基于單片機(jī)的LED燈控制器的設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的LED燈控制器的設(shè)計(jì)摘要：LED(Light Emitting Diodes)顯示技術(shù)在近幾年得到越來越多的應(yīng)用，LED照明產(chǎn)品的替代首先在商業(yè)，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)生，得到良好的示范作用后再逐步普及至家用照明領(lǐng)域。由于商業(yè)工業(yè)企業(yè)對(duì)電膏成本更敏感，政府對(duì)企業(yè)節(jié)能減排要求愈加嚴(yán)格等原因，商業(yè)工業(yè)領(lǐng)域?qū)κ褂霉?jié)匏型照明產(chǎn)品表現(xiàn)更積極。隨著白熾燈在各國(guó)的禁用，熒光燈對(duì)白熾燈的替代I,ED燈對(duì)白熾燈和熒光燈的替代將會(huì)是同步進(jìn)行的。介紹了基于新型高性能的單片機(jī)，利用電力載波通信技術(shù)的一種具有調(diào)壓，穩(wěn)壓，故障檢測(cè)和上傳等多功能的單燈控制器的設(shè)計(jì)方法，闡述了其工作過程并給出了其中主要硬件和軟件模塊的設(shè)計(jì)。

2、關(guān)鍵詞：智能開關(guān)；單片機(jī)；LED；控制系統(tǒng)一引 言隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)LED的研究發(fā)現(xiàn)，LED效能轉(zhuǎn)換率非常高，功耗遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的傳統(tǒng)燈具，而且比起現(xiàn)在的節(jié)能燈具。LED更節(jié)能、省電，在壽命、環(huán)保等方面均有不可比擬的優(yōu)越性。因此設(shè)計(jì)一個(gè)智能開關(guān)控制系統(tǒng)，與LED燈具相配合，將新穎、節(jié)能、低碳的新技術(shù)推廣、普及到每個(gè)家庭和企業(yè)中。城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為城市必不可少的公用設(shè)施，為了進(jìn)一步提高監(jiān)控的質(zhì)量或滿足具有特殊控制方式的路燈，單燈控制就顯示出了它的優(yōu)越性。單燈控制器具有調(diào)壓,穩(wěn)壓, 保護(hù),故障檢測(cè)和信息上傳等功能，主控器通過單燈控制器返回的故障信息可以判斷出故障路燈的具體地址和故障類型，為路燈的

3、維修帶來了方便 調(diào)壓功能可大大節(jié)省電能。具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，電力載波技術(shù)日益成熟，利用電力載波通信，不需要再鋪設(shè)通信線路，降低了成本，也為控制器的安裝帶來了方便。1設(shè)計(jì)的基本思想用單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)控制與單片機(jī)芯片技術(shù)發(fā)展有著密切相關(guān)。最早的單片機(jī)因?yàn)橹荒苁褂脜R編語言進(jìn)行開發(fā)外圍電路較多，所以對(duì)設(shè)計(jì)人員的硬件、接口設(shè)計(jì)水平要求較高，造成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本較高?，F(xiàn)在的單片機(jī)芯片集成度高，具有CPU速度快、內(nèi)有閃存、MD轉(zhuǎn)換、PWM輸出、16位定時(shí)器、振蕩等功能，其最大優(yōu)點(diǎn)是和以往相比外圍電路極少，可以用C語言、匯編語言或兩者混合編程，較大地降低了開發(fā)和生產(chǎn)成本。因此控制系統(tǒng)將基于單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)。

