基于PWM調光的多功能LED臺燈設計方案

0引言

隨著全球能源危機和氣候變暖問題的日益嚴重，綠色節(jié)能已經(jīng)成為全球普遍關注的話題，人們正通過各種途徑尋找新的節(jié)能方式。照明是人類消耗能源的重要方面，在電能消耗中，發(fā)達國家照明用電占發(fā)電總量的比例是19%,我國也達到12%.隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高，因此綠色節(jié)能照明的研究越來越受到重視。LED作為一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、高強度放電燈（如高壓鈉燈和金鹵燈）之后的第四代新光源?；?strong>白光LED的固態(tài)照明，是一種典型的綠色照明方式，與傳統(tǒng)光源相比，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小、安全可靠等特點，代表著照明技術的未來，并符合當前政府提出的"建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會"的要求。可以預見不久的將來，LED必然會進入普通照明領域取代現(xiàn)有的照明光源。

目前，市場上采用白熾燈、鹵素燈、熒光燈為光源的臺燈普遍存在著低效率、高能耗、不易調光等缺點；至于壽命結束的含汞燈，一旦處理不當，將對環(huán)境造成嚴重危害；而且部分臺燈產(chǎn)品功能單一，缺少亮度調節(jié)、時鐘日歷、溫度顯示等功能，無法適應現(xiàn)代家庭生活的實際需求。為解決當前問題，本文設計了以AT89S51單片機為核心的多功能白光LED臺燈系統(tǒng)，采用PT4115大功率LED恒流驅動方案，可實現(xiàn)對LED臺燈的PWM調光控制；同時兼有時鐘日歷、聲光鬧鐘、溫度檢測、液晶顯示等多項功能。在實現(xiàn)高效節(jié)能的同時，為家庭使用提供了極大的便捷。

1系統(tǒng)硬件電路設計

該多功能LED臺燈系統(tǒng)采用20只5mm高亮白光LED燈珠為光源，以AT89S51單片機為主控芯片，由LED恒流驅動系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、蜂鳴系統(tǒng)、按鍵系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)可具體實現(xiàn)LED臺燈的10級PWM調光控制；液晶屏實時顯示時鐘、日歷與環(huán)境溫度信息；鬧鐘功能采用聲光報警方式，即一旦到達鬧鐘時間，LED臺燈自動點亮，并發(fā)出蜂鳴聲報警，以喚醒用戶；用戶可通過按鍵系統(tǒng)實現(xiàn)對時鐘日歷與鬧鐘參數(shù)的設置、LED亮度的調節(jié)以及鬧鐘報警的解除。

1.1單片機主控系統(tǒng)

本設計主控系統(tǒng)采用ATMEL公司的高性能AT89S51芯片實現(xiàn)，其P0口外接10K的上拉電阻，P0.0~P0.7同時作為DS12C887的數(shù)據(jù)接口與液晶1602的數(shù)據(jù)接口。P2.0~P2.3分別連接DS12C887芯片的片選端CS、地址選通輸入端AS、數(shù)據(jù)選擇端DS與讀/寫輸入端R/W,P3.2連接其鬧鐘中斷請求輸出端IRQ.P2.5~P2.7分別連接液晶1602的使能端EN、數(shù)據(jù)/命令選擇端RS、讀/寫選擇端RW.P2.4作為蜂鳴器控制端。P3.0作為DS18B20的信號輸入端。P3.1、P3.4、P3.5、P3.6與P3.7作為S2~S6按鍵系統(tǒng)。P1.1作為PWM信號的輸出端并連接PT4115芯片DIM端，用于PWM調光控制。系統(tǒng)晶振電路由12MHZ晶振與兩個30PF電容組成；復位電路則由S1按鍵、10K電阻與10uF電解電容構成。主控系統(tǒng)電路如圖2所示。

1.2恒流驅動系統(tǒng)

本設計LED光源采用相互并聯(lián)方式，共由20只5mm高亮度小功率LED燈珠組成；每只LED燈珠的壓降約3.1V,工作電流約20mA.由白光LED的正向伏安特性可知，當LED端電壓超過其正向導通電壓后，較小的電壓波動都會導致工作電流的的劇烈變化，從而影響LED的正常使用，固LED宜采用恒流驅動方式。因此，本設計LED采用高性能PT4115恒流芯片驅動，PT4115是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源芯片，能將直流電壓直接轉換成穩(wěn)定的恒流輸出；其采用6~30V寬電壓輸入，輸出電流可達1.2A,轉換效率高達97%,輸出電流精度達±5%.該芯片內部含有抖頻特性，極大的改善EMI,同時具有過溫、過壓、過流、LED開路保護等多種功能。該芯片適合用于綠色照明LED燈的驅動電路，具有應用電路非常簡潔的優(yōu)點。LED恒流驅動電路如圖3所示。

