系统。

光敏电阻可以根据周围环境光线情况改变阻值，通过转换模块将信号输入到单片机，从而能控制LED灯。

另外，可以根据周围环境光照情况，自动点亮或者熄灭LED灯。

同时可以手动控制其亮度和色温，从而达到最佳的灯光效果，实现智能化控制化的目的。

2.4系统工作原理

设计基于光线传感器（光敏电阻）对于周围环境光照强度的感应。

通过ADC采集模块（ADC0832）采集光敏电阻两端的电阻值。

因为光敏电阻的阻值会随着光线强度的变化而进行改变，光线强度越弱，其阻值越大。

两端电压也将随着阻值的变化而变化。

ADC模块将此电压数据采集，当其达到设定值的时候，LED灯将会自动增加点亮灯的个数，同时LCD显示器将会显示相关信息。

反之，当ADC0832所采集到的值达到设定的较小的阀值，LED灯将会自动关闭一些点亮灯的数目。

另外，设计采用了手动模式，通过按钮来自己调整LED灯的数目，方便个人的选择，更加的人性化。

3使用芯片和相关模块的简介

3.1单片机芯片

单片机一般是将一个计算机系统集成在一块芯片上，能够实现基本的功能。

设计采用较为常用的AT89C51作为其控制核心。

AT89C51带有高性能的8位处理器，而且所需的电压较低。

它包括RAM、ROM、核心CPU、I/O接口等。

一般来说其包含以下几个组件：

一个8位CPU；时钟电路，用来实现震荡；4K字节ROM程序存储器：

128字节RAM数据存储器；两个16位定时器/计数器；外部存储器；可编程的I/O口；一个可编程全双工串行口；外加中断结构和中断源。

以上功能部件以CPU为核心，由片内单一总线连接而成。

CPU：

能够处理各种数据，发送指令，是单片机的“大脑”。

RAM：

用来存放可以读写的数据。

片内为128B，片外可扩展64KB。

ROM：

用来存储程序，只读存储器。

片内集成了20KB，片外可扩至64KB。

中断系统：

含有五个中断源，其中两个享有中断优先权。

I/O口：

具有4个8位并行I/O口。

特殊功能寄存器：

监视、管理内部的功能部件。

AT89C51单片机引脚图如图2所示。

图2AT89C51单片机引脚图

3.2LCD显示器LMO1602

液晶显示器，能够显示两行数据。

通常将其作为单片机的显示器。

相对于普通的数码显示管，其显示质量高，不会闪烁，较为稳定。

而且其显示的是数字式，简单明了，和单片机的接口也更为简单。

另外，其功耗低，体积小、重量也较轻，相较于传统的显示器的耗电量和重量要少很多。

引脚介绍：

第1脚：

VSS接地

第2脚：

VDD接电源

第3脚：

V0液晶显示器对比度调整端

第4脚：

RS寄存器选择

第5脚：

R/W读写信号线

第6脚：

E使能端

第7脚：

DB0双向数据总线0位

第8脚：

DB1双向数据总线1位

第9脚：

DB2双向数据总线2位

第10脚:

DB3双向数据总线3位

第11脚:

DB4双向数据总线4位

第12脚:

DB5双向数据总线5位

第13脚:

DB6双向数据总线6位

第14脚:

DB7双向数据总线7位

图3液晶显示器尺寸图

VEE用来调节LCD的背光亮度，RS为数据指令的控制端口，R/W用来控制LCD的读写功能，A、K为背光控制的电源，E为数据读写操作的控制位。

内部控制指令为11条。

3.3最小系统模块

最小系统模块：

作为单片机运行最为基本的组件，其是必不可少的。

只有具有这些基本的组件，单片机才能正常的运行。

同时能对其进行存储扩展、A/D扩展等。

由于扩展的无限可能性，可以根据用户的不同需求设计不一样的电路，组成较为复杂的系统，同时编写相应的程序，就可以实现对应的功能。

51单片机最小系统的功能主要有：

能够运行用户所编写的程序，同时对单片机进行复位和扩展。

最小系统引脚功能的说明如下：

（1）18，19脚为单片机的晶振引脚；外接晶振和起振电容，便于单片机起振。

（2）9脚为单片机的复位引脚；当出现一些异常的情况时，方便单片机进行复位。

图4单片机最小系统模块

3.4光线接收模块

光线接收模块以光敏电阻为主。

硫化镉为光敏电阻主要的制作材料。

硫化镉在一些特定波长光的照射下，光照所产生的载流子参与导电，并做漂移运动，自身的阻值会产生变化。

图5光线接收模块

3.5AD转换模块

根据光敏电阻能够根据周围环节光照强度改变自身阻值的特性，采集相应的数据输入单片机。

该模块可用芯片ADC0832实现。

ADC0832有两个通道口，通道能够实现A/D的转换。

芯片接口说明：

CS_片选使能，低电平有效。

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）。

图6A/D转换模块

3.6光敏电阻5516

最大电压（V-dc）：

150

最大功耗（mW）：

100

环境温度（°C）：

-30～+70

光谱峰值（nm）：

560

亮电阻（10Lux）（KΩ）:

5～10

暗电阻（MΩ）:

