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作者：河南工业大学 徐悟源 耿战永 王亚辉
指导教师：吕宗旺

作品简介

　　图片：　　

　　开发背景：
　　当今时代，资源日益匮乏，发展节能行业已经逐渐成为一种必然的趋势，所以使用低能耗的产品也正逐渐为大众所青睐，随着经济与科学技术的发展，人们对产品的智能度要求更高，市场也开始关注产品的智能化和产品的人性化。

　　结构说明：
　　一、亮度采集电路
　　以本次比赛提供的STC IAP15F2K61S2为核心，使用片内8路10位高速逐次比较型A/D转换器，采集亮度采样电路上电压值来输出10位转换结果,低八位数据存放在寄存器ADC_RESL，高二位存放在寄存器ADC_RES中，由控制核心处理成亮度等级，再由无线透传模块HC11发送给灯光控制电路，并将ADC数值转化为十进制数值显示在数码管上。

　　二、灯光控制电路
　　以平常使用较多的STC系列单片机为控制核心，通过无线透传模块HC11接收亮度采集电路发送过来的亮度等级，处理后输出亮度控制信号来控制每个LED灯的点亮或熄灭。亮度采集电路和灯光控制部分实现实时传输数据，依次调节灯光使室内综合光强达到舒适度要求。

　　三、照明电路
　　包括驱动电路和高亮度低功耗LED灯，驱动电路由一片74HC573来驱动4片ULN2003，再由每个ULN2003来控制和驱动2个LED灯(由于ULN2003的整体驱动电流无法满足实际要求，所以此处使用4片ULN2003来驱动和控制8个LED灯)。其中灯光控制电路中STC单片机所需的TTL 5V电平由一片LM7805的三端稳压器来提供。最终整个系统通过一个LED专用开关电源来供电。

　　功能与使用说明：
　　一、功能
　　本照明系统可实现自动检测室内亮度并通过改变LED灯亮灭的个数来分级自动控制室内的综合光亮，系统开机时由灯光控制部分逐级点亮LED灯至最佳亮度，并可通过灯光控制电路上的舒适度按键来调节用户自身所需的舒适度(最适合人工作、学习或休息的亮度)。

　　二、使用说明
　　在实际使用时，可将本系统中的亮度采集电路(由于此电路的功耗很小，故采用纽扣电池供电)布置在室内亮度均匀且有代表性的地方，将电源电路集成在灯光控制电路中(设计成开关外形)，在本次视频演示中只演示一组照明部分，如果实际需要更亮的亮度则可以通过使用74HC595串行转并行芯片来任意扩展照明部分的规模。

平台选型说明　

设计说明

　　原理图：
　　一、亮度采集电路　　

　　二、灯光控制电路　　

　　设计原理：
　　一、亮度采集电路整体概述：
　　亮度采集电路作为本系统的信号采集部分，应具有实时性和高效处理数据的能力，所以亮度采集电路以本次比赛提供的STC IAP15F2K61S2 1T高速单片机为控制核心，采集由光敏电阻和ADC输入电路组成的外设电路上的电压采样值。将采样值转换为亮度等级，发送给灯光控制部分，再有灯光控制部分做出对LED等点亮个数的调节。

