智能LED照明控制系统设计与分析

【中心议题】

• 设计了一种智能LED照明控制系统
• 可根据外界光照强度自动调整LED的照明亮度

【解决方案】

• 以以单片机为核心单片机为核心
• 采用光敏电阻作为光传感器

0引言

当前全球能源短缺的忧虑再度升高，节约能源是我们未来面临的重要的问题，LED作为一种新型的绿色光源产品以其节能、环保、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。现在，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制已经展开了激烈的技术竞赛。LED采用直流驱动方式，其亮度与流经LED的电流有着直接关系。如何在不同的场景下方便有效的控制其亮度成为一项重要课题。利用单片机容易实现模拟量和数字量之间的转变，并且通过设置可以对电路参数进行显示，可以作为数字控制LED亮度的一种方法。

MSP430F169单片机是美国德州仪器(Texas Instruments)公司生产的16位超低功耗的混合信号处理器，特点主要有：超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术、系统工作稳定、高效的开发环境等，并且具有丰富的片上外围模块，适合应用于一些低功耗产品，如能量表、手持设备、智能传感器等，以及需要较高运算性能的智能仪器设备。

1系统总体设计框图

该智能LED控制系统主要由以下几个模块构成：键盘手动控制模块，光信号采集模块，MSP430单片机模块，显示模块，LED照明模块等。系统总体设计框图如图1所示：

如图1所示，系统运行时首先要选择控制方式：键盘手动控制或者利用光信号采集模块进行自动控制。利用单片机AD模块和DA模块来调节LED照明系统的电流，以达到控制并调节LED亮度的功能。显示模块主要用来显示DA输出电压，以便于控制。

2系统各模块分析和说明

2.1系统总体电路图

2.2键盘控制模块

键盘控制模块主要实现手动控制LED亮度的功能。该模块设置4个按键，功能分别为：步进1mV增大电压，步进1mV减小电压，步进1mA增大电流，步进1mA减小电流。键盘控制模块与单片机相连实现调节功能。

2.3光信号采集模块

自动控制系统设计目的是根据外界光照强度的变化，系统可以实现自动调节流经LED的电流，实现自动调光的功能。光信号采集模块主要采用光敏电阻作为传感器，实现将检测到的不同光照强度转化为不同的电压，以便于单片机AD采集数据。

如图，该模块利用光敏电阻在不同光照下阻值不同的特性，将其与一定值电阻串联接入电源，当外界光照强度改变时，光敏电阻的阻值发生改变，定值电阻两端的电压即会发生改变。

2.4 MSP430单片机模块

作为系统控制的核心，单片机模块主要实现AD、DA转换等功能。如图所示，由于MSP430单片机的工作电压范围为1.8～3.6V，因此在设计电路时利用TL431芯片提供3.3V基准电压，以保证MSP430单片机正常工作。MSP430F149的AD模块提供了4种转换模式：单通道单次转换，系列通道单次转换，单通道多次转换，多通道多次转换。由单片机、控制电路和软件实现采样通道号、采样速度，采样时长等的控制选取。本设计需要利用AD采集一路电压信号，需要多次采样所以选用单通道连续采样模式。

2.5显示模块

系统液晶显示采用SMCLCD1602。SMCLCD1602字符液晶显示模块，可显示192种字符（5×7点字型），32种字符（5×10点字型），可自编8（5×7）或（5×10）种字符，指令功能强，可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求，并且接口简单方便，与8位微处理器或微控制器相连；LCD显示的内容为DA输出电压。

2.6 LED照明模块

由于LED为电流驱动，故该模块设计时应包括电流源模块。该模块的输入量为单片机DA的输出电压。输入信号经过运放和NPN后，NPN的C极电流为恒流源。因此可以驱动LED实现LED照明。

3系统软件设计与分析

系统软件设计主要是通过程序设计使单片机能够实现数据分析与控制电路工作。MSP430F169单片机内置有12位8外部信道连续逼近式模拟数字转换（AD）模块和12位数字模拟转换（DA）电压输出模块。在系统工作时，若选择手动控制方式，则可以利用键盘来设置电压，经过单片机处理，DA转换器将数字信号转换为模拟信号加至LED照明模块，则照明系统正常工作。此外，还可以通过按键来改变LED照明系统的电流，使电流可以实现步进可调。若选择自动控制方式，则光采集模块将光信号强度变化转换为电压的变化，将此电压输入至MSP430单片机的AD模块，实现数据的采集。数据经过单片机处理通过DA模块将数字信号转换为模拟信号加至LED照明模块。该方式可以实现自动根据外界光强变化来改变LED的亮度。系统软件流程图如图3所示：

4设计可行性分析

该智能LED照明控制系统以单片机为核心，有手动和自动两种控制方式，且自动方式可根据外界光照强度自动调整LED的照明亮度。光敏电阻有测光强范围宽、灵敏度高、工作电流大等特点，适合作为光传感器。LED驱动电路为电流源，可以驱动LED照明系统正常工作。此外，MSP430单片机内置的高精度AD、DA模块可以满足系统的数据采集及转换的进行。因此，该系统设计方案可行。