4、新穎、實(shí)用的燈具智能開關(guān)控制系統(tǒng)的控制面板由8051單片機(jī)、紅外傳感器、光敏電阻等組成其中8051單片機(jī)對(duì)環(huán)境亮度和是否有人存在等檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行控制，以有效、可靠為重點(diǎn)，控制與單片機(jī)相連接的節(jié)能LED燈具及其它照明電器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)的功能。光敏電阻和紅外傳感器的組合使用，可以做到各連接電器的準(zhǔn)確控制并通過單片機(jī)的程序處理能擴(kuò)大控制功能，例如感應(yīng)開啟、延時(shí)關(guān)閉等。這樣大大的方便人們的日常生活，也節(jié)約了用電，提高了用電安全性。因此在智能開關(guān)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)過程中必須考慮三個(gè)注意事項(xiàng)和實(shí)現(xiàn)四個(gè)技術(shù)指標(biāo)。見表1。二系統(tǒng)的組成及工作原理系統(tǒng)由主控器和單燈控制器兩部分組成，如圖2所示。主控器通過電力線

5、和單燈控制器進(jìn)行通信，以便了解每個(gè)路燈的情，并進(jìn)行統(tǒng)一的控制。 當(dāng)通信距離較長(zhǎng)，一般超過一千米時(shí)， 或者通信環(huán)境惡劣，通信效果較差時(shí)，就要指定某個(gè)或某幾個(gè)單燈控制器兼做中繼，以保證正常的通信效果。單燈控制器是由單片機(jī)， 電力載波模塊和調(diào)壓模塊等幾部分組成。如圖 3所示。單片機(jī)用來實(shí)時(shí)采集路燈的電壓和電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，計(jì)算出此時(shí)路燈的工作狀態(tài)并存儲(chǔ)下來。單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換器來控制調(diào)壓模塊達(dá)到調(diào)壓和穩(wěn)壓的作用。采樣電路提取出路燈的電流值，當(dāng)電流值超過設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)通過中斷立即切斷電路達(dá)到保護(hù)的作用。 電力載波模塊由載波芯片及其外圍電路組成，用于單燈控制器和主機(jī)的通信，接收主機(jī)的命令和參數(shù)，

6、命令包括開燈（多種開燈方式如全開、隔一亮一、隔二亮一、 主燈開、副燈開等多種情況）、關(guān)燈、調(diào)壓（調(diào)壓范圍可以從180V到220V）和提取信息等，括號(hào)內(nèi)功能由參數(shù)來控制。撥碼開關(guān)用來確定單燈控制器的地址碼，每一個(gè)燈桿具有唯一的地址碼。為了防止電壓在給定值附近小范圍內(nèi)變化時(shí)，調(diào)壓模塊頻繁的動(dòng)作，路燈電壓的控制采用帶有死區(qū)的PID控制方式。帶有死區(qū)PID的基本做法是當(dāng)偏差較小時(shí)，即E（K）<=B時(shí)輸出結(jié)果為零，偏差大于B時(shí)輸出以PID的運(yùn)算結(jié)構(gòu)輸出PID輸出為：三，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)31傳感器部分311 被動(dòng)式熱釋電紅外探測(cè)器該探測(cè)器有三個(gè)關(guān)鍵元件：菲涅爾濾光晶片，它通過截止波長(zhǎng)812um的濾光晶片

7、，起帶通濾波器的作用，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制；菲涅爾透鏡，聚焦作用，即將熱釋的紅外信號(hào)折射(反射)在熱釋電紅外傳感器上，第二個(gè)作用是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在熱釋電紅外傳感器上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣熱釋電紅外傳感器就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)；熱釋電紅外傳感器將透過濾光晶片的紅外輻射能量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即熱電轉(zhuǎn)換。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)lOum左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的10um左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的lOum左右的紅外線通過菲涅爾濾波片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通過采用

8、熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射穩(wěn)定發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生電平的變化。根據(jù)此原理應(yīng)用性能穩(wěn)定的紅外模塊，當(dāng)有人走動(dòng)時(shí)模塊輸出33V電壓，沒人時(shí)為低電平。模塊有可調(diào)的延時(shí)，最多可達(dá)到18秒。312環(huán)境亮度傳感模塊此傳感模塊的核心器件是光敏電阻。光敏電阻利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換(將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化)。 32控制部分STCl2C5628AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘機(jī)器周期(IT)的單片機(jī)，是高速低功耗超強(qiáng)抗干擾的新

