智能照明系统主控制器设计

1、智能照明系统主控制器设计摘 要随着LED性能的不断改善和价格的不断降低，高亮度LED取代传统光源应用于通用照明是未来的法展趋势。设计了一套基于单片机（MCU）控制的LED智能照明系统，LED采用恒流驱动，PWM调光方式。其中光强度传感器使得LED能够根据环境需要自动调节自身亮度，声控开关方便操作。详细给出了各个部分的设计。实验表明，系统长时间运行稳定，高效节能，白光质量好，适用于公共场所通用照明。关键词：高亮度LED PWM调光 智能照明 高效节能Design of intelligent LED illumination system based on MCU controllerABSTR

2、ACTWith the improvement of LED performance and the reduction of its price, it is a trend that high bright LED(HB LED) will be used in illumination are a instead of traditional light sources. In this paper, design of intelligent HB LED illumination system was proposed based on MCU controller, which a

3、dopted constant current drive and PWM dimming. The light sensor was intended to dim LED automatically according to the ambient light, while the .The design for each part was given in detail in this paper. The experimental results indicate that the illumination system works stably for a long time wit

4、h the advantages of energy saving and good quality of white light. The system is suitable for public general illumination applications.Keywords: high brightness LED PWM dimming intelligent illumination energy saving Voice-activated switch for easy operation目录前言第1章 绪论1.1 课题研究背景21.2 课题研究的目的与意义31.2.1 良

5、好的节能效果3 1.2.2 改善工作环境与提高工作效率31.2.3 较好的投资收益效果3第2章 系统设计方案2.1 单片机选择32.2 光照检测方式42.3 声控开关检测方式52.4 LED的调光控制52.4.1 PWM信号的原理和形成6 2.4.2 PWM驱动白光LED6第3章 硬件电路设计与实现3.1 系统硬件总述73.2 单片机最小系统83.2.1 AT89C51引脚介绍8 3.2.2 CPU时钟电路93.2.3 复位电路 10 3.3 光信号取样电路设计103.3.1 仪表放大器的结构及使用 11 3.3.2 OP07的介绍及应用 123.3.3 TLC3545的介绍及应用14 3.4

6、 声音信号采集电路163.4.1声音信号放大原理 163.3.3 CD4051的介绍及应用173.5 LED驱动电路183.5.1 LED供电电源183.5.2 LED驱动电路193.6 键盘设计电路193.6.1 键盘的作用193.6.2 键盘电路及其说明203.6.3 键盘功能说明21第4章 软件设计4.1 系统流程图224.2 软件程序244.3 仿真环境介绍284.3.1 Keil介绍 284.3.2 Proteus介绍28结论 29参考文献30附录31后记32(结论、参考文献、致谢及附录黑体4号)摘要IABSTRACTII前言1第1章绪论21.1 课题研究背景21.2 课题研究的目的

7、与意义21.2.1 良好的节能效果21.2.2 改善工作环境与提高工作效率21.2.3 较好的投资收益效果2第2章系统设计方案32.1 单片机选择32.2 光照检测方式42.3 声控开关检测方式42.4 LED的调光控制52.4.1 PWM信号的原理和形成52.4.2 PWM驱动白光LED5第3章硬件电路设计与实现73.1 系统硬件总述73.2 单片机最小系统73.2.1 AT89C51引脚介绍73.2.2 CPU时钟电路83.2.3 复位电路93.3 光信号取样电路设计9仪表放大器的结构及使用103.3.2 OP07的介绍及应用113.3.1 TLC3545的介绍及应用133.4 声音信号采

8、集电路153.4.1 声音信号放大原理153.4.2 CD4051的介绍及应用163.5 LED驱动电路173.5.1 LED供电电源173.5.2 LED驱动电路183.6 键盘电路设计19键盘的作用19键盘电路及其说明20键盘功能说明203.6.4 键盘的机械抖动20第4章软件设计214.1 系统流程图214.2 软件程序234.3 仿真环境介绍274.2.1 Keil介绍274.2.2 Proteus介绍27总结28参考文献29附录30前言LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10，荧光灯的50。LED寿

9、命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了一套LED智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。单片机的出现至今已经有30多年的历史了。微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（

