基于8051单片机的自动测控LED节能照明系统.doc
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基于8051单片机的自动测控LED节能照明系统.doc
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天津农学院
毕业设计
中文题目:
LED光源的自适应控制系统设计
英文题目:
DesignofSelf-adaptionControlling
SystemonLEDLightSource
学生姓名刘哲
系别机电工程系
专业班级2008级测控技术与仪器专业二班
指导教师张志勇
成绩评定
2012年06月
18
目录
1引言 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2LED照明的国内外研究现状 2
1.3LED相关知识 3
1.3.1LED的结构及发光原理 3
1.3.2LED光源的特点 3
1.3.3LED的应用 4
1.4系统研究内容 5
2系统硬件电路设计 6
2.1主控芯片 6
2.1.1单片机 6
2.1.2内部结构 7
2.1.3引脚功能 8
2.2LED驱动电路 10
2.3光强转换电路 11
2.3.1光照强度 11
2.3.2光照强度与电压的转换 11
2.4其他电路模块 13
3系统软件设计与实现 13
3.1软件总体设计与流程 13
3.1.1系统程序开发软件 13
3.1.2系统主程序的设计 14
3.2各子模块软件设计与实现 15
3.2.1LED亮度控制模块 15
3.2.2温度采集控制模块和显示模块 15
4结论 16
参考文献 17
致谢 18
附录1相关英文文献 19
附录2英文文献中文译文 24
附录3系统源程序 30
摘要
大功率白光LED因其高效、节能、环保、寿命长、高可靠性等优点逐渐在照明领域获得广泛应用,已经开始替代白炽灯、荧光灯等传统照明光源,成为21世纪的新一代照明光源。
本文提出了一种可根据环境光强,和温度变化而实现自动开关、调节亮度的LED照明系统的设计方案。
采用单片机8051为系统控制核心,设计了由硅光电池和集成运放组成的光强传感器,采用DS18B20为温度传感器,还利用液晶实现了工作信息显示。
实验结果表明,系统在光强大于2170lx时能自动关断;当光强小于1040lx时能自动开启;当光强在1000~2000lx变化时,LED亮度能自动调节,以维持环境照度基本稳定。
关键词:
LED照明;自动测控;节能
ABSTRACT
Semiconductorlightingiswidelyusedandisgraduallyreplacingtheincandescentandfluorescentlightingduetoitsadvantagesoverconventionallightingofhighefficiency,lowenergyconsumption,lowpollution,longlifetimeandhighreliability.ALEDlightingsystemwhichcanautomaticallyswitchandregulateitsbright-nessoflightingaccordingtothelightintensityandtemperaturewaspresentedinthispaper.8051MCUwasusedasthesystemcontrollingcore.AsiliconphotovoltaiccellandanintegratedoperationalamplifierwereusedtodesignthelightintensitysensorandDS18B20wasusedasthetemperaturesensor.Besides,aLCDwasusedtodisplaytheworkinginformation.Experimentalresultsshowthatthesystemcanautomaticallyshutdownwhenlightintensityisabove2170lx,andswitchonwhenlightintensityisbelow1040lx.Whenthelightintensityisfluctuatesfrom1000lxto2000lx,thebrightnessoftheLEDlightingsystemcanautomaticallyadjusttomaintainthebasicstabilityoftheenvironmentillumination.
