LED號稱“綠色照明的第四代光源”，目前已開始逐步應用于電信、交通、農業(yè)、醫(yī)學、軍事等領域。LED（Light-emitting Diode，發(fā)光二極管）是一種固態(tài)的半導體組件，能夠把電能直接轉化為光能。作為一種固體照明光源，LED具有長壽命、高光效、多光色等特性，可在安全低電壓下工作，也可連續(xù)開關閃斷，能實現0％～100％調光。
本文闡述一種基于單片機C8051F020自動測控LED節(jié)能照明系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)能夠對LED燈的發(fā)光強度進行調控，當環(huán)境光強減弱時自動提高LED的發(fā)光強度，當環(huán)境光強變強時自動減弱LED燈的發(fā)光強度，維持環(huán)境光強值的穩(wěn)定并達到節(jié)能的效果。同時，系統(tǒng)還具有光強、溫度、紅外3種感應開關控制LED燈的開與關，再加上過壓、過流保護措施，進一步提高節(jié)能效率并保證照明系統(tǒng)的正常工作。此外，系統(tǒng)還使用液晶實現LED照明工作信息的外部顯示。該系統(tǒng)可應用于如樓道照明、工作照明、設備照明等很多場合。
1 總體設計方案
本系統(tǒng)采用單片機C8051F020為核心來實現LED照明燈的自動測控，系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)的整體框架
整個系統(tǒng)的設計分硬件設計和軟件設計，硬件設計又可分為供電驅動模塊、自動測控與顯示模塊3部分。
供電驅動模塊實現的過程為：12～24 V的直流供電輸入，經過過壓保護電路后向SN3350芯片構成的LED驅動電路提供安全電壓，驅動電路驅動LED照明燈正常工作。自動測控與顯示模塊主要包括光強傳感器、溫度傳感器、紅外無線傳感器和液晶顯示器。光強傳感器采用了硅光電池和集成運放組成光電轉換電路，將環(huán)境中光照強度轉換為電壓信號，經過單片機的A／D轉換，依據實測電壓和光照的關系曲線，將相應電壓值轉化為照度并經由LCD1602液晶顯示；溫度傳感器采用了DS18B20芯片電路，將實時的環(huán)境溫度轉換為電信號傳遞給單片機分析處理，同樣經LCD1602液晶顯示；紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應器電路，感應電路接收到信號后傳給單片機控制LED照明燈的開關。
系統(tǒng)實現節(jié)能和自動測控的功能由單片機C8051F020實現。軟件編程的思路是：由單片機內部產生PWM信號控制SN3350驅動芯片的ADJ引腳。通過改變PWM的占空比，實現對ADJ輸入任意電壓，進而控制LED照明燈的開關及亮度調節(jié)。
2 硬件電路設計
2.1 單片機C8051F020
本系統(tǒng)采用單片機C8051F020，其片內含CIP-51的CPU內核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。含有64 kB片內Flash程序存儲器，4 352 B的RAM、8個I／O端口共64根I／O口線、1個12位A／D轉換器1個8位A／D轉換器以及1個雙12位D／A轉換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較模塊的可編程計數／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6 V（端口I／O、RST和JTAG引腳的耐壓為5 V）。
2.2 LED驅動電路
本系統(tǒng)選用了SN3350芯片作為LED驅動電路的核心。SN3350是一款降壓型電感電流連續(xù)模式驅動芯片，適用于電源電壓高于一顆或一串LED所需電壓的應用場合。芯片的輸入電壓范圍為*0 V，輸出電流可達750 mA，輸出功率可達30W。圖2為本系統(tǒng)采用的LED驅動電路。
圖2 LED驅動電路
圖2中，3號引腳ADJ為多功能開關／亮度控制腳，其引腳特性為：
1）引腳懸空：工作在普通模式。（普通模式下VADJ=VREF=1.2 V，工作電流IOUTnom=0.1／R1）；
2）輸入電壓低于0.2 V：關閉輸出電流；
3）輸入直流電壓從0.3～1.2 V：輸出電流調整范圍從25～100％；
