羅　江

(四川文理學(xué)院教務(wù)處，四川達州635000)

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基于單片機和模糊控制的LED智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計

羅江

(四川文理學(xué)院教務(wù)處，四川達州635000)

設(shè)計了一個LED照明燈的智能調(diào)光系統(tǒng)，采用AT89C2051單片機為主控制器，使用光照強度傳感器實時測量環(huán)境光照強度，經(jīng)模糊計算，通過改變PWM信號占空比來控制調(diào)節(jié)LED燈的發(fā)光強度，使實際照度達到預(yù)設(shè)環(huán)境光照度，從而滿足應(yīng)用需求，既節(jié)能環(huán)保又智能便捷，實用性較強.

單片機；模糊控制；照度；LED；調(diào)光

0　引言

黨的十八屆五中全會提出“堅持綠色發(fā)展，必須堅持節(jié)約資源和保護環(huán)境的基本國策”，“節(jié)能環(huán)?！币咽敲裆P(guān)注的重點.對于人口密集、照明燈多的場所，電能消耗很大.例如，文獻[1]指出高校照明系統(tǒng)用電量占總耗電量的50%以上.為了節(jié)能，人們著手研究新能源和新節(jié)能燈具，并且成果顯著.LED燈就是一種長壽命、應(yīng)用方便、使用成本低的節(jié)能光源.但是，在實際應(yīng)用中，為達到照明要求，常常使用高功率LED燈或多組燈珠，并通過開、關(guān)不同燈組來調(diào)節(jié)亮度，或者通過光敏電阻感知環(huán)境照度實現(xiàn)調(diào)光.這些方法調(diào)節(jié)的光強度變化較大，不能較好地適應(yīng)人們在不同場合對照度的要求.

參考有關(guān)文獻，人們研究了由光敏電阻采集光照信號，單片機據(jù)此對比預(yù)設(shè)的閾值范圍控制調(diào)光的系統(tǒng)；[2]研究了依據(jù)LED驅(qū)動電流通過電阻反饋的信號來調(diào)光的系統(tǒng)；[3]研究了基于L6562 單級PFC 恒壓及HV9910恒流的可調(diào)光LED 驅(qū)動器等.[4]在這些研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種由單片機執(zhí)行模糊算法進行智能控制的LED調(diào)光系統(tǒng).

1　LED調(diào)光方式與原理

大功率LED屬大電流、低電壓器件，即電壓的微小變化會使電流變化很大.因此，根據(jù)LED的此伏安特性，現(xiàn)在LED照明燈大多數(shù)采用恒流驅(qū)動，其發(fā)光強度隨正向工作電流近似成線性比例關(guān)系.[3]為了更好地節(jié)能，常常通過調(diào)光降低LED功耗，減少發(fā)熱并延長其壽命.目前LED的調(diào)光方式主要有：模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光、PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)光.[4]模擬調(diào)光是通過改變電流大小實現(xiàn)調(diào)光；可控硅調(diào)光是通過改變可控硅的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)電源的輸出功率實現(xiàn)調(diào)光；PWM調(diào)光是使用在人眼識別能力外足夠高頻率工作的開關(guān)電路控制LED的開與關(guān)，從而實現(xiàn)調(diào)光.

模擬調(diào)光電路簡單、容易實現(xiàn)，但效率低、輸出電流不易精確調(diào)節(jié)、調(diào)光范圍有限.可控硅調(diào)光可以不改變原有日光燈調(diào)光設(shè)備，但會嚴(yán)重降低驅(qū)動器效率及功率因數(shù)、使LED閃爍.PWM調(diào)光效率較高、控制精確，便于實現(xiàn)軟件控制，但需要MCU，增加了成本.考慮到電路控制準(zhǔn)確、簡單實用、成本低廉等因素，本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光方式.

2　硬件電路設(shè)計

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般來說，環(huán)境光弱則開啟照明燈并增大照度，環(huán)境光強則減小照度或關(guān)閉照明燈，即環(huán)境光照強度決定著照明燈的調(diào)光.因此，系統(tǒng)需要一個專門檢測環(huán)境照度的測光電路.為了適應(yīng)更多的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計了一個簡單的鍵盤電路，用于設(shè)置預(yù)設(shè)照度值，以便自動調(diào)節(jié)到指定光強.本LED智能調(diào)光系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、存儲器電路、照度檢測電路、PWM調(diào)光電路和鍵盤電路等構(gòu)成，硬件原理如圖1所示.

