LED亮度自动调节系统设计.docx
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LED亮度自动调节系统设计
LED亮度自动调节系统设计
摘要：
当今世界，环境的污染、能源的紧缺唤醒了世界各国人民的节能减排意识，肩负着环保、节能减排的希望及使命的节能灯应运而生并逐渐被社会认可和接收。
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，LED的发光器件是冷光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，是未来照明节能发展的方向。
本文设计了一种以STC89C52单片机为核心的亮度自动调光系统，通过光敏传感器感知外界光强，单片机系统根据采集的数据控制LED的通断，达到调节光源发光亮度的目的，本系统还增加了手动控制功能增强了系统控制的灵活性。
本系统具有自动,节能，结构简单，成本低,工作稳定可靠等特点,在日常生活中具有一定的实际应用价值。
关键词：
单片机；A/D转换；光敏电阻；LED
ThesystemdesignofautomaticregulatingLEDbrightness
Abstract:
Intoday'sworld,pollution,shortageofenergyenvironmentawakenedpeopleallovertheworldawarenessofenergyconservationandemissionreduction,energy-savinglampsandshoulderingthemissiontoenvironmentalprotection,energysavingandemissionreductionofemergeasthetimesrequireandgraduallyrecognizedandreceived.LEDiscalledthefourthgenerationlightingsourceoragreenlight,thelightemittingdeviceLEDisacoldlightsource,hasthecharacteristicsofenergysaving,environmentalprotection,longlife,smallvolumeandsoon,isthefuturedirectionofdevelopmentofenergy-savinglighting.ThispaperdesignedanautomaticdimmingsystemofaSTC89C52microcontrollerasthecoretothebrightness,thephotosensitivesensorsensingexternallightintensity,SCMsystembasedondataacquisitioncontrolLEDopen,toadjustthebrightnessofthelightsource,andthesystemalsoincreasesthemanualcontrolfunctiontoenhancetheflexibilityofsystemcontrol.Thesystemhasautomatic,energysaving,simplestructure,lowcost,stableandreliablework,hascertainpracticalvalueindailylife
KeyWords:
singlechip;A/Dconversion;photosensitiveresistance;LED
1引言
随着现代社会的发展，能源消耗的加剧，高效的照明技术得到人们的广泛关注。
LED以其高效率、低消耗、低电压驱动、使用寿命长等优点，越来越多的应用往各种照明场合，在可预见的将来可能完全取代传统的白炽灯、荧光灯照明，给照明产业带来革命性的变化[1]。
在这一设计里我们将涉及到有关LED自动调节亮度的设计，这从原理上使我们对这一设计有了解。
将其与我们切实地相联系起来。
1.1选题背景
伴随着全球经济的迅速发展，能源消耗的不断加剧，带来的的则是大量的环境污染和生态破坏，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式[1]。
在电能消耗中，照明用电占发电总量的比例：
发达国家是19%，我国现今达到12%。
可以预知的是，随着经济不断发展，在将来我国的照明用电将有大比例的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。
开发和推广应用节能灯具，成为迫在眉睫的任务。
LED照明就是在这样的形势下发展起来的[2]。
近几年来，LED的发光效率已增长了100倍，而成本下降了10倍。
在目前LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用LED，其用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯。
LED已被全球公认为新一代的环保型高科技光源[3]。
1.2实现功能
这次设计的LED亮度自动调节系统根据采集到的外部光照强度，由单片机控制LED的通断，达到调节光源发光亮度的目的，具有非常好的实用价值。
在它的工作过程中，系统可以直接与220V的交流电源相连接，内部设有自动稳压电路，可将220V交流电转变为单片机所需的5V直流稳压输出，同时具备随时复位电路。
设计要求：
本系统采用单片机STC89C52作为本设计的核心元件，光敏器件将外部光信号转换为电信号，通过单片机调节16盏LED的通断进行亮度调节。
1）系统LED个数：
16个
2）系统反馈控制时间：
t>1s
