基于单片机的LED灯控制器的设计

基于单片机的LED灯控制器的设计
基于单片机的LED灯控制器的设计
摘要：
LED(Light Emitting Diodes)显示技术在近几年得到越来越多的应用，LED照明产品的替代首先在商业，工业领域发生，得到良好的示范作用后．再逐步普及至家用照明领域。

由于商业．工业企业对电膏成本更敏感，政府对企业节能减排要求愈加严格等原因，商业．工业领域对使用节匏型照明产品表现更积极。

．随着白炽灯在各国的禁用，荧光灯对白炽灯的替代．I,ED灯对白炽灯和荧光灯的替代将会是同步进行的。

介绍了基于新型高性能的单片机，利用电力载波通信技术的一种具有调压，稳压，故障检测和上传等多功能的单灯控制器的设计方法，阐述了其工作过程并给出了其中主要硬件和软件模块的设计。

关键词：智能开关；单片机；LED；控制系统
一．引言
随着时代的发展，对LED的研究发现，LED效能转换率非常高，功耗远低于现有的传统灯具，而且比起现在的节能灯具。

LED更节能、省电，在寿命、环保等方面均有不可比拟的优越性。

因此设计一个智能开关控制系统，与LED 灯具相配合，将新颖、节能、低碳的新技术推广、普及到每个家庭和企业中。

城市路灯监控系统已经成为城市必不可少的公用设施，为了进一步提高监控的质量或满足具有特殊控制方式的路灯，单灯控制就显示出了它的优越性。

单灯控制器具有调压,稳压, 保护,故障检测和信息上传等功能，主控器通过单灯控制器返回的故障信息可以判断出故障路灯的具体地址和故障类型，为路灯的维修带来了方便调压功能可大大节省电能。

具有很高的经济效益，电力载波技术日益成熟，利用电力载波通信，不需要再铺设通信线路，降低了成本，也为控制器的安装带来了方便。

1设计的基本思想
用单片机芯片实现智能开关控制与单片机芯片技术发展有着密切相关。

最早的单片机因为只能使用汇编语言进行开发．外围电路较多，所以对设．计人员的硬件、接口设计水平要求较高，造成设计和生产成本较高。

现在的单片机芯片集成度高，具有CPU速度快、内有闪存、MD转换、PWM输出、16位定时器、振荡等功能，其最大优点是和以往相比外围电路极少，可以用C语言、汇编语言或两者混合编程，较大地降低了开发和生产成本。

因此控制系统将基
于单片机进行开发。

新颖、实用的灯具智能开关控制系统的控制面板由8051单片机、红外传感器、光敏电阻等组成．其中8051单片机对环境亮度和是否有人存在等检测信号进行控制，以有效、可靠为重点，控制与单片机相连接的节能LED灯具及其它照明电器设备，实现各种设计的功能。

光敏电阻和红外传感器的组合使用，可以做到各连接电器的准确控制．并通过单片机的程序处理能扩大控制功能，例如感应开启、延时关闭等。

这样大大的方便人们的日常生活，也节约了用电，提高了用电安全性。

因此．在智能开关控制系统的总体设计过程中必须考虑三个注意事项和实现四个技术指标。

见表1。

二．系统的组成及工作原理
系统由主控器和单灯控制器两部分组成，如图2所示。

主控器通过电力线和单灯控制器进行通信，以便了解每个路灯的情，并进行统一的控制。

当通信距离较长，一般超过一千米时，或者通信环境恶劣，通信效果较差时，就要指定某个或某几个单灯控制器兼做中继，以保证正常的通信效果。

单灯控制器是由单片机，电力载波模块和调压模块等几部分组成。

如图3所示。

单片机用来实时采集路灯的电压和电流数据，进行处理，计算出此时路灯的工作状态并存储下来。

单片机通过D/A转换器来控制调压模块达到调压和稳压的作用。

采样电路提取出路灯的电流值，当电流值超过设定值时，单片机
通过中断立即切断电路达到保护的作用。

电力载波模块由载波芯片及其外围电路组成，用于单灯控制器和主机的通信，接收主机的命令和参数，命令包括开灯（多种开灯方式如全开、隔一亮一、隔二亮一、主灯开、副灯开等多种情况）、关灯、调压（调压范围可以从180V到220V）和提取信息等，括号内功能由参数来控制。

