基于PWM调光的智能多功能台灯设计毕业设计.docx

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基于PWM调光的智能多功能台灯设计毕业设计

基于PWM调光的智能多功能台灯设计毕业设计

基于PWM的智能多功能台灯设计

摘要

随着电子技术的日益发展，人们生活中的照明工具也在发生着巨大的变化。

普通电灯，白炽灯，LED灯，这也反映了人类社会的进步，科技的发展。

目前的家居逐步朝着多功能化智能化的方向发展[12]。

随着环境问问题的恶化，能源的减少。

节能绿色环保的台灯，逐步走进了人们的生活。

以前的台灯用途单一，而现在的人们需要一种多功能智能化的台灯。

因此利用所学知识设计一种多功能绿色环保的台灯是一种很好的方向。

本文介绍了一种基于PWM调光的智能台灯设计。

把单片机技术和PWM调光技术结合起来实现台灯光强的调节。

利用软件来改变占空比从而来改变电压的大小实现调光。

利用DS1302时钟芯片和单片机结合来产生时间日历。

利用DS18B20温度检测芯片来检测环境温度。

用1602字符型液晶显示芯片来显示时间，日历，星期，温度，以及台灯的光强等级。

利用蜂鸣器和时钟芯片产生定时闹钟。

从而使台灯拥有多项功能。

文章对总体设计思想进行了论述，分析了系统主要功能并以系统硬件设计框图的形式体现，进行了方案选择与方案论证。

完成了硬件电路的设计，描述了各模块电路的组成，其中包括单片机最小系统、液晶显示电路、时钟电路、蜂鸣器电路，温度检测电路，照明电路等，分析了电路中所用芯片的主要功能及各部分电路的工作原理。

本设计通过对各模块的硬件和软件的设计，基本能够达到设计要求，满足人们日常对台灯的功能使用。

关键词：

台灯；多功能；单片机；PWM调光

THEDESIGNOFSMARTMULTIFUNCTIONALTABLELAMPBASEDONPWM

Abstract

Withthedevelopmentofelectronictechnology,peoplelivinginthelightingtoolisalsoundergoingtremendouschanges.Ordinarylamp,incandescent,LEDlights.Italsoreflectstheprogressanddevelopmentofhumansocietyandtechnology.Thecurrentdomesticindustrygraduallytowardsmulti-functionalintelligentdirection.Withthedeteriorationoftheenvironmenttoaskquestions,theenergyreduction.Greenenergy-savinglamp,gettingintopeople'slives.Previoususeofasinglelamp,andnowpeopleneedaversatileintelligentlamp.Sotakeadvantageoftheknowledgetodesignamulti-purposegreenlampisagooddirection.

Thispaperdescribesthedesignofalamp-basedintelligentPWMdimming.ThemicrocontrollertechnologyandPWMdimmingtechnologycombinetoachieveastrongregulatorstationlights.Makeuseofsoftwaretochangethedutycycleandthustochangethesizeofthevoltagedimming.UsingDS1302clockchipandsingle-chipcombinationtogeneratetimecalendar.UsingDS18B20temperaturedetectionchiptodetecttheambienttemperature.CharacterLCDwitha1602chiptodisplaythetime,calendar,week,temperature,andlightintensitylamplevel.Makeuseofthebuzzerandthealarmclockchiptogeneratetiming.Sothatthelamphasanumberoffunctions.

Articlesontheoveralldesignideaswerediscussed,analyzedthemainfunctionsofthesystemandthesystemhardwaredesignembodiedinblockdiagramform,carriedoutaprogramofselectionanddemonstrationprogram.Completedthehardwaredesign,describesthecompositionofeachmoduleofthecircuit,includingthesmallestsingle-chipsystems,liquidcrystaldisplaycircuit,clockcircuit,buzzercircuit,thetemperaturedetectioncircuit,lightingcircuits,analysisofthemainfunctionsofthechipusedinthecircuitworkseachpartofthecircuit.

Thedesignofthehardwareandsoftwarethroughthedesignofeachmodule,andcanbasicallymeetthedesignrequirements,tomeetpeople'sdailyuseoflampfunction.

