LED照明系统自动控制系统设计

LED照明系统自动控制系统设计
第1章课题研究背景 (3)
1.1 LED照明系统来源依据 (3)
1.2 LED照明系统的意义 (3)
1.3 LED照明系统的发展历程回顾 (3)
1.4 LED照明系统的应用 (4)
1.5国内研究现状 (5)
第2章LED照明系统总体设计方案 (6)
2.1 整体设计方案 (6)
2.2设计实施方案 (6)
2.3 PWM控制LED亮暗原理 (6)
第3章硬件电路设计 (8)
3.1概况 (8)
3.2时钟电路设计 (8)
3.3复位电路 (8)
3.4模数转换芯片ADC0808 (8)
3.5电流放大芯片74HC573 (9)
3.6编程仿真及代码 (9)
第4章实物调试 (14)
结论 (15)
第1章课题研究背景
1.1 LED照明系统来源依据
通过一种LED的照明驱动装置，能够方便的控制LED的光强。

随着二极管技术的发展，LED由于其寿命长,低功耗及色彩可控方面的优势，使其在景观照明、牌匾照明以及大屏幕显示器等方面表现出越来越广泛的发展前景和发展潜力。

灯光控制系统具有较高的经济回报，据专家测算，仅从节电和节省灯具这两项：用三至五年的时间，业主就可基本收回智能照明控制系统所增加的全部费用。

而智能照明控制系统可改善照明环境，提高员工工作效率以及减少维修和管理费用等，也为业主节省下一笔可观的费用。

单片机的出现至今已经有30多年的历史了。

微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。

单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。

因此一块芯片就构成了一台计算机。

它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。

1.2 LED照明系统的意义
近年来,随着能源短缺现象越来越严重,节能成为全世界共同关注的话题。

作为一种新型的照明光源，LED具有长寿命,低功耗及色彩可控等优势，越来越受到人们的关注。

在照明领域，除了用高能效的LED替代传统的光源之外，LED的智能控制，例如根据是否有人，环境光的强度等自动开关灯，以及自动调节光的亮度，成为热门的研究课题。

1.3 LED照明系统的发展历程回顾
从古至今，“灯”一直被人们看作是光明的象征，是照明的工具。

不同的年代，有不同的灯。

自燧人氏钻木取火开始，照明经历了从火、油到电的发展历程。

照明工具经历过无数的变革，出现过火把、动物油灯、植物油灯、蜡烛、煤油灯到白炽灯、日光灯、琳琅满目的装饰灯、发展到现在智能空气净化灯，可以说一部照明的历史正是人类发展史的见证。

第一代照明只为生存，蛮荒时期，先祖们进行着低级的生存活动，随时面临着野兽的肆虐和侵袭。

而火的使用，结束了这“饮毛茹血”的时代，除了驱散昆虫和野兽，也消减了人们内心深处的恐惧和后顾之忧。

人类逐渐意识到火源对生存的重要性，这时候的照明就是为了生存。

第二代照明为了争取生活时间，随着人类文明社会的进步，第二代照明进入了一个漫长的发展阶段，火石、蜡烛、油灯逐渐取代了原始的火把。

在尚未使用电力的情况下，这些的照明设备作用尤为重要，让人类的作息时间延长了2-3个小时，在人类历史文明的发展中，有着不可磨灭的作用，其中之一的蜡烛甚至一直延续到今天。

第三代照明改变了生存环境，19世纪末，爱迪生发明了电灯，从此改写了人类的历史，
从此人类文明开始走向了电力照明时代，标志物之一的白炽灯也足矣载入史册。

在这之后，科技高速发展，人类不再满足于单一的照明环境，于是霓虹灯、荧光灯、彩灯、装饰灯等照明设备的出现，充分满足了人类对生存环境的需求。

第四代照明只为提高生活质量，LED灯的出现打破了传统光源的设计方法与思路，是照明技术发展的新方向。

昂莱照明生产的“老何家”云净化灯是创新智慧与高科技的完美结合，其打破了传统照明行业的局限性，完成了将智能照明系统与空气净化功能融入到吸顶灯的壮举，让人类的生活变得更加舒适、健康、便捷，这也将是人类照明史上的一次变革！
其实LED灯泡并不是本世纪才发明出来的产物，早在上个世纪末就已大量运用在电器产品上面，只是当时的LED灯泡发光亮度不足，因此无法应用在照明范围上，不过到底什么是LED呢？为何它没有钨丝也能发光呢？LED就是所谓的发光二极管，是一种固态的半导体组件，利用二极管内分离的2个载子，分别为负电的电子与正电的电洞，相互结合而产生光，属于冷光发光，不同于钨丝灯泡的热发光，只要在LED组件两端通入极小电流便可发光。

