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测控论文
摘要
本设计是针对台灯的节电和使用的方便性进行创新设计与研究，以430单片机为核心，综合运用人体热释电红外、光检测，12864显示，步进电机等技术，设计制作出智能型多功能LED台灯。
该台灯具有自动和人工多级调光以及摇头等功能，实现对台灯用电情况和亮度调节的智能控制以及光照方向的控制。
而对光源的选取，我们选用了大功率LED作为光源。
LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射。
LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。
随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高，用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。
关键词：
智能台灯；LED驱动；PWM调光；红外感应；步进电机；液晶12864
绪论
随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。
照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，美欧等发达国家的照明用电占总发电量的19%，我国照明用电也占到12%。
随着我国经济的发展，照明用电将有大幅度的增加，因此绿色环保节能的照明研究越来越受重要。
作为一种固态冷光源的LED，是继高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）、荧光灯、白炽灯之后的第四代光源。
基于白光LED的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、体积小、寿命长、环保、安全可靠等特点，代表着照明新技术的未来，并符合我国提出的"美丽中国"的要求。
可以预测不远的将来，LED肯定会进入我们生活的照明领域代替现有的照明光源。
由于目前大功率LED台灯正处在市场开拓阶段，价格偏高，且客户对其了解甚少。
但其市场潜力巨大。
考虑到它的诸多优点，如护眼、省电、环保和寿命长，可以预计，在不久的将来，随着大功率LED台灯成本的不断下降，它的市场会有广阔的发展。
到时，大功率LED台灯将进入千家万户，成为我们每天工作生活的好伙伴。
所以节约资源是我们将来面临的主要问题，同时也要求我们时时处处都要注意节约资源。
而在我们平时生活中浪费资源的情况随处可见。
如一个教室一个教学楼灯火通明，里面一个学生也没有，而且风扇和空调也在不停转着。
分析有两种原因，一是人们太懒了平时不注意，二是节约资源太难了。
实际上第二点是一个主要原因。
比如说，比如我们所使用的风扇、照明灯、空调等等，在没有人的情况下它们会自动停止，这样节约资源就“容易”多了。
正是由于第二点原因，我们以台灯作为研究对象，设计了一种智能多功能LED台灯。
目前市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的台灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；而且部分台灯产品功能单一，缺少亮度调节、时钟日历等功能，无法适应现代家庭生活的实际需求。
本课题研究的内容是对环境中光照强度和人体红外信号的实时采集与处理。
再通过单片机程序的设计实现时钟日历的功能并且可以通过键盘对时钟进行校准。
对环境光照信号的采集使灯实现PWM自动调光让外界保持一个稳定的光亮度还能通过按键自动调节光照强度。
以及人体红外信号的采集与处理通过电机的旋转实现对光照方向的控制。
单片机概述
LaunchPad开发板介绍
首先，LaunchPad是一个完整的开发板。
板上包括仿真器和目标芯片，通过仿真器我们可以在线控制CPU的运行以及查看硬件寄存器；目标芯片就是我们编写的代码要下载到的芯片。
在图1所示的开发板照片中，照片中虚线上方的是仿真器，虚线下方的是目标板，也就是我们编写的代码最终要运行的地方。
开发板实物
套件内容
LaunchPad的开发板包括以下内容：
1、LaunchPad开发板
2、MinUSB电缆
3、一块MSP430G系列芯片
–MSP430G2553:
低功耗16位单片机，片上拥有10位8通道的ADC、2K容量的Flash和128bytes的RAM
4、2排10针的排针和2排10针的插座
5、一只32.768-kHz的晶体
目标板介绍
目标板上有一个20针的DIP插座可以用于更换MSP430单片机，芯片所有管脚全部通过开发板两侧的排插引出，可以比较方便的进行拓展实验。
板上还有2个LED和一个通用按键，还有一个按键旁边标有reset是复位按键。
板上有很多的跳线J1和J2是将IO引出的比较容易理解。
J3是用于和eZ430开发板连接的跳线。
J4是仿真器和目标板间连接跳线其功能如下表所示：
