DIY創(chuàng)意家庭：實(shí)現(xiàn)LED臺(tái)燈的智能化，提供軟硬件解決方案的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)

一、設(shè)計(jì)摘要

按需照明一直是照明科技領(lǐng)域最求的最佳形式。在臺(tái)燈為千萬人的生活帶來便利的同時(shí)，相應(yīng)問題也一一出現(xiàn)，如不離開時(shí)忘記關(guān)燈、燈光亮度不可調(diào)等，這些都導(dǎo)致了嚴(yán)重的電能浪費(fèi)。而此時(shí)，LED綠色照明理念正以一種前所未有的趨勢(shì)席卷全球。在這種背景下，基于微控制器和環(huán)境光線傳感器的全自動(dòng)控制LED照明臺(tái)燈應(yīng)運(yùn)而生。本臺(tái)燈以CYPRESS PSoC3為控制核心，輸出PWM信號(hào)控制LED驅(qū)動(dòng)器控制和調(diào)節(jié)LED臺(tái)燈，通過光線傳感器采集的環(huán)境光線強(qiáng)度和利用超聲波測(cè)得的用戶使用距離綜合決定PWM波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)了智能控制LED臺(tái)燈的亮度以及臺(tái)燈開啟熄滅的功能。

本設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了人走燈滅和智能LED照明亮度調(diào)節(jié)兩大功能，從而實(shí)現(xiàn)了按需照明的理念，達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能、環(huán)保綠色無污染的目的。本設(shè)計(jì)最終完成的作品完全到達(dá)市場(chǎng)應(yīng)用需求，必將有助于推動(dòng)當(dāng)前所全球倡導(dǎo)的“綠色、低碳、智能生活”理念。

二、創(chuàng)新點(diǎn)

人走燈滅

作為本設(shè)計(jì)的智能控制之一，實(shí)現(xiàn)了“人走燈滅”的功能，這是本設(shè)計(jì)的兩大創(chuàng)新點(diǎn)之一。這就為那些擁有不良使用臺(tái)燈習(xí)慣的用戶解決了一個(gè)很大的問題。即使他們離開時(shí)忘記關(guān)燈，本臺(tái)燈也會(huì)智能識(shí)別，然后自動(dòng)將LED亮度調(diào)到最低，進(jìn)入睡眠低功耗模式，達(dá)到了節(jié)能的目的。

根據(jù)環(huán)境光線強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度

能夠在維持用戶視野內(nèi)光線強(qiáng)度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)境的光線強(qiáng)弱來智能的改變LED自身的發(fā)光強(qiáng)度：當(dāng)外界環(huán)境光線強(qiáng)時(shí)，減弱LED亮度，達(dá)到進(jìn)一步節(jié)能的目的；當(dāng)外界環(huán)境光線弱時(shí)，自動(dòng)增加LED發(fā)光強(qiáng)度，保持用戶使用視野的光強(qiáng)恒定，保障用戶正常學(xué)習(xí)工作。這又是本設(shè)計(jì)的另一個(gè)重大創(chuàng)新點(diǎn)。

另外，本臺(tái)燈的用戶使用視野光強(qiáng)和自動(dòng)開啟/關(guān)閉距離均可通過按鍵進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的具體光強(qiáng)和臺(tái)燈使用距離均在1602的LCD屏上實(shí)時(shí)顯示，從而使本臺(tái)燈的設(shè)計(jì)和使用更加人性化。

三、系統(tǒng)框圖

整個(gè)設(shè)計(jì)由220V交流市電提供電源，經(jīng)AC/DC電源轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到5V/2A的LED臺(tái)燈供電和控制系統(tǒng)電壓，分別給LED驅(qū)動(dòng)電路和PSoC3以及各個(gè)傳感器供電。

PSoC3的ADC通過采集環(huán)境光線傳感器輸出得到環(huán)境光線強(qiáng)度，據(jù)此改變輸出的PWM信號(hào)占空比，PWM的輸出控制后級(jí)的LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)LED臺(tái)燈亮度；

