基于单片机的led智能补光台灯设计本科论文.docx
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基于单片机的led智能补光台灯设计本科论文
摘要
随着现代社会的发展，中国青少年的近视率一直居高不下，成为困扰中国家庭的主要问题。
随着科学技术的进步，科学家希望通过人工干预和治疗，从根本上解决近视问题。
然而现代医学的发展虽然可以解决很多曾经困扰人类的疑难问题，却仍然不能从根源上预防和祛除近视。
我们通过对影响视力的各种因素进行实验，发现造成青少年视力下降的最主要根源是灯光。
传统护眼灯为了达到提高频率的目的，使用了高频镇流器，使得护眼灯的电磁辐射远比一般的电器高得多，是手机、电脑的数倍甚至数十倍，严重影响视力。
而LED照明技术的出现，为我们提供了消除仅是问题的途径。
本文基于单片机控制的智能补光系统，全天候模拟出上午9、10点钟自然光照，完全杜绝频闪、辐射和眩光，有效消除传统光源中紫外线、红外线，能有效降低因光线变暗或变亮对人眼睛的伤害，可以有效减少对电能的消耗，节能环保。
针对现代社会近视率居高不下的现象，提出了基于MCS-51单片机的LED智能补光系统对外界光线的自动采集和调整，以减少由于外界光线变亮变暗对人眼的伤害。
实验结果表明LED灯管的亮度可以柔和地根据外界光线的变化而变化，不存在闪烁和刺眼现象。
通过光敏电阻采集外部光照和光通量的变化，采集到的变化值经过和基准值比较后送到单片机进行运算，由MCU控制数字量的输出，从而改变流经LED灯管的电流，以此来调整LED的亮度，以接近自然光的状态运行，实现智能补光。
关键词：
台灯光度PWM调光自动调节
With the development of modern society, the China youth myopia rate has been high, become the main problems of Chinese family. With the progress of science and technology, scientists hope to use artificial intervention and treatment, fundamentally solves the problem of myopia. However, although the development of modern medicine can solve many difficult problems have plagued mankind, myopia still cannot prevent from the source and eliminate. Our experiments on various factors affecting the eyesight, found that the most major causes of adolescent eyesight to drop is light. The traditional eye protection lamp in order to improve the frequency of the use of high frequency ballasts, electromagnetic radiation, make the eye protection lamp is much higher than the general electrical appliances, mobile phone, computer is several times even dozens of times, seriously affect vision. LED lighting technology, provides us with a way to eliminate is only part of the problem. In this paper, intelligent lighting system based on single chip microcomputer, all-weather simulate the morning of the 9, ten o'clock, natural light, completely eliminate the stroboscopic, radiation and glare, the effective elimination of traditional light sources in the ultraviolet, infrared, can effectively reduce the light dimming or brightening of the human eye damage, can effectively reduce the consumption of electricity, energy saving environmental protection.
In the modern society high myopia phenomenon, put forward LED intelligent supplemental lighting system of MCS-51 single chip microcomputer automatic acquisition and adjustment of the external light based, to reduce due to external light dimmed on human harm. The experimental results show that the brightness of the LED lamp can be gently according to the changes of the external light changes, does not exist and dazzling flashing phenomenon. Light sensitive resistance acquisition of external light and luminous flux changes, changes in the value of the process and the reference value comparison is sent to the microcontroller operation, the output is controlled by MCU digital quantity, thus changing the current flowing through the LED lamp, the brightness in order to adjust the LED, to state run close to natural light, the realization of intelligent lighting.