Keywords:

lamps;multi-function;single-chip;PWMdimming

前言

随着人类社会的发展能源的消耗，人们和环境资源的矛盾变的越来越尖锐。

全球气候变暖日益严峻。

如何减少照明用电就作为一个重要的问题提到日程上来。

因为照明用电占总能耗的20%.电子技术的发展，更加节能环保的LED的出现,让节能减排变成一种实际行动。

LED比白炽灯节，荧光灯，节能灯还要节约更多的电力。

并且环保无污染。

能够根据亮度来调节灯光的亮度将会更加节能。

但过去所有光源都很不容易实现调光，LED却能够轻易实现调光。

有的时候人们需要照明时并不一定需要很亮的亮度，可是又无法去改变，反而浪费了能源。

许多的场合都需要能够智能调光的光控系统。

像路灯、家庭照明，办公室、商场、学校、工厂这些地方需要进行灯光的亮度的调光，可以预见调光技术的发展必将带来很大的节能减排的效应。

而台灯作为家庭必备物品如果也能实现调光，采用LED照明技术，根据环境亮度来调节亮度，将会达到节能的效果。

而且同时拥有闹钟功能，日历功能，温度检测功能，将会给人们的生活带来更大的便利。

论文的主要原理和制作是根据所学的理论知识和在学习期间的电子电路制作过程中所积累的经验，从而进行创作。

在查阅大量相关资料的前提下结合任务书以及老师提出的要求和需要达到的效果进行设计。

首先利用Proteus软件进行电路图的设计，画出电路原理图。

利用单片机编程软件用C语言进行编程。

将调试好的源程序下载到Proteus软件单片机中进行仿真。

经过一系列的调试仿真。

最终达到任务书中的要求。

在进行实物的焊接。

在实物调试完成后在进行论文的整理，一切按照要求进行。

本论文主要的方法就是利用计算机软件进行辅助设计，利用计算机编程软件进行软件设计。

1设计的总体要求及方案选择

本次设计制作一基于PWM的智能多功能台灯的控制系统，能够通过STC89C52单片机编程实现台灯亮度的调节，并通过显示装置显示出时间，日期，星期，台灯亮度，并且能够进行闹钟定时，能够进行环境温度的检测。

功能要求：

台灯能够自动调整光强亮度，检测环境温度，显示日历等。

硬件要求：

整个系统的硬件部分包括单片机，键盘、显示和信号输出等。

1.1调光技术的选择

目前常见的调光技术主要有：

1采用直流电源LED的调光技术。

2采用脉宽调制（PWM）来调光。

3用可控硅对LED调光[2]。

按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择。

方案一：

采用直流电源LED的调光技术

如果需要要改变LED的亮度，实现起来相对来说比较容易。

发光二极管具有单向导电性是由电流驱动的器件，因为LED的亮度是取决于通过它的电流，在一定范围内电流越大其亮度越亮，反之则越小。

调节LED的亮度只需要调节电流大小，而LED工作电流很小通常需要串接限流电阻，所以当我们改变其限流检测电阻就能实现改变其电流大小从而改变LED的亮度。

但是通常限流检测电阻阻值非常小，用一个很小阻值的电位器来调节电流，操作起来很难实现电流调节。

所以一般不采用调节电阻大小来实现调节电流。

因此为了实现电流调节，有些芯片提供一个控制电压接口，通过改变输入的控制电压就可以改变其输出恒流值。

这样实现起来就比较容易。

然而用调正向电流的方法来调亮度会产生一些问题，那就是在调亮度的同时也会改变它的光谱和色温。

调电流会产生使恒流源无法工作的严重问题。

长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作。

调节正向电流无法得到精确调光。

方案二：

采用脉宽调制（PWM）来调光

LED是一个发光二极管，它可以快速实现开关。

这一特点是其他的发光器件所无法比拟的。

因此，我们需要把供电源改成脉冲恒流源，改变电源脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度[1]。

种方法称为脉宽调制（PWM）调光法。

假如脉冲的周期为tpwm,脉冲宽度为ton,那么其工作比D（或称为孔度比）就是ton/tpwm.改变恒流源脉冲的工作比就可以改变LED的亮度。

简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的[5]。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

脉宽调制调光的优点：

1、不会产生任何色谱偏移。

2、PWM调光具有极高的调光精确度。

3、可以和数字控制技术相结合来进行控制。

因为任何数字都可以很容易变换成为一个PWM信号。

4、PWM调光能够通过软件的方式比较容易实现，使用范围广阔。

方案三：

可控硅调光

普通的照明灯具通常采用可控硅来调光，例如白炽灯和卤素灯。

因为他们基本是一个纯阻器件，以这样纯阻器件为照明工具的灯光系统对输入电压没有要求，输入电压是否是正弦波交流电对其没有任何影响。

通过纯阻器件的电流和电压波形是完全一致的，所以不管电压波形如何偏离正弦波，所以改变输入纯阻器件电压的有效值，就可以调光。

但是可控硅却不能对以LED为照明器件的照明系统进行调光。

因为LED并不是一个纯阻性的器件。

综述来说LED调光最好采用的技术是PWM调光。

采用PWM调光时，可以运用微控系统，例如单片机，通过程序可以预先设置好灯光的亮度等级，然后通过调节等级就能实现对灯光的亮度的调节。

PWM调光是可以直接应用于调光型台灯的[5]。

因此最终选择PWM调光。

1.2主要集成芯片的选择

单片机是整个电路的控核心，因此单片机的选择对于整个电路来说是至关重要的。

结合本论文的实际情况选择STC89C52单片机[15]。

52单片机比51单片机内存大，可以串口下载程序，指令执行速度快。

经济方便[18]。

时钟芯片主要在DS12C887和DS1302之间进行选择。

由于DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决了“千年”问题；DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。