圖1　LED智能調(diào)光系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)完成初始化后，首先檢測手動控制開關(guān)K0，如果開關(guān)斷開，則主控制器直接發(fā)出占空比為0的PWM信號，LED熄滅；如果開關(guān)閉合則啟動環(huán)境光檢測電路，獲取環(huán)境光照度值，然后與從存儲器中讀取的預(yù)設(shè)照度值比較，進行模糊控制處理，得到精確的PWM控制信號，輸出到LED驅(qū)動電路控制LED改變燈光強度.由于采用了單片機軟件產(chǎn)生數(shù)字PWM信號，因此只需通過軟件設(shè)置信號的周期和占空比，就可以改變LED的輸出電流平均值，此時LED只有最大額定工作電流和零電流兩種輸出電流狀態(tài).

2.2主要電路功能及硬件選擇

單片機最小系統(tǒng)的主要功能是系統(tǒng)初始化，判斷外接開關(guān)狀態(tài)，調(diào)用各程序模塊采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲、模糊計算、輸出控制和復(fù)位處理等.由于系統(tǒng)力求電路簡單、成本低、功耗小，因此，主控制器選用美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位CMOS單片機AT89C2051，其是89C51的精簡版，[5]片內(nèi)含2KB PEROM和128B RAM，僅20根引腳，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，功能強大、性價比高.

存儲器電路主要用于存儲預(yù)設(shè)照度值.該值可以通過圖1所示開關(guān)K1和K2按一定步進值(如100lx)調(diào)整.存儲器芯片選用常見的串行2K EEPROM存儲器件24C02C，體積小，電路簡單.

照度檢測電路用于檢測環(huán)境光照度，為調(diào)光提供數(shù)據(jù)依據(jù).為使電路簡單，測量精確度高，采用光照度傳感器BH1750FV，分辨率為16位，測量值為二進制數(shù)據(jù)，不需做復(fù)雜的計算即可得到高精度照度值，其地址口ADDR接地，時鐘口 SCL和數(shù)據(jù)口SDA接單片機.但其工作電壓為3.3V，需要增加一個3.3V的穩(wěn)壓電源為其供電.

PWM調(diào)光電路實現(xiàn)由單片機發(fā)出不同占空比的PWM信號，并通過LED驅(qū)動電路調(diào)光.PWM信號是單片機執(zhí)行模糊控制算法后軟件生成的，其中，占空比為1則LED在最高額定功率下工作，即全亮，占空比為0則關(guān)閉LED照明燈.

鍵盤電路由兩個按鍵開關(guān)構(gòu)成，通過外部中斷，向單片機輸入預(yù)設(shè)照度值.

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要包括主程序、手動開關(guān)檢查程序、預(yù)設(shè)照度程序、照度檢測程序、模糊處理程序和調(diào)光程序等，這些程序都是在主程序中進行調(diào)度.由于調(diào)光是通過單片機發(fā)出計算所得占空比的PWM實現(xiàn)的，因此調(diào)光程序和模糊處理程序合在一起.手動開關(guān)檢查程序比較簡單，在主程序中完成.

3.1主程序

主程序首先初始化系統(tǒng)，然后檢測手工控制開關(guān)，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)決定是否開啟智能調(diào)光程序.如果開關(guān)閉合，則開啟外部中斷，調(diào)用照度檢測程序，獲取環(huán)境光照度值，然后從存儲器中讀取預(yù)設(shè)照度值，將他們作為參數(shù)傳遞給模糊處理程序，完成對LED的調(diào)光控制.主程序流程圖如圖2所示.

圖2　主程序流程圖

3.2預(yù)設(shè)照度程序

程序由外部中斷0和外部中斷1的服務(wù)程序構(gòu)成，分別完成增加和減少預(yù)設(shè)照度值.系統(tǒng)初始化時，將初始照度值(如500lx)存于變量L0.在開中斷前提下，如果K1被按下，觸發(fā)0號中斷服務(wù)，將L0的值增加100(不超過1000)，然后調(diào)用典型I2C總線通信程序?qū)0寫入存取器24C02C；如果K2被按下，對應(yīng)觸發(fā)1號中斷服務(wù)，將L0的值減少100(不小于0)并存入24C02C.