3）系统LED灯个数随着外界光照强度变化而变化，光增强，LED点亮个数变少，反之，亦然，且能实现手动和自动调节亮度的切换。
1.3技术路线
此次主体电路的设计是单片机做为整个电路的核心，同时考虑到整个电路的成本及美观，选择适合本设计的单片机就成了一个重要内容。
现今，随着半导体和单片机技术的发展，依次出现了不少增强型的CPU，而高档的单片机也层出不穷，尤其是伴随着超大规模的集成电路技术和微电子技术的发展，单片机因其体积小、功能强、性价比高、可靠性好等独特的特点，使它在各领域都得到了广泛的应用，其相关的技术也越来越成熟。
因此，我选择了最为适合的STC89C52单片机来完成硬件电路的设计要求，然后再编制和硬件电路所对应的软件程序。
2方案选择
本次LED亮度自动调节系统由硬件电路和软件电路两部分组成，下面就来具体说明一下。
2.1系统总体方案的选择
本设计主要解决的的关键问题包括单片机接口电路设计、LED恒流模块设计及智能控制程序的编写等。
接口电路是硬件设计的重要部分本次方案中主要涉及到的是单片机与传感器之间的通信及单片机与恒流驱动模块的接口技术。
本设计要实现的功能为基于智能控制器的智能自动调光，主要方案如下：
方案一：
采用线性调节LED电流。
通过改变与负载LED灯串联的电阻的阻值来调节电流大小，以改变LED的光线强弱。
本方案的优点是原理简单，易于实现亮度的调节，但是调电流可能会产生使恒流源无法工作的严重问题。
另外调节电流无法得到精确调光，因为电流和光输出并不是完全正比关系，而且不同的LED会有不同的正向电流和光输出关系曲线。
所以用调节电流的方法很难实现精确的光输出控制。
方案二：
采用脉宽调制（PWM）来调光。
通过STC89C52产生的PWM波来调节恒流驱动芯片，来实现调光的目的[4]。
PWM调光具有精度高，节能，易于实现智能控制的等特点。
方案三：
采用控制LED通断来调光。
通过STC89C52单片机IO口对多个LED通断进行控制来实现调光。
此方案比较方案二，更加的简单和易于控制。
由以上方案最终选择方案三。
本系统拟采用STC89C52单片机作为主控模块，由光电转换电路采集外界光强信号，经A/D转换送单片机处理，单片机根据处理结果智能调节LED的通断，以此来实现调节LED的亮度大小，并加上按键电路实现手动调节亮度大小。
2.3系统框图
根据上述系统设计思想的描述，所示总框图如图2-1所示。
手动/自动切换
图2-1系统框图
3硬件电路设计
3.1主控模块
硬件设计是整个系统的基础，要考虑的方面有很多，除了实现其基本功能之外，主要还要考虑以下几个因素：
系统稳的定度，器件的通用性或易选购性，软件编程的易实现性和系统其它功能及性能指标。
因此硬件设计至关重要。
现从各功能模块的实现逐个进行分析探讨。
本电路的核心部件就是主控芯片——单片机，因此对单片机的选择非常关键。
单片机自问世以来，性能不断提高和完善，其资源又能满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等特点，因此，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、语音处理技术、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛且取得了令人瞩目的成果，展现出良好的应用前景。
在我国，用得最多的单片机系列就是MCS—51系列的单片机。
在单片机应用系统开发过程中，单片机是整个设计的核心，因此选择合适的单片机型号很重要。
根据实现系统功能需要的单片机硬件资源，在性能指标满足的情况下，该系统的单片机型号选择8051系列的STC89C52芯片。
STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。
STC89C52具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择，可以满足系统在各个子模块程序之间的切换；STC89C52的运算速度可满足一般的设计要求；而且STC系列单片机支持ISP在线编程功能，可以不用昂贵的编程器。
本次采用的芯片是STC89C52。
STC89C52可以支持串口直接下载程序，而AT公司的89C系列单片机需要价格昂贵的专门编程器才可烧写程序，除此这外两种单片机在功能上完全一样。
STC89C52单片机除了完全兼容AT89C51外，还有许多扩展功能可以自己发挥使用。
3.1.1单片机芯片
（一）STC89C52主要性能参数
1）.与MCS-51产品指令和引脚完全兼容
2）.8K字节可重擦写Flash闪速存储器
3）.全静态操作：
0Hz～33MHz
4）.三级加密程序存储器
5）.1000次擦写周期
6）.32个可编程I/O口线
7）.3个16位定时/计数器
8）.8个中断源
9）.全双工UART串行通道
10）.低功耗空闲和掉电模式
（二）功能性概述
8k字节Flash，32位I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，STC89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
STC89C52引脚图如图3-1所示。
图3-1STC89C52引脚图
3.1.2复位电路
复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。
复一般需要在系统上电，或者程序死机的时候需要进行单片机的复位。
单片机的复位状态是单片机在上电时，首先进入的一个特定的状态。
在复位状态下，CPU和整个硬件资源，特别是特殊功能寄存器都处于初始化的状态。
单片机的复位电路是促使单片机进入复位状态的硬件结构。
单片机的复位电路是很重要的，复位操作可以完成单片机的初始化，也可使处于死机状态下的单片机重新开始运行[5]。
