多功能智能台灯照明系统设计

汪晖

（荆州理工职业学院，湖北 荆州 434000）

0 引言

随着当今社会科技水平的提高，人们可以在周围的生活和环境中发现很多功能很强大，并且不需要人们操作或者仅仅需要人们简单的操作就能正常运行的科技产品。这些产品将人们的双手解放出来，让人们空出更多的时间去做别的事，让人们更好的享受生活，也使人们的生活越来越简单。现在的电器正飞速发展，功能越来越多，但是越来越智能了，人们用起来也越来越方便了，智能产品也深入了人们的生活。同样，当在夜晚抬头看看周围的时候，人们的城市在晚上的灯光的照映下也变得灯火辉煌。从以前的电灯，白炽灯等到现在随处可见的LED灯，人们的照明方式也发生了巨大的变化，而且现在的年轻人喜欢在夜晚工作，很难想象没有灯，人们的晚上的生活会变得如何糟糕。目前在人们的生活中，智能照明也随处可见，声控开关灯，路灯，电灯，台灯等等都与人们的生活息息相关。虽然现在的台灯种类很多，但是功能却很单一，只能提供照明而且灯的亮度可调节的范围很窄。而且随着科技的广泛应用，台灯也应该变得智能化，传统的台灯也应该更新换代，尤其是年轻人和学生更倾向于一款操作简单方便，功能强大的智能台灯。此外，我国还是使用煤炭最多的国家，目前的发电依然靠的是燃烧煤炭等能源，但是使用火力来发电需要用到大量的煤炭等能源，最终对大气造成污染，可以说，每节省一度电，就是对环境做了好处，因此，设计这款智能台灯也就对人们的生活，对环境，对节省资源做了很大的贡献。

1 设计的要求与方案

1.1 调光的选择

现在LED调光方式主要分为如下：模拟调光、PWM调光，调光方式所采用的方法差异很大，因此各自也各有优点和缺点。

随着科技的进步，中国的灯具行业也不断的创新，人们对灯光也提出了各式各样五花八门的需求，从以前的只要有灯光，到弱光、中光、强光，到现在甚至要求灯光的亮度调控范围能在0到100之间自己调节。模拟调光的方式并不复杂。在几种调光的方式中，它几乎可以说是非常简单的。它是经过对驱动的输出的改变从而来调节光的强度，但是在对驱动输出的改变中，发现会出现光的色差的改变，这和设计实验的亮度的调节方法相悖。PWM调光则可以满足使用者的各种各样的色彩需求。此外LED的单色光的主波长会随着光强的改动而变换，特别是在只运用一个以上光源的时候，LED就会产生人眼可见的变化，然而，运用PWM调光尽管光的强度没那么强，但是所需要的颜色却能得到保障，因而也能最大程度上的满足人们的需求。并且，LED驱动需求串联一个电阻来分别电流，但是驱动会发生延迟偏差，因而，它最终输出的电流也没法控制，也就得不到所需要的光。

脉宽调制是经过微处理器的数字输出来控制模拟电路的一种控制形式，操纵脉宽调制来调光，他的实质就是周期性的开启和封闭LED来改动正向电流的导通时间，同样，人的眼睛对光的亮度的感知是一个慢慢累积的过程，意思是在一整个周期内，这段时间内的暗的时间越长，会感觉越暗，亮的时间越长，会感觉等的强度越亮，通过采纳脉冲宽度调制调光的方法，可以很容易的实现通过脉宽调制实现灯光的改变，而且这种方法的消耗很少，操作起来也很简单。

但是通过脉宽调制来调光，它的开关的工作的频率应该不应该小于100HZ，假定频率小于100HZ的话，会给人一种闪灼的感觉。PWM调光的方法本质就是通过改变LED驱动电流的脉冲占空比来控制LED的光的强度，在脉冲宽度调光的模式下，脉宽调制的占空比越高，高电平脉冲也就越多，LED灯光的亮度也就会越强，因此使用脉冲宽度调制调光的方法调光的范围会很大，并且当处在这个范围时，能够得到所需要的灯的颜色。从节能角度看，线性调光是通过改变了LED灯的电流来进行调光的，所以在LED灯不在额定功率状态时，光的颜色也会发生改变，但是通过脉冲宽度调制的方法来调制光则没有这种状况。最终，选择了效率高，范围广，并且不会产生色差的脉冲宽度调制的方法来调制灯光。通过脉宽调制的方法来调制灯光的原理图如图1所示。