通過PT4115芯片上的DIM端，可以方便的進行模擬或PWM調光。由于模擬調光是直接改變流過LED電流的大小來實現(xiàn)亮度調節(jié)，除了亮度會改變以外，也會影響白光的質量，即不同電流下發(fā)出的白光存在色偏。因此，本設計采用PWM調光方案，PWM調光的基本原理是保持LED正向導通電流恒定，而通過控制電流導通和關斷的時間比例，即改變輸入脈沖信號的占空比，使LED產(chǎn)生亮暗變化；并利用人眼的視覺殘留效應，當LED亮暗變化頻率大于120Hz時，人眼就不會感覺到閃爍，而看到是LED的平均亮度。PWM調光的優(yōu)勢是LED正向導通的電流是恒定的，LED的色度就不會像模擬調光時產(chǎn)生變化。‖

PT4115恒流驅動輸出的電流值計算公式為：

IOUT=（0.1×D）/Rs（D為方波信號占空比，Rs為限流電阻。

本設計LED光源采用20只小功率白光LED燈珠并聯(lián)方式，且每只LED燈珠額定電流為20mA,則PT4115恒流驅動輸出最大電流IOUT應為400mA,因此Rs選取0.25Ω電阻。

L1為鎮(zhèn)流電感，選取68μH,用于穩(wěn)定通過LED的電流。D1是續(xù)流二極管，當芯片內部MOS管截止狀態(tài)時為儲存在電感L1中的電流提供放電回路；由于工作在高頻狀態(tài)，D1選用正向壓降小且恢復速度快的肖特基二極管SS24.

PWM脈沖信號則由單片機P1.1產(chǎn)生，其高低電平決定LED的通斷狀態(tài)。將定時器T0溢出中斷定為1/2500秒（即400μS），每10次脈沖作為一個周期，即頻率為250HZ.這樣，在每1/250秒的方波周期中，通過改變方波的輸出占空比，從而實現(xiàn)LED燈的10級亮度調節(jié)，即LED亮度等級由每個周期內的高電平脈沖數(shù)目決定。當高電平脈沖個數(shù)為1時，占空比為1/10,亮度最低，其調光原理如圖4所示；當高電平脈沖為10時，占空比為1,LED亮度最高。

1.3時鐘系統(tǒng)

時鐘系統(tǒng)采用高性能的DS12C887時鐘芯片，該芯片功能豐富，使用簡單，是一款高精度實時時鐘芯片；其可以自動產(chǎn)生世紀、年、月、日、時、分、秒等時間信息，具有閏年補償及鬧鐘（定時）功能，并且內部自帶有鋰電池，外部掉電時，仍可維持時鐘準確，其內部時間信息能夠保持10年之久；外部系統(tǒng)斷電后，用戶無需重新設定時間。

DS12C887時鐘芯片有兩種總線工作模式，即Motorola和Intel模式。本設計選用Intel模式，即將芯片第一引腳MOT接GND.同時，時鐘系統(tǒng)設置為24小時模式，寄存器存儲模式選為二進制格式。P0.0~P0.7連接其地址數(shù)據(jù)復用端口AD0~AD7.P2.0~P2.3分別連接芯片片選端CS、地址選通輸入端AS、讀/寫輸入端R/W與數(shù)據(jù)選擇端DS.

P3.2連接中斷請求輸出端IRQ,用于處理鬧鐘中斷。該時鐘接口電路如圖5所示。

1.4液晶顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)采用1602字符型液晶。該液晶可顯示兩行，每行顯示16個字符；且體積小、能耗低、操作簡單；適合于本設計所需數(shù)字、英文字母以及特殊符號的顯示要求。通過單片機控制1602液晶實現(xiàn)首行年、月、日、星期顯示，第二行時、分、秒以及環(huán)境溫度顯示。

