基于单片机C8051F020的自动测控LED节能照明系统
在全球能源危机凸现的当今社会，LED照明以其绿色环保，高效节能的优势成为当前最具潜力的照明方式之一。LED号称“绿色照明的第四代光源”，目前已开始逐步应用于电信、交通、农业、医学、军事等领域。LED(Light-emitting Diode，发光二极管)是一种固态的半导体组件，能够把电能直接转化为光能。作为一种固体照明光源，LED具有长寿命、高光效、多光色等特性，可在安全低电压下工作，也可连续开关闪断，能实现0％～100％调光。
本文阐述一种基于单片机C8051F020自动测控LED节能照明系统的设计方案。该系统能够对LED灯的发光强度进行调控，当环境光强减弱时自动提高LED的发光强度，当环境光强变强时自动减弱LED灯的发光强度，维持环境光强值的稳定并达到节能的效果。同时，系统还具有光强、温度、红外3种感应开关控制LED灯的开与关，再加上过压、过流保护措施，进一步提高节能效率并保证照明系统的正常工作。此外，系统还使用液晶实现LED照明工作信息的外部显示。该系统可应用于如楼道照明、工作照明、设备照明等很多场合。
1 总体设计方案
本系统采用单片机C8051F020为核心来实现LED照明灯的自动测控，系统的整体框架如图1所示。
整个系统的设计分硬件设计和软件设计，硬件设计又可分为供电驱动模块、自动测控与显示模块3部分。
供电驱动模块实现的过程为：12～24 V的直流供电输入，经过过压保护电路后向SN3350芯片构成的LED驱动电路提供安全电压，驱动电路驱动LED照明灯正常工作。自动测控与显示模块主要包括光强传感器、温度传感器、红外无线传感器和液晶显示器。光强传感器采用了硅光电池和集成运放组成光电转换电路，将环境中光照强度转换为电压信号，经过单片机的A／D转换，依据实测电压和光照的关系曲线，将相应电压值转化为照度并经由LCD1602液晶显示；温度传感器采用了DS18B20芯片电路，将实时的环境温度转换为电信号传递给单片机分析处理，同样经LCD1602液晶显示；红外无线传感器采用以BISS0001为核心的热释电红外无线感应器电路，感应电路接收到信号后传给单片机控制LED照明灯的开关。
系统实现节能和自动测控的功能由单片机C8051F020实现。软件编程的思路是：由单片机内部产生PWM信号控制SN3350驱动芯片的ADJ引脚。通过改变PWM的占空比，实现对ADJ输入任意电压，进而控制LED照明灯的开关及亮度调节。
2 硬件电路设计
2．1 单片机C8051F020
本系统采用单片机C8051F020，其片内含CIP-51的CPU内核，指令系统与MCS-51完全兼容。含有64 kB片内Flash程序存储器，4 352 B的RAM、8个I／O端口共64根I／O口线、1个12位A／D转换器1个8位A／D转换器以及1个双12位D／A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉／比较模块的可编程计数／定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2．7～3．6 V(端口I／O、RST和JTAG引脚的耐压为5 V)。
2．2 LED驱动电路
本系统选用了SN3350芯片作为LED驱动电路的核心。SN3350是一款降压型电感电流连续模式驱动芯片，适用于电源电压高于一颗或一串LED所需电压的应用场合。芯片的输入电压范围为6～40 V，输出电流可达750 mA，输出功率可达30W。图2为本系统采用的LED驱动电路。
图2中，3号引脚ADJ为多功能开关／亮度控制脚，其引脚特性为：
1)引脚悬空：工作在普通模式。(普通模式下VADJ=VREF=1．2 V，工作电流IOUTnom=0．1／R1)；
2)输入电压低于0．2 V：关闭输出电流；
3)输入直流电压从0．3～1．2 V：输出电流调整范围从25～100％；
4)通过不同占空比的PWM信号来控制输出电流；
5)当ADJ引脚电压超过1．2 V：电流被自动钳位在100％。
SN3350的输出电流可以通过在ADJ引脚加控制信号来设置。本系统利用单片机产生PWM信号输入ADJ引脚，驱动电路依据以上引脚特性在不同的电压值下进入不同的工作模式。
2．3 光强传感器
本系统的光强传感器采用了一种光电转换电路，其原理图如图3所示。电路的作用在于，通过集成运放LM324和反馈电阻Rf，将硅光电池(相当于一个光控恒流源)输出的电流转换为电压信号输出。通过调节Rf阻值的大小，可以改变输出电压值的大小，从而能够适应后级控制电路对输入信号电压值的要求。实际应用时，光照强度影响，Is大小，进而引起Vout的改变，从而实现了将光强信号转换为电压信号。
表1和图4是在实际制成的光电转换电路中，使用照度计和电压表测得的光照度-电压关系。
评论