J
系统硬件电路设计
在系统设计方案的基础上，本章为系统硬件部分的设计，其中包括：
步进电机模块、LCD液晶显示模块、声光报警与风机模块、键盘模块、光检测模块、人体红外感应模块、发光模块。
电机模块是通过L298电机驱动芯片驱动步进电机实现对光照方向的控制；LCD液晶显示结合键盘模块相当于人机界面部分，用户在键盘上操作，并通过LCD反应最终结果；声光报警是台灯发出的光非常刺眼时，通过LED发光二极管和蜂鸣器报警通知人。
人体红外感应模块能感应到人的方位将信号传给单片机而实现对光照方向的控制。
光检测模块是检测环境的光照亮度，通过单片的PWM方波达到对台灯亮度的控制。
电机驱动电路
电机驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。
电机驱动电路不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。
电机采用步进电机，因为步进电机具有较强的快速启停能力，可通过对其转动部署的控制实现对位移的精确控制。
步进电机是用数字信号来控制的，它将脉冲信号变成为角位移，因此适合用单片机去控制控制。
这种电机的驱动及控制需要电机驱动芯片进行驱动。
常用的电机驱动芯片有L297/298，MC33886，ML4428等。
本设计选用了L298。
步进电机
步进电机是用数字信号来控制电机，它将脉冲信号变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此很适用于单片机控制。
步进电机与其他电机相比的最大特点是，它是通过输入脉冲信号，将脉冲信号变成角位移，即输入的脉冲信号个数决定电机转过的角度，而脉冲的频率决定步进电机的转速。
步进电机的驱动电路是根据输入信号进行控制。
其基本原理作用如下：
（1）控制换相的顺序即各个控制线通电顺序，这个过程为脉冲分配。
给步进电机一列脉冲并循环下去，那么步进电机会不停地转动。
（2）控制步进电机的转动方向，如果按给定正序换相通电，步进电机正转；如果按反序换相通电，电机就反向转动。
（3）步进电机速度的控制，单片机给一个脉冲步进电机转一步，再给一个脉冲信号，步进电机就再转一步。
两个脉冲信号的时间间隔越短，转的就越快。
通过调整单片机发出的脉冲频率，来控制步进电机的转速。
采用用步进电机为二相四线制，因为步进电机的驱动电压为5V以上，而430单片机工作电压为3.3V且驱动能力有限，所以一定要有驱动芯片来驱动电机运转。
所以采用驱动芯片为L298。
另外，如果为了节约单片机I/O口的使用也可以在单片机与驱动芯片之间添加步进电机控制芯片，使用串口完成对步进电机的控制。
L298驱动芯片
L298N内部含有4个逻辑驱动电路。
是一种二相或四相电机的专用芯片，内部含有二个H桥的大电流高电压双全桥式驱动电路，接收标准的TTL电路逻辑电平信号，可以驱动2A、46V以下的所有电机。
其实物及引脚图如下所示：
管脚图
TLP521-4
TLP521是一种可以控制的光电藕合芯片。
光电耦芯片广泛作用在电脑终端机，测量仪器，影印机等和家用电器，如电风扇，加热器等，是电路之间的信号传输，使之前端与负载隔开目的在于增加电路的安全性，减小电路干扰，减化电路设计。
光藕是砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。
TLP521－4提供了4个孤立的光耦。
采用16引脚塑料DIP封装。
其实物及引脚图如下所示
光藕内部结构图及引脚图
特性
1.集电极-发射极电压：
55Ｖ（最小值），
2. 经常转移的比例：
50％（最小）
3.隔离电压：
2500Vrms（最小）
电机驱动模块连接图
P2为单片机控制步进电机的输入端，光藕的的作用就是减小电路对单片机IO口的影响保护芯片的安全。
L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上图中5V为逻辑电源，12V为动力电源。
P3分别与步进电机的四根线相连。
由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。
液晶显示模块
采用有中文字库的12864作为显示，12864具有串行与并行两种连接方式。
分辨率为128×64。
内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；内置8192个汉字，和128个ASCII字符集。
用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
其实实物图
基本特性:
液晶12864是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。
可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：
8位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能：
