基于PWM调光的智能多功能台灯设计.docx

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基于PWM调光的智能多功能台灯设计

RevisedonNovember25,2020

基于PWM调光的智能多功能台灯设计

本科毕业设计

题目基于PWM的智能多功能台灯设计

姓名韦洋

专业自动化

学号

指导老师曹卫锋

郑州科技学院电气工程学院

二○一四年五月

郑州科技学院毕业设计（论文）任务书

题目基于PWM的智能多功能台灯设计

专业自动化学号姓名韦洋

主要内容、基本要求、主要参考资料等：

主要内容：

（1）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。

（2）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。

上述内容为基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。

基本要求：

（1）明确毕业设计任务，复习与查阅有关资料。

（2）对设计进行简要说明，总体设计方案，设计电路，使用计算机绘图，画出详细的电路接线图，列出元器件清单。

电路图要求工整、清楚、正确，并标明管脚。

（3）软件编程必须有流程图，程序必须加注释，各程序段的开始要注明该段功能和作用。

（4）要求使用A4打印稿，不少于2万字。

格式遵照学校规定。

主要参考资料：

（1）周航慈.单片机应用程序设计技术[M].北京航空航天大学出版社

（2）中国期刊全文数据库。

（3）“电子技术应用”、“电子设计应用”、“单片机与嵌入式系统应用”等期刊。

（4）张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社

（5）

（6）

完成期限：

指导教师签名：

专业负责人签名：

年月日

郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告

课题名称

基于PWM的智能多功能台灯设计

课题来源

教师拟定

课题类型

AX

指导教师

曹卫峰

学生姓名

韦洋

学号

专业

自动化

开题报告内容：

（调研资料的准备，设计的目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。

）

1.调研资料的准备

毕业设计是对我们在大学所学知识的一次系统而全面的总结，要求有一定的深度和广度，只有这样才能把所学知识融会贯通，将知识转化为能力。

为了为我们的老师、家长和我们自己画下一个完美的句号，调研资料准备如下：

（1）在图书馆查阅与单片机、传感器、PWM脉宽调制相关电路等有关的文字书籍；

（2）通过互连网查阅所使用芯片相关的电子资料，以及国内外相关技术；

（3）通过老师的指导与解惑，对设计内容有基本的了解，确定所使用的单片机类型和芯片型号，掌握各种硬件原理。

避免设计误区，争取高效率。

2.设计的目的与要求

目的：

利用单片机微控系统和各个集成电子模块设计出一款能够调节台灯亮度，能够显示时间，万年历，能够检测室内温度，拥有闹钟功能，有硬件设计图和软件设计流程图。

要求：

（1）设计显示模块以及恒流驱动模块，时钟模块，按键系统，蜂鸣系统，温度检测等硬件电路；

（2）设计PWM调光系统能够对LED进行调节。

（3）对设计的电路进行分析。

（4）设计软件程序流程图及软件主控制程序。

（5）设计调试程序与硬件电路相匹配完成智能控制。

3.设计思路

为了达到设计的目的，经过反复查阅资料，设计出电路原理，熟悉为实现其功能所需要的各种元器件，集成模块，软件设计，软硬件结合。

（1）选用STC51单片机利用PWM脉宽调制原理通过程序改变脉宽参数用单片机来控制每个周期内高低电平数从而实现电压的调节，改变台灯的亮度。

（2）时钟系统

时钟系统采用高性能的DS1302时钟芯片，该芯片功能丰富，使用简单，是一款高精度实时时钟芯片；其可以自动产生、年、月、日、时、分、秒等时间信息。

显示系统选用1602字符型液晶显示模块。

（3）温度检测系统

温度检测系统选用数字温度传感器DS18B20。

该传感器集成度高功耗小高性能。

可直接将温度转为串行数字信号。

（4）蜂鸣系统

蜂鸣系统用于产生闹钟报警及按键提示音，由单片机及三极管的通断实现对蜂鸣器声音控制。

（5）供电系统

LED灯采用恒流驱动芯片PT4115，单片机采用5V直流电源来进行供电，其他模块采用直流电源供电。

（6）软件程序设计

熟悉并掌握C语言程序设计的方法和思路，能够熟练掌握单片机仿真软件proteus的使用和仿真。

4.设计的预期成果：

完成论文，制作出实物。

5.任务完成的阶段内容及时间安排

（1）第1周～第2周：

图书馆和网上查找资料，消化资料；

（2）第3周～第5周：

制作外围硬件电路；

（3）第6周～第10周：

完成各个模块对硬件以及程序的调试工作，使系统正常运行；

（4）第11周～第12周：

完成论文。

6.完成设计（论文）所具备的条件因素

如期完成本次设计具备以下条件因素，可以在图书馆查阅与单片机，PWM调光的相关书籍、杂志和期刊，在图书馆的电子资源网络上搜索相关资料，学习仿真软件的使用方法和技巧，具有调试硬件电路以及软件的仪器与设备，积极听取老师的指导与意见。

注：

课题来源要填写明确（如教师拟定、学生建议、某企事业单位项目等）

课题类型：

（1）A—工程设计；B—技术开发；C—软件工程；D—理论研究；E—调研报告

（2）X—真实课题；Y—模拟课题；Z—虚拟课题；

要求

（1）、

（2）均要填，如AY，BY等。

中文

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。

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。

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，测温范围为-55~125℃，最高分辨率可达℃。

2硬件系统电路设计

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。

图系统结构框图

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，~连接液晶1602的数据接口[17]。

~则需要分别连接液晶1602的使能端EN、数据/命令选择端RS。

作为蜂鸣器控制端。

作为DS18B20的信号输入端。

、、、与作为S2~S6按键系统。

单片机的作为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所示。

图单片机最小系统

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，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的效果十分显着。

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，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管脚电压低于关断LED电流，高于全部打开LED电流，PWM调光的频率范围从100Hz到20KHz以上。

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

LED恒流驱动电路如图所示

　　图LED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=（×D）/Rs（D为方波信号占空比，Rs为限流电阻。

）

由于本设计LED