基于单片机的LED智能照明开关的设计_开题报告

（一）国内研究现状

国内设计的智能灯有很多，例如：根据环境的亮度来自动调节LED的亮度，主要分为控制器模块、环境亮度检测模块、红外检测模块、报警模块、LED温度检测模块、数据存储模块、亮度调节模块等重要部分。它是以STCl2C5A60S2单片机为主控制器，反射式红外传感器统计室内人数、$5052光敏电阻检测环境照度、DSl 8820检测LED温度，LED采用PWM调光的方式，并利用基于专家知识的多传感器数据融合技术，建立了专家知识库[4]。为了降低传统PWM调光算法中灰度数据的高权值位对灰度均匀性的影响，这个设计采用平均分割脉冲的调光算法。此系统采用的是反射式红外传感器，在门口的内外两侧都需要安装，用它来完成对人体的探测，并且可以统计室内的人数。红外接收管和放大电路是集成在一起的，整体封装在一个金属屏蔽盒里，它体积小、密封性好、灵敏度和抗干扰能力都很强，在低温的环境下都可以使用[4]。目前现有的LED驱动电路具有功率和功率因数低的缺点。功率因数低就会产生电网的谐波污染，效率低下还会降低能源的利用率。一些专家针对这些不足设计了高功率因数、高效率的LED驱动电路，这款驱动电路采用反激式拓扑的开关电源。为了节约电能的同时，创造更加舒适化的照明效果，利用单片机和一些传感器开发了智能照明系统，可以自动控制LED的亮度。

（二）国外研究现状

在国外，发光二极管系统被认为是未来的照明。节能系统设计是基于两个方面:局部信息的入住率和优化的LED调光水平。具体来说,他们感兴趣的是最小化LED系统的能耗,需提供均匀照明在预先规定的水平上,然后确定LED灯的调光水平。该优化问题可以通过线性规划解决,使用单纯形算法来确定变暗的水平[5]。还有一些专家强调LED照明控制模型在虚拟环境中已经设置，开发了一个神经网络系统来辨别模型的试验床。基于测试层状、照度水平与LED照明灯控制之间复杂的关系，他们提出了一个方法来减少能源使用的同时保持照明系统合理。智能照明的能源主要消耗在大量的建筑里，为了实现绿色建筑的要求，我们必须实现节能照明控制。在大楼里,大量的灯被设置在不同的地方，这就为实现节能和个性化照明控制带来了巨大的挑战。本设计的目的是满足每个办公室用户需求的同时而减少能源消耗，整体开发可伸缩的神经网络模型来表示复杂的调光灯具关系和测量照度。基于开发模型和照明的能源优化算法来实现节能的同时，拥有个性化照明控制[6]。还有些研究者通过调整参数的灵活性提供了多个自由度来设计LED照明系统。节能照明控制系统是在办公空间中设计的，他们的目标是确定最优调光的来源从而减少了功耗，最后呈现出来，在照明水平均匀的照明工作区中确定室内的人数，同时考虑到日光在工作区平面分布。为了确定人的位置,他们提出了一个超声阵列传感器的解决方案以提高检测能力[7]。LED智能照明还可以应用到隧道的设计中，由于隧道环境的特殊性必须开发合理的隧道照明系统以便优化隧道环境。考虑高成本的传统隧道照明系统用高压钠(HPS)灯以及一个光源的作用在隧道入口处，可以充分使HPS灯与LED节能照明系统在公路隧道照明中相结合。无线智能控制系统是基于HPS灯、LED照明和microcontrol单元(MCU)Si1000无线通信技术设计。和远程监控、无线通信和PWM调光模块的系统设计相结合。强度检测器和车辆流检测器可以配置无线智能控制系统收集信息到主控制单元，然后将信息通过以太网发送到监控中心。控制策略是监控中心根据计算结果、LED灯和控制单元发送无线信号参数，调整每一段的隧道的亮度来实现无线智能控制在公路隧道照明中的应用[8]。