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
3.5.212864引脚功能
引脚号
引脚名称
电平
引脚功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
3.0~+5V
电源正
3
V0
-
对比度（亮度）调整
4
RS（CS）
H/L
RS=“H”,表示DB7——DB0为显示数据
RS=“L”,表示DB7——DB0为显示指令数据
5
R/W（SID）
H/L
R/W=“H”,E=“H”,数据被读到DB7——DB0
R/W=“L”,E=“H→L”,DB7——DB0的数据被写到IR或DR
6
E（SCLK）
H/L
使能信号
7
DB0
H/L
三态数据线
8
DB1
H/L
三态数据线
9
DB2
H/L
三态数据线
10
DB3
H/L
三态数据线
11
DB4
H/L
三态数据线
12
DB5
H/L
三态数据线
13
DB6
H/L
三态数据线
14
DB7
H/L
三态数据线
15
PSB
H/L
H：
8位或4位并口方式，L：
串口方式
16
NC
-
空脚
17
/RESET
H/L
复位端，低电平有效
18
VOUT
-
LCD驱动电压输出端
19
A
VDD
背光源正端（+5V）
20
K
VSS
背光源负端
接线图
1.连接方式:
采用串行接法虽然串行速度相对较慢，但节省I/O口。
2.12864一共20个管脚我们采用串行接方式共用到8个管脚：
1号引脚.VSS模块的电源地
2号引脚.VDD模块的电源正极
3号引脚.VOLCD驱动电源输入端
4号引脚.RS（CS）串行的片选信号
5号引脚.R/W（SID）串行的数据口
6号引脚.E（CLK）串行的同步时钟
19号引脚.背光电源的正极
20号引脚.背光电源的负极
按键模块
单片机键盘有两种一种是全编码键盘，其键码全由硬件提供，但是这种方式硬件结构复杂，成本高；另一种是非编码键盘，这种键盘包括独立按键和矩阵键盘两种，利用软件识别键码及完成各种键功能处理。
单片机系统中多采用非编码键盘。
非编码键盘有可分为两种一种是独立键盘另一种是矩阵键盘。
独立键盘
每个按键占用一个IO口，使用与按键较少的场合。
矩阵键盘电路连接复杂，提高的IO口的利用率，软件编程较复杂，适用于按键较多的场合。
此设计才用独立按键。
电路如图所示：
一共由有五个独立按键和一个自锁开关组成。
K6键为选择键开关没按下时为灯的自动调光。
当K6按下为人工调光。
人们可以根据自己的需要来调节灯的亮度。
按一下K1灯逐渐变亮，按下K2灯就会逐渐变暗。
K4为功能键他用于在校准灯上的万年历和时钟。
K2为加每按一次对应的数字就会加一，K3为减按一次对应的数字就减一。
K3，K4，K5的配合达到对灯上万年历的校准。
光检测模块
光敏电阻又称光导管，他几乎都是用半导体材料制成的光电器件，其常用的制作材料为硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）等材料。
光敏电阻的原理
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时即可加直流电压，也可加交流电压。
无光照时，光敏电阻阻值很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减小，电路中电流迅速增大。
在黑暗环境里，它的光电流很小所以电阻值很大，当光敏电阻受到光照时，只要光量子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
进射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值[1]。
基本特性主要参数
1.暗电阻与暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。
2.亮电阻与亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。
3.光电流亮电流与暗电流之差称为光电流
伏安特性
在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为伏安特性。
光电特性
光敏电阻的光照特性是描述光电流和光照强度的关系。
不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。
因此不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。
光谱特性
对于不同波长的进射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。
频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照忽然消失时，光电流也不立即为零。
这说明光敏电阻有时延特性。
