基于单片机的LED节能灯的设计

基于单片机的LED节能灯设计摘要本文的设计是用ATMEGA16L单片机为核心,使用DS1302时钟芯片来实现时钟功能，可以设定当前时间与开、关灯时间。ATMEGA16L是一种性能高，功耗低的8位AVR微处理器，它是一种集成电路（IC），嵌入式微控制器，芯体尺寸为8位，速度可达到8MHZ，它外部不需要单独的A/D转换器，这对系统来说，可以节省成本。它还可以提供JTAG调试接口，方便进行仿真调试。使用了光敏电阻，它使得设计可以感应环境光线强度变化，达到自动开灯和关灯的目的，以实现节能的目标。系统采用了时钟芯片DS1302，它可以对从秒到年的时间进行计时，并且这种芯片具有闰年补偿等功能，功耗很低，功率小于1mW。它可以使电路功耗降低，节省IO口资源。根据光敏电阻在不同光强下阻值发生变化的特点，使用光敏电阻检测周围的亮度，也就是光强的变化，通过单片机内部的分压电路，AD电阻的阻值变化，来实现传递信号。设计使用了对射式光电传感器来检测周围人或车辆的运动，这种传感器能够十分敏感地感应人或车辆的运动，从而反馈数据，实现对路灯的自动控制，当有车辆或者人通过该灯时，系统发出强的光线；当人走远后，系统自动转到“微弱的光线”模式以等待人的通过，以达到节能的目的。单片机还能采集路灯电路采样点的电压处理后的数据，当路灯出现故障的时候，会有报警。关键词：ATMEGA16L功耗节能光电传感器光敏电阻iAbstractThisarticleisdesignedtouseATMEGA16Lmicrocontrollercore,usingtheDS1302clockchiptoachieveclockfunction,youcansetthecurrenttimeandsetthelightsonandofftime.ATMEGA16Lisahighperformance,low-power8-bitAVRmicrocontroller,whichisanintegratedcircuit(IC),anembeddedmicrocontrollercoresizeis8,thespeedcanreach8MHZ,itdoesnotrequireaseparateexternalthea/Dconverter,whichsystems,cansavecosts.ItcanalsoprovideJTAGdebuginterface,tofacilitatesimulationdebugging.Usethephotoresistor,whichmakesthedesignsensestheambientlightintensitytoachievethepurposeofautomaticlightsonandoff,inordertoachievethegoalofenergyconservation.ThesystemusesaclockchipDS1302,whichcanbefromsecondstoyearstimetotime,andthischiphasleapyearcompensationfunction,lowpowerconsumption,powerislessthan1mW.ItallowsthecircuittoreducepowerconsumptionandsaveIOportresources.Thephotosensitiveresistancetochangeindifferentlightintensityresistancecharacteristics,theusephotoresistordetectsambientbrightness,whichisthelightintensitychanges,throughthemicrocontrollerinternalvoltagedividerresistorsresistancechangeADtoachievetransmitsignals.Designusesamotion-beamphotoelectricsensorstodetectpeopleorvehiclesaround,thissensorcanbesensitivetothemovementofpeopleorvehiclesinduction,sofeedbackdatatoachieveautomaticcontrolofthestreet,whenavehicleorpersonbythelamp,thesystemsendsastronglight;whenpeoplegoaway,thesystemwillautomaticallygotothefaintlightmodetowaitforpeoplethrough,inordertoachieveenergysavings.SCMcanalsocollectdatastreetcircuitvoltagesamplingpointsaftertreatment,whenthestreetwhenafailureoccurs,therewillbeanalarm.Keywords:ATMEGA16Lpowersavingphotoelectricsensorphotoresistorii目录前言.3第一章绪论.4第1.1节课题背景.4第1.2节国内外现状.4第1.3节任务与目标.4第1.4节基本要求.5第1.5节本文所做的工作.5第二章系统分析.6第2.1节系统框图设计.6第2.2节系统性能指标.6第2.3节系统设计.6第2.4节时钟模块.7第2.5节信号采集模块.8第2.6节显示、按键模块.9第2.7节路灯控制模块.9第2.8节声光报警模块.10第2.9节电源模块.10第2.10节恒流源模块.10第三章软件设计.15第3.1节软件流程图.15第3.2节按键模块.15第3.3节灯光模块.16第3.3节时钟模块.16第3.4节显示模块.17第四章系统测试.18第4.1节检查硬件连接.18第4.2节硬件优化.18第4.3节系统调试.18结论.20参考文献.21致谢.22附录.23附录1系统原理图.23附录2程序清单.24第0页前言随着科学技术的不断发展以及人类文明的不断进步，人们变得越来越关注我们赖以生存的生活环境，对生活环境的要求越来越高。各个国家都在采取积极有效的措施来治理环境污染，减少垃圾排放。现阶段，能源问题是我们最重要的任务之一，要从根本上解决资源与能源短缺的问题，除了寻找新能源外，节约能源，提高利用率也是目前最好的措施之一。节能减排是我国当前国民经济最重要的议题之一，世界上的任何发达国家也不能在经济的快速发展中无视这个现实问题，“既要发展经济，又要节约能源，减少污染”这是所有的国家不约而同所达成的共识。从全球范围看，“淘汰白炽灯、推广节能灯”是现阶段我们节能减排的重要措施之一。我国正在实施的绿色照明工程，其中推广的高效照明产品和技术，使用节能灯给予补贴，淘汰低能效照明产品的相关措施，为淘汰白炽灯、推广使用节能灯奠定了良好基础。近年来，尽管各种家电产品早已走入寻常百姓家，但在农村地区，在普通灯具中白炽灯仍然是主要的照明灯具，所以提倡与推广节能灯，开发农村节能新市场是一个节约能源的很好的办法。近年来,随着人们节约能源保护环境意识的增强以及国家政策的大力鼓励和扶持,节能灯的生产和使用量正在日益增加。但是,由于废旧的节能灯没有得到妥善的处置,导致了一系列的节能灯污染的后续问题。此外,我国现在节能灯的回收利用率也很低、国家并没有出台配套政策来回收废旧节能灯，无回收体系、处置费用高等一系列问题成为了阻碍节能灯回收的重要障碍，并且对环境产生了很大的污染。节能灯具有节电效果明显,工作电压范围宽，无噪声,无频闪效应,使用寿命长,等特点而日益受到人们的欢迎。但现在节能灯市场很大，各种产品良莠不齐,为了选择合适我们需要，符合现在社会要求的节能灯，需要我们在了解节能灯的结构、性能、各项参数等基本情况的基础上精心挑选。本文是对节能路灯系统的设计，推广这种路灯，可以达到自动控制路灯的开关、明暗的功能，避免了不必要情况对电能的浪费，实现了自动控制节能环保的功能。第1页第一章绪论第1.1节课题背景随着科技的飞速发展，尤其是数字电子技术的不断进步，用数字电路技术实现灯的只能开关、节约能源、延长灯的使用寿命已经变得迫在眉睫，而且这与我们的生活息息相关。光控电路、声控等自动控制的产品已逐渐成为人们日常生活中的主流产品，它使我们的生活越来越方便，它不需要开关，当有人或物体经过的时候会自动分辨，自动开关，广泛应用与走廊、街道等公共场所，因此得到了广泛应用。作为一种新型的绿色照明产品,LED节能灯同时具有节能、环保、使用寿命长等多种优点,体现了可持续发展的科学理念,将其引入现代照明领域的意义重大。节能灯产品开发与推广的关键是提高发光效率,提高产品质量,降低成本,大力推广使用节能灯是“中国绿色照明工程”和实施可持续发展战略的重要任务。面对电力供应趋紧的实际,作为缓解供需矛盾的措施之一,提出了节能灯与声控灯合理使用的节电方案.分析了节能灯与声控灯最优配置的影响因素,利用粗糙集理论给出了各影响因素权重的确定方法,为实现绿色照明提供了新的思路。第1.2节国内外现状自从工业革命以后，人类在这两百年时间里，已经将地球数亿年来储存的的各种化石能源，石油、煤炭、天然气等能源消耗了大半。化石能源的再生需要经过上万年，所以对现在的人类来说太漫长了，因此可以算不可再生能源，如果继续下去化石能源被用完是迟早的事情。