1.2 LED照明市场的现状及前景

在照明市场不断发展的过程中，最令人振奋的毫无疑问是LED灯具的应用，它在不知不觉中改变了整个照明市场的结构。   现如今，新应用、新技术和新产品不断涌现LED产业，这促使LED产业呈现出了欣欣向荣的景象。在未来，LED灯具不仅不会被其他灯具所取代，还会以自己独特的优势继续为人类的照明事业服务，与之相关的半导体技术也会更加成熟。目前，半导体照明技术十分先进，由此技术做成的产品应用广泛，所以这项技术已经被认为是最具发展潜力的高科技领域之一。

LED灯是由超导发光晶体产生超高强度的灯光，它发出的热量很少，不像白炽灯那样浪费太多热量，不像荧光灯那样因消耗高能量而产生有毒气体，也不像霓虹灯那样要求高电压而容易损坏[2]。LED已经成为全球公认的新一代具有发展潜力的环保型光源。   近几年来，LED灯具的生产成本下降了10倍，但是发光效率却增长了100倍。相比于传统的白炽灯，其优势已经显而易见。在目前LED光源市场开发过程中，用做照明的LED灯极具发展潜力，将其用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保。目前，美国、日本、欧盟以及我国的台湾均推出了半导体照明计划，LED照明产品的世界年增长率在20%以上。目前，普通白光LED的发光效率为80lm/W，远远超过了白炽灯的发光效率15lm/W。为适应普通照明领域的需求，LED灯必须具有良好的光学特性和散热特性。为替代荧光灯，白光LED必须具有150~200 lm/W的光效，且每流明的价格应明显低于0.015美元[3]。要想实现这一目标，目前的技术水平是远远不够的，必须进行技术革新。按固体发光物理学原理，LED的发光效率能接近100%，因此LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源[1]。  美国波士顿的Photonics Research研究中心突破了LED新技术，他们声称这款LED光源的光效可以达到330lm/W，可发出蓝、黄两种波长的光，而且所发出的光能使人感到的是白光。这种光效比目前LED市场上产品的光效要高出10倍甚至更多。但是，要想把把实验室的产品应用到现实生活中还有很多问题需要解决，这还需要一定的时间。

1.3  国内外已有文献的综述

    国内设计的智能灯有很多，例如：根据环境的亮度来自动调节LED的亮度，主要分为控制器模块、环境亮度检测模块、红外检测模块、报警模块、LED温度检测模块、数据存储模块、亮度调节模块等重要部分。它是以STCl2C5A60S2单片机为主控制器，反射式红外传感器统计室内人数、$5052光敏电阻检测环境照度、DSl 8820检测LED温度，LED采用PWM调光的方式，并利用基于专家知识的多传感器数据融合技术，建立了专家知识库[4]。为了降低传统PWM调光算法中灰度数据的高权值位对灰度均匀性的影响，这个设计采用平均分割脉冲的调光算法。此系统采用的是反射式红外传感器，在门口的内外两侧都需要安装，用它来完成对人体的探测，并且可以统计室内的人数。红外接收管和放大电路是集成在一起的，整体封装在一个金属屏蔽盒里，它体积小、密封性好、灵敏度和抗干扰能力都很强，在低温的环境下都可以使用[4]。目前现有的LED驱动电路具有功率和功率因数低的缺点。功率因数低就会产生电网的谐波污染，效率低下还会降低能源的利用率。一些专家针对这些不足设计了高功率因数、高效率的LED驱动电路，这款驱动电路采用反激式拓扑的开关电源。为了节约电能的同时，创造更加舒适化的照明效果，利用单片机和一些传感器开发了智能照明系统，可以自动控制LED的亮度。