目录
引言
一、LED智能补光灯原理··························
二、系统硬件电路设计······························
2.1主控电路的系统································
2.2恒流驱动系统···································
2.3调光方案的选择······························
三、自动控制
3.1光敏电阻反馈部分·············································
3.2ADC0809模数转换部分···············································
3.3调光系统······································
四、软件设计
4.1总体框图·····································
4.2主要程序······································
五、总结
附录：
作品照片
引言
LED照明又称固态照明，作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术，具有节能、环保、安全可靠的特点，固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源，代表照明技术的未来。
发展新固态照明，不仅是照明领域的革命，而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。
LED台灯就是以LED（LightEmittingDiode）即发光二极管为光源的台灯，LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED台灯是典型的绿色照明光源产品，作为国家绿色照明推广使用的产品，具有广阔的应用前景。
在实际的应用中，发现LED灯在周边亮度大时依然以同一功率发光，存在电能浪费。
另外一方面，因为LED的发热量和电流存在正相关的关系，发热影响了LED的寿命，所以在不必要的亮度下也减少了LED的寿命。
然而，当LED在周边亮度小时，LED灯不能提供足够和恰当的光度，这样又影响了阅读，造成视觉疲劳。
PWM方法的基本思想就是利用单片机具有的PWM端口，在不改变PWM方波周期的前提下，通过软件的方法调整单片机的PWM控制寄存器来调整PWM的占空比，从而控制充电电流。
本方法所要求的单片机必须具有ADC端口和PWM端口这两个必须条件，另外ADC的位数尽量高，单片机的工作速度尽量快。
在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。
本文介绍了以STC89C51为控制核心，通过光敏电阻感应光度，并利用PWM调光技术对LED进行光度的自动调节。
一、LED智能补光灯原理
交流电源的频率为50赫兹，会使台灯产生每秒钟50回合的一明一暗的频闪。
频闪导致眼睛瞳孔括约肌不停地张合，使眼球老损、变形，最终引发近视。
而所谓的护眼灯是通过一种高频镇流器，把频闪从50次变成3至5万次，但其实并没有真正消除频闪，并不能真正保护眼睛。
可以说，频闪是近视的罪魁祸首。
LED低压直流发光技术，采用直流电源，完全无频闪；由光电传感器、红外传感器和单片机构成智能补光系统，可根据环境光变化自动调节光照强度，无论外界如何变化，始终保持恒定适眼光源。
二、系统硬件电路设计
基于C51单片机和PWM调光的LED台灯是以STC89C51作为主控芯片继而进行自动控制的。
在自动控制时，通过ADC0809模拟-数字转换芯片不断检验光敏电阻的电压来间接测量感应光度，将电压和预设的阈值进行对比，调整PWM的占空比对LED的电流进行控制，从而实现了对光度的自动调节。
总体框图如下图。
图1.1
2.1主控电路的系统
主控芯片采用AT89C51单片机芯片，AT89C51单片机芯片有40个外部I/O口，可用作对外部硬件的控制接口。
其中P0.0-P0.7八个I/O口外接10K的电阻作为上拉电阻。
40引脚为电平引脚外接五伏电压，20引脚为接地引脚，18和19引脚为外部晶振接口，为芯片提供晶振，9引脚为外部复位电路接口，P1.0-P1.7作为DA模块控制端口，P2.0-P2.7作为AD模块的控制端口。
2.2恒流驱动系统
外部光线采集主要用到的传感器为：
光敏传感器。
光敏传感器实时监控外部光强的变化，由于光敏电阻的阻值大小随着外界光强的不同发生变化，我们将变化的电压值这个模拟量经过A/D转换器转换成单片机能够处理的数字信号，单片机经过分析处理将数字信号的二进制代码输出给D/A转换器，这样经过单片机处理过输出的数字信号又重新变成了模拟信号变量，此时的模拟变量的为电流信号，由于输出的电流在毫安级或者十几毫安级，无法驱动大公率的LED灯管，所以我们在此应用驱动芯片，驱动芯片可以输出大电流用来点亮LED灯管。
至此我们点亮了LED灯管，LED发出的亮度是完全根据人眼的感光特性而设定的，一旦外界光线变暗或着变亮，光线的强度和灯光的强度叠加，此时的光通量不再是人眼最适应的值，所以光敏电阻捕捉到这一变化，单片机会根据光敏电阻电压值的变化，调整输出的数字信号，进而改变LED灯管的亮度。
2.3调光方案的选择
a用调正向电流的方法来调亮度
通过调整正向电流的大小的改变可以改变LED的亮度，但是通过电流的大小的改变并不是最佳选择，因为通过电流的改变，使LED的寿命减少，还容易引起闪烁。
b、采用脉宽调制（PWM）来调光
LED是一个二极管，它可以实现快速开关。
它的开关速度可以高达微秒以上。
是任何发光器件所无法比拟的。
因此，只要把电源改成脉冲恒流源，用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。
这种方法称为脉宽调制（PWM）调光法。
图7表示这种脉宽调制的波形。
假如脉冲的周期为tpwm,脉冲宽度为ton,那么其工作比D（或称为孔度比）就是ton/tpwm.改变恒流源脉冲的工作比就可以改变LED的亮度
三、自动控制
3.1光敏电阻反馈部分
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。
因此，不断采集光敏电阻对地的电压便可以获知台灯周边光强的变化。
如下图（图2.4）所示：
3.2ADC0809模数转换部分
ADC0808和ADC0809除精度略有差别外（前者精度为8位、后者精度为7位），其余各方面完全相同。
它们都是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑，因而有理由把它作为简单的“数据采集系统”。
利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
如下图（图2.4）所示，ADC0809的参考电压设置成5V，时钟信号通过单片机P3.3口利用定时器中断输出。