由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。
下图给出相对灵敏度Kr，与光强变化频率f之间的关系曲线，可以看出硫化铊的使用频率比硫化铊低的多。
大多数的光敏电阻具有不同的时间常数，因而它们的频率特性也就各不相同。
温度特性
光敏电阻与其他半导体器件一样，受温度影响非常较大，随着温度的升高，暗电阻也会随着下降。
温度对光谱特性的很大影响。
下图是硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。
从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波向波长短的方向移动。
因此，硫化铅光敏电阻要在低温，恒温的条件下使用。
对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。
1.光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）um的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
2.灵敏度高，反应速度快
光检测模块电路图
‘
光亮采集电路图
如图所示外界的光照强度的不同光敏电阻两端的电压就不一样，通过采集光敏电阻两端的电压信号来控制PWM方波的占空比来实现台灯的亮度让工作区域保持一个相对稳定的亮度。
报警模块
报警采用蜂鸣器作为报警器。
蜂鸣器是结构简单的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于电脑、打印机、报警器、小孩玩具、汽车电子设备、电话机等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器
由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流。
电路如图所示：
蜂鸣器驱动电路图
光电模块的电路
台灯每次上电要有一个初始位置，以这个位置为参考才能准确判断灯的转动角度。
我们采用STC188光电式传感器来采集灯头初始时的方位。
通过STC188光电式传感器来采集的信号通过单片机的控制让灯的起始位置为正前方。
STC188光电式传感器
由高灵敏度光电晶体管和高发射功率红外发光二极管组成，采用不接触式的检测方式。
检测距离整范围大在4~13mm可用。
A-K为红外发射管，C-E为红外接收管。
广泛应用于IC卡电度表脉冲信号的采样。
集中抄表系统数据的采集。
还有循迹小车等。
ST188的极限参数（Ta=25℃）
3.光电特性。
光电模块电路如图所示
检测电路图
根据光电特性，选取发射管的静态电流为20mA。
典型的压降为1.25v,如果供电电压为5V，那么，此时在发射管上需要串联电阻，电阻大小为R=（5-1.25）/0.02;即：
R=187.5欧姆。
取标称电阻，R=200,那么此时的电流小于20mA，但是不影响结果。
C_E端的电阻比较灵活，他是用来输出高低电平的，在此我们接一个2K的电阻，调整阈值电压用的。
4.原理说明：
当没有物体反射红外线时，ce之间截止，无电流流过，输出电压为电源电压，高电平。
当有物体反射红外线时，be饱和导通ce也就导通了，输出端就相当于接地。
输出电压为低电平。
人体红外感应模块
采用HC--SR501人体感应传感器作为对人所在方位的检测。
HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制。
HC-SR501人体感应模块
电气参数
功能特点:
1、自动感应:
人进入其感应范围内则输出高电平，人离开其感应范围则自动延时一段时间后关闭高电平，输出低电平。
2、光敏控制可设置为光敏控制，白天或光线很强时不感应。
3、温度补偿（可调节）：
当外界环境的温度升高到30～32℃，探测距离会稍微变短，温度补偿可以作为一定的性能补偿。
4、两种触发方式：
a、不可重复触发方式:
即感应到人在其活动范围内则输出高电平后，延时时间结束后，输出电平将由高变低；
b、可重复触发方式：
即感应到人后输出高电平后，在其延时的时间段内，如果有人体在感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将输出电平由高变低。
5、具有封锁感应时间：
默认为2.5S。
感应模块在每一次感应输出后输出电平由高变低，可以紧跟着设置一个封锁时间段，在这段时间能感应器不仅受任何信号。
此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
（此时间可设置在零点几秒—几十秒钟）。
6、工作电压范围宽：
默认工作电压为直流4.5V-20V。
7、超低功耗:
静态电流<50微安，很适合干电池供电的自动控制产品。
8、输出高电平信号：
可方便与各类电路实现对接。
感应范围
74LS138译码器
74LS138芯片