STC89C52的RST引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。
内部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端，该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰，并在复位期间不产生ALE信号，内部RAM处于不断电状态。
其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响SFR中的内容，内部RAM中的数据不受影响。
外部复位有上电复位和按键电平复位。
由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开始运行。
为了便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式。
按键复位电路如图3-2所示：
图3-2复位电路
3.1.3时钟电路
单片机的时钟电路[6]是用于产生单片机正常工作时所需要的时钟信号。
STC89C52单片机内部包含有一个振荡器，可以用于CPU的时钟源。
另外也可以采用外部振荡器，由外部振荡器产生的时钟信号来供内部CPU运行使用。
1）.内部时钟模式
内部时钟模式是采用单片机内部振荡器来工作的模式。
51系列单片机内部包含有一个高增益的单级反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别为片内放大器的输入端口和输出端口,其工作频率为0~33MHz。
当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需在XTAL1引脚和XTAL2引脚连接一个晶体振荡器或陶瓷振荡器，并联两个电容后接地即可，如图3.5所示。
使用时对于电容的选择有一定得要求，具体如下：
A当外接晶体振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=3010pF；
B当外接陶瓷振荡器的时候，电容值一般选择C1=C2=4010pF。
在实际电路设计时，尽量保证外接的振荡器和电容尽可能接近单片机的XTAL1和XTAL2引脚，这样可以减少寄生电容的影响，使振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。
2）.外部时钟模式
外部时钟模式是采用外部振荡器产生时钟信号，直接提供给单片机使用。
对于不同的结构的单片机，外部时钟信号接入的方式有所不同。
对于普通的8051单片机，外部时钟信号由XTAL2引脚接入后直接送到单片机内部的时钟信号发生器，而引脚XTAL1则应直接接地。
这里需要注意，由于XTAL2引脚的逻辑电平不是TTL信号，因此外接一个上拉电阻。
对于CMOS型的80C51,80C52,AT89S52等单片机，和普通的8051不同的是其内部的时钟信号取自于反相放大器的输入端。
因此外部的时钟信号应该接到单片机的XTAL1引脚，而XTAL2引脚悬空即可。
根据实际应用，我们选择内部时钟电路，外接频率12.000MHz的晶体振荡器，选择两个电容值为30pF的陶瓷电容。
外部时钟电路如图3-3所示：
图3-3时钟电路
3.1.4系统按键电路
单片机的按键电路分为独立式按键接口电路和矩阵式键盘电路，考虑本设计只需三个按键，结构简单，故选择独立式按键接口电路。
本设计根据现实需要设置为自动/手动切换按键、手动增加按键及手动减少按键三个按键，系统默认为自动状态，考虑到自动可能会失灵，设置手动按键来调节LED灯的亮度等级，当自动/手动档处于自动状态时，系统会跳转自动部分执行，当处于手动状态时，可人为的通过手动增和手动减调节亮度等级。
按键电路如图3-4所示：
图3-4按键电路
3.2光信息采集及A/D转换模块
本次设计的光信息采集模块[7]是整个系统的输入模块，由光电转换电路和模/数转换电路构成。
3.2.1光电转换电路
1）光敏传感器简介
光敏传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器.它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光敏传感器在检测和控制中应用非常广泛。
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（将光的变化转换为电的变化）。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1～10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
根据系统参数和器件性价比，我们选择常用的光敏电阻GL5549它具有体积小，反应速度快，灵敏度高，可靠性好等优点。
2）光电转换电路
光电转换电路如图3-5所示：
图3-5光电转换电路
光敏电阻与1K电阻串联，经限流电阻与模/数转换电路连接，光照越强，光敏电阻阻值越小，则光电转换电路输出电压越大，反之越小。
3.2.2A/D转换电路
1）A/D转换芯片ADC0804介绍
ADC0804是一个早期的用来实现A/D转换[8]的转换器，因其价格低廉而在要求不高的场合得到广泛应用。
ADC0804是一个8位、单通道、低价格A/D转换器，主要特点是：
摸数转换时间大约100us；方便的TTL或CMOS标准接口；可以满足差分电压输入；具有参考电压输入端；内含时钟发生器；单电源工作时（0V～5V）输入信号电压范围是0V～5V；不需要调零等等。
由于单片机只能识别数字量，需要我们把光电转换后的模拟电压信号转化为相应的数字信号送给单片机。