光敏电阻的对地电压从IN3口输入，ADC0809将其转换成数字量后通过OUT1-7输出，以便单片机进一步处理。
3.3调光系统
由于模拟光是直接改变流过LED电流的大小来实现亮度调节，除了亮度会改变以外，也会影响白光的质量，即不同电流下发出的白光存在色偏。
因此，本设计采用PWM调光方案，PWM调光的基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比列，即改变输入脉冲信号的占空比，使LED产生亮暗变化；并利用人眼的视觉残留效应，当LED亮暗变化频率大于120HZ时，人眼就不会感觉到闪烁，而看到的是LED的平均亮度。
PWM调光的优势是LED正向导通的电流是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光时产生变化。
四、软件设计
4.1总体框图
图3.1
4.2主要程序
<1>AD转换
定时器1产生CLK信号，定时时间为2us,亦即CLK周期为0.4us。
程地址为011，即IN3口输入。
利用公式getdata*1.0/255*VREV+对数字量进行变化。
程序代码如下：
#include
#include
#include
#defineulongunsignedlong
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharcodeLED[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
sbitg=P2^0;//个位
sbitsf=P2^1;//十分位
sbitbf=P2^2;//百分位
sbitKA=P2^6;//千分位
sbitSTART=P3^4;//启动转换
sbitEOC=P3^3;//转换结束标志
sbitOE=P3^2;//输出使能
sbitALE=P3^0;//地址锁存
uintvol=0;//采样得到的0~255之间的离散数据
ulongV=0;//处理后的电压数据。
V的高到低位依次为：
整数位个位、小数十分位、百分位。
//-----------------------------------
voiddelay（uintx）
{
for（;x>0;x--）;
}
//------------------------------------
voidstart（void）
{
ALE=1;
_nop_（）;
START=1;
_nop_（）;
ALE=0;
_nop_（）;
START=0;
}
//-------------------------------------
voidcheck（void）
{
while（EOC==1）;//等待转换结束
_nop_（）;
_nop_（）;
while（EOC==0）;
_nop_（）;
_nop_（）;
OE=1;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
vol=P1;//从P1口读取数据
OE=0;
}
//------------------------------------
voiddeal（void）
{
V=（vol*5）;
V*=100;
V/=256;//V的高到低位依次为：
整数位个位、小数十分位、百分位。
}
//-----------------------------------
voiddisplay（void）
{
KA=0;
g=0;
P0=LED[V/100]&0x7f;//共阳显示加小数点
delay（800）;
g=1;
delay（50）;
sf=0;
P0=LED[（V/10）%10];//&0x7f;
delay（800）;
sf=1;
delay（50）;
bf=0;
P0=LED[V%10];
delay（800）;
bf=1;
KA=1;
}
voidmain（）
{
EA=0;
while
（1）
{
start（）;
check（）;
deal（）;
display（）;
}
}
<2>PWM调节
51单片机本身是没有pwm接口的，这个程序是通过软件模拟pwm.在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现LED灯亮度控制。
程序出自:
单片机网，如有问题可在论坛提出，程序中使用定时器0产生2.5ms周期脉冲，使用占空比控制变量scale控制占空比，在低电平期间使LED灯亮，在高电平期间使LED灯灭，改变scale就改变了高电平与低电平的时间，因此也就控制了LED灯的亮度。
*/
#include"AT89X51.H"//模拟PWM输出控制灯的10个亮度级
unsignedintscale;//占空比控制变量
voidmain（void）//主程序
{unsignedintn;//延时循环变量
TMOD=0x02;//定时器0，工作模式2（0000，0010），8位定时模式
TH0=0x06;//写入预置初值6到定时器0，使250微秒溢出一次（12MHz）
TL0=0x06;//写入预置值
TR0=1;//启动定时器
ET0=1;//允许定时器0中断
EA=1;//允许总中断
while
（1）//无限循环，实际应用中，这里是做主要工作
{for（n=0;n<50000;n++）;//每过一段时间，就自动加一个档次的亮度
scale++;//占空比控制变量scale加1
if（scale==10）scale=0;//如果scale=10，使scale为0
}}
timer0（）interrupt1//定时器0中断服务程序
{staticunsignedinttt;//tt用来保存当前时间在一秒中的比例位置
tt++;//每250微秒增加1
if（tt==10）//2.5毫秒的时钟周期
{tt=0;//使tt=0，开始新的PWM周期
P2_0=0;//使LED灯亮
}
if（scale==tt）//按照当前占空比切换输出为高电平
P2_0=1;//使LED灯灭
}
/*程序中从tt=0开始到scale为低电平，从scale开始到tt=10为高电平，由于scale是变量，所以改变scale就可以改变占空比。
*/
五、总结
基于C51单片机和PWM调光的LED台灯以STC89C51作为主控芯片，自动控制的原理是利用ADC0809模拟-数字转换芯片不断检验光敏电阻的电压来间接测量感应光度，将电压和预设的阈值进行对比，调整PWM的占空比实现了对光度的自动调节。
该LED台灯电路简单，很大程度上节省电能，延长LED灯寿命，适宜阅读。
同时，在本次课程设计中，主要有以下体会：
1、对LED的驱动有进一步的了解，明白了如何对LED进行规定电流驱动，并通过输出不同的占空比来调节LED的亮度，从而对LED的耗电进行相应的管理；
2、进一步掌握了AD转换原理以及相关芯片的应用，通过ADC0809对外界的模拟量进行转换。
3、培养了自己的团队意识，能够比较好的和队员就项目进行及时的沟通，在分工和整合方面做的不错。
附录：
作品照片
图2
图3
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