1、 规定类 自选类电气工程大学生课外创新实验竞赛活动实验（作品）报告作品名称： 基于单片机的节能灯控制 专 业： 电气工程及其自动化 队员姓名： 俞宙杰 邱宜彬 王竞远 王梦瑶 指导老师： 无 学 院： 电气工程学院 作品完成起止时间： 2013 年 4 月 16 日-5 月 11 日 2013 年 5 月目录一、题目介绍 3二、设计要求 3三、系统总体设计 33.1 设计概述 .33.2 设计思路 .43.3 系统总体模块 .43.4 功能流程图 .5四、硬件系统设计 74.1 主控芯片 STC89C51 单片机 .74.2 传感器模块 .74.3 LED 驱动电路 8五、系统硬件电路 95.
2、1 总电路原理图 .95.2 单片机模块 .95.3 驱动电路 .10六、系统特点 11七、评测与结论 11八、总结 11九、源程序 133一、 题目介绍背景：目前校园的白炽灯系统大多都是整夜打开并且亮度固定不可调，这样没有人经过的时候便会白白浪费很多电能。而点亮多盏白炽灯必定会消耗很多电能，电能利用率低。产业界电能应用发展的趋势必然是低功耗节能，并且使用无污染的新能源。而太阳能便能符合无污染、取之不尽用之不竭等特点。LED 具有 1）节能效果好；2）发光效率高；3）寿命超长，性能稳定等特点。目的、所要解决的问题：基于此，我们想到了将 STC80C51 单片机的低功耗以及 LED 的节能相联系
3、组成一个完善的照明系统，以此来实现低功耗、高效利用电能、绿色、环保。二、 设计要求当是白天时（光线较强时） ，不需要开灯，系统进入节能的超低功耗休眠模式；当傍晚来临时，系统发出微弱的光线以达到一定照明的目的（此时没人通过该灯） ；当有人通过该灯时，系统发出较强的光线；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。三、系统总体设计3.1 设计概述本项目的主要功能：当是白天时（光线较强时） ，不需要开灯，系统进入节能的超低功耗休眠模式；当傍晚来临时，系统发出微弱的光线以达到一定照明的目的（此时没人通过该 LED 灯） ；当有人通过该 LED 灯时，系统发出较强的光线；当人走远后，系统自
4、动转到“微弱的光线”模式以等待人的通过。本项目主要分为传感器模块、单片机控制模块、LED 路灯模块。1) 传感器模块：由热释电电路和光敏电路组成。光敏电路将感应白天和黑夜；热释电电路感应是否有人通过路灯；2) LED 路灯模块：由大功率 LED 驱动电路、大功率 LED 组成。LED 灯为 1W 暖色大功率 LED，寿命为 50,000 小时，输出光通亮为 70-80LM（流明） 。3) 驱动电路：采用 CAT4201 芯片，组成降压变换驱动电路。该芯片驱动 LED电流可达 350mA，能量利用率高达 94%。 4) 单片机模块：该模块负责对系统进行控制。白天时，光敏电路发给单片机一个高电平，
5、单片机进入低功耗模式（此时热释电电路不工作） ；晚上时，光敏电路发给单片机一个低电平，单片机退出低功耗模式,进入待机模式，没人经过 LED 灯的时候，热释电电路发给单片机一个低电平，此时单片机输出一个较低占空比的 PWM 波给 LED 驱动电路，LED 发出相对微弱的光（由于 PWM 占空比可通过程序改变，所以微弱光的强度也可调） ；当有人经过路4灯时，热释电电路发给单片机一个高电平，此时单片机输出一个较高占空比的 PWM 给 LED 驱动电路，LED 发出较强的光（光强也可通过程序调动） ；当人通过路灯慢慢走远时，热释电电路将发给单片机一个低电平，LED 发出较微弱的光。3.2 设计思路根据
6、题目要求和设计需要，本系统使用 STC89C51 系列单片机作为主控机，通过拓展必要的外围电路，实现对 LED 灯的智能控制系统的设计，具体设计思路如下：1) 由于要扫描是否有人经过 LED 范围内，并且需要实现一系列电路的转换以及函数的逻辑分析，本系统采用了以热释电模块和光敏电阻为核心作为LED 智能灯系统的感应模块；2) 为了实现 LED 的正常工作及控制 LED 的明暗变化，本系统采用 CAT4201芯片，组成降压变换驱动电路。该芯片驱动 LED 电流可达 350mA，能量利用率高达 94%。3) 光敏感应模块：接通电源，STC89C51 单片机、热释电模块、LED 驱动电路以及光敏电阻