10、单片微型计算机）的应用已经渗透到广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。第1章 绪论1.1 课题研究背景随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛。目前，国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。就智能建筑的照明系统来说，许多地方的灯经常是从早到晚开着的，不管这些房间或楼道是否

11、有人，也不管有多少人。或者，当自然光照度很好时，灯不能及时关闭；反之，当自然光照度难以满足人的需求时，又不能及时打开灯光。这种照明方式，不仅造成能源的浪费，而且不能满足人对照明的基本需求，同时也给人的视力造成了很大的影响。现代照明除了满足人的基本生活、学习要求之外，将更注重能量的节省和使用上的便利，以及满足人类工程学的个性方面的要求。特别是近年来大厦内利用计算机工作的人员比例上升，不同视觉要求的工作的数量和复杂程度大大增加。所以要做到合理、经济、节能，首先应采用先进成熟的技术和产品，如电光源、灯具、照明控制系统。因此，适应不同个人和工作需要，结合自动调节与手动调节的智能化照明系统已经成为必不可

12、少了。1.2 课题研究的目的与意义 良好的节能效果照明领域的能源消耗在总的能源消耗中占了相当大的比例，节约能源和提高照明质量是当务之急。照明用电作为电力消耗的重要部分，已经占到了电力消耗的10%左右，并且随着我国国民经济的迅猛发展和人民生活水平的不断提高，照明用电还将不断增加。而LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10，荧光灯的50。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。改善工作环境与提高工作效率良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件。合理地选用光源、灯具及性能优越的照明控制系统，都能提高照明质量。智能照明控制系统

13、具有开关和调光两种控制方法，可以有效地控制各种照明场所的平均照度值，从而提高照度均匀性。同时，系统能根据不同的光照强度，自动调节照度。 较好的投资收益效果智能照明控制系统在节能和节省灯具使用的同时，有效节省了电费与管理费用的支出。根据一般的办公大楼运营的经验来看，节能效果能达到40以上，一般的商场、酒店、地铁站等节能效果也能达到2530。第2章 系统设计方案本系统是以单片机为控制器的核心，以AT89C51为基础，以光敏电阻为信号采集单元，再连接外围电路，通过单片机通信方式实现照明灯具的智能控制。以下是各部分器件的选择与基本介绍。2.1 单片机选择方案一、MCS-51单片机AT89C51是MSC

14、-51单片机中应用最广泛的型号， 现在以其为代表介绍其参数。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其内部结构主要有以下几部分：n 微处理器 该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。n 数据存储器 片内为128个字节，片外最多可外扩至64

15、k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。n 程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。n 中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。n 定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。n 串行口 1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。n 4个并行8位I/O口 分别为P1口、P2口、P3口、P4口n 特殊

16、功能寄存器 共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。方案二、AVR 单片机相对于出现较早也较为成熟的51系列单片机，AVR系列单片机片内资源更为丰富，接口也更为强大，同时由于其价格低等优势，在很多场合可以替代51系列单片机。由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外围器件,如外扩RAM、ROM存储器等,使硬件结构大大简化,提高了系统的可靠性。它与其它结构类型单片机相比，AVR具有以下一系列的优点：n 在相同的系统时钟下AVR运行速度最快；n 芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；n 所有型号的Fl

17、ash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP)；n 多种频率的内部RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；n 每个IO口都可以以推挽驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；n 内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器、PWM、SPI、USART、TWI、通信口、丰富的中断源等。方案分析：除了以上两种单片机，市场上还有好的其它结构单片机。如果实现本系统，基本上上述两种类型的单片机都可以实现。考虑到MCS-51单片机具有较强的代表性以及该系列单片机资料较多，本设计采用AT89C51来实现。2.2 光照检测方式方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器

18、件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。方案二、采用光敏电阻利用桥式电路把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案二。在本次设计中选用了带串行控制模数转换器TLC3545，TLC3545是一个家庭的高性能，14位，低功耗，微型CMOS模拟 - 数字转换（ADC）。这种芯片只需要单一的+5V电源就能工作。该芯片有单端输入，双端输入或单伪差分输入可选择。该芯片有一个片选（CS），串行时钟（SCLK），串行数据输出（SDO），以及提供了一个最流行的串口直接的3线接口主机微处理器（SPI接口）。当