Keywords:
LEDLighting;AutomaticMonitoringandControlling;EnergySaving
LED光源的自适应控制系统设计
刘哲
(天津农学院机电工程系)
1引言
1.1选题的背景及意义
随着全球经济的迅速发展,能源消耗以惊人的速度增长,伴随而来的则是大量的环境污染和生态破坏。
在电能消耗中,发达国家照明用电占发电总量的比例为19%,而我国为10%。
随着经济发展,我国的照明用电将有大比例的提高,绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。
开发和推广应用节能灯具,成为迫在眉睫的任务。
LED照明就是在这样的形势下发展起来的[1]。
传统光源白炽灯发热量大、耗电、发光效率较低、使用寿命短。
荧光灯管显色性较差(光谱是断续的)特别是它的频闪效应,容易使人眼产生错觉,需要在设计上采取措施消除频闪效应,另外灯管内存在着有毒的汞蒸汽,不环保。
LED光源与常见光源效率典型数据对比如下表1所示。
表1LED光源与常见光源效率典型数据对比
灯具光源种类
光源光效(LM/W)
灯具效率(X%)
灯具有效光效(LM/W)
LED光源
90-130
90%
1-117
HPS高压钠灯
100-130
55%
55-72
Halide金卤灯
80
55%
44
CPL型节能灯
60-70
60%
36-42
无极灯
60(大功率50)
60%
36(30)
白炽灯
15
——
——
普通荧光灯
60-80
70%
42-56
LED照明以其绿色环保,高效节能的优势成为当前最具潜力的照明方式之一。
LED号称“绿色照明的第四代光源”[2],目前已开始逐步应用于电信、交通、农业、医学、军事等领域。
LED(Light-emittingDiode,发光二极管)是一种固态的半导体组件,能够把电能直接转化为光能。
作为一种固体照明光源,LED具有长寿命、高光效、多光色等特性,可在安全低电压下工作,也可连续开关闪断,能实现0%-100%调光。
1.2LED照明的国内外研究现状
我国LED的发展起步于20世纪60年代。
1970年11月在上海召开的全国砷化镓学术交流会议上,报告了用水汽外延法制成“磷砷化镓红色发光二极管”的研究成果,从此我国LED材料和器件研发正式起步。
20世纪80年代形成LED产业;90年代LED产业已经初具规模;90年代后期得到迅猛发展。
1997年在国家自然科学基金的支持下,北京大学率先研制出国内第一只蓝光发光二极管。
几年后南昌大学在国际上率先开发成功硅衬底蓝光LED材料与芯片的生产技术,实现批量生产,成为具有自主知识产权的第三种发光二极管外延材料与芯片的技术路线;到2003年上海、大连、南昌、厦门已成为国家四大半导体照明基地,中国的LED照明开始了快速的发展。
2008年9月,CREE成功研制出冷白光LED,效率达107lm/W。
这项成果来自于CREE的EZBright®LED芯片平台,得到了能源部的资金资助。
是能源部光子晶体芯片项目的一部分,这个项目的目的是改善光的提取率和研发出新的封装技术,得到比传统LED更高的下转换(down-conversion)效率。
该LED有一平方毫米,色温为5500K,显色指数为73,在单一模块封装中集成了4个LED芯片,能够产生大于450流明的光通量[3]。
美国波士顿的PhotonicsResearch研究中心报道了LED技术方面的新进展,声称光效达到330lm/W。
这种被称作photon–rectcling的半导体光源可发出蓝、黄两种波长的光。
所发出的光能使人感到的是白光。
这种光效,与目前市场上的LED比要高10倍甚至更高。
不过,应该指出,从实验室到商业化的产品这条路也许还十分漫长。
奥地利的照明设计公司已完成一项大型实验,采用了14000只白光和彩色LED的混合照明整个房间。
光照水平达到600-700Lux,足够一间普通办公室的照明。
用计算机计算白光,蓝光,蓝/绿光,琥珀和红光二极管的混合效果,以获得2500-3000K的暖色温,其显色指数非常接近最好的荧光灯。
由于LED产业不断涌现新技术、新产品、新应用,呈现出了朝阳工业的欣欣向荣的景象,可以相信,半导体技术不仅不会被其他技术取代,而且会继续沿着原来的轨道向前发展[4]。
半导体照明技术由于技术的先进性和产品使用的广泛性,已经被广泛认为是最具发展潜力的高科技领域之一。
半导体照明产业具有明显的节能和环保效果,也被认为是一个战略性的高技术产业。
1.3LED相关知识
1.3.1LED的结构及发光原理
LED是英文LightEmittingDiode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好[5]。
发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,p型半导体里面空穴占主导地位,n型半导体里面主要是电子,当两种半导体连接起来的时候,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。
一种LED结构图如图1所示[6]。
图1LED结构图
1.3.2LED光源的特点
(1)电压:
LED使用低压电源,供电电压在6-24V之间,根据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源,特别适用于公共场所。
(2)效能:
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
(3)适用性:
很小,每个单元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境
(4)稳定性:
10万小时,光衰为初始的50%。
(5)响应时间:
其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级。
(6)对环境污染:
无有害金属汞。
(7)颜色:
改变电流可以变色,发光二极管方便地通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发光。
如小电流时为红色的LED,随着电流的增加,可以依次变为橙色,黄色,最后为绿色。
(8)价格:
LED的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当,而通常每组信号灯需由上300~500只二极管构成[7]。
1.3.3LED的应用
(1)建筑物外观照明
对建筑物某个区域进行投射,无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具,这与传统的投光灯具概念完全一致。
但是,由于LED光源小而薄,线性投射灯具的研发无疑成为LED投射灯具的一大亮点,因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。
