基于單片機的LED智能補光臺燈設(shè)計

摘要隨著現(xiàn)代社會的開展，中國青少年的近視率一直居高不下，成為困擾中國家庭的主要問題。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，科學(xué)家希望通過人工干預(yù)和治療，從根本上解決近視問題。然而現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的開展雖然可以解決很多曾經(jīng)困擾人類的疑難問題，卻仍然不能從根源上預(yù)防和祛除近視。我們通過對影響視力的各種因素進行實驗，發(fā)現(xiàn)造成青少年視力下降的最主要根源是燈光。傳統(tǒng)護眼燈為了到達(dá)提高頻率的目的，使用了高頻鎮(zhèn)流器，使得護眼燈的電磁輻射遠(yuǎn)比一般的電器高得多，是、電腦的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，嚴(yán)重影響視力。而LED照明技術(shù)的出現(xiàn)，為我們提供了消除僅是問題的途徑。本文基于單片機控制的智能補光系統(tǒng)，全天候模擬出上午9、10點鐘自然光照，完全杜絕頻閃、輻射和眩光，有效消除傳統(tǒng)光源中紫外線、紅外線，能有效降低因光線變暗或變亮對人眼睛的傷害，可以有效減少對電能的消耗，節(jié)能環(huán)保。針對現(xiàn)代社會近視率居高不下的現(xiàn)象，提出了基于MCS-51單片機的LED智能補光系統(tǒng)對外界光線的自動采集和調(diào)整，以減少由于外界光線變亮變暗對人眼的傷害。實驗結(jié)果說明LED燈管的亮度可以柔和地根據(jù)外界光線的變化而變化，不存在閃爍和刺眼現(xiàn)象。通過光敏電阻采集外部光照和光通量的變化，采集到的變化值經(jīng)過和基準(zhǔn)值比較后送到單片機進行運算，由MCU控制數(shù)字量的輸出，從而改變流經(jīng)LED燈管的電流，以此來調(diào)整LED的亮度，以接近自然光的狀態(tài)運行，實現(xiàn)智能補光。關(guān)鍵詞：臺燈光度PWM調(diào)光自動調(diào)節(jié)With

the

development

of

modern

society,

the

China

youth

myopia

rate

has

been

high,

become

the

main

problems

of

Chinese

family.

With

the

progress

of

science

and

technology,

scientists

hope

to

use

artificial

intervention

and

treatment,

fundamentally

solves

the

problem

of

myopia.

However,

although

the

development

of

modern

medicine

can

solve

many

difficult

problems

have

plagued

mankind,

myopia

still

cannot

prevent

from

the

source

and

eliminate.

Our

experiments

on

various

factors

affecting

the

eyesight,

found

that

the

most

major

causes

of

adolescent

eyesight

to

drop

is

light.

The

traditional

eye

protection

lamp

in

order

to

improve

the

frequency

of

the

use

of

high

frequency

ballasts,

electromagnetic

radiation,

make

the

eye

protection

lamp

is

much

higher

than

the

general

electrical

appliances,

mobile

phone,

computer

is

several

times

even

dozens

of

times,

seriously

affect

vision.

LED

lighting

technology,

provides

us

with

a

way

to

eliminate

is

only

part

of

the

problem.

In

this

paper,

intelligent

lighting

system

based

on

single

chip

microcomputer,

all-weather

simulate

the

morning

of

the

9,

ten

o'clock,

natural

light,

completely

eliminate

the

stroboscopic,

radiation

and

glare,

the

effective

elimination

of

traditional

light

sources

in

the

ultraviolet,

infrared,

can

effectively

reduce

the

light

dimming

or

brightening

of

the

human

eye

damage,

can

effectively

reduce

the

consumption

of

electricity,

energy

saving

environmental

protection.In

the

modern

society

high

myopia

phenomenon,

put

forward

LED

intelligent

supplemental

lighting

system

of

MCS-51

single

chip

microcomputer

automatic

acquisition

and

adjustment

of

the

external

light

based,

to

reduce

due

to

external

light

dimmed

on

human

harm.

The

experimental

results

show

that

the

brightness

of

the

LED

lamp

can

be

gently

according

to

the

changes

of

the

external

light

changes,

does

not

exist

and

dazzling

flashing

phenomenon.