7、启动工作，当光照大于一定数值时，光敏电阻电压减小，给单片机输出高电平，单片机进入低功耗模式（此时热释电电路不工作） ；当光照减小到一定数值时，光敏电阻阻值变大，发给单片机一个低电平，单片机退出低功耗状态，进入待机状态。4) 热释电感应模块：当 LED 进入待机状态时，没人经过 LED 灯的时候，热释电电路发给单片机一个低电平，此时单片机输出一个较低占空比的 PWM 波给 LED 驱动电路，LED 发出相对微弱的光（由于 PWM 占空比可通过程序改变，所以微弱光的强度也可调） ；当有人经过路灯时，热释电电路发给单片机一个高电平，此时单片机输出一个较高占空比的 PWM 给 LED 驱动电路，LED
8、 发出较强的光（光强也可通过程序调动） ；当人通过路灯慢慢走远时，热释电电路将发给单片机一个低电平，LED 发出较微弱的光。3.3 系统总体模块S T C 8 9 C 5 1热释电模块 光敏电阻 L E D 驱动电路L E D恒压源53.4 功能流程图3.4.1 主函数开始初始化端口等进入低功耗模式3.4.2 中断函数判断是否为白天触发中断 ， 推出低功耗模式不作处理 ， 不响应释热电 ， 等待判断电平变化情况并作相应处理返回低功耗6四、硬件系统设计4.1 主控芯片 STC89C51 单片机STC89C51 是一种低功耗、高性能 CMOS 4 位微控制器，具有 4K 在系统可编程 Flash
9、存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 84 位 CPU 和在系统可编程Flash，使得 AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。单片机的最小系统设计：4.2 传感器模块传感器模块由热释电电路和光敏电路组成。光敏电路由光敏电阻、比较器以及继电器等元器件组成，通过光强变化引起电阻变化来分压，再经过比较器比较输出。输出高电平表示白天，低电平表示黑夜。继电器接收单片机的指令进行开关 LED 驱动的电源。热释电技术比较成熟，其框图如下图
10、所示74.3 LED 驱动电路LED 路灯模块由 LED 驱动以及大功率 LED 组成。驱动芯片采用CAT4201，该芯片具有的特点如下：LED 驱动电流可达 350mA；6-28V 宽电压工作范围；最多可驱动 1W*6 颗 LED；BOOST 工作方式，高效率；电流设定恒流精度高；封装小，空间利用率高；可并联使用，驱动功率可倍增。LED 为1W 大功率暖白 LED，正向电流可达 350mA，输出光通量为 70-80LM（流明） ，正向电压 3.3-3.6V，反向电压 5V，功耗 1W，寿命 50,000 小时，发光角度 100-110 度其典型应用图如下：8五、系统硬件电路5.1 总电路原理
11、图95.2 单片机模块105.3 驱动电路11六、系统特点该系统的创新之处主要体现在以下几点：1) 采用 LED 照明。LED 的节能效果好，具有单向辐射特性，能量转化效率非常高，理论上与白炽灯比较能达到 90%的节能，相比荧光灯也可以达到 50%的节能效果。LED 的发光效率高，理论上其效率可达到 300lm/W 以上，其发光效率为荧光灯的约 1.7 倍，白炽灯的 11.5 倍。除此之外，LED 的寿命超长，性能稳定。2) 采用 STC89C51 低功耗单片机。白天单片机进入低功耗模式，系统进入等待状态，等待黑夜唤醒(当初决定白天不用 0 占空比的 PWM 控制 LED 的关闭主要是考虑到输