它的安装便捷,可以水准也可以垂直方向安装,与建筑物表面更好地结合,为照明设计师带来了新的照明语汇,拓展了创作空间。
并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。
(2)景观照明
由于LED不像传统灯具光源多是玻璃泡壳,它可以与城市街道家具很好的有机结合。
可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。
对于花卉或低矮的灌木,可以使用LED作为光源进行照明。
LED隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。
固定端可以设计为插拔式,依据植物生长的高度,方便进行调节。
(3)标识与指示性照明
需要进行空间限定和引导的场所,如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明,可以使用表面亮度适当的LED自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具,如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯,以及购物中心内楼层的引导灯等。
另外,LED与霓虹灯相比,由于是低压,没有易碎的玻璃,不会因为制作中弯曲而增加费用,值得在标识设计中推广使用。
(4)室内空间展示照明
就照明品质来说,由于LED光源没有热量、紫外与红外辐射,对展品或商品不会产生损害,与传统光源比较,灯具不需要附加滤光装置,照明系统简单,费用低廉,易于安装。
其精确的布光,可作为博物馆光纤照明的替代品。
商业照明大都会使用彩色的LED,室内装饰性的白光LED结合室内装修为室内提供辅助性照明,暗藏光带可以使用LED,对于低矮的空间特别有利。
(5)娱乐场所及舞台照明
由于LED的动态、数字化控制色彩、亮度和调光,活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。
从白光到全光谱中的任意颜色,LED的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。
长寿命、高流明的维持值(10000小时后仍然维持90%的光通),与PAR灯和金卤灯的50~250小时的寿命相比,降低了维护费用和更换光源的频率。
另外,LED克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。
与PAR灯相比,没有热辐射,可以使空间变得更加舒适。
目前LED彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。
(6)视频屏幕
全彩色LED显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置,采用先进的数字化视频处理技术,有无可比拟的超大面积与超高亮度。
根据不同的户内外环境,采用各种规格的发光像素,实现不同的亮度、色彩、分辨率,以满足各种用途。
它可以动态显示图文动画信息,利用多媒体技术,可播放各类多媒体文件。
世界上目前最有影响的LED显示屏,当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所,总计使用了18677760只LED,面积为10736平方英尺。
屏幕可以划分成多个画面,而同时显示,将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。
另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部,整个朝向浦西的建筑立面镶上了长100米的超大型LED屏,总计面积达到3600平方米。
堪称世界第一。
(7)车辆指示灯照明
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。
1987年,我国开始在汽车上安装高位刹车灯,由于LED响应速度快(纳秒级),可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况,减少汽车追尾事故的发生。
1.4主要研究内容
系统采用一种基于单片机8051自动测控LED节能照明系统的设计方案。
该系统能够对LED灯的发光强度进行调控,当环境光强减弱时自动提高LED的发光强度,当环境光强变强时自动减弱LED灯的发光强度,维持环境光强值的稳定并达到节能的效果。
同时,系统具有光强和温度两种感应开关控制LED灯的开与关,再加上过压、过流保护措施,进一步提高节能效率并保证照明系统的正常工作。
此外,系统还使用液晶实现LED照明工作信息的外部显示。
该系统可应用于如楼道照明、工作照明、设备照明等很多场合。
2系统硬件电路设计
系统采用单片机8051为核心来实现LED照明灯的自动测控,整体框图如图2。
DC12-24V输入
过压保护电路
LED驱动电路
LED照明灯
8051
单片机
AD转换器
光强传感器
1602液晶显示器
温度传感器
图2系统框图
系统可分为供电驱动模块、自动测控与显示模块3部分。
供电驱动模块实现的过程为:
12~24V的直流供电输入,经过过压保护电路后向SN3350芯片构成的LED驱动电路提供安全电压,驱动电路驱动LED照明灯正常工作。
自动测控与显示模块主要包括光强传感器、温度传感器和液晶显示器。
光强传感器采用了硅光电池和集成运放组成光电转换电路,将环境中光照强度转换为电压信号,经过单片机的A/D转换,依据实测电压和光照的关系曲线,将相应电压值转化为照度并经由LCD1602液晶显示;温度传感器采用了DS18B20芯片电路,将实时的环境温度转换为电信号传递给单片机分析处理,同时经LCD1602液晶显示。
系统实现节能和自动测控的功能由单片机8051实现。
2.1主控芯片
2.1.1单片机
在单片机应用系统开发过程中,单片机是整个设计的核心,因此选择合适的单片机型号很重要。
根据实现系统功能需要的单片机硬件资源,在性能指标满足的情况下,该系统的单片机型号选择8051系列的AT89C51芯片。
AT89C51系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机,指令码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。
AT89C51具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择,可以满足系统在各个子模块程序之间的切换;AT89C51的运算速度可满足一般的设计要求;而且AT系列单片机支持ISP在线编程功能,可以不用昂贵的编程器。
2.1.2内部结构
AT89C51单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。