19、与DSP连接时，TLC3545 ADC的连接只有通过引脚1到DSP（CS）。TLC3545设计工作具有功耗低，以及自动电源关闭模式使节电功能进一步加强。该产品系列具有一个高速串行链路与外部SCLK到现代的主机处理器15兆赫。这种芯片使用一个内置的振荡器转换时钟，提供了2.67微秒最大转换时间。为使电桥测得的微弱电信号与TLC3545级联，选取一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联放大。其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大调节作用，从而实现微弱电信号与TLC3545的良好级联。2.3 声控开关检测方式拾音器是一种声传感器，声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。拾

20、音器包括拾音头和音臂等附件，其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等。由于驻极体传声器具有体积小巧，成本低廉的特点，本设计选其做声音采集。本模块由驻极体话筒MIC、运算放大器UA741和NE5532、双电压比较器LM393组成。由话筒将声音信号采集，送给接成射极跟随器的UA741，再由NE5532构成的放大器将声音信号进行放大送给比较器。最后由比较器送出开关信号给单片机处理，从而实现开关灯目的。UA741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值

21、由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的电压。NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高。LM393是高增益,宽频带器件。2.4 LED的调光控制本系统采用三颗1W的HBLED串联作为灯负载，额定电流350mA，1130V直流输入。LED的驱动电源将直接影响到LED的白光质量、光效和使用寿命。若采用恒压原驱动，LED正向导通后

22、，外加电压的细小变动将引起正向电流的很大变化，可靠性差。为了保证LED的亮度恒定和防止其过流烧坏，恒流驱动是理想的方法。LED的调光方式分为模拟调光和PWM调光。其中模拟调光是直接改变通过LED的最大电流，白光质量差，容易形成色偏，故而采用PWM调光。其原理如下：2.4.1 PWM信号的原理和形成PWM调光基于人眼对亮度闪烁不够敏感的特性，使负载LED时亮时暗，如果亮暗的频率超过100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的闪烁。PWM调光通过调整亮和暗的时间比例实现调整亮度。这种方法通过把可调占空比和固定频率的数字信号加到调整亮和暗时间比例的引脚即可实现调光，但调光的范围取决于器件内部

23、电路软启动或恢复正常工作的速度，因而范围不是很宽。PWM原理是以一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的开关K，从而控制改变LED上的电压。设当LED接通时的最大电流为Imax。开关开闭周期为T，每次闭合时间为t，则当占空比为D=t/T时，LED的平均电流为： （1.1）由(1)式可知，当T不变(即开关的开关频率同定)时，只要改变导通时间t，就可以改变LED两端的平均电流。从而改变LED的亮度。脉冲调宽信号的形成电路有3种：1)可用电压-脉宽变换器产生，即硬件产生脉宽调制信号;2)由软件定时产生，由定时器定时，定时时间受软件控制，并从脉宽信号的输出口P1.0或其他口输出脉宽可调信号;3)由单片

24、机控制外接定时/计数器(如8253)硬件电路产生脉宽调制信号，只需用两个计数器分别工作于方式l和方式2，通过硬件连接便可以产生脉宽调制信号。其中，第1种是硬件电路实现，电路复杂。第2种使用定时器TO，但由于系统计数器不足，必须扩展。第3种是利用8253，非常方便，而且占用的软件时间少。考虑到成本及整个系统的简化，本设计直接利用AT89C51单片机产生脉宽调制信号。2.4.2 PWM驱动白光LEDLED的发光强度基本上正比于通过LED器件的电流，这说明脉冲电流的平均电流与直流电流相同的条件下，LED的发光亮度一样。另外，用高幅值的脉冲电流驱动LED，然后通过调节脉冲的占空比获得较合适的平均电流，