另一方面，超聲波測(cè)距為MCU智能控制LED開啟/關(guān)閉提供可靠依據(jù)（當(dāng)用戶距臺(tái)燈一定距離時(shí)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈自動(dòng)開啟/關(guān)閉，以進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)能效果）。

用戶設(shè)置模塊用于完成用戶對(duì)臺(tái)燈自動(dòng)開啟/關(guān)閉距離和照明光強(qiáng)的自定義設(shè)置。

1602液晶顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示用戶自定義設(shè)置的LED臺(tái)燈亮度（光強(qiáng)）和用戶使用距離值，以便于人機(jī)交互設(shè)置信息。

整個(gè)智能LED臺(tái)燈系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如下，詳細(xì)流程參見技術(shù)原理和流程圖部分。

圖一、系統(tǒng)框圖

四、技術(shù)原理

4.1、超聲波測(cè)距：

本系統(tǒng)中使用的到超聲波收發(fā)模塊URF04如下圖所示：

圖二、超聲波測(cè)距模塊實(shí)物圖

管腳定義如下：

VCC：工作電壓5V TRIG：控制端口5V ECHO：響應(yīng)輸出端口5V GND：接地 OUT：不用

工作原理：MCU通過控制口TRIG向URF04輸出一個(gè)持續(xù)時(shí)間20us以上的高電平，然后模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波并自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)就通過ECHO輸出一個(gè)高電平給MCU，高電平的持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間間隔被PSOC3內(nèi)部的16bit定時(shí)器中斷捕獲。具體計(jì)算距離公式如下：

D=340*t/2(m)

其中t 為定時(shí)器計(jì)算出的時(shí)間。PSoC3內(nèi)部電路設(shè)計(jì)如下：

圖三、PSoC3內(nèi)部定時(shí)器捕獲電路實(shí)現(xiàn)

4.2、光線傳感器測(cè)環(huán)境光強(qiáng)：

本系統(tǒng)中使用的光線傳感器模塊（就是光敏傳感集成電路）如下圖所示：

圖四、環(huán)境光線傳感器

其接口如右圖所示。

板上的核心元器件就是一個(gè)光敏電阻，可以將環(huán)境光線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。輸出電壓范圍是0.5V~VCC-0.5V。PSoC3通過內(nèi)部16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集、轉(zhuǎn)換后，得到環(huán)境光線強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，此數(shù)值的大小與光線強(qiáng)弱成反比，即，光線越強(qiáng)，AD轉(zhuǎn)換值越??；光線越弱，AD轉(zhuǎn)換值越大。

PSoC3內(nèi)部ADC電路實(shí)現(xiàn)如下：

圖五、PSoC3內(nèi)部16-bit ADC實(shí)現(xiàn)電路

4.3、PWM波形輸出驅(qū)動(dòng)LED：

系統(tǒng)中使用到的LED如下圖所示：

其額定工作電壓為3.0V，最大工作電流為36mA，故額定功率就是108mW。利用PWM波的平均輸出功率正比于其占空比，CYPRESS輸出的PWM波如下圖所示：

圖六、PWM輸出波形

一個(gè)周期T內(nèi)的有效電平時(shí)間為Ton，即V(value)=V*Ton/T)*100%.由功率計(jì)算公式：

P=I*U=U(value)²/R

其中R在一定情況下是固定的，所以PWM波輸出功率就與U(value)²成正比。所以改變占空比可以PWM輸出功率，即LED輸入功率，也就可以改變LED的亮度了。

PSoC3內(nèi)部PWM實(shí)現(xiàn)電路圖如下：

圖七、PSoC3內(nèi)部PWM電路實(shí)現(xiàn)

4.4、按鍵防抖實(shí)現(xiàn)