在国外，发光二极管系统被认为是未来的照明。节能系统设计是基于两个方面:局部信息的入住率和优化的LED调光水平。具体来说,他们感兴趣的是最小化LED系统的能耗,需提供均匀照明在预先规定的水平上,然后确定LED灯的调光水平。该优化问题可以通过线性规划解决,使用单纯形算法来确定变暗的水平[5]。还有一些专家强调LED照明控制模型在虚拟环境中已经设置，开发了一个神经网络系统来辨别模型的试验床。基于测试层状、照度水平与LED照明灯控制之间复杂的关系，他们提出了一个方法来减少能源使用的同时保持照明系统合理。智能照明的能源主要消耗在大量的建筑里，为了实现绿色建筑的要求，我们必须实现节能照明控制。在大楼里,大量的灯被设置在不同的地方，这就为实现节能和个性化照明控制带来了巨大的挑战。本设计的目的是满足每个办公室用户需求的同时而减少能源消耗，整体开发可伸缩的神经网络模型来表示复杂的调光灯具关系和测量照度。基于开发模型和照明的能源优化算法来实现节能的同时，拥有个性化照明控制[6]。还有些研究者通过调整参数的灵活性提供了多个自由度来设计LED照明系统。节能照明控制系统是在办公空间中设计的，他们的目标是确定最优调光的来源从而减少了功耗，最后呈现出来，在照明水平均匀的照明工作区中确定室内的人数，同时考虑到日光在工作区平面分布。为了确定人的位置,他们提出了一个超声阵列传感器的解决方案以提高检测能力[7]。LED智能照明还可以应用到隧道的设计中，由于隧道环境的特殊性必须开发合理的隧道照明系统以便优化隧道环境。考虑高成本的传统隧道照明系统用高压钠(HPS)灯以及一个光源的作用在隧道入口处，可以充分使HPS灯与LED节能照明系统在公路隧道照明中相结合。无线智能控制系统是基于HPS灯、LED照明和microcontrol单元(MCU)Si1000无线通信技术设计。和远程监控、无线通信和PWM调光模块的系统设计相结合。强度检测器和车辆流检测器可以配置无线智能控制系统收集信息到主控制单元，然后将信息通过以太网发送到监控中心。控制策略是监控中心根据计算结果、LED灯和控制单元发送无线信号参数，调整每一段的隧道的亮度来实现无线智能控制在公路隧道照明中的应用[8]。

1.4  本设计的主要内容及结构安排

1.4.1  设计的主要内容

    本课题中设计的智能照明开关系统能够根据不同工作环境的要求智能控制开关的状态，以及LED的亮度。主要分为环境亮度检测模块、LED亮度调节模块、主控制器模块、数据存储模块等；它是以ATC89C52单片机为主控制器，光敏电阻检测环境亮度，检测到的信号经过A/D转换传给单片机，单片机根据检测到的信号来控制驱动电路，并以PWM的方式调节输出电流的大小，以达到调节LED亮度的目的。

1.4.2  ^范文结构安排

第一章  根据LED灯的市场背景及研究现状，分析现有照明系统的不足之处，找出改善照明系统的方法。

第二章  根据系统的总体设计要求，设计出了LED智能照明控制系统。本章详细介绍了硬件电路图各模块的工作原理及结构构成。本设计选用STC89C52作为主控制器，光敏电阻检测环境亮度，PCF8591作为A/D转换芯片，PT4115作为LED灯的恒流驱动芯片，采用PWM技术自动控制LED灯的亮度。 

第三章  详细介绍了A/D转换芯片PCF8591的功能和I2C总线的特性，主要针对A/D转换芯片PCF8591和PWM波形的产生进行程序的编写。

第四章  结合KEILC和PROTUES两种软件进行联调，实现前一部分电路产生PWM波形的仿真结果。在做好实物之后，进行软硬件的调试，对于调试过程中出现的问题，说明其解决方法。