3.3照度檢測程序

程序在完成BH1750的初始化并延時后，發(fā)出采集開始信號，然后傳送設(shè)備地址及讀取信號，將采集得到的16位二進制數(shù)據(jù)，按字節(jié)逐一取出后合并兩個字節(jié)得到環(huán)境實時光照度.為了測量更準(zhǔn)確，可以把3次采集到的數(shù)據(jù)求平均值.以下是BH1750 處理的部分C源程序：[6]

//初始化BH1750

void Init_BH1750()

{

Single_Write_BH1750(0x01);

}

//讀取BH1750數(shù)據(jù)

void Read_BH1750(void)

{uchar i;

BH1750_Start();

//起始信號

BH1750_SendByte(Address+1);

//發(fā)送設(shè)備地址及讀取信號

for (i=0; i<2; i++)

//讀取2個字節(jié)數(shù)據(jù)，存儲于BUF

{

BUF[i] = BH1750_RecvByte();

//BUF為數(shù)據(jù)存儲數(shù)組

if (i == 1)

{

BH1750_SendACK(1);

//最后一個數(shù)據(jù)需要回NOACK

}

else

{

BH1750_SendACK(0);

//回應(yīng)ACK

}

}

BH1750_Stop();

//停止信號

Delay();

}

3.4模糊控制程序

3.4.1模糊控制原理

由于環(huán)境光照度受天氣、遮蓋物(如運動的人、窗簾)等因素影響較大，隨機、不可預(yù)測的因素對照明燈的影響是非線性的.為了使人們所處環(huán)境達到最適宜的照度，采用模糊控制調(diào)節(jié)照明燈光強度.

根據(jù)系統(tǒng)功能，設(shè)計模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示.控制器分為模糊化處理、模糊控制規(guī)則及模糊推理和解模糊化等部分.[7]依據(jù)照度檢測電路測量出的精確環(huán)境照度值L1，得到控制器的輸入變量：測量照度值L1與預(yù)設(shè)照度值L0的誤差e及其變化率ec=de/dt.然后將它們在對應(yīng)基本論域上模糊化，得到對應(yīng)模糊語言變量E和EC.在依據(jù)以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的模糊控制規(guī)則，進行推理，得到模糊控制量U；再將U按照一定算法解模糊化，轉(zhuǎn)換成可用于調(diào)光的精確控制變量u(即PWM信號占空比).因為模糊控制不需要建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型，動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，所以在本系統(tǒng)中可以起到很好的智能控制作用.

圖3　模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.4.2模糊控制規(guī)則的設(shè)計

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，實質(zhì)上是人們對LED調(diào)光控制過程的經(jīng)驗總結(jié).以學(xué)校教室、閱覽室、實驗室等為例，滿足閱讀要求的平均照度在200lx以上，一般不超過750lx.[8]取照度的基本論域為[0,1000lx]，預(yù)設(shè)照度值為500lx，則確定誤差e的基本論域為[-500,500]，誤差變化率ec的基本論域為[-100,100]，輸出控制量u的基本論域為[0,100%].然后進行如下處理：

1)模糊化處理.為了簡化控制，將模糊語言變量E、EC、U量化為7個等級，得到對應(yīng)模糊集合論域{-3,-2,-1,0,1,2,3}，并用量化因子標(biāo)定到基本論域：E=eke、EC=eckec、U=uku(其中量化因子ke=3/500、kec=3/100、ku=3/100).

圖4　E、EC、U的隸屬度函數(shù)曲線

按模糊控制處理問題的一般方法，[7、9]設(shè)定E、EC、 U的模糊語言變量為NB(負大)、NS(負小)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)5個等級，選取三角形隸屬函數(shù)(如圖4所示)，獲得相應(yīng)輸入輸出值的隸屬度，進而將精確的變量模糊化.

2)確定模糊控制規(guī)則和進行模糊推理.控制規(guī)則由大量形如“如果 Ai和 Bi則Ci(其中Ai、Bi、Ci分別是E、EC、U的模糊子集)”的模糊條件語句構(gòu)成，其規(guī)則如表1所示.由實時測量計算的E和EC，查詢模糊控制規(guī)則表，可得模糊輸出量U.

表1　模糊控制規(guī)則表

3.4.3模糊控制程序及調(diào)光程序

先根據(jù)照度檢測程序采集的照度值進行邊界值處理.照度值如果大于給定的最大值Lmax(如1000lx)，則輸出0占空比的PWM信號，關(guān)閉LED；如果小于給定的最小值Lmin(如50lx)，則PWM信號占空比為1，使LED按額定最大功率工作；如果等于設(shè)定最佳照度值L0，則程序維持PWM信號的原占空比，除了這些特殊值外，均需要按模糊控制算法，查詢模糊控制表，得到模糊輸出量U，然后與輸出量化因子運算求出精確控制量—占空比，最后由單片機輸出對應(yīng)占空比的PWM信號，控制驅(qū)動電路調(diào)節(jié)LED的光強度.