1.2 主要芯片的选择

众所周知，一个合适的单片机对一个方案的设计和制作是有巨大影响的，在大学里所学的知识大部分都和单片机有关。STC89C52单片机与51单片机的工作电压、最高的时钟频率、定时器、串口等都是一样的，但是STC89C52单片机的程序存储器为8K，STC89C51单片机仅为4K，STC89C52单片机的内存显然更大一点，而且STC89C52单片机内部比STC89C51单片机多了一个EEPROM空间，因此执行操作的时候也会更快了，而且还可以通过串口下载程序，执行指令，STC89C52单片机的价格也要低一点。

图1 PWM调光原理图Fig 1 PWM dimming principle diagram

2 硬件系统设计

2.1 整体电路系统

本方案选用了STC89C52单片机，通过采用脉宽调制技术来调节灯的灯光，选用了精度很高并且程序简单的DS1302时钟芯片，范围广、体积小、抗干扰能力抢的DS18B20温度检测芯片，控制简单成本低的1602显示液晶。通过将这些模块结合起来，设计了一款节约能源，并且对人眼健康的功能多且智能的台灯。

本方案通过脉宽调制技术来调节台灯的灯光，从弱到强，一共可以调节10次。LCD1602显示液晶屏则可以表明当前的温度，时间和当前的光的强度等；当台灯面前的工作者作业达到一段时间时，蜂鸣器能够发出声音来提醒工作者休息，此外用户也可以通过按键来调节时间，日期，和灯的亮度等。输入设备选用了精度很高并且程序简单的DS1302时钟芯片，范围广、体积小、抗干扰能力抢的DS18B20温度检测芯片，输出设备选用了控制简单成本低的1602显示液晶，将输入设备与输出设备结合起来，就组成了简单的系统结构框图，如图2所示。

图2 系统结构框图Fig 2 System block diagram

2.2 单片机的主控结构

本方案选用了STC89C52 单片机芯片，具体连接如下：

与液晶芯片LCD1602相连：

P0--上拉电阻

P0.0-D0 P0.1-D1 P0.2-D2 P0.3-D3 P0.4-D4

P0.5-D5 P0.6-D6 P0.7-D7 P2.6-EN（使能端）

P2.7-RS（数据/命令选择端）

P1.2-蜂鸣器控制

P1.1-温度芯片信号输入端

与按键系统相连：

P2.0-S2 P2.1-S3 P2.2-S4

P2.3-S5 P2.4-S6

P1.0（PWM信号输出）-DIM（PT4115） 脉冲宽度的调制调光

通过电容、晶振，设计了晶振电路来设定电路的周期，与单片机的XTAL1、XTAL2端口相连，通过电阻、电容、按键的结合，设定了复位电路，与单片机的RST端口相连。一个合适的单片机对一个方案的设计和制作是有巨大影响的，在大学里所学的知识大部分都和单片机有关。STC89C52单片机与51单片机的工作电压、最高的时钟频率、定时器、串口等都是一样的，但是STC89C52单片机的程序存储器为8K，STC89C51单片机仅为4K，STC89C52单片机的内存显然更大一点，而且STC89C52单片机内部比STC89C51单片机多了一个EEPROM空间，因此执行操作的时候也会更快了，而且还可以通过串口下载程序，执行指令，STC89C52单片机的价格也要低一点。