　　二、亮度采集电路程序介绍：
　　在采集电路运行过程中，在程序段不同位置设置了数个如果接受到灯光控制部分发来的命令便现在光亮等级的指令。
　　亮度等级由高速采集得到的ADC转换数值u(一个无符号整型数，储存十位ADC转换值转换而来的十进制数)，以ADC转换数值560和700为界限(在本实验模型应用中，经实测560~700是室内常有的亮度区间)，每20个ADC转换结果为一个区间，设置为一个亮度等级，560以下为亮度等级0，700以上为亮度等级8。
　　由于亮度采集电路为常开系统，循环检测亮度等级，所以每当灯光控制部分开机，便会接到其发送的命令，采集电路就会把现在的亮度等级发送给灯光控制部分，且如果外部光强较为稳定，没有明显改变，采集电路便不向灯光控制部分发送信号。由于实际情况中光敏传感器布置的位置有可能会被某些东西遮挡，也有由于可能用户住在一楼，窗户外面短暂的经过了一辆体积较大的车，而造成了检测到的亮度等级短暂的降低，但是此时照明部分的亮度如果立即跟随变化，便会是灯光闪烁，造成不好的使用感受，针对此种情况，我们在程序中设置了持续改变超过5秒钟才向灯光控制部分发送改变的亮度等级的功能，该功能通过十次循环，每次检测一次ADC采样值，和进入循环之前的转换值比较，并延时0.5S，如果十次比较全部不同，便认为是持续改变，便向灯光控制部分发送改变后的亮度结果。
　　由于整个系统设想作为现有传统照明设备的替代品，我们设想把灯光控制部分集成电源电路并将外形设计为现有开关的外形，替代现在照明器具的控制开关，IAP15F2K61S2单片机的功耗较低，亮度采集电路可在实际应用中设计为纽扣电池供电方式，这样便可以任意布置在室内。
　　亮度采集电路和灯光控制部分之间的通信在最初设计为波特率为9600的串口通信方式，但是由于实际应用中发现亮度采集电路的位置变动较大，所以引入了HC11无线透传模块，该模块可为自己设置不同地址，并实现多模块之间通信，本系统中只使用了两块无线透传模块，它使用433MHz载波发送数据，传输范围广，可透传，这样便将两部分之间传递数据的信道加了起来，整个系统对环境的适应能力也更强。
　　在此次的实验模型中，由于使用了本次比赛提供的开发板平台，我们就将转换结果由74HC595串行转并行芯片，转换并显示在了LED数码管上，作为调试时亮度数据的参考。

　　三、灯光控制部分整体概述
　　在灯光控制电路中，其中用到的主要器件有，16个2W阻值为5欧姆的电阻，8个10W的低功耗高亮度LED照明用灯，4个ULN2003驱动芯片，1个74HC573，一个STC公司出产的比较常用的51单片机，1个无线串口数据透传模块HC11。
　　其中的16个2W阻值为5欧姆的电阻是用来为LED灯限流的，防止LED灯因电流过大导致灯的烧坏，一个LED灯配上两个2W功率阻值5欧姆的电阻来起到限流作用，其中LED灯采用10W的高亮照明专用LED灯，一共用了8个灯，通过控制每个LED灯的亮灭来实现室内亮度可调，驱动LED选用的是ULN2003的驱动芯片，ULN2003为7输入7输出的驱动芯片，这里每一个ULN2003只用了其中的两路输入和两路输出，也就是说，每一片ULN2003可以驱动两个LED灯(由于ULN2003的整体驱动能力限制，所以1片或者两片ULN2003无法解决问题，所以采用了4片)。因为单片机I/O的输出电流很小，只有几个毫安，无法直接带动ULN2003，所以在中间加了一片74HC573来放大8个单片机P1口的输出电流，以此来控制ULN2003芯片，其中控制电路部分的单片机比较常见，本系统使用的为STC公司的89系列的一款单片机。
　　单片机通过设置固定的波特率来实现与STC IAP15F2K61S2单片机电路部分的通信。

　　四、灯光控制部分程序介绍：
　　1、开机逐级点亮程序
　　开启总开关，单片机上电，在灯光控制部分单片机的程序里先向亮度采集电路发送一条采样指令，当亮度采集电路接收到指令后立即将采集到的数据通过无线串口透传模块发送给灯光控制电路，这时候便会出现一个具体的系统刚刚开启时的室内亮度，依照用户设置的舒适度指数来进行对比，若是室内亮度小于舒适度，则灯光控制电路就点亮一个灯，之后再次向亮度采集电路发送采样指令，当亮度采样电路接收到采样指令时又立即将数据无线发送至灯光控制电路，此时灯光控制电路接收到的为经过灯光控制电路调整后的室内亮度值，此时就将这个调整后的亮度值与舒适度指数再次进行比较，若是仍然小于舒适度，则再点亮一个LED灯，并再次向亮度采样电路发送采样指令，重复以上过程，直到亮度采样电路发送给灯光控制电路的室内亮度值等于舒适度指数，此时便稳定下来，开机逐级点亮程序到此结束。