0.8

响应时间（ms）：

上升：

30，下降：

30

照度电阻特性：

2

【注】光敏电阻的照度特性是指在光照条件下，它的电阻的变化趋势或是在电路中体现的电流的曲线变化。

4硬件电路的设计

4.1时钟电路

与外部晶体相互配合，为单片机提供一个运行时钟。

它给单片机的运行频率提供了一个基准值，超出或者为0都会导致单片机运行异常。

时钟电路本身不会控制什么东西，需要通过程序让单片机根据时钟做相应的工作。

一般有外部和内部两种时钟方式。

现在单片机技术更为成熟，其时钟频率也得到了相应的提高。

设计采用外部时钟，接XTAL1和XTAL2两个脚。

时钟电路如图7所示。

图7时钟电路

4.2复位电路

51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2us就可以实现。

一般情况下，当上电的时候，单片机会自动复位一次，同时可以通过按键的断开和闭合控制单片机的复位。

     复位电路如下图8所示。

图8复位电路

4.3按键电路

按键输入有5个按键组成，用来分别设置自动和手动模式、亮度的增加和减少。

一次接在单片机的P3.3~P3.7口。

按键电路如下图9所示。

图9按键电路

4.4显示电路

显示电路由LCD1602为显示屏。

连接时VDD端和D0—D7都需要加上拉电阻，同时D0—D7作为传输数据口与单片机的P0口连接，LCD1602接线图如图10所示。

图10显示电路

4.5人体热释电传感器电路

人体会辐射红外线，而热释电传感器就能够检测红外线，并能够将其转换成一个电平信号。

其安装简单，配置成本低，灵敏度较高。

而在实际使用时配上菲尼尔透镜后，其检测距离可增加到10m以上。

但是热释电传感器也有其缺点，其信号变化较为缓慢，可以经过一个信号处理电路，变成合适的数字信号，从而将这个信号传输到单片机。

由设计要求，其电路组成如图11所示。

图11人体热释电检测电路的组成

电路如图12所示（OUT输出口接单片机的P1.7口，会输出一个高低电平）。

图12人体感应仿真电路

4.6LED灯电路

由于设计需要调节色温，那色温又是什么？

其实简单来讲，色温就是灯具发出的光线颜色。

因为不同环境、不同的场合需要选用不同的色温，但是一款灯具只有一种色温，想要调节就必须更换不同的色温灯具。

这里采用两组LED灯，分别为黄色LED灯和绿色LED灯，每组5个。

通过光线的的混合来改变色温。

这样既可以调节亮度，又能调节色温。

电路如图13所示。

图13LED灯电路

4.7硬件连接及电路图

设计主要以ADC采集模块为主，辅以其它模块，构成一个完整的体系，组合一起实现较为复杂的功能。

电路总体连接方式：

（1）ADC0832的连接方式：

VCC接电源输入；CLK为芯片时钟信号输入，接单片机的P1.1口；DI和DO为数据信号的输入和输出，可以将其一起接单片机的P1.0口；CS为使能端，接单片机的P1.2口；选用通道CH1；GND接地。

（2）将人体感应模块接单片机的P1.7口。

（3）将十个LED灯分别接单片机的P2.0-P3.1口。

5软件设计及仿真

5.1软件的总体设计

Proteus是现在较为常用的EDA仿真软件，其性价比和本身性能也极为出色。

其使用遍及全球，经过多年的实践与完善，功能越发强大。

可以实现原理图的布置，电路仿真等。

通常所用的仿真一般由原理图和相关程序组成。

用Proteus绘制好仿真图，导入Keil编写好的程序，就可进行实时的仿真。

具有较强的实用性和实时性。

系统的软件执行流程图如下：

图14软件执行流程图

5.2ADC控制程序的设计

ADC控制是结合周围环境光线强度将其转换为电压值与程序预设的电压值（阀值）做比较，通过比较实时的电压值是否大于或者小于预设的阀值，再进行下步工作。

如果采集到的电压大于程序预设的值，LED灯就会自动增加点亮灯的个数。

反之，LED就会关闭一些灯。

在用C语言编程的时候，需要控制好其延时的时间，这样AD转换才能正常进行。

程序流程如图15所示。

图15ADC控制程序流程图

5.3LCD显示程序的设计

在对LCD1602编程时应该对其初始化。

其RS为寄存器选择端，数据寄存器为高电平是选择，指令寄存器为低电平时选择。

同时，在执行指令时应该对其进行读忙标志。

系统在上电的时候是自动模式，这时候LCD会进行初始化。

LCD显示程序流图如图16所示。

图16显示程序流程图

5.4按键程序的设计

设计中，LED的点亮有两种模式，分别为自动模式和手动模式。

当上电的时候为自动模式，同时可以根据需要通过按键切换到手动模式。

在手动模式下，可以通过按键自由改变LED灯的状态。

按键程序流程图如图17所示。

图17按键程序流程图

5.5延时程序的设计

延时函数，是每个程序不可缺少的一个环节。

设计使用延时函数来设定显示的延迟时间。

这样使ADC0832的转换能在一定得时间内完成，同时还能让LCD稳定的显示数据。

程序设计如下：

voidDelay1ms（unsignedintcount）//延时

{

unsignedinti,j;

for（i=0;i

for（j=0;j<120;j