在实际中常用的模数转换芯片有ADC0804、ADC0809、AD574等，考虑外围电路的简单，且ADC0804的功能能基本达到本次设计的要求，我们选择它作为本次设计的A/D转换芯片。
ADC0804芯片的引脚图如图3-6：
图3-6ADC0804
所有引脚定义如下：
（引脚1）：
片选信号。
低电平有效，高电平时芯片不工作。
（引脚2）：
外部读数据控制信号。
此信号低电平时ADC0804把转换完成的数据加载到DB口。
（引脚3）：
外部写数据控制信号。
此信号的上升沿可以启动ADC0804的A/D转换过程。
CLKIN（引脚4）：
时钟输入引脚。
ADC0804使用RC振荡器作为A/D时钟，CLKIN是振动器的输入端。
（引脚5）：
转换结束输出信号。
ADC0804完成一次A/D转换后，此引脚输出一个低脉冲。
对单片机可以称为中断触发信号。
Vin（+）（引脚6）：
输入信号电压的正极。
Vin（－）（引脚7）：
输入信号电压的负极。
可以连接到电源地。
AGND（引脚8）：
模拟电源的地线。
Vref/2（引脚9）：
参考电源输入端。
参考电源取输入信号电压（最大值）的二分之一。
例如输入信号电压是0V～5V时，参考电源取2.；输入信号电压是0V～4V时，参考电源取2.0V。
DGND（引脚10）：
数字电源的地线。
DB8～DB0（引脚11～引脚18）：
数字信号输出口，连接单片机的数据总线。
CLKR（引脚19）：
时钟输入端。
VCC（引脚20）：
5V电源引脚。
补充说明：
CLKI（引脚4）和CLKR（引脚19）：
ADC0801~0805片内有时钟电路，只要在外部“CLKI”和“CLKR”两端外接一对电阻电容即可产生A/D转换所要求的时钟，其振荡频率为fCLK≈1/1.1RC。
其典型应用参数为：
R=10KΩ，C=150PF，fCLK≈640KHz，转换速度为100μｓ。
若采用外部时钟，则外部fCLK可从CLKI端送入，此时不接R、C。
允许的时钟频率范围为100KHz～1460KHz。
主要电气特性有，工作电压为＋5V，模拟输入电压范围为0～＋5V，分辨率为8位，即分辨率为1/28=1/256，转换时间为100us（fck＝640KHz时），转换误差约±1LSB。
ADC0804是属于逐次逼近型（SuccessiveApproximationMethod）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于单片机的接口设计上。
ADC0804时序图如图3-7所示：
图3-7ADC0804时序图
2）ADC0804接口电路
ADC0804与STC89C52的连接方法如图3-8所示。
ADC0804的片选信号线由51单片机的P2.7口控制，ADC0804的读写信号控制线WR、RD由单片机的P3.6、P3.7控制，ADC0804的8位数据DB0～DB7连接单片机的P1口，ADC0804的内部转换频率由R4、C4确定。
图3-8ADC0804接口电路
3.3LED亮度调节模块
1）三极管NPN9013介绍
三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。
s9013NPN三极管主要用途：
作为音频放大和收音机1W推挽输出。
三极管9013主要参数：
结构：
NPN
集电极-发射极电压25V
集电极-基电压45V
射极-基极电压5V
集电极电流0.5A
耗散功率0.625W
结温150℃
特怔频率最小150MHZ
放大倍数：
D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300
主要用途：
放大电路
图3-99013引脚图
2）LED亮度调节电路
该电路作为本次设计的输出显示模块，用于调节LED的亮度，由三极管和16个LED构成。
电路图如图3-10所示：
图3-10LED亮度调节电路
3.4电源模块
目前我国居民最常用为220V,50HZ的交流电，而系统需+5v直流电和+12V交流电，故电源模块采用220V转12V变压器，可以输出12V交流电，然后经桥式整流及7805稳压芯片处理，最后经滤波后输出+5v直流电压[9]~[10]。
1）稳压芯片L7805简介
L7805是日本三洋公司生产的三端固定稳压集成电路。
该电路内置短路保护及热保护电路，具有输出电压固定的特点，广泛应用于各种电视机、收录机、电子仪器等设备中作电源稳压用。
L7805集成电路的引脚功能及数据如表3.9所示
表3.1L7805集成电路的引脚功能及数据
引脚
符号
功能
电压（V）
1
IN
电压输入
12
2
GND
接地线端
0
3
OUT
电压输出
5
2）典型稳压电路如图3-11所示：
图3-11典型稳压电路
CP1、CP2、CP3、CP4分别为输入端和输出端滤波电容。
当输出电较大时，7805应配上散热板。
4软件设计
4.1系统程序开发软件简介
随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。
该软件是美国KeilSoftware公司出品的软件开发系统，其允许用户使用汇编或者C语言来开发MCS-51单片机（或与MSC-51指令兼容的其它单片机）的应用软件。
功能上，KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
外观上采用全Windows界面，容易上手。
性能上，即便是使用高级语言开发应用程序，其生成的目标代码效率也非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑。
本系统的软件设计采用了KeilC51这种单片机C语言，KeilC51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑、编译、仿
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