12、出 PWM 时,不能进入低功耗模式 ,不能发挥单片机低功耗的特点，所以我们使用了继电器来控制 LED 驱动是否工作)。从而充分的节能。3) 系统中突出使用了低功耗模式,除了处理中断时候,在其他时间,单片机都处于低功耗模式.七、评测与结论光照照射光敏电阻，以此来模拟白天，单片机休眠；阻止光照射光敏电阻，以此来模拟黑夜，此时单片机退出低功耗模式，进行工作，LED 能够发出相对微弱的光（无人通过时） ；当有人通过路灯的时候，热释电模块能够识别到，并且发送信号给单片机，单片机对 LED 的亮度能够进行控制；当人离开路灯之后，热释电能够发送信号给单片机，单片机再对 LED 的亮度进行控制。太阳能充电模块
13、也能给电池充电。该系统易于实现，应用广泛且扩展性强。这里只演示一盏灯，假设有多盏灯时，人从街道口走到街道尽头便可实现类似于“流水等”的效果。光的亮度12可调节，可以改变成现在流行的“呼吸灯” ，即灯的亮度逐渐变亮和变暗。 该系统也可应用于舞台，试想明星在灯光的衬托下登场亮相，是多么的炫啊！（这里是全自动控制的） 除此之外，该系统还可应用于家里的照明灯，也使得居家生活更加智能化，这也是未来电子产业的发展方向！ 总体来说，该系统能实现预期的指标，并且能具有低功耗、高效利用电能、拓展性强、绿色、环保等特点。八、总结本次实验竞赛，我们几个同学都付出了很大的精力。首先，我们进行了分工，针对本组组员做事的
14、特点，分工时由两人负责收集资料，以及负责学习multisim 和 proteus 软件的基本使用，并将仿真电路模拟出来。剩下的一人，动手能力比较强，负责将仿真成功的电路图进行焊接。虽然这次实验原理简单，但是就毫无设计基础的我们，这还是相当很有难度的，在制作作品的过程中，我们付出了很多辛酸：我们做的第一步，就是要收集各种各样的关于抢答器的资料，了解它的原理，并根据题目要求，四处搜索具有相关功能的芯片，我们在这些前期准备上花费了很多时间和精力。收集完资料，我们就开始了仿真工作，要仿真电路，毫无基础的我们就得下载教学视屏没日没夜的学习软件的使用方法，平时很少两点钟之前睡过觉。好在付出总会有收获，现在
15、我们已经能较熟练的掌握 multisim 和 proteus 软件的基本使用。但在学习了仿真软件之后，我们就开始了电路的仿真，经历了 n+1 的努力之后，我们终于看到了成功的曙光！有了仿真的实现，我们信心倍增，相信没有什么问题是解决不了的。在接下来的电路的焊接过程中，每一步焊接都要小心谨慎，生怕哪里短路，短路，或者连错了线路，中间几度由于粗心大意连错了导线，还好细心女生帮忙检查了出来，就这样坎坎坷坷，我们最终将电路焊接完成！喜悦心情溢于言表。整个过程中，我们没有比较成熟的技术，只能靠自己的不懈努力来解决一个又一个问题。我想这对于我们今后走上工作岗位会有很大的帮助。有志者，事竟成，相信这次试验我
16、会终生难忘。13九、源程序#include “reg51.h“#define uchar unsigned char #define uint unsigned intsbit wr=P32;sbit rd=P31;sbit ren=P01;sbit pwm=P00;sbit adcs=P30; sbit gm=P10;unsigned char num,td; uchar a;void delay( uint x)uchar y;for(;x0;x-)for(y=1;y0;y-);void main() /P0adcs=0;ren=0;pwm=0;TMOD=0x01;TH0=(65536-10)/256;TL0=(62256-10)%256;EA=1;ET0=1;TR0=1;num=0;while(1)/* wr=0;delay(1);wr=1;delay(20);rd=0;delay(1);rd=1;14/delay(1);a=P1;delay(200);td=a/25 ;*/if(num=40) num=0;pwm=0; if(gm elseif(gm void TO_time() interrupt 1TH0=(65536-10)/256;TL0=(62256-10)%256;num+;
