51单片机节能灯.docx
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51单片机节能灯
□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
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,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
3.4功能流程图
3.4.1主函数
3.4.2中断函数
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CMOS4位微控制器,具有4K在系统可编程Flash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,其框图如下图所示
4.3LED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:
五、系统硬件电路
5.1总电路原理图
5.2单片机模块
5.3驱动电路
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,相信这次试验我会终生难忘。
九、源程序
#include"reg51.h"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitwr=P3^2;
sbitrd=P3^1;
sbitren=P0^1;
sbitpwm=P0^0;
sbitadcs=P3^0;
sbitgm=P1^0;
unsignedcharnum,td;
uchara;
voiddelay(uintx)
{
uchary;
for(;x>0;x--)
for(y=1;y>0;y--);
}
voidmain()
{
//P0&=0x7f;
adcs=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;
//delay
(1);
a=P1;
delay(200);
td=a/25;
*/
if(num>=40)
{
num=0;
pwm=0;
}
if(gm&&ren&&num>=0)pwm=1;
else
if(gm&&~ren&&num>=20)pwm=1;
}
}
voidTO_time()interrupt1
{
TH0=(65536-10)/256;
TL0=(62256-10)%256;
num++;
}
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