9、一代805l單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8一12倍，內(nèi)部集成MAx810專用復(fù)位電路。4路PWM，8路高速10位AD轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。選擇這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)主要考慮到具有PWM和AD轉(zhuǎn)換的作用，使得外圍電路得到了大大的簡(jiǎn)化，同時(shí)產(chǎn)生的PWM信號(hào)可直接與驅(qū)動(dòng)芯片相連，使得這個(gè)系統(tǒng)的成本降低了很多。由于采用的是PWM調(diào)光的方式，為了減少不必要的外圍的電路，選擇的驅(qū)動(dòng)芯片可直接由DIM管腳輸入PWM方波。LM3407是一款集成了N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管的脈沖寬度調(diào)制的浮動(dòng)式降壓轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)是為提供精準(zhǔn)的恒定電流輸出，以驅(qū)動(dòng)高功率發(fā)光二極管(LED)。LM3407的顯著

10、特色是脈沖電平調(diào)制(PLM)控制方案，這一方案在使用一個(gè)外部1精度的電流設(shè)定厚膜電阻時(shí)，能確保在整個(gè)輸入電壓和工作溫度范圍內(nèi)恒定電流輸出精度好于10。轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)特點(diǎn)是具有一個(gè)可接收標(biāo)準(zhǔn)邏輯脈沖，控制LED陣列亮度的DIM引腳，使得LM3407成為精密功率LED驅(qū)動(dòng)器或者恒流源的理想器件。四，軟件設(shè)計(jì)本程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了2個(gè)功能模塊子程序：使一些功能在子程序中實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行過程中通過主程序調(diào)用個(gè)功能模塊子程序，該系統(tǒng)有2個(gè)功能模塊：l是AD轉(zhuǎn)換模塊；2是PWM產(chǎn)生模塊。在主函數(shù)中直接調(diào)用就可以了，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。其系統(tǒng)的流程圖見圖4,5.軟件在cyg

11、nal公司提供的CYGNAL IDE環(huán)境下利用語言編程實(shí)現(xiàn),其主要流程如圖 6所示。單片機(jī)是利用片內(nèi)交叉開關(guān)來分配相應(yīng)的I/O端口的，其內(nèi)部資源都需要進(jìn)行初始。 其程序如下所示：五，結(jié) 論現(xiàn)代化都市對(duì)景觀照明系統(tǒng)的要求越來越高，包括高速度、大容量、全色彩、可遠(yuǎn)程下載控制等。LED景觀燈憑借自身優(yōu)勢(shì)，在樓宇、舞臺(tái)、橋梁等公共場(chǎng)合的應(yīng)用越來越廣泛。本文以NIOS II嵌入式處理器為中央控制單元，提出一套基于TCPIP協(xié)議和DMX512協(xié)議的LED景觀照明控制系統(tǒng)，不僅能夠滿足上述性能要求，而且具有節(jié)約成本、實(shí)時(shí)性好、易于維護(hù)升級(jí)等特點(diǎn)。本文依據(jù)SOPC設(shè)計(jì)思想，將NIOS II嵌入式處理器應(yīng)用到L

12、ED照明領(lǐng)域，解決了使用傳統(tǒng)的以單片機(jī)為核心的LED控制器所帶來的種種問題。既拓展了NIOSII嵌入式的應(yīng)用范圍，又為L(zhǎng)ED燈控制提出了一種新的控制方案。首先，明確控制要求，分析傳統(tǒng)控制方法的弊端，針對(duì)這些弊端提出一套符合應(yīng)用要求的LED控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由基于TCPIP協(xié)議的主網(wǎng)與基于DMX512協(xié)議的子網(wǎng)組成。第二，在控制器硬件選型和設(shè)計(jì)的過程中，對(duì)ALTERA公司的FPGA器件做了詳細(xì)的研究，了解了該公司各系列產(chǎn)品的性能、特點(diǎn)以及適用范圍。針對(duì)控制器所具有的功能，為NIOS II嵌入式處理器的運(yùn)行設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)，由FPGA、電源、時(shí)鐘以及各類外設(shè)組成一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)。第三，開發(fā)DMX512燈