2.3 恒流驱动系统

本方案的恒流驱动系统人们多功能的PT4115芯片。PT4115芯片在电感越大，工作电流越低时，它的恒流效果越好，输出的电流越大，它所需求的电感值就越小，因而选择电感就会相对便利一些。此外输出电压越低时，效率就会越低，输出的电压越高时，它的效率就会越高。芯片内部有过温保护，可以用来保护LED，散热性能也是很好的。通过单片机来产生脉冲信号，LED的通断则通过输出的高地电平来判断。将频率设定为250HZ，即一个周期内可以产生10个脉冲信号，当高脉冲的个数为10个时，占空比为1，灯的亮度最高，当高脉冲的个数为5个时，占空比为五分之一，灯的亮度处于中间水平，同理灯光的亮度最低时，只有一个高脉冲信号，通过改变占空比来调节灯的亮度，一共有10层，层层叠加，灯光的强度越来越强。

2.4 时钟系统

本方案的时钟系统选择了DS1302芯片。这是一种时钟芯片，它的内部有专门的寄存器用来储存年、月、日、时、分、秒，此外它用的晶振也是另接的，精度比较高。当秒计时到上限的时候，分会主动加一，同样分计时达到上限的时候，时也会主动加一，最后，DS1302芯片的操作也没有那么复杂。

2.5 液晶显示系统

显示芯片选择了LCD1602液晶显示芯片。1602液晶显示芯片是一种工业字符型液晶，运用液晶的物理性质，通过电压来管制它的区域显示，从而显示出图形。LCD1602与单片机之间的衔接相对来说没有那么复杂，并且成本很低。

P0.0-DB0 P0.1-DB1 P0.2-DB2 P0.3-DB3 P0.4-DB4 P0.5-DB5 P0.6-DB6 P0.7-DB7 P2.5-E P2.7-RS RW-接地

E：液晶的使能端，RS：液晶的数据（命令）选择端VL：液晶显示对比度调节端

此时，VL与滑动变阻器相连，用来改变液晶的显示亮度。VL同样需要接地。

图3 液晶显示系统Fig 3 Liquid crystal display system

2.6 温度检测系统

温度芯片则为DS18B20温度传感器，温度传感器有很多种，如IIC、PT100等。然而，精度相对较高，价钱又相对较低的温度传感器却只有一种，就是DS18B20温度传感器，它连接起来也很简单，仅需要一条口线就能够实现与单片机之间的双向通信。

VCC-正电源，GND-负电源接地，DQ：信号输出口-P1.1。

单片机与温度传感器通信时，通过一个上拉电阻连接，这样单片机和温度芯片都能够识别高电平和低电平。各项数字的处理和显示是通过单片机的1.1端口与DQ端口连接，中间有一个电阻，由此人们可以看到液晶显示屏上的温度。如图4。

图4 温度检测系统Fig.4 Temperature detection system

2.7 蜂鸣系统

本方案的蜂鸣系统主要用来提示人们设定的闹钟的报警的声音。同时，当人们使用按键来进行各项操作时，蜂鸣系统也会发出声音来提醒人们在进行有效的操作。P1.2-PNP三极管，单片机可以管制三极管的导通或者断开，因而，能够通过这些完成对蜂鸣器的控制，同时人们也设置了一个延迟来控制报警声音的长短。当发出长音时，人们会意识到制定的闹钟的时间到了。当发出短音时，意味着人们正在进行各项设置操作。

2.8 按键系统

本方案的按键控制系统一共有5个按键。

S2-设置时间

S3-增大

S4减小

S5-设置闹钟

S6-调节灯光

当人们按下S6时，人们进入台灯的亮度调节系统，按下S3台灯的亮度会增加，按下S4时台灯的亮度会减小，由于最多产生10个高脉冲，所以可以调节的台灯的范围最多可调节10次。同理当人们按下S2或S5时，人们同样进入时钟系统或闹钟的调节，S3用来增加,S4用来减小，通过这些按键的设置，人们可以很轻易的达到设置时间，闹钟，调节台灯亮度的目的。

3 结论

本方案选取了STC89C52单片机作为控制器，根据控制的要求，选用脉宽调制技术来调节台灯的亮度，输入设备选用了精度很高并且程序简单的DS1302时钟芯片，范围广、体积小、抗干扰能力抢的DS18B20温度检测芯片，输出设备选用了控制简单成本低的1602显示液晶。通过将这些模块结合起来，本文设计了一款节约能源，并且对人眼健康的多功能智能台灯。