4　系統(tǒng)調(diào)試分析

系統(tǒng)的軟件用Keil μVision調(diào)試，硬件用Proteus進行仿真，在實驗室環(huán)境對系統(tǒng)模擬測試，驗證系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性.通過仿真測試，BH1750能較快感知環(huán)境照度，單片機根據(jù)模糊控制規(guī)則進行輸出占空比控制，數(shù)據(jù)處理穩(wěn)定，終端LED調(diào)光控制運行可靠.且系統(tǒng)可以完成手動控制LED的開關(guān)、調(diào)整預(yù)設(shè)照度值、光照度數(shù)據(jù)存儲等操作.表明系統(tǒng)設(shè)計達到了預(yù)期功能要求.

此設(shè)計使用照度傳感器，比用光敏電阻做感光元件的系統(tǒng)精度高，對環(huán)境照度檢測更精確；應(yīng)用存儲器件存儲預(yù)設(shè)值和環(huán)境照度值，可以廣泛地應(yīng)用于各種照度要求的環(huán)境；采用了模糊控制算法，能適應(yīng)環(huán)境照度的變化而智能調(diào)光，比一般線性調(diào)光更準(zhǔn)確.但是，系統(tǒng)使用高精度照度傳感器，增加了成本.另外，模糊控制基于經(jīng)驗，比一般線性或非線性調(diào)節(jié)更復(fù)雜，增加了系統(tǒng)開銷，加之系統(tǒng)有反復(fù)采集環(huán)境照度、控制光強的穩(wěn)定過程，響應(yīng)速度相對較慢.

5　結(jié)語

設(shè)計的LED智能調(diào)光控制系統(tǒng)，使用單片機進行控制，通過光照度傳感器探測環(huán)境照度，執(zhí)行模糊算法，較好地通過控制照明燈的發(fā)光強度，使環(huán)境照度達到預(yù)設(shè)值.系統(tǒng)在滿足人們照明需求前提下，節(jié)省大量電能.如果再增加熱釋電傳感器探知人的有無，即可應(yīng)用在人員活動頻繁的場所，應(yīng)用價值更廣.

[1] 王華杰,蘇娟.基于STM32的紅外感應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和研究[J] .計算機科學(xué),2011(11):305-307.

[2] 邵婷婷,樊延虎,雷文禮.基于單片機的節(jié)能LED調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計[J].河南科學(xué),2015(1):55-57.

[3] 譚家杰,譚家騰,杜社會.基于MSP430單片機的LED調(diào)光系統(tǒng)研究[J].衡陽師范學(xué)院學(xué)報,2014(3):24-27.

[4] 田立東，周繼軍，秦會斌.PWM調(diào)光LED驅(qū)動器設(shè)計[J].機電工程,2012(4):465-468.

[5] 陳元莉.基于單片機的智能模擬路燈控制系統(tǒng)研究[J].四川文理學(xué)院學(xué)報,2012(5):33-36.

[6] 云中華,白天蕊.基于BH1750FVI的室內(nèi)光照強度測量儀[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012(6):27-29.

[7] 王鵬宇,劉文君.基于太陽能熱水器智能控制器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014(5):124-126.

[8] 孟祥斌,毛紅艷,王德君.智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2015(1):70-73.

[9] 郭勝輝,朱學(xué)莉,朱樹先.基于模糊控制的教室照明系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報,2013(3):127-130.

[10]楊曉玲,朱群雄.基于單片機和模糊控制的電熔焊機設(shè)計及應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報,2008(7):1507-1511.

[責(zé)任編輯范藻]

Design of Intelligent Light-adjusted System for LED on Single-chip Computer and Fuzzy Control

LUO Jiang

(Teaching Affairs Office of Sichuan University of Arts and Sciences, Dazhou Sichuan 635000, China)

An intelligent light-adjusted system with LED lighting is designed. AT89C2051 single-chip computer is used as the main controller, and a light intensity sensor is used to measure the ambient light illumination. By fuzzy calculation, the duty cycle of the PWM signal is changed to control the luminous intensity of the LED lamp so that the actual illumination can reach the preset ambient light illumination and meet the application needs. The design has the advantage of energy saving, environmental protection and intelligent convenience. In a word, its practicability is strong.

single-chip computer; fuzzy control; illuminance; LED; light-adjusted

2016-04-17

四川省教育廳自然科學(xué)項目(15ZB0315、13ZA0102)

羅江(1978— )，男，四川南江人.講師，碩士，主要從事計算機應(yīng)用研究.

TP368.1

A

1674-5248(2016)05-0025-05