本系統(tǒng)1602液晶采用并行操作方式，P0.0~P0.7通過借助10K的上拉電阻連接其數(shù)據(jù)端口DB0~DB7,P0口同時也連接著DS12C887的數(shù)據(jù)地址端口，由于各自片選信號不同，選中時操作對應芯片將不會造成操作沖突。P2.5~P2.6分別連接1602液晶的使能端E、讀/寫選擇端RW、數(shù)據(jù)/命令選擇端RS.第3引腳為液晶顯示對比度調節(jié)端，通過10K滑動變阻器接地，用于調節(jié)液晶的顯示亮度。第15管腳背光源正極BLA通過10歐電阻接地，第16管腳背光源負極BLK接地。該液晶接口電路如圖6所示。

1.5溫度檢測系統(tǒng)

溫度檢測系統(tǒng)選用DALLAS公司"一線總線"接口的數(shù)字溫度傳感器DS18B20,該傳感器具有微型化、低功耗、高性能等優(yōu)點，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號處理，測溫范圍為-55~125℃，最高分辨率可達0.0625℃。DS18B20共有三個引腳電源正VCC、電源負GND和信號輸入輸出口DQ.R3為4.7K的上拉電阻，用于保證單片機與DS18B20通訊時高低電平準確的被單片機機和DS18B20識別。單片機P3.0口通過R3連接DQ端口實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集處理，并通過液晶屏實時顯示。溫度檢測電路如圖7所示。

1.6蜂鳴系統(tǒng)

蜂鳴系統(tǒng)用于產(chǎn)生鬧鐘報警聲以及按鍵提示音。由單片機P2.4口控制PNP三極管9012的通斷實現(xiàn)對蜂鳴器聲音控制；通過延遲函數(shù)實現(xiàn)蜂鳴報警聲的長短音控制，長音''滴''用于鬧鐘鈴聲，短音''滴''用于按鍵提示音。蜂鳴系統(tǒng)電路如圖8所示。

1.7按鍵系統(tǒng)

按鍵控制系統(tǒng)由S2~S5五個按鍵組成，分別為S2時間設置鍵、S3數(shù)值增大鍵、S4數(shù)值減小鍵、S5鬧鐘設置鍵以及S6亮度調節(jié)鍵。S2用于選擇需要調整的時間日歷以及鬧鐘參數(shù)，并作為時間日歷參數(shù)的存儲確認鍵。S3與S4用于調整被選參數(shù)值的大小。S5用于鬧鐘查看與存儲確認鍵。S6用于LED燈光10級亮度的調節(jié)鍵。按鍵系統(tǒng)電路如圖9所示。

1.8電源系統(tǒng)

本系統(tǒng)設計最大功率約1.6W,可采用電池或穩(wěn)壓電源多種方式供電。由于系統(tǒng)光源采用20只LED燈珠并聯(lián)組成，所以LED恒流驅動芯片PT4115供電電源在6~30V電壓范圍內均可使LED燈正常使用。但單片機供電系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓芯片7805,該線性穩(wěn)壓芯片正常工作輸入電壓與輸出電壓差值應至少高于2V,若差值過大會增加額外功耗。因此，本系統(tǒng)宜選用2節(jié)4.2V鋰電池或9V的穩(wěn)壓電源方式供電。同時，本文LED恒流驅動系統(tǒng)設計簡潔靈活，可根據(jù)用戶需求適當調整驅動電路參數(shù)，即可擴展LED照明功率，最大可至10W左右。

2系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)控制程序主要包含系統(tǒng)初始化程序、實時時鐘芯片處理程序、溫度傳感器芯片處理程序、液晶顯示程序、鍵盤檢測與處理程序、鬧鐘中斷以及定時器產(chǎn)生PWM程序構成。

2.1系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化程序（包括I/O口初始化、DS12C887時鐘芯片初始化、液晶1602的初始化、外部中斷0與定時器T0設置）、按鍵檢測和處理程序、時鐘數(shù)據(jù)的讀取與處理程序、溫度數(shù)據(jù)的讀取與處理程序、液晶顯示程序、鬧鐘報警的判斷和處理程序、PWM調光處理程序等。程序中設置鬧鐘標志位Flag_ri,一旦鬧鐘時間到達，時鐘芯片IRQ引腳觸發(fā)外部中斷0,進入中斷程序則置Flag_ri=1,用于主程序中鬧鐘報警的判斷與處理。

