多功能调光台灯详解.docx

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多功能调光台灯详解

吉林大学

电子设计大赛

豪华版调光台灯

申报者信息：

队员1：

队员2：

队员3：

第一章引言

引言：

LED是利用电子移动来发光，直接把电能转换成光能。

因此，LED

的耗电量仅为传统灯泡的1/10，使用寿命却100倍于传统灯泡。

本设

计应“环保、节能”的主题，切合了当代学生的需求，采用低功耗单片机mega16做系统的控制，LED可根据外界光强自动调光，也可根据人体感应自动关闭或打开，同时可旋钮控制。

旋钮是用电位器做成旋转就可以调节光的亮度。

LED的亮度是通过单片机输出不同的PWM波控制开关电源的输出电压，使LED两端电压改变来完成的。

PWM占空比不一样，则电压的平均值不一样。

同时考虑到实用性，我们又在系统中加入了ds1302时钟模块,使之具有了走时，设定闹钟的功能。

第二章方案选择

1、以高亮度LED为光源，以mega16单片机为主控芯片；

2、系统分为控制模块，时钟模块，1602显示模块，感光模块，人体感应模块，各模块分别实现各自功能。

3、时钟模块上有五个按键，按键1，2，3，4，5，分别实现时钟模块的调时，定时闹钟功能。

4、主机也含有转换开关，通过拨动开关可以切换感应模式和调光模式。

1.主控IC芯片的选择

方案一：

采用51系列芯片。

市场上流通很多种类的单片机，在性能上一般都可以达到要求，例如stc89C51、AT89C52等都可以用于控制感光灯，它们的缺点在于没有内置的AD转换，同时在控制速度方面也不是很理想，总体性价比较低。

方案二：

采用AVR系列芯片。

AVR单片机比51系列有更快的指令执行速度；程序存储器与数据存储器有分开的总线；内置上电复位电路和看门狗电路，在提高产品可靠性的同时降低了电路的成本；并且mega16内含AD转换减少了外围电路的复杂程度，节省了空间。

并且通过定时器设置可直接输出PWM波。

因此本此设计采用ATmega16作为主控制芯片

2、LED亮度控制方案

LED的亮度和流过LED的电流成正比，改变LED的电流大小来改

变LED的亮度。

方案一：

该方案是通过改变和LED串联的电阻的阻值来改变流过

LED的电流。

电源提供恒压给串联的LED和可调电阻，当改变电阻值

时，电流变化导致亮度的变化。

可调电阻采用DAC，可程控改变阻值。

方案二：

该方案是通过改变LED两端的电压来改变LED的电流。

将恒压做成可变的电压，当输入电压改变，则流过LED的电流也变化。

方案论述：

方案一提供的恒压，LED亮度不高时，大部分能量消

耗在电阻上。

方案二，输入的电压和LED的亮度成正比，通过优化电

源，可以达到耗能小。

综上所述，采用方案二。

第三章总体设计

图1

第四章单元电路设计

1.主控芯片的选择——Atmega16的特点

• 高性能，低功耗的AVR8位单片机

•先进的RISC架构

–131条强大的指令——大多都可单周期执行

–32x8通用工作寄存器

–全静态操作

–16MHz下高达16MIPS的吞吐量

–片上2周期乘法器

•强耐力费易失存储单元

–16KB在系统自我编程的flash程序存储

–512B的EEPROM

–1KB的内部SRAM

–写/擦寿命：

10,000次Flash/100,000次EEPROM

–数据保持:

85℃下20年/25℃下100年

–带有独立锁位的可选启动代码单元

•使用片上启动程序实现在系统编程

•真正的同时读写操作

–为软件安全设计的可编程锁位

•JTAG（兼容IEEE1149.1）接口

–依据JTAG标准的边界扫描兼容性

–扩展的片上调试支持

–通过JTAG接口进行Flash,EEPROM,熔丝位和锁位的编程

•外设特点

–两个带有分离与预定标器和比较模式的8位定时/计数器

–一个带有分离预定标器、比较模式和捕捉模块的16位定时/计数器

–带有分离晶振的实时计数器

–四个PWM通道

–10位8通道ADC

-8个单端通道

-7的差分通道（仅限于TQFP封装）

-2个带可编程增益（1x,10x,200x）的差分通道

–基于字节的双线串口接口

–可编程串行USART

–主/从SPI串行接口

–有独立片上振荡源的可编程看门狗定时器

–片上模拟比较器

•特有的特性

–上电复位和可编程掉电检测

–内部已校准的RC振荡器

–内部和外部中断源

–六个睡眠模式：

空闲，ADC噪声衰减，节能，关机，待命和扩展待命

•I/O和封装

–32个可编程I/O口

–40-pinPDIP,44-leadTQFP和44-padQFN/MLF

•运行电压

–2.7-5.5V

•速度等级

–0-16MHz

•能耗（在1MHz,3V,25℃下）

–正常工作模式:

0.6mA

–空闲模式:

0.2mA

–断点模式:

<1μA

总体来看，ATmega16是一款性价比很高的单片机，能够胜任很广领域的控制需求。

控制模块电路图如下

图2

2.ds1302时钟模块

图3

 各引脚的功能

Vcc1：

主电源；Vcc2：

备份电源。

当Vcc2>Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2< Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。

 SCLK：

串行时钟，输入；I/O：

三线接口时的双向数据线；CE：

输入信号，在读、写数据期间，必须为高。

该引脚有两个功能：

第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。

其主要性能如下

实时时钟具有能计算2100年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年调整的能力

318位暂存数据存储RAM

串行I/O口方式使得管脚数量最少

宽范围工作电压2.05.5V

工作电流2.0V时,小于300nA

读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式

8脚DIP封装或可选的8脚SOIC封装根据表面装配

简单3线接口

与TTL兼容Vcc=5V

可选工业级温度范围-40+85

与DS1202兼容

在DS1202基础上增加的特性

对Vcc1有可选的涓流充电能力

双电源管用于主电源和备份电源供应

备份电源管脚可由电池或大容量电容输入

附加的7字节暂存存储器

寄存器如下

图4

电路图如下

图5

3.感应模块

开关选择通过人体感应模块选择感应人体还是通过霍尔开关感应灯头是否张开

1）人体感应模块

人体感应模块与感光模块我们采用的是现成的模块使用，过程中我们学习了这些模块的使用方法······

1.全自动感应：

当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平。

输出低电平。

2.光敏控制（可选）：

模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。

光敏控制为可选功能,出厂时未安装光敏电阻。

3.两种触发方式：

L不可重复，H可重复。

可跳线选择，默认为H。

   A.不可重复触发方式：

即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。

   B.可重复触发方式：

即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。

4.具有感应封锁时间（默认设置：

0.2秒）：

感应模块在每一次感应输出后（高电平变为低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。

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。

5.工作电压范围宽：

默认工作电压DC5V至20V

6.微功耗：

静态电流65微安，特别适合干电池供电的电器产品。

7.输出高电平信号：

可方便与各类电路实现对接。

其电路图如下

图6

2）霍尔开关

我们选择了霍尔开关作为感应灯头开合的传感器，灯头打开，磁铁离开霍尔开关，霍尔开关输出高电平；灯头闭合，磁铁靠近霍尔开关，霍尔开关输出低电平；这种模式正与人体感应模块相契合，所以程序上无需做改动，硬件上也十分简单。

使用十分方便。

4.控光模块

开关选择通过光敏模块模块自动控光还是通过电位器人为控光，控光模块或电位器输出的电压输入到单片机上，通过AD转换决定PWM波的占空比

1）光敏模块

（1）原理图如下

图7

（2）模块功能

1可以检测周围环境的亮度和光强

2灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节）

4工作电压3.3V-5V

5输出形式a模拟量电压输出

          b数字开关量输出（0和1）

6设有固定螺栓孔，方便安装

7小板PCB尺寸：

3cm*1.6cm

8电源指示灯（红色）和数字开关量输出指示灯（绿色）

9比较器采用LM393芯片，工作稳定

（3） 小板接口说明（4线制）

1VCC 外接3.3V-5V

2GND 外接GND

3DO  小板数字量输出接口（0和1）

4AO  小板模拟量输出接口

2）电位器

电位器输出端通过开关接到单片机的PA0口，通过调节电位器来改变输入到单片机的电压，电位器两端接电容用来滤波，以防灯闪。

电路图如下

图8

5.测温模块

测温模块我们采用了ds18b20体积小，使用方便

其特性如下

1.1、适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电 

1.2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 

1.3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温 1.4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内 

1.5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃ 

1.6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温 

1.7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快 

1.8、测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 

1.9、负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

 2、DS18B20的外形和内部结构  

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

DS18B20的外形及管脚排列如下图1:

 DS18B20引脚定义：

（1）DQ为数字信号输入/输出端； 

（2）GND为电源地； 

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

电路图如下

图9

6.显示模块

需要显示时间、温度，需要显示内容不是很多且没有汉字，1602价格优廉，使用方便，完全可以实现上述功能

电路图如下

图10

7.电源模块

此处电源采用的是废旧矿灯拆卸下来的锂电池，容量大，供电持久，适合作为台灯电源。

管理模块采用的是移动电源的电源管理模块，优点如下：

1，智能管理移动电源电路，单片机控制整个电路工作。

操作十分简单。

             2，充放电电流大