基于单片机的LED灯自动调光系统设计

王丽霞

摘要：本文设计的LED灯自动调光系统以瑞萨公司的R8C/25单片机作为控制器的主控芯片，结合光敏电阻以及传感器HC-SR501，来检测环境外界光强和人体活动。采用了单片机的PWM控制方式实现LED灯亮度的自动调节设计。

关键词：自动调光；单片机；传感器；LED

中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）10-0008-02

1 引言

隨着人们的生活水平不断提高，用电负荷的增加，能源问题日益显现，能源危机已成为世界面临的一个严重问题。而我国作为一个人口大国，此问题尤为严重。LED（发光二极管）作为一种新型发展的冷光源，具有高效节能、绿色环保、使用寿命长等其它传统光源无法比拟的优点，代表着未来照明技术的发展方向。

目前楼宇内灯光控制大多还是由人工控制，这样造成电能的浪费，本自动调光系统以R8C/25单片机作为控制器的主控芯片，结合光敏电阻以及人体红外热释电传感器HC-SR501，来检测环境外界光强和人体活动。实现室内灯光的自动控制，节约了楼宇建筑的电能消耗。

2 控制模块的硬件构成

本系统主要由六大电路构成，分别是：

系统主控电路、系统供电电路、数据采集电路、无线通信模块、LED灯驱动电路以及工频灯驱动电路。如图1所示。

2.1 系统主控电路

本系统的主控模块采用瑞萨公司的R8C/25单片机作为控制器的主控芯片。R8C/25是采用高性能硅栅CMOS工艺以及装载R8C/Tiny系列CPU内核的单芯片微型计算机。该单芯片微型计算机采用16位CPU内核，内置Flash存储器，抗干扰能力强。既有高功能指令又有高效率指令，并且具有1M字节的地址空间和高速执行指令的能力。

由于R8C/25单片机自身拥有丰富的资料，所以其最小系统不需过多的配置，只需配置复位电路，晶振电路和程序下载口即可。

2.2 系统供电电路

该控制系统的电源部分主要由5V的数字电源和12V的LED灯的驱动电源。采取工频市电供电。

通过双输出的变压器将幅值为220V的交流电转变成幅值15V的交流电，在通过整流桥转变成17V左右的直流电，但是该直流电的波动，经过滤波和L7812稳压芯片之后，让电压稳定在12V，但是双路输出都为12V而单片机最小系统所需要的电源在5V左右，不能超过5.3V，因此其中一路还需要经过L7805稳压芯片将电压稳定在5V，该5V用作单片机的数字电源。而对于无线通讯模块的供电电源为3.3V，因此在之前的5V基础上通过L1117稳压芯片将电压再次稳压到3.3V。

2.3 数据采集电路

室内的环境光和人体存在与否是系统的主要输入参数，因此室内的环境光和人体存在成为系统数据采集的主要对象。常见的环境光采集器件光电传感器有光敏二极管和光敏三极管以及光敏电阻，根据需求，选用光敏电阻配合电压模数转换电路更加有效并且价格便宜。此外，人体传感器要求灵敏度高，可靠性强，本系统采用了逻辑电平输出的HC-SR501型号的人体存在传感器。

2.3.1 环境光采集电路

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，该材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。

自然光或者某一安装环境下的光强采集电路为一个电阻与光敏电阻串联后接到电源上，光敏电阻分得的电压接与单片机的A/D转换管脚AN5。其工作原理是通过分压电路的分压值巧妙地将光强信号转变成电压信号。在阻值上R4选择为10K，而当光强较强是，由于光敏电阻值会呈现低阻值状态，电阻值不到0.5K，这也就意味着在该光敏电阻上的电压降在1V以下，那么单片机的A/D转换管脚AN5进行A/D转化时，则会得到一个较小的数值。但是当某一时刻光线比较暗，使得该光敏电阻呈现了高阻值状态，能够达到300K左右，这就意味着电阻R4与此时的光敏电阻相比几乎可以忽略不计，该光敏电阻的压降几乎能够接近5V，当然该电压的A/D采样的值将会比之前的大很多。

当然环境光的变化是非常柔和的，不会出现突变，所以当光强在缓慢变化的过程中，AN5的A/D采样的数值，必然会有一个峰峰值的差距，在这个较大的数据差之间，实际上可以进行分段处理，将这个差值分成几个层次来反映光强的不同程度。