4）通過不同占空比的PWM信號來控制輸出電流；
5）當ADJ引腳電壓超過1.2 V：電流被自動鉗位在100％。
SN3350的輸出電流可以通過在ADJ引腳加控制信號來設置。本系統(tǒng)利用單片機產生PWM信號輸入ADJ引腳，驅動電路依據以上引腳特性在不同的電壓值下進入不同的工作模式。
2.3 光強傳感器
本系統(tǒng)的光強傳感器采用了一種光電轉換電路，其原理圖如圖3所示。電路的作用在于，通過集成運放LM324和反饋電阻Rf，將硅光電池（相當于一個光控恒流源）輸出的電流轉換為電壓信號輸出。通過調節(jié)Rf阻值的大小，可以改變輸出電壓值的大小，從而能夠適應后級控制電路對輸入信號電壓值的要求。實際應用時，光照強度影響，Is大小，進而引起Vout的改變，從而實現了將光強信號轉換為電壓信號。
圖3 光電轉換電路
表1和圖4是在實際制成的光電轉換電路中，使用照度計和電壓表測得的光照度-電壓關系。
表1 光電轉換電路測試結果
圖4 光照度-電壓關系
由圖4可見，隨著環(huán)境光照度的增大，光電轉換電路的輸出電壓也線性增大，相關度達99.1％，線性良好。這表明按照圖3制成的光電轉換電路的實際測試結果與理論預期符合度較好。同時，圖4的光照度-電壓關系直線也為軟件部分的程序設計提供了重要依據。
2.4 紅外無線感應器
本系統(tǒng)的紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應器電路。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路。以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應器采用被動探測方式，其電路原理如圖5所示。菲涅爾透鏡（DSG）接收進入探測區(qū)域的人體所發(fā)射的波長為8～12 μm的紅外線，通過熱釋電傳感器（PIR）將光信號轉變?yōu)殡娦盘?，經電路系統(tǒng)放大，濾波，最后將信號輸出。
圖5 熱釋電紅外無線感應器電路
2.5 其他電路模塊
本系統(tǒng)中還有2個較簡單的電路模塊：過壓保護電路和溫度傳感器電路。
過壓保護的意義在于。當開關電源內部穩(wěn)壓環(huán)路出現故障或者由于用戶操作不當引起輸出過壓現象時，過壓保護電路能進行保護，以防止損壞后級用電設備。此外，還可在系統(tǒng)供電電路中串接自恢復保險絲，起到過流保護的作用。
本系統(tǒng)的溫度傳感器采用Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20。這是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。選用DS18B20為溫度傳感器的電路十分簡潔，9位溫度信號經一條總線，直接傳遞給單片機進行處理。
3 軟件設計
軟件設計的思路是先分模塊獨立設計，然后對各個模塊進行綜合整理。本系統(tǒng)程序設計的流程框圖如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)程序設計的流程框圖
程序主要分為5個模塊：亮度控制模塊、溫度探測處理模塊、光照度探測處理模塊、紅外無線探測處理模塊、液晶顯示模塊，下面對前3個較為復雜的模塊分而述之。
1）亮度控制模塊根據給定的LED驅動電路芯片SN3350的引腳特性，可以通過控制ADJ腳的信號的電壓來控制LED的亮度。單片機80C51F020能夠自行產生Vpp=5 V的PWM信號，因此可以通過控制該PWM信號的占空比來控制LED燈的亮度。依據圖4的光照度-電壓關系直線設定判定程序，得出對應的占空比，就能實現對于亮度的控制。
2）溫度探測處理模塊由于DS18B20芯片的信號輸出腳輸出的是數字信號，本模塊的內容主要是對從DS18B20獲得的數字信號進行譯碼，從而獲得實際環(huán)境溫度數值。
3）光照度探測處理模塊使用圖3光電轉換電路探測環(huán)境光強度輸出電壓信號。該信號是模擬信號，因此，需要對此信號進行模數轉換之后才能夠用單片機進行處理。使用80C51F020自帶的A／D轉換模塊，可以實現模數轉換。光照度對應的電壓信號在0～2.4 V之間，因此某一特定的電壓值轉換成8位的數字信號，然后通過與溫度信號類似的處理從而對光進行控制。
根據本文2.2部分所述的SN3350驅動芯片控制端ADJ引腳特性，程序設計的具體方案如下：