13、控m核，構(gòu)建LED控制器的SOPC系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，DMX512燈控IP核可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)暫存和信號(hào)輸出的功能。使用DMX512通信協(xié)議，一路輸出即可搭載512個(gè)具有256級(jí)狄度的LED像素點(diǎn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)、漸變、閃爍三種照明方式和顏色在全色彩范圍內(nèi)變化。設(shè)計(jì)能夠滿足高速度、大容量、全彩色的控制要求。在構(gòu)建SOPC系統(tǒng)的過程中，采用了自定義lP核與lP核移植相結(jié)合的方式，既節(jié)省了開發(fā)時(shí)間又使產(chǎn)品的性能得到滿足。第四，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，LED控制器可以實(shí)現(xiàn)脫機(jī)和聯(lián)網(wǎng)兩種運(yùn)行方式。在脫機(jī)運(yùn)行時(shí)，用戶可以將自定義的燈光圖案和閃亮方式存儲(chǔ)在SD卡中，控制器讀取SD中存儲(chǔ)的文件，

14、實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的LED燈。在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，用戶通過上位機(jī)控制界面發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，控制器接收數(shù)據(jù)包并以DMX512協(xié)議規(guī)范控LED鏈路。應(yīng)用SOPC設(shè)計(jì)理念，將NIOS II嵌入式技術(shù)應(yīng)用于LED照明領(lǐng)域，滿足了未來城市景觀照明規(guī)?；?、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展要求，具有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。當(dāng)然，由于水平和精力所限，整個(gè)系統(tǒng)還有許多需要改善的地方。第一，在NIOS II下可以嵌入uCOSII或者uClinux嵌入式操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)可以對(duì)于任務(wù)進(jìn)行管理，避免各子任務(wù)之間的沖突，以充分的利用硬件資源。第二，上位機(jī)與LED控制器之間，只是簡(jiǎn)單的通過PC機(jī)發(fā)送UDP廣播數(shù)據(jù)包進(jìn)行通信的。在以后的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，可以采用在

15、NIOS II處理器中移植1wip或者nickestack輕量級(jí)IP協(xié)議的方式，實(shí)現(xiàn)LED控制器可設(shè)定IP地址。這樣，采用上位機(jī)遠(yuǎn)程控制的功能才能更好的體現(xiàn)出來。文中對(duì)燈控制系統(tǒng)的組成和工作過程進(jìn)行了論述。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)燈高要求控制，其在節(jié)省能源和節(jié)省人力物力資源方面有著重要意義。由于LED顯示屏的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境及應(yīng)用目的有很大關(guān)系，所以對(duì)其控制系統(tǒng)的要求也是不同的。如果顯示屏的面積要求很大，屏幕顯示的信息量超大，那么要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也隨之增大，如何設(shè)計(jì)出更理想的字模保存方法以及數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的壓縮算法需要進(jìn)一步的研究和探討。參考文獻(xiàn)：【l】潘慶浩，古鵬智能家居控制系統(tǒng)技術(shù)問題的研究與探討們

16、電腦知識(shí)與技術(shù)，2008(5)：951-954【21古鵬，溫武。陳耀華新型單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)家居智能控制的單元設(shè)計(jì)【J】電腦知識(shí)與技術(shù)。2008(5)：713-716【3】張金家剖析“智能家居集成及其平臺(tái)技術(shù)研究”【C】建筑及住宅社區(qū)數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)論文集，2003：33-38【4】宏晶科技STCl2C54lOAD系列單片機(jī)手冊(cè)IS，2006【5】彭為，黃科，雷道仲單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講【M】北京：電子工業(yè)出版社，2006【6】.劉文濤 C51程序設(shè)計(jì) 2004【7】.Cygnal Integrated Products Inc;潘琢金;孫德龍;夏秀峰 C8051F單片機(jī)應(yīng)用解析 2002【8】.李剛;