在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；但是DS12C887引脚比较多，从而造成硬件电路比较复杂，而DS1302也能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，但是内部没有内部电源需要外接备用电源。

和单片机相连的引脚只有三个，硬件电路比较简单。

因此选择DS1302作为时钟芯片。

显示芯片采用1602液晶显示芯片。

可以显示字符，数字等，该液晶可显示两行，每行显示16个字符；且体积小、能耗低、操作简单；适合于本设计所需数字、英文字母以及特殊符号的显示要求。

通过单片机控制1602液晶实现首行年、月、日、星期显示，第二行时、分、秒以及环境温度显示。

温度检测芯片采用数字温度传感器DS18B20，该传感器具有微型化、低功耗、高性能等优点。

超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使其应用范围广阔，DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号处理，测温范围为-55~125℃，最高分辨率可达0.0625℃。

2硬件系统电路设计

2.1整体电路系统模块

该多功能LED台灯系统采用20只5mm高亮白光LED灯珠为光源，以STC89C52单片机为主控芯片[15]，由LED恒流驱动系统、时钟系统、测温系统、液晶显示系统、蜂鸣系统、按键系统、电源系统组成。

系统结构框图如图2.1所示。

该台灯系统可具体实现LED台灯的10级PWM调光控制；液晶屏实时显示时钟、日历与环境温度信息；闹钟功能采用声音报警方式，即一旦到达闹钟时间，LED台灯能够出蜂鸣声报警，以唤醒用户；用户则可以通过按键系统实现对时钟日历与闹钟参数的设置、LED亮度的调节以及闹钟报警的解除。

图2.1系统结构框图

2.2单片机主控系统

本设计主控系统采用高性能STC89C52芯片实现，其P0口外接10K的上拉电阻，P0.0~P0.7连接液晶1602的数据接口[17]。

P2.6~P2.7则需要分别连接液晶1602的使能端EN、数据/命令选择端RS。

P2.4作为蜂鸣器控制端。

P3.0作为DS18B20的信号输入端。

P3.1、P3.4、P3.5、P3.6与P3.7作为S2~S6按键系统。

单片机的P1.1作为PWM信号的输出端并连接PT4115芯片DIM端，用于PWM调光控制[8]。

系统晶振电路由12MHZ晶振与两个30PF电容组成；复位电路则由S1按键、1K电阻与20uF电解电容构成。

单片机最小系统电路如图2.2所示。

图2.2单片机最小系统

2.3恒流驱动系统

本台灯设计LED光源采用相互并联方式，共由20只高亮度小功率LED组成；每只LED灯珠的压降约3.1V，工作电流约20mA.由白光LED的正向伏安特性可知，当LED端电压超过其正向导通电压后，较小的电压波动都会导致工作电流的的剧烈变化，从而影响LED的正常使用，固LED宜采用恒流驱动方式。

因此，本设计LED采用高性能PT4115恒流芯片驱动。

PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源IC，能将直流电压直接转换成稳定的恒流输出[4]。

该芯片适合用于绿色照明LED灯的驱动电路，能够驱动一颗或者多颗串并联的LED，且具有应用电路非常简洁的优点。

根据不同的外部电压和器件PT4115可以驱动数十瓦的LED灯。

PT4115采用抖频（FrequencyJitter）技术，能有效降低EMI。

频率抖动技术是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法。

频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带的方式来降低EMI，以减小电磁干扰。

当没有采用频率抖动技术时，各次谐波较窄而且离散，幅值在谐波频率较高处，EMI集中在峰尖。

采用频率抖动技术时，谐波幅值降低并变得平滑，高次谐波接近连续响应，抑制EMI的效果十分显著。

PT4115输入电压范围为6V-30V，芯片被击穿的电压大于45V，最大的输出的电流为1.2A，其转换的效率较高，达到97％，PT4115恒流驱动芯片的输出的电流精度达±5％。