系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。

2.2按鍵檢測和處理程序

按鍵控制系統(tǒng)由S2~S6五個按鍵組成，分別為S2時間設置鍵、S3數(shù)值增大鍵、S4數(shù)值減小鍵、S5鬧鐘設置鍵以及S6亮度調節(jié)鍵。S2用于選擇需要調整的時鐘以及鬧鐘參數(shù)，根據(jù)S2按下次數(shù)，依次選擇秒、分、時、星期、日、月、年，液晶屏上被選參數(shù)下方以光標閃爍狀態(tài)提示，再通過按下S3或S4調整被選參數(shù)值的大小，S2按下累積8次時，則退出選擇功能并保存當前數(shù)據(jù)至時鐘芯片。S5用于鬧鐘時間的查看與設置；首次按下S5,1602液晶屏第二行顯示已設置的鬧鐘時間；可通過S2、S3與S4重新設置鬧鐘時間；再次按下，則退出鬧鐘查看功能并保存當前設置的鬧鐘參數(shù)至時鐘芯片。同時，S3與S4還可獨立作為鬧鐘產(chǎn)生時的取消鍵與LED燈光的關閉鍵。S6實現(xiàn)LED燈光亮度的10級調節(jié)，每按一次，LED亮度增大一級；當達到亮度最大時，再次按下則關閉LED燈光。每次有按鍵按下，蜂鳴器都以短''滴''聲提示。按鍵檢測與處理流程圖如圖11所示。

2.3鬧鐘中斷程序

系統(tǒng)到達設置的鬧鐘時間，DS12C887時鐘芯片IRQ引腳輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，作為單片機P3.2口INT0中斷的申請輸入，并可通過讀取DS12C887芯片的C寄存器來清除IRQ引腳輸出。因此，將外部中斷INT0設置為負跳變沿觸發(fā)中斷，并設置鬧鐘標志位Flag_ri,鬧鐘時刻到達時設置Flag_ri=1,用于主程序中的鬧鐘報警處理。鬧鐘中斷程序如圖12所示。

2.4定時器中斷程序

為產(chǎn)生調節(jié)LED燈光亮度的PWM信號，定時器T0設置為工作方式0,即13位計數(shù)器定時，最多裝載數(shù)值為213=8192個。因為系統(tǒng)晶振采用12MHz,賦值使TH0=（8192-400）/32與TL0=（8192-400）%32,即可實現(xiàn)400μS的定時中斷。10次中斷（即4mS）作為一個周期，通過調節(jié)每個周期內單片機P1.1（該控制口名稱定義為LED_PWM）輸出的占空比來產(chǎn)生PWM脈沖信號，以控制PT4115恒流驅動芯片實現(xiàn)LED燈的10級亮度調節(jié)。

程序設置對T0中斷次數(shù)（即定義為T0_num）進行計數(shù)，以便判斷一個周期到否；同時判斷比較高電平脈沖個數(shù)（即定義為scale值，由調光鍵S6按下次數(shù)設置）用于實現(xiàn)不同亮度等級的調節(jié)。在定時器T0中斷服務程序中，首先T0重新裝入定時為400μS的初值；定時器中斷次數(shù)T0_num加1,判斷一個方波周期到否，若到達，令T0_num歸零，并將P1.1口輸出電平置高（即LED_PWM=1）；如果一個方波周期還沒到，則與亮度等級scale值作比較，判斷高電平脈沖個數(shù)scale到否，若到達，令P1.1口輸出電平置低（即LED_PWM=0），否則繼續(xù)保持P1.1口輸出高電平（即LED_PWM=1）；而后中斷返回，等待下一次定時中斷。

這樣，P1.1口就產(chǎn)生了所需的PWM調光信號。定時器生成PWM流程圖如圖13所示。

3實驗結果

根據(jù)以上設計方案，本文制作了該款基于PWM調光的多功能LED臺燈。經(jīng)調試后系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，基本可以滿足家庭生活的使用要求。系統(tǒng)工作時，最低功率（即LED熄滅狀態(tài)）為0.28W;最大功率（即LED最高亮度狀態(tài)）約為1.52W;同時，液晶顯示時間、日歷與溫度數(shù)據(jù)準確，鬧鐘功能穩(wěn)定。實物照片如圖14所示。

4結論

本文多功能LED臺燈系統(tǒng)采用AT89S51單片機為控制核心，運用恒流驅動方案與PWM調光技術實現(xiàn)LED臺燈的多級調光控制，并兼有時間日歷、溫度檢測、液晶顯示以及聲光鬧鐘等功能。該系統(tǒng)具有控制電路簡單、亮度調節(jié)精確、功能豐富、實用便捷等優(yōu)點，適合于現(xiàn)代家庭的實際需要?？梢灶A見，隨著LED照明技術的不斷發(fā)展完善，節(jié)能高效的LED將在家用照明領域發(fā)揮著日益重要的作用。