25、这样可以降低功耗。因为当LED工作在脉冲状态时，人眼觉察到的LED亮度值是介于峰值亮度与平均亮度值之间的。因此，脉冲电流驱动LED可比直接恒流驱动的LED更亮，即获得同样的发光亮度，脉冲电流驱动方式比直流电流驱动方式所需要的平均电流值更小。其次，对于LED，如果采用脉冲电路驱动，其控制部分采用脉宽调制方式，与恒流控制方式相比，控制部分的控制效率会有比较大的提升，另外还可去掉限流电阻或减小其值。因此，从节能的角度出发，采用脉冲电源驱动方式更好。脉冲驱动方式是利用人眼的视觉惰性，采用重复向LED器件通断供电的方式使之点亮的。但采用这种驱动方式通常需考虑脉冲电流幅值的确定和重复频率的选择。要获得与直

26、流驱动方式相当的发光强度，脉冲驱动电流的平均值Ia应与直流驱动的电流值相同。如图3所示，平均电流是瞬间电流i的时间积分。对于矩形波，有 （1.2） （1.3） 式中，Ic为直流驱动电流值，Ia为脉冲驱动电流平均值，IF为脉冲电流幅值，ton/T是占空比。为了使脉冲驱动方式下的平均电流Ia与直流驱动电流Ic相同，则需使其脉冲电流幅值IF满足： （1.4）可见脉冲驱动时，脉冲电流的幅值是直流驱动电路的电流幅值的T/ton倍。需注意驱动器件的工作频率，当频率超过一定范同，器件将无法正常工作，因为器件无法正常导通和关断。LED的工作频率是10 MHz到几百MHz范围内。第3章 硬件电路设计与

27、实现3.1 系统硬件总述系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有五个主要部分：AT89C51芯片、光信号采集电路、声控开关电路、键盘电路、LED驱动电路、LED供电电路，如图3.1示图3.1 系统硬件总述图3.2 单片机最小系统3.2.1 AT89C51引脚介绍P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，用于外部程序数据存储器，可以被定义为数据/地址的第八位。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，可用作输出。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口， P2口当用于外部程序存储器或16

28、位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，用作输入。当外部下拉为低电平，P3口将输出电流，作为输出。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间选通外部程序存储器不管有无内部程序存储器。XTAL1：反向振荡放大器的输入

29、及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。图3.2 AT89C51的引脚图3.2.2CPU时钟电路AT89C51单片机有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见图3.3所示：图3.3 AT89C51的时钟电路外接晶振时，C1、C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷振荡器时，C1、C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，震荡频率范围是1.212MHz。复位电路AT89C51通常采用上电自动复位和按键手动复

30、位两种方式。上电复位电路在通电瞬间，在RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的目的。本设计采用按键电平复位方式，如图3.4所示：图3.4 AT89C51的复位电路3.3 光信号取样电路设计本模块主要用来检测周围环境的光强度，并根据环境亮度来开/关LED灯或调节其亮度值。主要由光信号采集电路、运放电路和A/D模数转换电路组成，其中模数转换是电路的核心。信号经过采集送入A/D转换电路，通过单片机处理后，最终作为系统应用程序进行开关灯判断的依

31、据。其中光采集电路有光敏电阻与另外3个电阻组成的桥式电路构成，这样可以提高微弱信号采集的灵敏度。由于桥式电路的原理及应用比较普遍和简单，这里就不做介绍。而光敏电阻采集的信号太小，无法驱动TLC3545，故需进行放大处理。考虑到实际操作时为方便放大倍数的调节，本模块选取一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联放大。其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大调节作用，从而实现微弱电信号与TLC3545的良好级联。这样在调节电路时只需改变滑动变阻的大小即可调节到合适的放大倍数。其完整联接如3.5图所示图3.5 光信号取样电路以下是PGA203和OP07的介绍及其连接原理。3.3.1仪表放

32、大器的结构及使用PGA203是一个单片仪表放大器。PGA203提供1，2，4和8的增益，具有TTL或CMOS兼容输入，便于微处理器接口。具有FET输入和新的跨电路，在整个带宽内增益几乎是恒定的。允许增益和偏移激光微调，且无需任何外部元件。这款放大器是陶瓷或塑料包装。在整个工业温度范围内使用的是被指定的陶瓷封装，而商业范围使用的是塑料包装。PGA203其内部结构如下图所示：图3.6 PGA203内部结构其部分参数绝对最大额定值：供电电压为±18V，内部功耗为750mW，模拟和数字信号输入电压为±（VCC+0.5V）。PGA203基本连接：图3.7所显示的是正确的电源和信号的连