而LED因其使用的材料不同，其内电子、电洞所占的能阶也有所不同，能阶的高低差影响结合后光子的能量，而产生不同波长的光，也就是不同颜色的光，如红、橙光、黄、绿、蓝或不可见光等。

2011年10月1日，国家发改委发布中国淘汰白炽灯政府公告及路线图，根据路线图，中国将禁止销售和进口15瓦及以上普通照明用白炽灯，具体的禁止时间视2015年10月1日-2016年9月30日的中期评估结果而定。

消息一出，立刻引爆LED照明板块的投资热情，A 股带光电字头的个股纷纷涨停。

于是，LED迎来了最大的关注度
这股风潮不是中国独有，据统计，2014年全球智能照明市场规模约为15.44亿美元，2015年由于全球经济不景气，发展增长率低于预期，但是随着行业技术的发展成熟，以及厂商的积极推动，会持续增长，预计2019年的市场规模可达143.53亿美元。

根据全球技术研究公司ONWorld2015年4月的美国1000名成年消费者在线调查结果中，约有1/5的受访者表示，会在未来两年内购买智能LED灯泡；预计到2019年，全球无线智能照明产品的出货量将达到4亿个，其中大部分产品为智能LED灯泡。

2015年5月，国务院印发《中国制造2025》，明确提出要统筹布局和推动智能照明电器等产品研发和产业化。

智能照明是“超级蓝海”，可谓定调明确。

1.4 LED照明系统的应用
(1) 显示屏、交通讯号显示光源的应用。

LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏;交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED，采用LED信号灯既节能，可靠性又高，故交通信号灯正在逐步更新换代。

(2) 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。

LED响应速度快，可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故。

(3) LED作为LCD背光源应用寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点: 已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势。

(4) LED照明光源替换传统照明灯具。

这种替换趋势已经开始涉及户内外，商业照明，道路工业照明等。

(5) 其它应用如电子类产品如手机，数码播放器，电脑，收音机等。

例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光。

1.5国内研究现状
在2016年科学与财富刊中中国民航大学发布了《基于单片机的智能灯光控制》，这个设计以KL26单片机、热释电红外传感器、光敏模块、舵机、显示屏、带光耦隔离继电器、LED 等器件为核心设计制造了一套智能灯光控制系统。

通过热释电红外传感器、光敏模块采集数据。

采用大功率LED驱动方案，利用PWM波调光技术，控制LED灯可根据室内亮度不同自动调节LED的亮度；利用脉宽调制技术，控制舵机在自由度上旋转，实现不同区域不同颜色灯光照射的功能。

