CN204190977U - 多功能led模拟自然光渐亮系统 - Google Patents

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钱幸生
李伟
徐寅林
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Abstract

本实用新型提供了一种多功能模拟自然光强渐亮系统。包括光强采集子系统、控制调节子系统和灯光驱动子系统：光强采集系统采用光敏电阻5528进行光强电压采样，经PCF8591芯片AD转换并通过串行I2C总线接口传输给控制调节子系统的单片机处理所测数据；控制调节子系统由STC89C516RD+单片机及其外围电路构成；灯光驱动子系统采用LED作为光源，AX2015恒流芯片驱动；STC89C516RD+单片机的PWM信号输出端与AX2015恒流芯片的DIM端连接。本实用新型具有成本低，用途广，使用简单等优点，适用于阴雨天、冬天早上室内自然补光、倒时差等多个场合。

Description

多功能LED模拟自然光渐亮系统
技术领域
本实用新型涉及一种光强控制系统，具体涉及一种多功能LED模拟自然光渐亮系统。
背景技术
早晨起床时卧室的环境偏暗，往往使得人们精神迷离，导致起床困难而影响白天的工作和学习时间。阴雨天昏暗环境、室内昏暗场所、倒时差等等场合光强变化不自然，也使得人们睡醒时的精神状况不佳，可能影响人们整个白天的工作状态。
发明内容
本实用新型提供一种能够模拟最佳起床时的自然光变化的控制系统，将有助于改善起床后的精神状态。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
多功能LED模拟自然光渐亮系统，包括光强采集子系统、控制调节子系统和灯光驱动子系统：光强采集系统采用光敏电阻5528进行光强电压采样，经PCF8591芯片AD转换并通过串行I2C总线接口传输给控制调节子系统的单片机处理所测数据；控制调节子系统由STC89C516RD+单片机及其外围电路构成，所述单片机的时钟频率为22.1184 MHz，采用6时钟/机器周期；灯光驱动子系统采用LED作为光源，以AX2015恒流芯片驱动；所述STC89C516RD+单片机的PWM 信号输出端与AX2015恒流芯片的DIM 端连接。
进一步地，所述系统还包括附加多功能子系统，附加多功能子系统包括测温模块、显示模块、时钟模块、按键系统模块和蜂鸣器闹钟模块，所述测温模块和时钟模块均与显示模块连接，所述蜂鸣器闹钟模块与时钟模块连接，所述按键系统模块分别与蜂鸣器闹钟模块和时钟模块连接。所述时钟模块采用DS1302实时时钟芯片；所述测温模块采用DS18B20数字温度传感器。所述显示模块采用LCD1602液晶。
电源采用+15V开关电源及其电路双路输出+15V和+5V，分别为灯光子系统和系统其他部分供电。
本实用新型所述的多功能LED模拟自然光渐亮系统有以下优点：1)、可以任意时刻开始启动模拟渐亮光强，可在阴雨天、冬天早上室内自然补光、倒时差等多个场合使用。2)、“PID算法+闭环”控制方法，调光控制精准。3)、具有时钟、测温、闹铃、固定灯光使用等多功能，生活用途方便。4)、采用PWM 调光方案，避免了模拟调光在不同电流下发出的白光存在色偏的缺点。5)、采用51内核单片机为控制核心，成本低廉。
附图说明
图1是本实用新型多功能LED模拟自然光渐亮系统工作原理图；
图2是本实用新型系统中控制调节子系统的硬件原理图；
图3是本实用新型系统中光强采集子系统的硬件原理图；
图4是本实用新型系统中灯光子系统的硬件原理图；
图5是本实用新型系统中附加多功能子系统的硬件原理图；
图6是本实用新型系统中电源电路的硬件原理图。
具体实施方式
以下结合附图进一步描述本实用新型的技术方案。
如图1，一种多功能LED模拟自然光渐亮系统，其核心为单片机STC89C516RD+，采用“光强实时采集+LED补光调整”的工作方式。光强采集子系统实时采集环境光和LED灯光的综合光强，并经AD转换成0~255之间反映光强的数值后传送给单片机，片内程序中存储了经试验测得的最佳起床时的自然光强变化数据（数值范围是0~255）；片内程序利用PID算法控制单片机读取实时数据并和程序中存储的数据相比较，从P1.0输出相应占空比的PWM控制脉冲用于控制LED灯补光照强度；使得环境光和LED灯光的综合光强符合最佳起床时的自然光强变化。同时用户还可以通过按键手动控制光强并固定，用于其他生活需要。除了手动调光设置，按键模块还用于时间、闹铃设置，时钟模块、测温模块数据输入单片机处理，并在LCD1602上显示；蜂鸣器作闹铃。这样，STC89C516RD+单片机通过I/O口实现控制LED灯光子系统和附加多功能。
如图2，控制调节子系统由STC89C516RD+单片机及其外围电路构成。STC89C516RD+单片机是该系统的控制核心，芯片内含64K的可编程的Flash存储器和1 KB RAM，同时具有ISP功能。该芯片的时钟频率为22.1184 MHz，采用6时钟/机器周期，相当于普通51系列单片机工作在40 MHz时钟频率，有利于实现实时控制。P0口外接10K 的上拉电阻，P0.0~P0.7与液晶1602 的数据接口，P2.6~P2.7 分别连接液晶1602 的使能端EN、数据/命令选择端RS。P1.1~P1.3分别连接DS1302 芯片的片复位端RST、数据口I/O、数据时钟SCLK。P2.4 作为蜂鸣器控制端。P2.5 作为DS18B20 的信号输入端。P2.0~P2.3 作为S3~S6按键系统。P1.0 作为PWM 信号的输出端并连接AX2015芯片DIM 端，用于PWM 调光控制。复位电路则由S2 按键、10K 电阻与10uF 电解电容构成。开关S1用于系统电源通断。
如图3，光强采集子系统由光强采集-AD转换模块电路构成。子系统采用光敏电阻5528进行光强——模拟电压转换，数据经8位模数转换芯片PCF8591芯片AD转换并通过串行I2C总线接口由单片机P1.4~P1.5口传输给单片机处理。
如图4所示，灯光子系统子由LED恒流驱动模块及LED灯珠组成。光源采用并联20只5mm高亮度小功率LED灯珠，且每只LED 灯珠额定电流为20mA。恒流驱动采用高性能AX2015恒流芯片驱动，通过AX2015芯片上的DIM端，可以方便地进行PWM调光。PWM调光方案的基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，即改变输入脉冲信号的占空比，使LED产生亮暗变化；并利用人眼的视觉残留效应，当LED亮暗变化频率大于120Hz 时，人眼就不会感觉到闪烁，而看到是LED的平均亮度。灯光子系统供电由+15V开关电源直接供电。
如图5，附加多功能子系统电路由DS1302时钟模块、DS18B20测温模块、蜂鸣器闹铃模块、LCD1602显示模块、按键模块组成。时钟模块采用DS1302高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，以实现对年、月、日、时、分、秒进行计时并通过LCD1602实时显示。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器，通过简单的串行接口与单片机进行通信，采用同步串行通信，仅用3条线与单片机相连接。测温模块选用DALLAS公司“一线总线”接口的数字温度传感器DS18B20，测温范围为-55~125℃，单片机P3.0 口通过R3连接DQ 端口实现温度数据的采集处理，并通过LCD1602实时显示。闹铃模块用蜂鸣器实现，由单片机P2.4 口控制PNP 三极管9012的通断实现对蜂鸣器声音控制，以实现闹铃效果。显示模块采用16*2规格的LCD1602。其与单片机P0口之间采用并行方式连接，可实现年、月、日、时、分、秒显示等；也可显示实时温度；同时还可显示当前参量（实时PWM等级和环境光强等重要信息）。显示模式为3个：模式一下，第一行显示年、月、日以及实时PWM等级和环境光强，第二行时、分、秒以及当前环境度显示；模式二下，第一行显示不变，第二行为当前时间的修改；模式三下，第一行显示不变，第二行为闹铃时间的修改。用户用按键选定模式进行相应显示和控制。按键模块由S3~S6 五个按键组成，分别为S2时间设置键、S3数值增大键、S4数值减小键、S5闹铃设置键以及S6 LED 亮度调节和固定键。S2用于选择需要调整的时间以及闹铃参数，并作为时间参数的存储确认键。S3与S4用于调整被选参数值的大小。S5用于闹铃查看与存储确认键。
如图6，电源电路，由+15V开关电源、LM7805稳压芯片及相应电路构成双路输出。S1为系统电源总控制，+15V输出为灯光子系统供电；经LM7805输出+5V为其他子系统供电。
本实用新型采用“控制调节子系统+光强采集子系统+灯光子系统+附加多功能子系统”系统设计方案，以STC89C516RD+为核心，实现模拟自然光渐亮的功能，同时附加多功能满足用户日常使用需求。具有成本低，用途广，使用简单等特点。