2.3.2 人体存在信号采集电路

人体存在信号的采集电路采用了逻辑电平输出的HC-SR501型号的人体红外感应模块构成。

HC-SR501红外感应模块灵敏度高，可靠性强，可以全自动感应，当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平。输出低电平。热释电红外传感器能将检测到的人发射的红外线转换成电信号输出。如果单片机接收到传感器输出的是高电平，则认为有人体存在。

人体传感器的1号引脚为电源信号端，3号引脚为地信号端，2号引脚为采集信号输出端。

2.4 LED灯驱动电路

本文采用高亮白光LED灯进行调光控制。高亮LED灯一般导通电压约为3.0V～4.3V，它的核心是PN结，其特性和普通二极管一样。当加载在LED灯两端的电压小于导通电压，此时LED灯几乎没有电流通过，LED灯不会点亮。由于LED灯的光通量和通过它的正向电流成正比，所以可以通过控制其正向电流来调节其亮度。同时，在LED灯的正向电流达到额定电流的70%以上后，其绝大部分的电流被转化成了热能，所以在进行PWM调光时，最大电流不应该超过最小电流的3倍。

经过单独的实验，最终确定电源的电压与限流电阻值，使得LED灯的功率保持在最大，实际上是最为简单的用三极管作为控制开关来控制主回路的通断。当控制极为高电平，则灯亮，反之则灭。endprint

3 系统软件设计

在单片机硬件系统的基础上，再配上相应的软件，才能构成一个完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。在系统的硬件及输入输出方法确定后，程序软件就可以完全独立的进行设计、开发。在本系统的设计过程中，总体设计采用自上至下的设计思想将主程序设计好，而在各个部分展开成从属程序或子程序时，是将各个小模块分别进行设计和编程，同时在编程的过程中又用到了结构程序设计的思想。

本控制系统软件模块主要包括：系统死循环主程序、信号采集模块、无线通信模块、PWM调光驱动模块。

常用的LED灯调光方式是PWM调光，这种方式是通过改变流过LED的电流时间和关断时间的比而改变其亮度。流过LED灯的电流是恒定的，而在关断时流过LED灯的电流是零。PWM调光是通过以人眼察觉不到的频率快速开关LED灯，为了人眼察觉不到，这个频率应该不小于100Hz。同时PWM调光有利于LED灯散热。

在LED灯的驱动电路中可知，灯的亮灭实际上是单片机给出的方波来控制的，单片机发出PWM波之后，在T1间断内，三极管导通，使得LED灯点亮。相应的T2时段内为熄灭状态。因为PWM波形是一个周期性波形，也就意味着LED灯是不断地闪烁的。

当这个周期T的值很小时，人眼就分辨不出灯光的闪烁。之所以能够调节LED灯的亮度是因为当占空比D不同时，在一个周期内灯亮的时常不一样，也就是说灯发出的光的总量是较多的，光强自然也就越高。也可以理解为占空比越高，施加在LED灯两端的平均电压也就越大，因此亮度越高。

在程序上这点很容易实现，只需要建立延时电路即可。

4 结语

本文设计是以R8C/25单片机为主控电路的控制芯片，通过与相关电路的结合，实现对LED灯的调光控制。系统的硬件电路一般采用简易和性价比高的芯片，使电路设计简化，降低成本，使系统的可推广性更强，同时节省了单片机的I/0口资源，使系统的進一步扩展有很大的空间。系统自动调光软件程序的实现采用分块模式去编写，将不必要的延时程序减少到最少，使系统的运行效率大大提高。系统的硬件及软件设计完成后进行了联合调试，调试结果表明系统可以完成预期目标进行自动调光，该设计可以大大节省电能资源。

参考文献

[1]瑞萨科技.R8C/24群、R8C/25硬件手册[J].瑞萨科技，2009.09：1.

[2]张波等，曹丰文，汪义旺.LED路灯驱动及职能调光系统的研究与设计[J].照明工程学报，2011，22（4）：71-78.

[3]李渊，李宝营，穆艳.LED可调光自动控制系统设计[J].液晶与显示，2011，26（1）：96-99.endprint