拨码开关用来确定单灯控制器的地址码，每一个灯杆具有唯一的地址码。

为了防止电压在给定值附近小范围内变化时，调压模块频繁的动作，路灯电压的控制采用带有死区的PID控制方式。

带有死区PID的基本做法是当偏差较小时，即E（K）<=B时输出结果为零，偏差大于B时输出以PID的运算结构输出PID输出为：
三，系统硬件设计
3．1传感器部分
3．1．1 被动式热释电红外探测器
该探测器有三个关键元件：菲涅尔滤光晶片，它通过截止波长8～12um的滤光晶片，起带通滤波器的作用，使环境的干扰受到明显的控制；菲涅尔透镜，聚焦作用，即将热释的红外信号折射(反射)在热释电红外传感器上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化
的形式在热释电红外传感器上产生变化热释红外信号，这样热释电红外传感器就能产生
变化的电信号；热释电红外传感器将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长lOum左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。

人体发射的lOum左右的红外线通过菲涅尔滤波片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通过采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射稳定发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检测处理后就能产生电平的变化。

根据此原理应用性能稳定的红外模块，当有人走动时模块输出3．3V电压，没人时为低电平。

模块有可调的延时，最多可达到18秒。

3．1．2环境亮度传感模块
此传感模块的核心器件是光敏电阻。

光敏电阻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)。

3．2控制部分
STCl2C5628AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟／机器周期(IT)的单片机，是高速／低功耗／超强抗干扰的新一代805l单片机，指令代码完全兼容
传统8051，但速度快8一12倍，内部集成MAx810专用复位电路。

4路PWM，8路高速10位A／D转换，针对电机控制，强干扰场合。

选择这个型号的单片机主要考虑到具有PWM和AD转换的作用，使得外围电路得到了大大的简化，同时产生的PWM信号可直接与驱动芯片相连，使得这个系统的成本降低了很多。

由于采用的是PWM调光的方式，为了减少不必要的外围的电路，选择的驱动芯片可直接由DIM管脚输入PWM方波。

LM3407是一款集成了N沟道功率MOS场效应管的脉冲宽度调制的浮动式降压转换器，其设计是为提供精准的恒定电流输出，以驱动高功率发光二极管(LED)。

LM3407的显著特色是脉冲电平调制(PLM)控制方案，这一方案在使用一个外部1％精度的电流设定厚膜电阻时，能确保在整个输入电压和工作温度范围内恒定电流输出精度好于10％。

转换器的另一个特点是具有一个可接收标准逻辑脉冲，控制LED阵列亮度的DIM引脚，使得LM3407成为精密功率LED 驱动器或者恒流源的理想器件。

四，软件设计
本程序采用模块化设计思想，以主程序为核心设置了2个功能模块子程序：使一些功能在子程序中实现，简化了设计结构。

运行过程中通过主程序调用个功能模块子程序，该系统有2个功能模块：l是AD转换模块；2是PWM产生模块。

在主函数中直接调用就可以了，大大简化了设计结构。

其系统的流程图见图4,5.
软件在cygnal公司提供的CYGNAL IDE环境下利用语言编程实现,其主要流程如图6所示。

单片机是利用片内交叉开关来分配相应的I/O端口的，其内部资源都需要进行初始。

其程序如下所示：
五，结论
现代化都市对景观照明系统的要求越来越高，包括高速度、大容量、全色彩、可远程下载控制等。

LED景观灯凭借自身优势，在楼宇、舞台、桥梁等公共场合的应用越来越广泛。

本文以NIOS II嵌入式处理器为中央控制单元，提出一套基于TCP／IP协议和DMX512协议的LED景观照明控制系统，不仅能够满足上述性能要求，而且具有节约成本、实时性好、易于维护升级等特点。

