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单片机开发

单片机LED灯设计


基于单片机的智能LED灯的设计

楼宇的公共楼道等公共场所,使用机械手动开关和荧光照明灯,不但容易造成长明灯现象,缩短灯泡寿命,而且损坏率较高,增大了维修量,既浪费电量和资金,又不符合节能降耗和绿色环保的社会理念。随着技术的成熟,LED灯因其耗电低、亮度高、体积小、寿命长等优点得到广泛应用,结合声光控智能开关系统,可以实现公共场所能耗的大幅度降低,是一种实用的照明控制方案。

一、智能LED灯硬件设计

1.1系统框图和原理图

本设计要实现的主要功能是LED灯在照明条件良好时(如白天)不亮灯,照明条件不足(如夜晚)且有声音响动时亮灯,并在亮灯后延时一段时间后自动熄灭的控制要求。综合分析,以STC15W404S单片机为主控芯片,外围电路由声音检测模块,光线检测模块,LED驱动模块和辅助模式控制模块构成的系统可以满足需求。系统框图如图1所示。

图 1 单片机LED灯系统框图

原理图是指电路中各元件的电气连接关系示意图,根据系统框图,使用Protel DXP提供的丰富的元件库,可以绘制出清晰美观的电路原理图。

该控制电路除了声音控制外,还有光控功能,即在白天时无论有无声音,都不会点亮灯泡,只有在夜晚或是光线较暗时,发出大于某个音量的声音时,才会开灯。采集到的光线和声音经过LM393电压比较器进行亮度和音量阈值比较后,将信号送给单片机,由单片机进行逻辑判断,决定是否开灯。同时,为设计调试需要,系统还加入了模式选择控制按键,单独按下按键分别进入声控、光控模式,开机默认模式为声音光线同时控制模式。

1.2 STC15W404S单片机

STC15W404S单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是宽电压/高速/高可靠/低功耗和超强抗干扰的新一代8051单片机,采用STC第九代加密技术,无法解密,指令代码和管脚完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。STC15W404S单片机的主要功能、性能参数如下:内置兼容标准8051的STC-Y5超高速内核;工作电压:2.5~5.5V;工作频率范围:5MHz~35MHz,相当于普通8051单片机的60MHZ~420MHZ;Flash空间:4KB;内部存储器(RAM):512B;定时器\计数器:16位3个;通用异步通信口(UART)1个,可分时复用;中断源:8个;具有ISP(在系统可编程)\IAP(在应用可编程),无需专用编程器\仿真器;通用I\O口:42\38\30\26个;外形封装:40脚PDIP、42脚LQFP、SOP28等。

1.3声音检测电路设计

常用的声—电转换元件有压电陶瓷片,驻极体话筒等。压电陶瓷片又称压电蜂鸣器,它是根据特定材料的压电效应制成,当受外界机械压力或振动作用时,产生电压和电流,其数值与作用于材料表面的机械力成正比。电容式送话器是利用金属振动膜和固定的电极之间的电容进行工作的。为了能够正常工作,在电容极板之间需要加固定的直流电压,使电容在平时处于充电状态。驻极体送话器是电容式送话器的一种,它是由驻有永久电荷的(驻极体)和一个薄膜金属片构成的电容器。当薄膜感受到声音时会引起振动,这个电容器的容量会随着声音的震动而改变。但是驻极体上面的电荷量是不能改变的,所以这个电容两端就产生了随声音变化的电压信号。驻极体送话器不用额外供电,体积小,结构简单,价格便宜,故本设计选择电容式驻极体送话器。

1.4光线检测电路设计

常用的可见光检测器件有光电管、光电二极管、光电池和光敏电阻等,本系统选用高精度光敏电阻。光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,通常由光敏层、玻璃基片和电极等组成,它对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光的响应很接近,只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化。

1.5驱动电路设计

系统用固态继电器实现控制端与LED负载端的隔离,通过继电器的吸合和断开,实现LED灯点亮和熄灭。固态继电器的输入端用微小的控制信号,达到直接驱动大电流负载。较之电磁继电器具有可靠性更高、无触点、寿命长、速度快等优点。单片机通过P2.6引脚送来的电平,控制PNP三极管Q2的通断,进而驱动固态继电器K1。为提高系统扩展性,对于小功率LED灯可以接入Q2发射极,还可根据LED灯功率情况,通过J1外接大功率LED灯及恒流源等。

二、智能LED灯软件设计

系统软件在Keil uVision4下使用C语言实现。C语言是一种编译型程序设计语言,它兼顾了许多种高级语言的特点,有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可读性和可移植性,而且可以直接插入汇编语言,实现对系统硬件的控制。Keil uVision4是51单片机开发中应用非常广泛的一种编译和调试软件,既可以编译C源程序、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件,还提供了较强的调试功能。

由于要在光线强时无论有无声音且不论大小,都不会亮灯,只有在夜晚或光线较暗时,发出大于某个音量的声音时,才会亮灯,亮灯30S后自动灭灯。具体代码通过循环检测P3.0和P3.1的值和基本逻辑实现。整体系统经过Proteus仿真和软硬联调。测试表明,系统方案可行,功能正常。

结语

本文设计的智能LED照明系统,以STC15W404S单片机为控制核心,以驻极体送话器和光敏电阻为检测输入前端,以固态继电器隔离的驱动输出,通过软硬件设计和软硬件仿真及联调,最终实现了对小型公共场所LED灯的自动开关控制功能。结构简单,工作稳定,成本低廉,具有一定的实用价值。

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