LED燈隨外界環(huán)境照度的自動調節(jié)和控制：當測得實際光照度大于2 000 lx（照度值可依據需要自行設定，下同）時，令ADJ引腳的輸入電壓為0，LED滅；當測得實際光照度小于1 000 lx時，令ADJ引腳的輸入電壓為0.3 V，LED亮；當測得實際光照度大于1 000 lx且小于2 000 lx時，令ADJ引腳的輸入電壓在0.3～1.2 V之間做相應變化。
LED燈隨外界環(huán)境溫度的自動調節(jié)和控制：當LED的溫度大于80℃（溫度值可依據需要自行設定，下同）時，令VADJ=0；當LED的溫度小于50℃時，令VADJ=1.2 V。
LED燈隨外界紅外輻射信號的自動調節(jié)和控制：當熱釋電紅外無線傳感器傳來感應信號時，令VADJ=1.2 V，沒有信號傳來時，令VADJ=0。
4 系統(tǒng)測試
4.1 基本工作測試
電源供電15 V；實測三盞LED燈兩端的工作電壓為14V；驅動電路輸出電流為320 mA；過壓保護測試調節(jié)輸入電壓大于24 V時，LED兩端電壓很快下降；當輸入電壓升至27V時LED兩端電壓已降至0V。
測試結果表明本系統(tǒng)能在低壓條件下正常穩(wěn)定工作，具有過壓保護功能。
4.2 功能測試
1）測量與顯示功能
能否顯示環(huán)境光照強度：能，LCD顯示環(huán)境光強可精確到1 lx；
能否顯示環(huán)境溫度：能，LCD顯示環(huán)境溫度可精確到0.1℃；
2）自動控制功能
光強改變時能否開關燈：能，光強大于2 170 lx時自動關燈；光強小于1 040lx時自動關燈（設計閾值分別為2 000lx和1 000 lx）；
溫度改變時能否關燈：能，溫度高于82.5℃時自動關燈；
溫度低于49.3℃時自動開燈（設計閾值分別為80℃和50℃）；
能否維持環(huán)境光強的基本穩(wěn)定：能，環(huán)境光強減弱但不小于1 000 lx時，自動提高LED的發(fā)光強度；環(huán)境光強增強但不超過2 000 lx時，自動減弱LED的發(fā)光強度；
能否感應紅外輻射并開關燈：能，在有人進入LED燈一定距離（最大半徑3.5 m處）時，自動開燈，并維持10 s后逐步減弱燈光亮度直至關閉。
測試結果表明，本系統(tǒng)具備隨環(huán)境光強、溫度、紅外輻射變化而自動控制開關、調節(jié)光強的功能，實測數據與理論設計值符合得比較好。
5 設計過程需要注意的問題
本系統(tǒng)的特點是硬件模塊電路較多，設計時應注意共地與接口匹配。具體來說，單片機C8051F020、LED驅動電路的SN3350芯片、光電轉換電路中的集成運放LM324、熱釋電紅外無線感應器電路的核心BISS0001芯片、DS18B20溫度傳感器電路和過壓保護電路6個模塊都要與直流電源共地。接口匹配問題主要存在于光強、紅外輻射、溫度3個傳感器的輸出口與單片機的輸入口，以及單片機的輸出口與液晶LCD1602、LED驅動芯片SN3350的控制引腳之間。此外，由于LM324、BISS0001、DS18B20等芯片的工作電壓為5 V，小于LED照明系統(tǒng)15 V的工作電壓，測試時需另接5 V電源，而實際制作成品時則需增加一個電平轉換電路，將統(tǒng)一的15 V供電電壓轉換為5 V穩(wěn)壓輸出給相關芯片。
在編寫程序時需考慮各個傳感器傳送的信息被單片機處理的優(yōu)先級。根據實際需要，本系統(tǒng)接收信號的參考優(yōu)先級順序為：溫度信號、紅外信號、光強信號。
6 結束語
本文設計的LED照明系統(tǒng)，利用單片機C8051F020作為控制核心，實現了根據環(huán)境光強、紅外輻射、溫度條件變化而自動開關、調節(jié)亮度等功能，突出了LED節(jié)能照明的優(yōu)勢，因而具有較好的實用參考價值。本系統(tǒng)的最大特色是功能集成度高，集測量、控制、顯示為一體，包括光強、紅外輻射、溫度3種傳感器。在實際應用中，可以根據不同需要設置相關閾值或突出某一功能。例如，應用在樓道、洗手間照明時主要用到紅外輻射傳感功能，無人時燈不亮，有人時燈才亮，達到了節(jié)約電能的效果；應用在辦公室、教室照明時主要用到光強傳感器及調光功能，使環(huán)境光強穩(wěn)定在某一設定值，白天燈不亮或較暗，夜晚燈亮，從而提高電能利用率；應用在智能臺燈、工件加工臺照明時還可以監(jiān)測工作溫度（比如超過80℃時燈滅）；等等。