Claims (4)

1.多功能LED模拟自然光渐亮系统，其特征在于，所述系统包括光强采集子系统、控制调节子系统和灯光驱动子系统：
光强采集系统采用光敏电阻5528进行光强电压采样，经PCF8591芯片AD转换并通过串行I2C总线接口传输给控制调节子系统的单片机处理所测数据；
控制调节子系统由STC89C516RD+单片机及其外围电路构成，所述单片机的时钟频率为22.1184 MHz，采用6时钟/机器周期；
灯光驱动子系统采用LED作为光源，由AX2015恒流芯片驱动；所述STC89C516RD+单片机的PWM 信号输出端与AX2015恒流芯片的DIM 端连接。
2.根据权利要求1所述的多功能LED模拟自然光渐亮系统，其特征在于，所述系统还包括附加多功能子系统，附加多功能子系统包括测温模块、显示模块、时钟模块、按键系统模块和蜂鸣器闹钟模块，所述测温模块和时钟模块均与显示模块连接，所述蜂鸣器闹钟模块与时钟模块连接，所述按键系统模块分别与蜂鸣器闹钟模块和时钟模块连接。
3.根据权利要求2所述的多功能LED模拟自然光渐亮系统，其特征在于，所述时钟模块采用DS1302实时时钟芯片；所述测温模块采用DS18B20数字温度传感器。
4.根据权利要求2或3所述的多功能LED模拟自然光渐亮系统，其特征在于，所述显示模块采用LCD1602液晶。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105848360A (zh) * 2016-05-30 2016-08-10 苏州科技学院 一种室内灯自动控制系统
CN108770127A (zh) * 2018-06-29 2018-11-06 上海电机学院 一种基于stc89c52单片机控制的多功能led台灯
CN111465137A (zh) * 2020-05-13 2020-07-28 迅驰车业江苏有限公司 一种车灯驱动模块输出电流调节的pid控制方法

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