33、接方法。电源应用1MF的钽电容进行去耦，钽电容应尽量靠近放大器的引脚端，避免增益和由外部元件所造成的误差，以使芯片达到最高性能。任何的干扰都会导致检测端（引脚11）或VREF端（引脚4）的增益误差，因此这些线应保持尽可能的短。为了保持电路稳定，应注意电容输入到输出或偏移调节端的电容。图3.7 基本电源连接该芯片增益选择是通过A0(引脚1)和A1（引脚2）来控制。图3.8 PGA203的增益控制如果放大倍数不够可以考虑采用2片PGA203级联进行放大。3.3.2OP07的介绍及应用OP07的功能介绍：OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调

34、电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。特点：超低偏移： 150V最大 。低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。超稳定，时间： 2V/month 高电源电压范围： ±3V至±22V引脚结构图如下所示：图3.9OP07引脚结构图OP07芯片引脚功能说明及其内部结构：1和8为偏置平衡(调零端)；2为

35、反向输入端；3为正向输入端；4接地；5空脚；6为输出；7正电源。图3.10 OP07内部结构其一般典型用法如下：图3.11典型的低频噪声放大电路考虑到一片PGA203放大倍数可能不够，故用一片OP07搭建反向放大与PGA203进行级联。其示意图如下所示：图3.12 PGA203放大器与OP07放大器级联3.3.1TLC3545的介绍及应用TLC3545的引脚功能介绍：AIN(+)：TLC3545的同相输入端；AIN(-)：TLC3545的反相输入端；CS：芯片的选择端。当CS端有一个从高到低的电平跳跃，其数据输出口的高组态状态在最大延迟时间内消除。GND：内部电路的接地回路。除非另有说明，所有

36、电压测量均需接地。SDO：AD转换结果的3态串行数据输出口。当CS为高电平是，SDO为高阻态的状态。当CS为低电平时，AD才开始转换。输出格式为MSB为最先输出的数据，其余的数据使当SCLK的上升沿才输出。在每个SCLK的下降沿输出数据才是有效的。当SCLK处于17个上升沿后，其输出状态变为高阻态。SCLK：串行时钟。该芯片能从主控制器接受串行时钟。REF：外部参考电压输入端。VDD：正电源电压端。TLC3545的内部结构图如下所示：图3.13 TLC3545内部结构图芯片初始化/复位周期时序图如下图所示：图3.14 TLC3545初始化时序图当TLC3545工作时需要进行初始化，上电后的一个

37、复位周期以正常运作。在复位周期开始后至少一个SCLK周期，最短时间为CS引脚（引脚1）下降沿但不超过8个SCLK下降沿边缘长度。在复位周期终止后CS变为高电平。如果发出一个有效复位周期，SDO输出呈现以上周期数据是3FC0h的。此输出代码是在确定一个有效的复位/初始化时发生。写程序时应参照该芯片的时序图。图3.15 TLC3545时序图该芯片的所有系列都兼容这种操作模式，通过CS的下降沿来启动芯片的工作周期。在整个采样期间CS一直为低电平，当SCLK持续24下降沿后，数据转换结束。该图为TLC3545与单片机的连接示意图：图3.16 TLC3545与单片机连接示意图3.4 声音信号采集电路为解

38、决传统的摸黑找开关、睡觉关灯等问题，特意设计此声控开关模块。当人摸黑进入房间后，可以不必找开关，而是以掌声作为开灯信号。其工作原理是：当声控开关接受到正确频率的声音信号后会在单片机的P2.0口产生一个低电平，单片机执行开灯程序。 声音信号放大原理拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为2025Mv，此电信号太小不能够驱动后级，后级比较器LM393的差模输入电压范围为-36V+36V，由此得放大器的放大倍数应为200倍左右，所以为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大,本系统采用运算放大器UA741与NE5532级联放大的方式,将其放大到伏特量级。其电路如图3.17所示：图3.17 声音信号运放连接示意图

