基于STCl2C5410AD系列单片机的智能LED照明系统的设计*
2012-08-08王秀霞
王秀霞
(山东菏泽学院物理系，菏泽 274015)
1 引言
当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED由于具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，其应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。
LED，又称发光二极管，是一种将电能转化为光能的器件。它具有节能 (同白炽灯相比节省80%，同荧光灯相比节省60%)、发光效能高 (同白炽灯相比高20倍，同荧光灯相比高5倍)、寿命长 (是白炽灯的50倍，荧光灯的6倍，理论上可以点亮10万～12万小时)、污染小 (LED替代荧光灯后每年将减少8000万吨CO2，65万吨SO2，32万吨NO2;减少Hg的危险;无红外线和紫外线的发射。)和智能灯 (小尺寸光源，色彩再现良好、瞬时点亮;可进行传统光源无法进行的等级控制;分光光谱、色温、零食调制、偏振。)等特点。
LED是电流控制元件，通过流过的电流，将电能转变为光能，因其不存在摩擦损耗和机械损耗，所以比一般的光源节能，但是LED光源并不能像一般的普通光源一样可以直接使用电网电压，它必须配置一个电压转换装置，提供满足其额定的电压、电流，才能正常工作，即LED专用电源。由于各种不同的LED电源其性能和转换效率不同，所以选择合适、高效的LED专用电源，才能真正体现LED光源高效特性。为此本文设计了一种适用于公寓、办公楼的楼道照明及卫生间的照明等场合的智能LED照明控制系统，该系统可以根据工作环境亮度和是否有人员等来自动控制照明的开关和亮度。
2 系统硬件设计
为充分利用LED光源的高效、节能及智能化等特点，系统选用具有PWM和A/D转换的功能的8051系列单片机作为主控芯片。系统硬件主要包括以单片机为控制中心的LED驱动模块及调光、亮度检测、人体感应、温度检测等功能模块，为此本系统设置了三套传感系统。传感器将检测数据传送给控制核心——单片机，单片机根据处理结果输出PWM信号去控制照明设备的开启、关闭和亮度。
2.1 系统硬件整体结构设计［1］［3］ (如图1所示)
图1 智能LED照明系统整体框图
2.2 系统硬件单元电路设计
2.2.1 感应模块
(1)亮度检测模块
亮度检测模块的核心器件是光敏器件，常用到的光敏器件有:光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管等。通过对光电管、光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比较，发现光敏电阻除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，所以在系统中选用光敏电阻。有其组成的典型光控开关电路，如图2所示。
(2)人体检测模块
图2 光控开关电路
人体检测模块采用的是P2288被动式热释电红外传感器。热释电红外线传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出，当有人进入探测区时输出高电平(3.3V)，无人时输出低电平 (0V)，将这个输入到主控芯片的A/D转换口的任意一路。
(3)LED灯温度检测模块
LED灯温度检测模块中的温度传感器采用Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DSl8820。其测量温度范围为 －55℃ ～125℃，在－10℃ ～85℃范围内，精度为±0.5℃，完全满足本设计的测量温度范围和精度要求，向单片机提供LED灯的温度信息，并根据温度值调整PWM的占空比，进而控制LED灯的温度。
2.2.2 主控模块［1］
本系统采用的主控模块是宏晶科技生产的STCl2C5410AD系列单片机。它是单时钟/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，内部集成MAX810专用复位电路，具有4路PWM，8路高速10位A/D转换，指令代码完全兼容805l系列单片机。选择这个型号的单片机主要考虑到具有PWM和A/D转换的功能，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。
(1)A/D转换模块
STC12C5410AD系列单片机A/D转换模块在P1口 (P1.7～P1.0)，有8路10位高速A/D转换器，STC12C5410AD系列是8位精度的A/D，速度均可达到100KHz(10万次/秒)。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口。不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用，需作为A/D使用的口用户可以通过软件在P1M0、P1M1寄存器中对相应的位进行设置(将其设置为开漏模式或高阻输入)，将8路中的任何一路设置为A/D转换。其设置如表1所示。
表1 A/D转换寄存器的设置
(2)PWM模块
STC12C5410AD系列单片机有四路可编程计数器阵列 (PCA)/PWM。PCA含有一个特殊的16位定时器，有4个16位的捕获/比较模块与之相连。每个模块可编程工作在4种模式下:上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出。所有PCA模块都可用作PWM输出，输出频率取决于PCA定时器的时钟源。两者之间的关系为:
由于PWM是8位的，所以PCA时钟输入源可以从以下4种中选择一种:Fosc/12，Fosc/2，定时器0的溢出，ECI/P3.4输入。当要求PWM输出固定频率时，选前两种，当要求输出频率可调时，选后两种。
当某个I/O口作为PWM使用时，该口的状态如表2所示，外接负载电路如图3所示。
表2PWM口的状态
图3 PWM口输出电路
(3)主控模块原理图［1］［3］(如图 4 所示)
图4 系统主控模块原理图
2.2.3 LED灯驱动控制模块［2］
LED灯驱动控制模块中的核心器件采用深圳市流明芯半导体照明科技有限公司生产的降压型恒流驱动芯片AX2015(如图5所示)。AX2015是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联LED。AX2015输入电压范围从8伏到30伏，输出电流可调，最大可达1.2安培。根据不同的输入电压和外部器件，AX2015可以驱动高达数十瓦的LED。AX2015内置功率开关，采用高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，AX2015进入极低工作电流的待机状态。
图5 AX2015驱动LED灯原理图
3 系统软件设计
系统工作过程:首先利用光敏元件检测需要照明环境光线的强弱，若需要照明的环境的照度X＞200lx时，LED照明灯具处于关闭状态;若需要照明的环境的照度x＜200lx时，分为两种情况:需要照明环境有人，LED照明灯具处于开启状态，并且随着环境照度和LED灯的温度调整PWM的占空比，进而调节LED灯具的照度;需要照明环境无人，LED照明灯具处于关闭状态，达到智能照明的目的。为此设计了严密的软件控制。本程序采用模块化设计思想。以主程序为核心设置功能模块子程序，简化了设计结构。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序，因为灯具控制实时要求不高，循环控制即可满足要求。
3.1 系统主控软件设计［3］
系统上电后，首先初始化主控芯片，并读取其光通量信号、人体红外感应信号和温度信号，然后调整输出PWM脉冲的占空比并发送至AX2015的DIM引脚，循环往复，从而达到动态调光的目的。系统主程序流程图如图6所示。
3.2 主控A/D转换模块软件设计［1］
STC12C5410AD系列单片机A/D转换模块在P1口 (P1.7～P1.0)，通过软件设置A/D转换控制寄存器ADC_CONTR寄存器的低三位CHS2、CHS1、CHS0实现通道的选择。其通道选择表3所示。
图6 系统主程序流程图
表3 A/D转换模拟输入通道选择
3.3 主控PWM模块软件设计［1］
所有PCA模块都可用作PWM输出，且所有模块共用仅有的PCA定时器，所以它们的输出频率相同。各个模块的输出占空比是独立变化的，与使用的捕获寄存器 {EPCnL，CCAPnL}有关。当CLSFR的值小于 {EPCnL，CCAPnL}时，输出为低，当 PCACLSFR的值等于或大于 {EPCnL，CCAPnL}时，输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，{EPCnH，CCAPnH}的内容装载到 {EPCnL，CCAPnL}中。这样就可实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，模块寄存器CCAPMn的PWMn和ECOMn位必须置位。
当EPCnL=0及CCAPnL=00H时，PWM固定输出高
当EPCnL=1及CCAPnL=0FFH时，PWM固定输出低
PWM输出C语言程序代码如下:
#include＜reg52.h＞
sfr CCON=0xD8;
sfr CMOD=0xD9;
sfr CL=0xE9;
sfr CH=0xF9;
sfr CCAP0L=0xEA;
sfr CCAP0H=0xFA;
sfr CCAPM0=0xDA;
sfr CCAPM1=0xDB;
sbit CR=0xDE;
void main(void)
{
CMOD=0x02; //设置PCA定时器
CL=0x00;
CH=0x00;
CCAP0L=0xc0; //设置与CCAP0H相同的初始值
CCAP0H=0xc0; //设置PWM 的 占 空 比为25%
CCAPM0=0x42; //0100，0010将PCA的模块0设置为PWM模式
CR=1; //启动PCA定时器
while(1){};
}
4 结束语
本系统采用含具有A/D转换、PWM输出功能的STCl2C5410AD系列单片机为控制中心及大功率LED照明的设计方案，具有很好的灵活性和扩展性。利用被动式热释电红外传感器、光敏传感器和温度传感器分别测得周围是否有人、周围环境的光强和LED灯的温度，并根据这些信息实现动态调整LED亮度，能很好地节约能源，保护LED灯。
该系统结构简单，实用性强。可适用于公寓。办公楼的楼道灯，卫生间的照明灯等，可以达到很好的照明，节能，环保的效果。
［1］姚永平．STC12C5410AD系列单片机器件手册．http//www．Mcu-Memory．com．
［2］大功率LED照明全方位解决方案．http//www．liumenchip．com．
［3］贾冬颖，王巍．基于STC单片机LED智能照明系统的设计 ［J］．照明工程学报，2010，4～2:p71～73．
［4］王立刚，建天成，李晶晶．智能LED照明系统的研究与设计［J］．黑龙江大学自然科学学报，2009，8:543～545．