74LS138是常用的一种二进制MSI译码器，它的引脚图，逻辑符号以及真值表如图所示。
输出信号为低电平有效时，有三个使能输入，即G1，G2A,G2B,只有在三个使能端输入全部有效时，才能有正确的有效输出。
否则，译码器被禁止，所有的输出端全被封死在高电平上。
74LS138引脚图
真值表
有逻辑图写出输入，输出的关系：
上式可以看出,YO-Y7的输入信号A,B,C这三个变量的全部的最小项的译码输出。
这种译码器也称为最小项译码器。
感应模块电路图
如图P4，P5，P6，P7为人体感应模块为了防止相互间的干扰让他们与74LS138译码器相连。
因为有四个方位我们需四个输入口而38译码器只有三个输入口，所以我们采用两个38译码器级联的方式组成一个4-16的译码器。
输出我们只用了Y1，Y2，Y4，Y8四个口输出口。
我们的目的是只有一个方向的输入信号时我们执行相应的动作，在有两个以上的输入信号也就是两个或多个方向都有人时我们让灯不执行任何动作。
如前方有人时输入信号为1000，此时38译码器的Y8输出低电平。
将这个信号给单片机，然后单片机控制步进电机让灯转到正前方。
当人在灯的后面是P5感应到信号输出高电平，P4，P6，P7没有感应信号输出为低电平，此时38译码器的输入信号为0100，译码器的Y4口输出低电平，其余输出口都为高电平，将信号传给单片机，然后单片机先判断灯此时的方向再控制步进电机让步进电机转相应的角度，让灯转到正后方。
当只有灯的左侧有人时P6有感应信号，P4，P5，P7没有感应信号，38译码器的输入信号为0010译码后Y2口输出点电平，其他口都为高电平，单片机接到信号先判断灯头此时的位置让后转一定的角度。
让灯转到左方。
照亮灯的左侧。
同理灯的有边有人活动时，灯将转到右方。
当P4，P5,P6,P7有任意两个或两个以上同事检测到信号，但通过译码器后单片机不会检测到任何信号，所以也不会执行任何动作。
LED发光模块
从节能环保出发采用大功率LED作为电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有体积小、安全、低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性[2]。
大功率LED
大功率LED
大功率LED灯是指拥有很大工作电流的发光二极管。
一般的LED灯功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED的功率可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以为几十毫安到几百毫安不等。
特点：
1.使用寿命：
大功率LED灯的使用寿命高达50,000小时以上；
2.节能：
耗电上只有高压钠灯的20%；
3.绿色环保：
大功率LED灯中不含汞、铅等污染元素，对环境不会有任何污染；
4.安全：
耐冲击，抗震力强，led发的光的波长都770~390纳米之间，无紫外线和红外线辐射。
没有玻璃外壳和灯丝，所以就没有传统灯管碎裂的问题，对人体没有伤害；
5.无高压，不吸灰尘。
不像普通灯那样因高压吸收空气中的灰尘导致灯罩发黑引起的亮度降低的问题；
6.无高温，灯罩不会老化变黄。
消除了因高温烘烤使灯罩老化发黄而引起的亮度降低和寿命的缩短；
8.无频闪，直流电压下工作，消除了灯频闪而引起的视觉疲劳；
工作原理
发光二极管（LED）是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学等系统组成。
LED的基本工作原理是一个电能转化为光能的过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷向N区移动，N区的电子同时也向P区扩散，此时在N区域和P区域形成非平衡电荷的积累。
因为电流的流入让少数载流子很活跃，对于PN结系统，导带中的电子要与注入到价带中的非平衡空穴复合，多余的能量将以光能的形式辐射出来，空穴和电子的能量差越大，产生的光子能量就越高。
能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就会不同。
IRF540N沟道MOS管
为了能驱动七个大功率LED灯我们选择场效应管做电源转换器。
场效应管不仅兼有导体三极管体积小，耗电省，寿命长等特点，而且具有输入电阻高通常在（10MΩ），噪声低，热稳定性好及抗辐射能力强。
导通电流强的特点。
因此在近代微电子学中得到了广泛的应用。
IRF540N的实物图
1.特性
1）低的导通内阻
2）快速开关
3）低热敏电阻
IRF540N为N沟道的场效应管，广泛性用与DC到DC转换器开关电源和电视及电脑的显示器电源。
他做电源导通电流大内阻非常小。
LED模块电路图
使用场效应管放大电压以使7个LED点亮。
5V以下时场效应管无法工作，使用光藕将5v电压升至12V。
让场效应管导通进而驱动七个LED灯。
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