Light

sensitive

resistance

acquisition

of

external

light

and

luminous

flux

changes,

changes

in

the

value

of

the

process

and

the

reference

value

comparison

is

sent

to

the

microcontroller

operation,

the

output

is

controlled

by

MCU

digital

quantity,

thus

changing

the

current

flowing

through

the

LED

lamp,

the

brightness

in

order

to

adjust

the

LED,

to

state

run

close

to

natural

light,

the

realization

of

intelligent

lighting.目錄引言一、LED智能補光燈原理··························二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計······························2.1主控電路的系統(tǒng)································2.2恒流驅(qū)動系統(tǒng)···································2.3調(diào)光方案的選擇······························三、自動控制3.1光敏電阻反應(yīng)局部·············································3.2ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換局部···············································3.3調(diào)光系統(tǒng)······································四、軟件設(shè)計4.1總體框圖·····································4.2主要程序······································五、總結(jié)附錄：作品照片引言LED照明又稱固態(tài)照明，作為繼白熾燈、熒光燈后的第三代照明技術(shù)，具有節(jié)能、環(huán)保、平安可靠的特點，固態(tài)光源是被業(yè)界看好的未來十年替換傳統(tǒng)照明器具極具潛力的新型光源，代表照明技術(shù)的未來。開展新固態(tài)照明，不僅是照明領(lǐng)域的革命，而且符合當(dāng)前政府提出的“建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會〞的要求。LED臺燈就是以LED(LightEmittingDiode)即發(fā)光二極管為光源的臺燈，LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED臺燈是典型的綠色照明光源產(chǎn)品，作為國家綠色照明推廣使用的產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用前景。在實際的應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)LED燈在周邊亮度大時依然以同一功率發(fā)光，存在電能浪費。另外一方面，因為LED的發(fā)熱量和電流存在正相關(guān)的關(guān)系，發(fā)熱影響了LED的壽命，所以在不必要的亮度下也減少了LED的壽命。然而，當(dāng)LED在周邊亮度小時，LED燈不能提供足夠和恰當(dāng)?shù)墓舛龋@樣又影響了閱讀，造成視覺疲勞。PWM方法的根本思想就是利用單片機具有的PWM端口，在不改變PWM方波周期的前提下，通過軟件的方法調(diào)整單片機的PWM控制存放器來調(diào)整PWM的占空比，從而控制充電電流。本方法所要求的單片機必須具有ADC端口和PWM端口這兩個必須條件，另外ADC的位數(shù)盡量高，單片機的工作速度盡量快。在調(diào)整充電電流前，單片機先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實際讀取到的充電電流進行比較，假設(shè)實際電流偏小那么向增加充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比；假設(shè)實際電流偏大那么向減小充電電流的方向調(diào)整PWM的占空比。本文介紹了以STC89C51為控制核心，通過光敏電阻感應(yīng)光度，并利用PWM調(diào)光技術(shù)對LED進行光度的自動調(diào)節(jié)。一、LED智能補光燈原理交流電源的頻率為50赫茲，會使臺燈產(chǎn)生每秒鐘50回合的一明一暗的頻閃。頻閃導(dǎo)致眼睛瞳孔括約肌不停地張合，使眼球老損、變形，最終引發(fā)近視。而所謂的護眼燈是通過一種高頻鎮(zhèn)流器，把頻閃從50次變成3至5萬次，但其實并沒有真正消除頻閃，并不能真正保護眼睛?？梢哉f，頻閃是近視的罪魁禍?zhǔn)?。LED低壓直流發(fā)光技術(shù)，采用直流電源，完全無頻閃；由光電傳感器、紅外傳感器和單片機構(gòu)成智能補光系統(tǒng)，可根據(jù)環(huán)境光變化自動調(diào)節(jié)光照強度，無論外界如何變化，始終保持恒定適眼光源。二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計基于C51單片機和PWM調(diào)光的LED臺燈是以STC89C51作為主控芯片繼而進行自動控制的。