本文依据SOPC设计思想，将NIOS II嵌入式处理器应用到LED照明领域，解决了使用传统的以单片机为核心的LED控制器所带来的种种问题。

既拓展了NIOSII嵌入式的应用范围，又为LED灯控制提出了一种新的控制方案。

首先，明确控制要求，分析传统控制方法的弊端，针对这些弊端提出一套符合应用要求的LED控制系统。

系统由基于TCP／IP协议的主网与基于DMX512协议的子网组成。

第二，在控制器硬件选型和设计的过程中，对ALTERA公司的FPGA器件做了详细的研究，了解了该公司各系列产品的性能、特点以及适用范围。

针对控制器所具有的功能，为NIOS II嵌入式处理器的运行设计硬件平台，由FPGA、电源、时钟以及各类外设组成一个完整的硬件系统。

第三，开发DMX512灯控m核，构建LED控制器的SOPC系统是本设计的主要内容。

采用模块化的设计方法，DMX512灯控IP核可以实现数据暂存和
信号输出的功能。

使用DMX512通信协议，一路输出即可搭载512个具有256级狄度的LED像素点，并且能够实现静态、渐变、闪烁三种照明方式和颜色在全色彩范围内变化。

设计能够满足高速度、大容量、全彩色的控制要求。

在构建SOPC系统的过程中，采用了自定义lP核与lP核移植相结合的方式，既节省了开发时间又使产品的性能得到满足。

第四，经过试验验证，LED控制器可以实现脱机和联网两种运行方式。

在脱机运行时，用户可以将自定义的灯光图案和闪亮方式存储在SD卡中，控制器读取SD中存储的文件，实现相应的LED灯。

在联网运行时，用户通过上位机控制界面发送网络数据包，控制器接收数据包并以DMX512协议规范控LED链路。

应用SOPC设计理念，将NIOS II嵌入式技术应用于LED照明领域，满足了未来城市景观照明规模化、网络化的发展要求，具有一定的参考价值和应用前景。

当然，由于水平和精力所限，整个系统还有许多需要改善的地方。

第一，在NIOS II下可以嵌入uC／OS．II或者uClinux嵌入式操作系统，操作系统可以对于任务进行管理，避免各子任务之间的冲突，以充分的利用硬件资源。

第二，上位机与LED控制器之间，只是简单的通过PC机发送UDP广播数据包进行通信的。

在以后的设计实践中，可以采用在NIOS II处理器中移植1wip 或者nickestack轻量级IP协议的方式，实现LED控制器可设定IP地址。

这样，采用上位机远程控制的功能才能更好的体现出来。

文中对灯控制系统的组成和工作过程进行了论述。

系统可实现对灯高要求控制，其在节省能源和节省人力物力资源方面有着重要意义。

由于LED显示屏的分析、设计与实际应用环境及应用目的有很大关系，所以对其控制系统的要求
也是不同的。

如果显示屏的面积要求很大，屏幕显示的信息量超大，那么要传输的数据量也随之增大，如何设计出更理想的字模保存方法以及数据传输时的压缩算法需要进一步的研究和探讨。

参考文献：
【l】潘庆浩，古鹏．智能家居控制系统技术问题的研究与探讨们．电脑知识与技术，2008(5)：951-954．
【21古鹏，温武。

陈耀华．新型单片机芯片实现家居智能控制的单元设计【J】．电脑知识与技术。

2008(5)：713-716．
【3】张金家．剖析“智能家居集成及其平台技术研究”【C】．建筑及住宅社区数字化技术应用研讨会论文集，2003：33-38．
【4】宏晶科技．STCl2C54lOAD系列单片机手册IS]，2006．
【5】彭为，黄科，雷道仲．单片机典型系统设计实例精讲【M】．北京：电子工业出版社，2006．
【6】.刘文涛C51程序设计2004
【7】.Cygnal Integrated Products Inc;潘琢金;孙德龙;夏秀峰C8051F单片机应用解析2002
【8】.李刚;林凌与8051兼容的高性能、高速单片机C8051Fxxx 2002
【9】刘文涛．MCS-5l睢片机培训教程【M1．北京：电子工业出版社，2005，8：240～260．
【10】汪道辉．单片机系统设计与实践【M】．北京：电子工业出版社，2006，5：32—39．
【11】搂然苗，李光飞．5l系列单片机设计实例【M】．北京：北京航空航天大学出版，2003，3：6—77．
【12】王为青，邱文勋．5l单片机应用开发案例精选【M】．北京：人民邮电出版社，2007，8：74～92．
【13】张鑫．单片机原理及应用【M】．北京：电子工业出版社，2005．。