第五章  对本文所有内容进行总结。

1.5  本章小结

     本章主要介绍了课题研究的背景和意义，LED照明市场的现状及前景、国内外已有文献的综述和^范文的结构和安排等。

二、^范文提纲

1  引言1

1.1  课题研究背景和意义1

1.2  LED照明市场的现状及前景2

1.3  国内外已有文献的综述3

1.4  本设计的主要内容及结构安排4

1.4.1  设计的主要内容4

1.4.2  ^范文结构安排4

1.5  本章小结5

2  智能照明系统的硬件电路设计5

2.1  系统的整体结构框图5

2.2  光敏电阻检测模块的设计6

2.2.1  光敏电阻的概念及工作原理6

2.2.2  光敏电阻模块电路图7

2.3  A/D转换模块的设计7

2.3.1  A/D转换芯片PCF8591简介7

2.3.2  A/D转换模块电路图9

2.4  LED驱动电路的设计9

2.4.1  LED特性及驱动方式的选择9

2.4.2  LED的结构及发光原理11

2.4.4  驱动电路的设计14

2.5  系统单片机简介15

2.5.1  单片机简介16

2.5.1  STC89C52单片机简介16

2.6  本章小结18

3  智能照明系统的软件设计18

3.1  系统概述18

3.2  整体设计流程图18

3.2  A/D转换芯片PCF8591的功能描述19

3.2.1  地址19

3.2.2  控制字19

3.2.3  A/D转换20

3.3  I2C总线特性22

3.3.1  位传输22

3.3.2  开始或停止条件22

3.3.3  开始或停止条件23

3.3.4  读写模式的总线协议24

3.4  PWM波形产生的程序设计27

4  实验结果及调试过程28

4.1  PWM波形产生的仿真结果图28

4.2  实物调试过程31

4.3  本章总结35

三、参考文献

[1]张巨芳.第四代新光源一一LED[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2006，5(26)：78~79

[2]夏丽．智能LED照明系统设计[D]．硕士学位^范文．西安：西安电子科技大学，2014

[3]李浩．LED发光效率检测的研究[D]．硕士学位^范文．黑龙江：黑龙江大学，2013

[4]王娟．室内环境下LED智能照明系统的研究[D]．硕士学位^范文．兰州：兰州理工大学，2013

[5]Caicedo,Pandharipande,Leus.Occupancy-based illumination control of LED lighting systems[J].Lighting Research and Technology,2011,43(2):217~234

[6]Zizhen Wang,Yen Kheng Tan.Illumination control of LED systems based on neural network model and energy optimization algorithm[J].Energy & Building,2013,62(3):514~521

[7]Ashish Pandharipande,David Caicedo.Daylight integrated illumination control of LED systems based on enhanced presence sensing[J].Energy & Building,2010,43(4):944~950

[8]Jinxing Lai,Junling Qiu,Jianxun Chen.Application of Wireless Intelligent Control System for HPS Lamps and LEDs Combined Illumination in Road Tunnel[J].Computational Intelligence and Neuroscience,2014,11(21):35～42

[9]舒秦，王瑞平，孙向红．光敏电阻特性的研究[J]．西安科技学院学报，2000，20(4)：377~379

[10]周剑利，郭建波，崔涛．具有I2C总线接口的A/D芯片PCF8591及其应用[J]．微计算机信息，2005，21(7)：150~151

[11] Mineiro Sá Jr E,Antunes F L M,Perin A J,Low cost.self-oscillating ZVS-CV driver for power LEDs [C].IEEE Power Electronics Specialists Conference,2008:4 196-4 201．

[12]巢时斌，丘东元，张 波．LED驱动方式分析及性能比较[D]．硕士学位^范文．广东：华南理工大学，2011

[13]梅卫平．基于白光LED的可见光的通信系统的研究[D]．硕士学位^范文．湖南：中南大学，2011

[14]王永波．室内可见光无线通信系统研究[D]．[硕士学位^范文]．杭州：浙江大学．2008

[15]陈雷，赵艳军，王艳玲．基于PT4115的大功率LED恒流驱动的设计[J]．灯与照明，2008，32(4)：31~34

[16]张小红，欧浩源．面向大功率LED电源驱动的PT4115控制系统[J]．贵州师范大学学报，2014，32(4)：62~65

[17]邝小磊．单片机应用技术综述[J]．计算机应用，2001，27(3)：12~16

[18]孔艳艳．基于STC89C52的智能照明系统设计[J]．电子世界，2014，32(15)：123~124

[19]段煅．C语言编程技巧在C语言学习中的应用[J]．电脑编程技巧与维护，2010，23(20)：150~151

[20]孔宪青．基于KeilC51模块化程序的结构优化[J]．山东工业技术，2013，21(11)：194~195

[21]陈柱峰，沈治国．基于PCF8591的I2C总线 A/D、D/A转换[J]．企业技术开发，2009，28(5)：18~21

[22]韩雨航，杜延磊．基于PCF8591的多点环境亮度检测系统[J]．电子制作，2013，(7)：57~58

[23]陈光建，贾金玲．基于单片机的I2C总线系统设计[J]．仪器仪表学报，2006，27(6)：2466~2472

[24]刘蕴.LED智能照明控制系统的研究和设计[D]．硕士学位^范文．陕西：陕西科技大学，2013