在自動控制時，通過ADC0809模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片不斷檢驗光敏電阻的電壓來間接測量感應(yīng)光度，將電壓和預(yù)設(shè)的閾值進行比照，調(diào)整PWM的占空比對LED的電流進行控制，從而實現(xiàn)了對光度的自動調(diào)節(jié)?？傮w框圖如下列圖。圖1.1光敏電阻傳感器光敏電阻傳感器A/D轉(zhuǎn)換模塊AT89C52單片機D/A轉(zhuǎn)換模塊驅(qū)動電路超亮白光LED光電開關(guān)偵測電路2.1主控電路的系統(tǒng)主控芯片采用AT89C51單片機芯片，AT89C51單片機芯片有40個外部I/O口，可用作對外部硬件的控制接口。其中P0.0-P0.7八個I/O口外接10K的電阻作為上拉電阻。40引腳為電平引腳外接五伏電壓，20引腳為接地引腳，18和19引腳為外部晶振接口，為芯片提供晶振，9引腳為外部復(fù)位電路接口，P1.0-P1.7作為DA模塊控制端口，P2.0-P2.7作為AD模塊的控制端口。2.2恒流驅(qū)動系統(tǒng)外部光線采集主要用到的傳感器為：光敏傳感器。光敏傳感器實時監(jiān)控外部光強的變化，由于光敏電阻的阻值大小隨著外界光強的不同發(fā)生變化，我們將變化的電壓值這個模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機能夠處理的數(shù)字信號，單片機經(jīng)過分析處理將數(shù)字信號的二進制代碼輸出給D/A轉(zhuǎn)換器，這樣經(jīng)過單片機處理過輸出的數(shù)字信號又重新變成了模擬信號變量，此時的模擬變量的為電流信號，由于輸出的電流在毫安級或者十幾毫安級，無法驅(qū)動大公率的LED燈管，所以我們在此應(yīng)用驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片可以輸出大電流用來點亮LED燈管。至此我們點亮了LED燈管，LED發(fā)出的亮度是完全根據(jù)人眼的感光特性而設(shè)定的，一旦外界光線變暗或著變亮，光線的強度和燈光的強度疊加，此時的光通量不再是人眼最適應(yīng)的值，所以光敏電阻捕捉到這一變化，單片時機根據(jù)光敏電阻電壓值的變化，調(diào)整輸出的數(shù)字信號，進而改變LED燈管的亮度。2.3調(diào)光方案的選擇a用調(diào)正向電流的方法來調(diào)亮度通過調(diào)整正向電流的大小的改變可以改變LED的亮度，但是通過電流的大小的改變并不是最正確選擇，因為通過電流的改變，使LED的壽命減少，還容易引起閃爍。b、采用脈寬調(diào)制〔PWM〕來調(diào)光LED是一個二極管，它可以實現(xiàn)快速開關(guān)。它的開關(guān)速度可以高達(dá)微秒以上。是任何發(fā)光器件所無法比較的。因此，只要把電源改成脈沖恒流源，用改變脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。這種方法稱為脈寬調(diào)制〔PWM〕調(diào)光法。圖7表示這種脈寬調(diào)制的波形。假設(shè)脈沖的周期為tpwm,脈沖寬度為ton,那么其工作比D〔或稱為孔度比〕就是ton/tpwm.改變恒流源脈沖的工作比就可以改變LED的亮度三、自動控制3.1光敏電阻反應(yīng)局部光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換。因此，不斷采集光敏電阻對地的電壓便可以獲知臺燈周邊光強的變化。如下列圖〔圖2.4〕所示：3.2ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換局部ADC0808和ADC0809除精度略有差異外(前者精度為8位、后者精度為7位)，其余各方面完全相同。它們都是CMOS器件，不僅包括一個8位的逐次逼近型的ADC局部，而且還提供一個8通道的模擬多路開關(guān)和通道尋址邏輯，因而有理由把它作為簡單的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)〞。利用它可直接輸入8個單端的模擬信號分時進行A/D轉(zhuǎn)換，在多點巡回檢測和過程控制、運動控制中應(yīng)用十分廣泛。如下列圖〔圖2.4〕所示，ADC0809的參考電壓設(shè)置成5V，時鐘信號通過單片機P3.3口利用定時器中斷輸出。光敏電阻的對地電壓從IN3口輸入，ADC0809將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后通過OUT1-7輸出，以便單片機進一步處理。3.3調(diào)光系統(tǒng)由于模擬光是直接改變流過LED電流的大小來實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，除了亮度會改變以外，也會影響白光的質(zhì)量，即不同電流下發(fā)出的白光存在色偏。因此，本設(shè)計采用PWM調(diào)光方案，PWM調(diào)光的根本原理是保持LED正向?qū)娏骱愣ǎㄟ^控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比列，即改變輸入脈沖信號的占空比，使LED產(chǎn)生亮暗變化；并利用人眼的視覺殘留效應(yīng)，當(dāng)LED亮暗變化頻率大于120HZ時，人眼就不會感覺到閃爍，而看到的是LED的平均亮度。PWM調(diào)光的優(yōu)勢是LED正向?qū)ǖ碾娏魇呛愣ǖ?，LED的色度就不會像模擬調(diào)光時產(chǎn)生變化。四、軟件設(shè)計4.1總體框圖圖3.14.2主要程序<1>AD轉(zhuǎn)換定時器1產(chǎn)生CLK信號，定時時間為2us,亦即CLK周期為0.4us。程地址為011，即IN3口輸入。利用公式getdata*1.0/255*VREV+對數(shù)字量進行變化。程序代碼如下：#include<absacc.h>