世界在不断地发展，人口爆炸性增长，对能源的需求越来越大，因此开发新能源，节约能源，延缓化石能源的消耗，已经成为世界各国的共识。第1.3节任务与目标设计一套自动控制路灯系统。图1.3.1是路灯控制系统示意图，图1.3.2是路灯布置图输入、显示装置支路控制器单元控制器1单元控制器2LED灯1LED灯2第2页图1.3.1路灯控制系统示意图LED灯1LED灯2402040SABCS404040M定位点图1.3.2路灯布置示意图第1.4节基本要求（1）支路控制器要能够控制开灯与关灯的时间以及显示当前时间，以便控制整条街的开灯与关灯时间，达到自动控制的目的。（2）支路控制器要能感应光线的明暗变化，自动控制开关灯，以达到节能的目的。（3）支路控制器要能够根据道路上的情况，自动调整灯的明暗程度，当有物体M从左往右到达S点时候，灯1亮，当物体M到B点的时候，灯1灭，灯2亮。若物体M从右往左，则2先亮，1后亮，与刚才的次序相反。（4）支路控制器实现对每一个路灯的单独控制，独立控制每一个路灯的开、关灯。（5）当系统出现故障的时候，要发出报警信号，以便及时发现问题，进行维修。第1.5节本文所做的工作设计一个模拟路灯（LED节能灯），以达到自动控制灯的开关，亮度，节能的目的。设计使用的LED节能灯，采用ATMEGA16L单片机作为主控芯片，使用对射式手法的光电传感器采集人或车辆经过所产生的信号，由之路控制器对信号进行处理，来实现对路灯开关的控制，以达到自动控制，节能的要求。支路控制器的时钟，采用了时钟芯片DS1302，这个芯片功耗低，可以对从秒到年的时间进行计时，并且节省IO端口，可以自行设置开灯与关灯的时间，这可以节约很多电能。本设计使用了光敏电阻来感应外部光强的变化，通过分压电阻来实现信号的传递，系统采集到信号后，经过ATMEGA16L单片机处理，控制LED灯的开关与亮度。路灯不亮，出现问题时，系统会采集到电压的变化，反馈给单片机，单片机控制报警灯亮，实现报警系统进行报警处理。设计过程中，选择能耗低的元器件，设计合理的各个单元电路，达到节能与自动控制的要求。第3页第二章系统分析第2.1节系统框图设计本元件使用ATMEGA16L作为核心。图1是整个系统硬件框图：按键显示LED报警ATMEGAL16L信号采集模块路灯控制模块图2.1.1系统框图第2.2节系统性能指标1、传感器能够检测到运动的物体或人的最大误差为1cm2、光敏电阻的阻值，在一般情况下为2000，光照强烈或黑暗时候，电阻为2K到200之间，光照越强电阻越小。路灯电路正常工作时采样点的电压是3V，在故障开路时电压为0V。第2.3节系统设计本LED节能路灯系统的核心部分就是支路控制系统，该系统采用了ATMEGA16L单片机作为主控制芯片来实现对路灯明暗的控制。ATMEGA16L是一种性能高，功耗低的8位AVR微处理器，踏实一种集成电路（IC），嵌入式微控制器，核心处理器为AVR，芯体尺寸为8位，速度可达到8MHZ，它外部不需要单独的A/D转换器，这对系统来说，可以节省成本。它还可以提供JTAG调试接口，方便进行仿真调试。系统采用了时钟芯片DS1302，DS1302的在实时显示时间中的应用。它可以对从秒到年的时间进行计时，并且这种芯片具有闰年补偿等功能，功耗很低，功率小于1mW。它可以使电路功耗降低，节省IO口资源。第4页12345678910J112345678910J212345678910J312345678910J4VCCVCCVCCVCCRXDTXDINT1INT0PD4PD5PD6PD7SCLSDATCKTMSTDOTDIPC6PC7R110KS1C110uFVCCR21KRESETC222PC322P8MX1X2D0D1D2D3D4MOSIMISOSCKPA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA712345678910Y4VCCRESETMOSIMISOSCKC40.1uFVCC12J6VCCMOSIMISOSCKAGND28X18X27RESET4PD2(INT0)11PD3(INT1)12PD4(OC1B)13PD5(OC1A)14PB0(T0)40PB1(T1)41PB2(AIN0)42PB3(AIN1)43PB4(SS)44PB5(MOSI)1PB6(MISO)2PB7(SCK)3(ADC0)PA037(ADC1)PA136(ADC2)PA235(ADC3)PA334(ADC4)PA433(ADC5)PA532(ADC6)PA631(ADC7)PA730(SCL)PC019(SDA)PC120(TCK)PC221(TMS)PC322(TDO)PC423(TDI)PC524(TOSC1)PC625