39、其电路工作原理为：当没有掌声时，话筒输出低电平，经放大后电压将低于参考电压，比较器输出高电平；当有掌声时，声音信号经话筒MIC转换为电信号后经两级运放放大产生一个脉冲信号，当此脉冲信号上升并高于比较器的参考电压时，比较器输出低电平，而在脉冲信号下降到低于参考电压时，比较器回到高电平，以此将掌声信号转换为一个负脉冲，给单片机处理。由于不同人、不同工作、不同活动时对于照明的需求都不同，故有时候自动调光模式所产生的亮度满足不了需求。特此增加手动调光模式，用S1键控制其模式的选择。亮灯后第一次按下S1时进入手动调光模式，再次按下回到自动调光模式。此功能是通过CD4051的选择功能实现的，其实现原理为：

40、当S1按下一次时，P1.4、P1.5、P1.6口将分别输出001，使比较器输出端与P1.3口联通；当S1按下第二次时，P1.4、P1.5、P1.6口将分别输出000，使比较器输出端与P1.3口断开，此时将通过按键S2、S3直接控制PWM频率来点亮LED。 CD4051的介绍及应用CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一道通路由输入的3位地址码ABC来决定。“INH”是禁止端，当“INH”=1时各通道均不接通。此外，CD4051还有另一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电调件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使开关可传输峰峰值达15

41、V的交流信号。如，若模拟开关的供电电源VDD=+5V,VSS=0V,当VEE=-5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为-5V+5V的模拟信号。引脚功能描述：A0A2 地址端；I0/O0I7/O7 输入输出端；INH 禁止端；O/I 公共输出/输入端；VDD 正电源；VEE 模拟信号地；VSS 数字信号地。CD4501管脚图及逻辑符号图：图3.18 CD4051引脚图CD4051 逻辑图：图3.19 CD4051真值表3.5 LED驱动电路3.5.1 LED供电电源LM317是可调三端正电压稳压器，输出电压范嗣为1.237 V时能提供超过1.5 A的电流。此稳压器易

42、于使用，只通过2个外部电阻设置输出电压。工作时，LM317建立并保持输出与调节端之间1.25 V的标称参考电压(Vref)，该参考电压由R1转换为编程电流，该电流经R2到地，如图3.20所示。图3.20 LED供电电路由稳压输出电压公式得到输出电压： (1.5) 因为此处调节端的电流IADj控制小于100A，这一误差可忽略。一个白光LED需要3.3 V直流电压，本设计为3个白光LED串联，需LM317输出9.6 V直流电压，由于LED与场效应管串联，故除去场效应管的压降，可得LM317输出的电压约10V。先确定R1的电阻为220，得出电位器R2的电阻值为1.4 k。3.5.2 LED

43、驱动电路本设计是PWM信号经过三极管Q1的基极连接到P沟道功率MOSFET IRF9540的栅极上。P沟道功率MOSFET的栅极驱动采用简单的NPN三极管驱动放大电路，以改善MOSFET的导通过程，减少驱动电源的功率。当驱动电路直接驱动功率MOSFET时会引起被驱动功率MOSFET的快速开通和关断，这就可能造成被驱动功率MOSFET漏源极间电压的振荡。一则引起射频干扰;二则有可能造成功率MOSFET遭受过高的电压而击穿损坏。为解决这一问题，需在被驱动功率MOSFET的栅极与驱动电路的输出之间串联一只无感电阻R1。当PWM波输出高电平时，三极管VQ1导通，从而使MOSFET的栅极电压低于源极电压

44、，MOSFET的源极和漏极导通，LED点亮;当PWM波输出低电平时，VQ1截止，LED熄灭。当PWM频率超过100 Hz时，人眼可视平均LED的导通和截止时间，产生LED亮度变化的感觉，其亮度与LED导通周期成正比，如图3.21所示。图3.21LED驱动电路3.6键盘电路设计键盘的作用键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关集合。通常键盘所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断作用。键的闭合与否，反映在输出电压是呈现高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示键闭合，所以通过对电平高低状态的检测，便可确

45、认按键按下与否。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响，这样才能使键盘在单片机系统中的使用得更加稳定。常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口。根据本系统的设计特点及要求，键盘的功能主要是用来设置温度上下限，因此本设计采用独立式键盘来完成这一功能要求。其电路连接如图3.22所示。图3.22独立式键盘与AT89C51连接图键盘电路及其说明独立式按键就是各个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断出是哪一个按键按下了。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每一个按键