主要包含中央处理器(CPU)、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线,AT89C51单片机的内部结构框架示意图,如图3所示。
图38051系类单片机的内部结构框图
(1)中央处理器
中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件,51系列单片机是8位数据宽度的处理器,它能处理8位二进制数据或代码。
CPU主要由算术逻辑部件,控制器和专用寄存器三部分电路组成。
它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作,完成运算和控制输入输出功能等操作。
(2)数据存储器(RAM)
数据存取器(RAM)可存放读写的数据,运算的中间结果或用户定义的字型表。
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元,它们是统一编址的,专用寄存器只能用于存放控制指令数据,用户只能访问,而不能用于存放用户数据,所以,用户能使用的的RAM只有128个。
(3)程序存储器(ROM)
程序存取器(ROM)用于存放用户程序,原始数据或表格等。
8051共有4096个8位掩膜ROM。
(4)定时/计数器
定时/计数器用于硬件的定时或计数。
8051有两个16位的可编程定时/计数器,以实现定时或计数功能,也可产生中断用于控制程序转向。
(5)并行输入输出(I/O)口
单片机的并行输入输出(I/O)口主要用于和外部设备进行通信,以便于处理外部的输入和将运算结果反馈到外部设备。
8051共有4组8位I/O口(P0、P1、P2或P3),用于对外部数据的传输。
(6)全双工串行口
全双工串行口主要用于与其他设备间的串行数据传送。
8051内置一个全双工串行通信口,用于与其它设备间的串行数据传送,该串行口既可以用作异步通信收发器,也可以当同步移位器使用
(7)中断系统
8051具备较完善的中断功能,有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断,可满足不同的控制要求,并具有2级的优先级别选择。
(8)时钟电路
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路,用于产生整个单片机运行的脉冲时序,但8051单片机需外置振荡电容。
2.1.3引脚功能
AT89C51单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构,它们的引脚配置如图4所示,40个引脚中,正电源和地线两根,外置石英振荡器的时钟线两根,4组8位共32个I/O口,中断口线与P3口线复用。
现在对这些引脚的功能加以说明。
图48051引脚配置
(1)Pin20:
接地脚。
(2)Pin40:
正电源脚,正常工作或对片内EPROM烧写程序时,接+5V电源。
(3)Pin19:
时钟XTAL1脚,片内振荡电路的输入端。
(4)Pin18:
时钟XTAL2脚,片内振荡电路的输出端。
8051的时钟有两种方式,一种是片内时钟振荡方式,但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容,振荡电容的值一般取10pF-30pF。
另外一种是外部时钟方式,即将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入。
(5)输入输出(I/O)引脚:
Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚,Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚,Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚,Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。
P3口具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。
(6)Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚,当8051通电,时钟电路开始工作,在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平,系统即初始复位。
初始化后,程序计数器PC指向0000H,P0-P3输出口全部为高电平,堆栈指钟写入07H,其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后,系统即从0000H地址开始执行程序。
然而,初始复位不改变RAM(包括工作寄存器R0-R7)的状态。
(7)Pin30:
ALE/当访问外部程序器时,ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时,ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号,这个信号可以用于识别单片机是否工作,也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点,当访问外部程序存储器,ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM,在编程其间,将用于输入编程脉冲。
(8)Pin29:
当访问外部程序存储器时,此脚输出负脉冲选通信号,PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上,外部程序存储器则把指令数据放到P0口上,由CPU读入并执行。
(9)Pin31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线,8051和8751单片机,内置有4kB的程序存储器,当EA为高电平并且程序地址小于4kB时,读取内部程序存储器指令数据,而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平,则不管地址大小,一律读取外部程序存储器指令。
显然,对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
在编程时,EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。
2.2LED驱动电路
系统选用SN3350芯片作为LED驱动电路的核心。
SN3350是一款降压型电感电流连续模式驱动芯片,适用于电源电压高于一颗或一串LED所
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