(TOSC2)PC726PD7(OC2)16PD6(ICP)15AVCC27AREF29PD1(TXD)10PD0(RXD)9GND39VCC38GND6GND18VCC5VCC17IC1ATMEGA16_TQFP44VCCRESETTMSTDOTDIX1X2PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7D0D1D2D3D4SCLSDATCKPC6PC7VCCVCCRXDTXDINT0INT1PD4PD5PD6PD7图2.3.1最小系统第2.4节时钟模块为了实现定时开关路灯，并且精确计时的时钟功能，本设计使用了穿行的时钟芯片DS1302，DS1302是现在十分流行的一种串行时钟电路，如图2.4.2所示，它由美国DALLAS公司研发的，可以对从秒到年的时间进行计时，并且具有闰年补偿功能，其工作电压在是2.5-5.5V之间。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302的引脚排列,其中Vcc2为主电源，VCC1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，SCLK第5页为时钟输入端.DS1302与ATMEAG16L单片机之间能通过简单的同步串行方式进行通信，只需用到三根口线：（1）RES（复位），（2）I/O（数据线），（3）SCLK（串行时钟）。DS1302时钟的精度不高，并且容易受到环境的影响，出现时间混乱等问题。DS1302可以用来记录数据，特别是对某些特定的数据点的记录，能对数据与出现该数据的时间同时进行。这种记录对一些需要运作很长时间的并且要经常测控系统的结果分析，以及对一些出现异常情况时的数据分析，查找原因有重要意义。一般的记录市局是定时或隔时采样，不会记录具体的时间，所以，只能记录数据无法记录时间，如果用单片机计时，还要采用计数器，这会占用很大的硬件资源，另一方面，需要设置中断、查询等功能，这也要小号单片机的硬件资源，在很多系统中，这是不允许的。所以，在本系统中，采用DS1302，可以很好的解决这个问题，而且DS1302能耗低，功率小，占用IO少。C222PC322P32768HzVCCVCC1X12X23GND4RST5IO6SCLK7VCC8U7DS1302BT13.6VMOSISCKPC7图2.4.1时钟电路图2.4.2DS1302封装图第2.5节信号采集模块信号采集模块包括人或车检测模块和环境亮度检测模块，两者功能如下：人或车检测模块：此模块通多对人或车辆运动的检测，通过感应位移的变化，来控制路灯的明暗，采用了探测距离远、灵敏度高的反射式光电传感器，这种传感器感应到人或车辆靠近时，会给系统一个信号，系统会对此作出灯变亮或变暗的反应。当靠近时灯变亮，远离时灯变暗。环境亮度检测模块：则个模块用来检测周围光照强度的改变，通过对光照强度的检第6页测，来控制灯的开关。因此可以用到光电管，光敏电阻，光电二极管，光电三极管，光敏电阻具有可靠性好、体积小、灵敏度高、反应速度快、光谱特性好等特点，因此本系统用到的是光敏电阻。使用光敏电阻，采用分压电路，通过光敏电阻在不同光照强度下，阻值改变的特点，光照变强，阻值变小，光照变弱阻值变大，来实现电路电流的变化，从而达到传递外界光强的目的，以控制路灯的开关。光敏电阻又称光导管，工作原理基于光电导效应。光敏电阻是在玻璃底板图上一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属点击，然后在半导体上覆盖一层漆膜或也如塑料封装体内，就制成了一个光敏电阻。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的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。光敏电阻在给定偏压情况下，光照越大。光敏电阻的光电流越大；给定光照度时，电压越大光电流越大。设计光控电路时，一般自然光线作控制光源，这可以让设计简化很多。因为光敏电阻对人眼可见光的响应很接近，所以本实验用光敏电阻很适合。R10光光R111kVCCPA0123J18123J19123J20VCCVCCVCCD0D1D2图2.5.1采样电路第2.6节显示、按键模块在这个模块中，可以使用给定的四个按键来设置，调节当前时间与路灯的开关灯时间，从而避免在不必要的时间开灯，节约了能源。实验用到了LCD1602，LCD1602也叫1602字符型液晶我用到的功能是显示字母与数字，因为需要设定开关灯时间，和设定关灯光强。