46、需占用一根输入口线，在按键数量较多时学要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用与按键较少或操作速度较高的场合。本设计，采用四按键键盘，所以在四个I/O口上接四个按键组成一个四按键的简易式键盘。各线通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有的线断开，呈高电平状态。当键盘上某一个键闭合时，该键所对应的线与连接单片机的线短路。例如：当S1号按键闭合时，它所在的线与连接线短路，使P3.2口为低电平，通过软件里对P3口查寻，如果只有P3.2口为低电平，那么就可以确定是S1键按下了，通过在软件里的设定，行使S1键的功能。如果同时有多个P3口为低电平，则报警显示，然后检查是否有多个键按下，直到只有一

47、个P3口为低电平时，停止报警，那个低电平的P3口上连接的按键则为按下的键，在软件里执行他应该达到的功能。键盘功能说明S1：模式选择按键。灯亮后，按一次进入手动调光模式，此时可以通过按键S2、S3来调节LED亮度。按第二次后进入自动调光模式。S2：手动增加亮度按键。S3：手动减少亮度按键。S4：关灯按键。键盘的机械抖动若Y0为低电平，S1号键闭合一次，图中t1和t3分别为键的闭合和断开过程中的抖动期（呈现一串负脉冲），抖动时间长短和开关的机械特性有关，一般为510ms，t2为稳定的闭合期，其时间由按键动作所确定，一般为十分之几秒到几秒，t0、t4为断开期。为了保证CPU对键盘的闭合仅作一次处理，

48、在软件中必须去除抖动，在第一次检测到有按键下时，执行一段延时10ms的子程序后确认该按键电平是否仍保持闭合状态电平，如果闭合状态电平则确认有按键下，从而消除抖动的影响。键盘的机械抖动示意图如图3.23所示。图3.23键盘的机械抖动示意图第4章 软件设计4.1系统流程图软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对声控开关电路的输出信号进行处理。在未开灯时，系统持续对声控开关电路的输出状态进行检测。当检测到有开灯信号后系统将检测按键信号，然后根据所按按键执行不同模式程序。若无按键信号则自动执行自动调光模式。同时在开灯后，系统持续对声控开关电路的输出状态进行检测。当检测到有关灯信号时，系统执行关灯程序

49、并回到未开灯时状态继续检测声控开关电路的输出状态。基于上述分析，系统软件设计总流程如图4.1所示。而自动调光模块子流程和手动调光模块子流程分别如图4.2和4.3。图4.1 系统总流程图 图4.2 自动调光流程 图4.3 手动调光流程因为用手按下一个按键时，往往会出现所按键在闭合位置和断开位置之间跳动几下才稳定到闭合状态的情况。在释放一个键的时候，也会出现类似的情况，抖动的时间是不一致的，通常小于10毫秒，若抖动的问题不解决，就会引起闭合键的多次读入。对于键的抖动处理，一般采用软件延时10毫秒的方法。在发现有按键闭合时，不是立即读入该键值，而是延时一段时间以后，再进行键闭合与否的判断，确认此时是

50、否真的有按键下，有则进行该按键的处理，没有则不进行处理。图4.4键盘子程序流程图4.2 软件程序#include <reg52.h>#include<intrins.h>#include <absacc.h>/#define KEY_H XBYTE0xFC00/#define KEY_L XBYTE0xFE00sbit CSad=P10;sbit SCLK=P11;sbit SDO=P12;sbit P13=P13;sbit P14=P14;sbit P15=P15;sbit P16=P16;sbit P17=P17;sbit P20=P20;sbit P2

51、1=P21;sbit P22=P22;sbit P23=P23;typedef unsigned int uint;typedef unsigned char uchar;long int m,v;uchar num,k,n;void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void ad() /光采集信号程序,AD转换m=0;k=0;v=0x0000; CSad=1; CSad=0; for(k=13;k>=0;k-) SCLK=1;SCLK=0;v=SDO;v=v<<k;m=m|v; SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_nop_(); SCLK=0;_nop_(); SCLK=1;_n