由于按鍵本身的機(jī)械特性使得，按鍵使用過程中均存在不同周期的抖動(dòng)，主要是按鍵按下和按鍵釋放時(shí)，為此，在使用按鍵輸入時(shí)，都必須對(duì)其進(jìn)行防抖處理，傳統(tǒng)的按鍵防抖包括軟件延遲和硬件中斷+定時(shí)器兩種方式，或多或少都會(huì)占有一些系統(tǒng)資源。

這里，本設(shè)計(jì)充分利用PSoC3內(nèi)部的數(shù)字邏輯器件，利用D觸發(fā)器和與門，實(shí)現(xiàn)并行內(nèi)部硬件電路防抖，取得了非常好的防抖效果，保證了用戶設(shè)置的可靠輸入。

具體的PSoC3內(nèi)部按鍵硬件防抖電路如下，串聯(lián)的3個(gè)D觸發(fā)器均有同一個(gè)200Hz的時(shí)鐘觸發(fā)，每個(gè)按鍵的輸入與三個(gè)D觸發(fā)器的輸出一起相與后輸出，可以去除4*5ms=20ms的按鍵抖動(dòng)，相應(yīng)的按鍵輸入信號(hào)和硬件防抖后的信號(hào)對(duì)比如圖所示：

圖八、PSoC3內(nèi)部按鍵硬件防抖電路實(shí)現(xiàn)

圖九、按鍵防抖效果（邏輯分析儀截圖）

五、系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

5.1、硬件設(shè)計(jì)

CYPRESS獨(dú)特的PSoC器件編程特性以及PSoC Creator 1.0軟件所提供的豐富外設(shè)模擬數(shù)字資源，使得整個(gè)智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)和編程變得十分靈活和簡(jiǎn)單。

整個(gè)智能LED臺(tái)燈硬件設(shè)計(jì)電路圖如下：

圖十、整個(gè)智能LED臺(tái)燈硬件設(shè)計(jì)電路圖

特別是其關(guān)鍵的隨意分配，極大提高了硬件電路的設(shè)計(jì)靈活性和效率。硬件管腳分配如下：

圖十一、硬件管腳分配表

5.2、軟件設(shè)計(jì)

1）PWM波形輸出 ：流程

環(huán)境光線采集修正PWM控制LED亮度流程圖如下：詳細(xì)的軟件代碼參見附錄6.3 的modules.c——函數(shù)SmartAdjust().

2）超聲波 中斷測(cè)距 ：

超聲波測(cè)距離控制LED臺(tái)燈開啟/關(guān)斷 流程圖:

詳細(xì)的軟件代碼參見附錄6.3 的modules.c——函數(shù)DistanceMeasure().以及CY_ISR(isr_ECHO_Interrupt)

3）光強(qiáng)AD轉(zhuǎn)換

詳細(xì)的軟件代碼參見附錄6.3 的modules.c——函數(shù)ADC_LightingSample ().

4|）按鍵中斷流程

詳細(xì)的軟件代碼參見附錄6.3 的三個(gè)按鍵中斷函數(shù)以及超聲波測(cè)距中斷函數(shù)

——CY_ISR(isr_INC_Interrupt)和CY_ISR(isr_DEC_Interrupt)

智能臺(tái)燈使用距離/光強(qiáng)用戶自定義+/-按鍵中斷處理流程：

5）整體流程（main主循環(huán)和個(gè)按鍵中斷處理流程圖）

詳細(xì)的軟件代碼參見附錄6.3 的main.c和三個(gè)按鍵中斷函數(shù)以及超聲波測(cè)距中斷函數(shù)——CY_ISR(isr_ADJ_Interrupt)

整個(gè)智能LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)工程軟件編譯結(jié)果（報(bào)告）如下：

segment .xdata is 514 bytes long

segment .bss is 35 bytes long

segment .pdata is 0 bytes long

segment .text is 14558 bytes long

segment .bit is 9 bytes long

segment .sfr is 0 bytes long

Flash used: 14557 of 65536 bytes (22.2 %).

SRAM used: 514 of 8192 bytes (6.3 %).