#include<reg51.h>

#include<intrins.h>#defineulongunsignedlong

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedcharucharcodeLED[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};sbitg=P2^0;//個位

sbitsf=P2^1;//十分位

sbitbf=P2^2;//百分位

sbitKA=P2^6;//千分位sbitSTART=P3^4;//啟動轉(zhuǎn)換

sbitEOC=P3^3;//轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志

sbitOE=P3^2;//輸出使能

sbitALE=P3^0;//地址鎖存uintvol=0;//采樣得到的0~255之間的離散數(shù)據(jù)

ulongV=0;//處理后的電壓數(shù)據(jù)。V的高到低位依次為：整數(shù)位個位、小數(shù)十分位、百分位。

//-----------------------------------

voiddelay(uintx)

{

for(;x>0;x--);

}

//------------------------------------

voidstart(void)

{

ALE=1;

_nop_();

START=1;

_nop_();

ALE=0;

_nop_();

START=0;

}

//-------------------------------------

voidcheck(void)

{

while(EOC==1);//等待轉(zhuǎn)換結(jié)束

_nop_();

_nop_();

while(EOC==0);

_nop_();

_nop_();

OE=1;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

vol=P1;//從P1口讀取數(shù)據(jù)

OE=0;

}

//------------------------------------

voiddeal(void)

{

V=(vol*5);

V*=100;

V/=256;//V的高到低位依次為：整數(shù)位個位、小數(shù)十分位、百分位。

}

//-----------------------------------

voiddisplay(void)

{

KA=0;g=0;

P0=LED[V/100]&0x7f;//共陽顯示加小數(shù)點

delay(800);

g=1;

delay(50);sf=0;

P0=LED[(V/10)%10];//&0x7f;

delay(800);

sf=1;delay(50);bf=0;

P0=LED[V%10];

delay(800);

bf=1;KA=1;

}

voidmain()

{

EA=0;

while(1)

{

start();

check();

deal();

display();

}

}<2>PWM調(diào)節(jié)51單片機本身是沒有pwm接口的，這個程序是通過軟件模擬pwm.在一定的頻率的方波中，調(diào)整高電平和低電平的占空比，即可實現(xiàn)LED燈亮度控制。程序出自:單片機網(wǎng)，如有問題可在論壇提出，程序中使用定時器0產(chǎn)生2.5ms周期脈沖，使用占空比控制變量scale控制占空比，在低電平期間使LED燈亮，在高電平期間使LED燈滅，改變scale就改變了高電平與低電平的時間，因此也就控制了LED燈的亮度。*/

#include"AT89X51.H"http://模擬PWM輸出控制燈的10個亮度級

unsignedintscale;//占空比控制變量

voidmain(void)//主程序

{unsignedintn;//延時循環(huán)變量

TMOD=0x02;//定時器0，工作模式2〔0000，0010〕，8位定時模式

TH0=0x06;//寫入預(yù)置初值6到定時器0，使250微秒溢出一