　　2、系统运行时程序
　　当经历了开机启动逐级点亮程序后，系统进入正常运行状态，此时灯光控制电路会检测串口中断，若收到亮度采集电路发送过来的室内亮度值，则与舒适度指数进行比较。
　　(1)若是小于舒适度指数，则灯光控制电路点亮一个灯，此时室内亮度已经经过初步调节，然后紧接着灯光控制电路会向亮度采集电路发送采样指令，然后灯光控制电路会收到一个当前的室内亮度值，将此时的亮度值再与舒适度进行比较，若是小于舒适度，则再次亮一个灯，灯光控制电路在发送采样指令，重复以上过程，直到室内亮度等级等于舒适度数值。
　　(2)若是大于舒适度指数，则灯光控制电路灭掉一个灯，此时室内亮度已经经过初步调节，然后紧接着灯光控制电路会向亮度采集电路发送采样指令，然后灯光控制电路会收到一个当前的室内亮度值，将此时的亮度值再与舒适度进行比较，若是大于舒适度，则再次灭掉一个灯，灯光控制电路在发送采样指令，重复以上过程，直到室内亮度等级等于舒适度数值。

　　3、舒适度调节程序
　　在单片机的程序中加入舒适度可调程序，将单片机的其中一个I/O口定义为舒适度调节的接口，外部接按键开关，若是单片机检测到此I/O的高低电平变化，则可以调节舒适度指数来满足不同人群，不同场合的需要。

　　设计方案
　　本系统主要由两大模块构成，即亮度采集部分和灯光控制部分，其中亮度采集电路作为本系统的信号采集部分，亮度采集电路以本次比赛提供的STC IAP15F2K61S2 1T高速单片机为控制核心，采集由光敏电阻和ADC输入电路组成的外设电路上的电压采样值。将采样值转换为亮度等级，发送给灯光控制部分，再有灯光控制部分做出对LED等点亮个数的调节。灯光控制部分主要由LED照明用灯，LED驱动电路和单片机组成，单片机的程序主要由开机逐级点亮程序、系统正常运行时的亮度自动调节程序和舒适度调解程序。以此构成一个智能的节能照明系统，来满足人们的不同的需要。

作品特色

　　先进性
　　本系统使用现时比较先进的LED照明专用灯,电压范围9到11V，此LED灯为高亮度低功耗灯，符合现时代对于节能的要求，本系统使用了STC IAP15F2K61S2的新型STC高速A/D功能,且执行指令更快，能够自动感知室内光强并以此为依据进行室内亮度调节，使室内光强达到一个令人感到最为舒适的亮度，并且用户根据自身需求以及外部环境需要任意改变舒适度数值或者扩展为更大规模的照明系统。

　　实用性
　　一、此系统在开机时和系统正常运行智能调节亮度时都采用逐级调节，即为渐变过程，不至于使室内的光强瞬间增大或瞬间减小很多，使用逐级调节的方式能够对人眼起到很好的保护作用。
　　二、此系统能够智能调节室内亮度，能够满足不同人群对于不同环境的室内亮度需求，且亮度检测电路布置灵活，可任意扩展规模。

　　创新性
　　采用节能高亮度照明专用LED灯作为可调光源，采用无线模块为2个单片机进行通信，减少布线麻烦，更能适应不同的环境。具有高速A/D转换单片机STC IAP15F2K61S2实时采集室内光强，室内亮度亮度自动调节，逐级调节室内光强。
　　本系统兼顾了智能和节能，为人们生活带来了很大的方便。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2479