该芯片具有过压、过流、LED断路保护等多种功能。

其封装模式，有利于驱动电路的快速散热，从而对电路进行保护。

PT4115的应用电路简洁，仅需四个元器件，DIM引脚的调光功能采用由高向低的调光方法，安全可靠。

PWM和模拟电压均可控制调光。

DIM内部有一个1MΩ的上拉电阻（Rup）接到内部5V电源。

由于有些灯具需要实施过温保护，可在DIM端外加一个热敏电阻、NTC或温度二极管。

DIM端的电压由Rup和NTC分压决定，利用模拟调光的原理以及温度对PN结电流的负反馈实现动态温度控制，可实现LED灯具的动态过温保护。

PT4115内置功率开关，采用高端电流采样设置LED电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光[10]。

PT4115在DIM管脚加PWM信号进行调光，DIM管脚电压低于0.3V关断LED电流，高于2.5V全部打开LED电流，PWM调光的频率范围从100Hz到20KHz以上。

当高电平在0.5V到2.5V之间，也可以调光，当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。

LED恒流驱动电路如图2.3所示

　　图2.3LED恒流驱动系统电路图

PT4115恒流驱动输出的电流值计算公式为：

　　IOUT=（0.1×D）/Rs（D为方波信号占空比，Rs为限流电阻。

）

由于本设计LED光源采用20只小功率白光LED灯珠并联方式，且每只LED灯珠额定电流为20mA，则PT4115恒流驱动输出最大电流IOUT应为400mA，因此Rs选取0.25欧电阻。

L1为镇流电感，选取68μH，用于稳定通过LED的电流。

D1是续流二极管，当芯片内部MOS管截止状态时为储存在电感L1中的电流提供放电回路；由于工作在高频状态，D1选用正向压降小且恢复速度快的肖特基二极管SS24。

PWM脉冲调光信号由单片机P1.1产生，单片机P1.1口的输出的高电平和低电平决定LED是否通断。

将定时器T0溢出中断定为1/2500秒（即400μS），每10个脉冲信号作为一个周期，即频率为250HZ.这样，在每1/250秒的周期中，通过改变方波的高低电平的个数，即改变占空比从而实现LED灯的10级亮度调节，即LED亮度等级是由每个周期内的高电平脉冲的数目所决定的。

当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/10，亮度最低，当在一个周期中10个脉冲全为高电平时，占空比为1，LED亮度最高。

其调光原理如图2.4所示；

图2.4PWM调光原理图

2.4时钟系统

时钟系统采用DS1302时钟芯片。

此芯片通过程序的读写提供年月日，时间，星期，达到显示时间日历的目的。

此芯片引脚，X1,X2接32.768KHZ的晶振。

VCC1接备用电源以保证系统电源断电时，能够正常的进行计时。

VCC2接主电源。

DS1302的工作电压在3.5V到5.5V之间。

复位引脚RST接单片机的P1.5引脚，时钟引脚SCLK接单片机的P1.6引脚，I/O接口接单片机的P1.7引脚[9]。

时钟系统和单片机系统连接图如图2.5。

图2.5时钟系统电路图

2.5液晶显示系统

液晶显示器在我们平时的生活中运用的地方非常多，像最简单的计算器，电子表，数字万用表等等。

液晶显示能够显示数字特殊符号和图形。

而其他的显示有:

发光管、LED数码管、液晶显示器。

发光管和LED数码管比较常用，这些显示所使用的软件都比较简单，但是硬件电路比较复杂，从而使硬件电路的设计变得更加复杂，同时也会产生一些其他诸如成本，设计思路等方面的问题。

相比较而言液晶显示成本低运用广，且硬件电路相对比较简单，所以本次设计的显示模块选择使用LCD液晶显示器[11]。

显示系统采用1602字符型液晶。

该液晶可显示两行，每行显示16个字符；且体积小、能耗低、操作简单；适合于本设计所需数字、英文字母以及特殊符号的显示要求。

通过单片机控制1602液晶实现首行年、月、日、星期显示，第二行时、分、秒以及环境温度显示。

液晶显示的优点：

（1）显示质量好，可视面积大。

液晶显示器每一个点在收到信号后会一直保持色彩和亮度，恒定发光，而不需要像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

（2）数字式接口。

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，不需要把数字信号转化为模拟信号在进行输出，操作更加方便。

（3）体积小、重量轻。

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，所以在实际电路的焊接中能够更好的进行电路的排版焊接，简化了在硬件电路中设计的工作量。

（4）功耗低。

相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。

因此该硬件系统的显示电路采用LCD1602液晶显示,可以显示时间、日历，星期，灯光亮度和温度等。

用单片机一组I/O口作为数据口向LCD1602发送数据信息。

从而实现所需功能。

液晶显示器各种图形的显示原理:

（1）线段的显示 

点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行有16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。

例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，…（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。

这就是LCD显示的基本原理。

（2）字符的显示 

用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。

这样一来就组成某个字符。

但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。

（3）汉字的显示 

汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5