同时通过OLED菜单进一步对系统进行控制，自由选择照明方式，体现对LED 灯光的智能化和人性化控制，实现绿色节能照明。

第2章 LED照明系统总体设计方案
2.1 整体设计方案
通过AT89C51系列单片机来实现对LED灯的智能控制。

通过旋钮调节LED灯的亮度，并将当前的亮度等级加以显示。

当亮度调到最大等级时，再调亮就会发出警报。

2.2设计实施方案
（1）查阅相关资料，了解LED的发展和研究，以及LED的亮度调节方法。

（2）确定设计方案：
a：确定调节方式为按键控制，需要两个按键，“变亮”和“变暗”
b：确定LED的亮度调节方法为调节ＰＷＭ波的占空比。

c：确定亮度等级的显示方式为数码管显示。

d：确定警报的方式为蜂鸣器响１秒钟。

（3）进行模拟仿真：
利用仿真软件Proteus和Keil进行模拟，实现所要的功能。

（4）做出实物：
采购相关的元器件，做出电路板，进行实物的调试，完成系统功能。

（5）完成毕业论文
整理相关的实验过程和实验结果，完成毕业论文。

2.3 PWM控制LED亮暗原理
对于控制LED灯由亮到暗或由暗到亮，采用的是脉宽PWM法。

它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。

可以通过调整PWM的周期、PWM 的占空比而达到控制充电电流的目的。

这次设计利用51单片机产生占空比可变的矩形波，当产生此矩形波的I/O口通过滤波电路再与LED灯相接后，由于输出矩形波占空比不断变化，那么一个周期内有一部分时间LED导通，一部分截止，从整体来看有一个平均电压，PWM信号频率很高的，我们无法通过肉眼来观察到每一个周期LED灯亮灭的变化过程，所以通过平均电压这样一种方式来决定这个LED亮的程度了。

随着波形占空比不断变化，LED灯会由亮到暗或由暗到亮不断变化。

图2.1 系统框
第3章硬件电路设计
3.1概况
软件任务设计要和硬件电路设计结合进行，哪些功能由硬件完成，哪些任务由软件完成，在硬件定下来后，软件的设计就要配合硬件来进行。

本设计是基于51系列单片机加上各个系统模块制作的，当对整个系统上电之后，系统先达到初始化的状态，将信号输出至主控芯片上。

手动模式下分为增加亮度和降低亮度两种情况，而每一种情况为多个档位，增加亮度模式下一档为最暗档为亮度最大。

当按下降低亮度的时候则LED灯的亮度会降低。

3.2时钟电路设计
AT89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生:一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

内部时钟方式如图 3.1可见。

在AT89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1(18)和XTAL2(19)弓|脚外接石英晶体(简称晶振)，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5~30 pF,典型值为30PF。

晶振CYS的振荡频率范围在1.2~12 MHz间选择，典型值为12 MHZ和CMHZ。

图3.1
3.3复位电路
当在AT89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作(若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态)。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。

只要VCC的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。

除了上电复位外,有时还需要按键手动复位。

本设计用按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，其中电平复位是通过RST(9)端与电源VCC接通而实现的。

按键手动复位电路见图。

时钟频率用11.0592MHZ时C取10 uF, R取10 k。

3.4模数转换芯片ADC0808
ADC0808 是含8 位A/D 转换器、8 路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。

ADC0808的精度为 1/2LSB。

在AD 转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256电阻分压器，以及一个逐次通近型寄存器。

8 路的模拟开关的通断由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个单
边的模拟信号。

3.5电流放大芯片74HC573
74HC573的八个锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。

当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。

输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，
新的数据也可以置入。

这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。

特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工
作寄存器。

3.6编程仿真及代码
本次系统设计采用Keil C51软件进行编程。

Keil C51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，Keil C51集成开发环境是一个基于Windows的软件开发平台，它包含了源文件编辑器、项目管理器、源程序调试器等。

它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用，给本次系统设计带来了很大的方便。

优点：
（1）Keil C51具有非常高的目标代码生成效率，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

高级语言的优势可以再开发大型软件中体现。

（2）与汇编语言相比，C语言在结构性、可读性、可维护性、功能上有显而易见的优势，因此学习简单而且十分好用。

在用过汇编语言之后再使用C语言来开发，体会会更加深刻。

本次研究采用的是proteus仿真，proteus是英国Labcenter Electronics公司研发生产的最经济、功能最完善的电子设计自动化（EDA）系统，它不仅仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还可以仿真单片机以及外围器件。

Proteus集合了PCB设计、高级原理图、自动布线以及混合模式SPICE仿真来实现一个完整的电子设计系统。

其中，ISIS智能原理图输入系统是proteus系统的中心。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编辑器，深受单片机爱好者、致力于单片机开发应用的科技工作者和从事单片机教学的教师的青睐。

Proteus仿真具有其它EDA工具软件的功能，这些功能有：
原理布图
SPICE电路仿真
PCB自动或人工布线
革命性特点：
互动的电路仿真
用户可以实时采用如ROM，RAM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分IIC器件，部分SPI器件。