12345678910111213141516J71602VCCVCCRP110KPD5PD6PD7SCLSDATCKTMSTDOTDIPC6PC7S8S9S10S11S12VCCPA3PA4PA5PA6PA7R110kR210kR310kR410kR510k图2.6.11602显示及按键电路第2.7节路灯控制模块系统使用了3个1W的LED节能灯，当LED不亮系统故障时，内部的AD采集电路第7页会自动检测到电压变化，并传递给系统进行处理。D41WLEDD31WLEDR13150R12150D4MISOPA2PA1图2.7.1路灯控制电路第2.8节声光报警模块系统使用了报警指示灯，当系统出现故障，也就是灯不亮时候，电路会自动检测出电压的变化，传达给系统，报警指示灯会点亮。R6510D1VCCPD0图2.7.2声光报警电路第2.9节电源模块电源是整个系统中最重要的模块之一，输入的电源经稳压块后可以输出稳定的+5V电源，来驱动整个系统。Vin1GND2Vout3U8780512J9C30.1UC80.1UC4470UC7100U+5V图2.9.15V稳压电路第2.10节恒流源模块原理介绍：恒流源又叫电流源、稳流源，是一种宽频谱，高精度交流稳流电源，具有响应速度第8页快，恒流精度高、能长期稳定工作，适合各种性质负载（阻性、感性、容性）等优点。主要用于检测热继电器、塑壳断路器、小型短路器及需要设定额定电流、动作电流、短路保护电流等生产场合。理想的恒流源有以下功能：1、不因负载变化而改变。2、不因环境温度变化而改变。3、内阻为无限大。(3-1)恒流源的电路符号：理想的恒流源实际的流源图2.10.1恒流源理想恒流源的内阻被认为是无限大，所以他可以完全无损耗地输出电流，但实际上，恒流源都是有内阻的，所以都会有一定的损耗。三极管的恒流特性：图2.10.2三极管的恒流特性从图中的曲线，可以看出三极管的电流IB影响IC，而IC几乎不受到VCE的影响。所以，IB固定的情况下，IC也是不变的，输出电流都会流经IC的负载。第9页（3-2）电流镜电路电流镜是输入电流IS与输出电流IO相等的电路图2.10.3电流镜电路VBE1=VBE2,1=2（3-3）利用电流镜像恒流源可以使三极管的避免受到温度的影响，这是因为电路依靠外接电阻R，经过Q2决定输出电流IO。第10页图2.10.4恒流源电路图中的第一组（引脚为1,2,3,4,8）的运放电路，它对前面的输入电压取样电路进行阻抗的变换，因此，可以认为是一个跟随器。图片开始，最左面是双向开关，这是整个系统的电源部分，为运放提供电压，电流流过整个电路。C24和C25电容是起了滤波的作用，为运放滤波。R11和RW4构成了电压取样电路，通过调节RW4得到的电压值可以作为比较控制输出电流值，能够计算出RW4电位器滑动头的电压，中间的R15和电容C20构成了一个滤波电路，因为R15接了运放的正端，所以RW4的滑动头不会输出电流。RW4滑动端的电压与1脚和3脚的电压相同。R12与D9是一个保护和报警电路，电源正常工作时候，D9发光，表示电路正常运行。后面一组运放（引脚为5，6，7）起了将电压变为恒流的作用，电路中虽然有正负反馈，但线路是维持在稳定的状态。C21和R14构成了滤波电路，它对第一组运放传输过来的电压进行滤波。通过计算可以得出R161和R18的电阻相同，RS1两端的电压与运放1脚的电压相同，流过RS1的电流恒定，RS1比RX1和RX13小了很多，所以电流基本都从RS1流过，流向RX1和R13的电流很少，所以输出电流基本不变。由于流过RS1的电流不变，第一组运放输出的电压不变，在不调节RW4的情况下，电压是固定的，所以输出电流不变，因此，电路能够实现恒流。因为电路负载小，第二组运放的驱动能力可能不够，所以需要使用Q4三极管，三极管Q4可以增加云芳甸路的电流输出能力。如果不加Q4三极管，输出的电压最大值可能第11页为12V，此时运放正负端电压会有很大差别，会损坏运放。在设计线路的时候，要保证负载的电流所产生的电压不超过供电电压，因为如果这个电压超过了供电电压，就不能实现恒流工作。第12页第三章软件设计第3.1节软件流程图系统流程图如图3.1.1所示：开始初始化判断环境明暗判断移动物体位置判断LED灯是否正常工作设置时间与开关灯时间显示并输出相应动作图3.1.1流程图第3.2节按键模块函数名称:key_press功能:检测是否有键按下ucharkey_press()uchartemp;KEY_OUT;KEY_OUT_H;KEY_IN;temp=KEY_DATA;tempif(temp=0XF8)return0;elsereturn1;第13页第3.3节灯光模块if(Mode=0)Run_DS1302();/if(kk=0)if(!KEY3)Set_flag=1;if(!KEY4)Set_flag=0;if(kk=1)