仿真处理器及其外围电路
可以仿真A VR、51系列、ARM、PIC等常用的主流单片机，还可以在基于原理图的虚拟原型上进行编程，配合显示及输出，能够看到运行后输出输入的效果。

通过Porteus进行仿真，但由于仿真器材的局限性，部分功能未能得以实现。

如下图3.2可见。

图3.2
相关程序代码如下可见
#include <regx51.h>
#include <absacc.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
#define DAC0832 XBYTE[0x7FFF]
uchar code table[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
sbit START= P1^3;//定义芯片的开始控制信号
sbit EOC=P1^4;//定义芯片完成信号
sbit OE= P1^5;//定义芯片允许输出信号
sbit CLK=P1^6;
sbit LED=P1^7;
uint count = 0;
uint PWMH;
void Delay1ms()//@12.000MHz
{
unsigned char i, j;
i = 2;
j = 239;
do
{
while (--j);
} while (--i);
}
void display(uint c)
{
c=c*100.0/255;//将采集的数据乘以标度因子
P3=0X08;//选通数码管第一位
P0=table[c%10];//用于显示个位数
Delay1ms();
P0=0XFF;
P3=0X04;//选通数码管第二位
P0=table[(c/10)%10];//用于显示十位
Delay1ms();
P0=0XFF;
P3=0X02;//选通数码管第三位
P0=table[(c/100)%10]; //用于显示百位
Delay1ms();
P0=0XFF;
}
void main()
{
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
TMOD=0X12;//设置定时器0工作为方式2，定时器1工作为方式1，
TH0=0X06;//定时器初值设置
TL0=0X06;//定时器初值设置,将芯片的频率设为2KHz
TH1= (65536-1000)>>8;
TL1= (65536-1000)&0XFF;
TR0=1;
TR1=1;
P1=0xFB;//设置芯片的工作通道为通道3
while(1)//无限循环
{
START=0;//关断开始信号
START=1;//锁存地址信息
START=0;//再次关断信号,启动芯片
while(EOC==0);//等待转换,转换结束EOC=1
OE=1;//运行芯片发送数据
display(P2);//调用显示程序
ET1 = 0; //关中断
PWMH = P2;
PWMH = PWMH*3.93f;//PWM波周期为1000us，PWMH最大值为255，所以要乘以标度因子（1000/255=3.93）
ET1 = 1; //开中断
OE=0;//关闭数据发送
}
}
/***************定时器0中断处理程序****************/
//函数名：timer0()
//说明：给CLK取反实现ADC0809时钟信号的发送
/**************************************************/
void timer0() interrupt 1
{
CLK=~CLK;//CLK取反,给芯片发脉冲}
void timer1() interrupt 3
{
if(PWMH >= 1000)
{
LED = 1;
TH1= (65536-1000)>>8;
TL1= (65536-1000)&0XFF;
}
else if(PWMH == 0)
{
LED = 0;
TH1= (65536-1000)>>8;
TL1= (65536-1000)&0XFF;
}
else
{
if(LED)
{
TH1= (65536-(1000-PWMH))>>8;
TL1= (65536-(1000-PWMH))&0XFF;
LED = 0;
}
else
{
TH1= (65536-PWMH)>>8;
TL1= (65536-PWMH)&0XFF;
LED = 1;
}
}
}
第4章实物调试
实物调试下来无问题，基本满足要求，光照能够按键控制调节，且整个系统稳定，效果完美。

如下图4.1可见
图4.1
结论
基于C51单片机的PWM调光以AT89C51作为主控芯片，设置手动控制分为多个档，输出不同的PWM占空比实现了对光度的手动调节。

该LED系统电路简单，很大程度上节省电能，延长LED灯寿命，适宜阅读。

通过这次毕业设计使我深刻的明白了一个道理，书到用时方恨少。

想不到我这一小小的控制系统也涉及了许多方面的内容。

为了做这套系统，我翻阅了不少的书籍，在网上也差了不少的资料，后来在我指导老师的帮助下完成了这套设计。

通过这次设计也使我开始喜欢上了单片机和编程，能通过简单的编程给冷冰冰的机器带来生命。

以后我会继续学习单片机与编程。