DIY創(chuàng)意家庭：實現(xiàn)LED臺燈的智能化，提供軟硬件解決方案的設(shè)計細(xì)節(jié)

一、設(shè)計摘要

按需照明一直是照明科技領(lǐng)域最求的最佳形式。在臺燈為千萬人的生活帶來便利的同時，相應(yīng)問題也一一出現(xiàn)，如不離開時忘記關(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。而此時，LED綠色照明理念正以一種前所未有的趨勢席卷全球。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控制LED照明臺燈應(yīng)運而生。本臺燈以CYPRESS PSoC3為控制核心，輸出PWM信號控制LED驅(qū)動器控制和調(diào)節(jié)LED臺燈，通過光線傳感器采集的環(huán)境光線強度和利用超聲波測得的用戶使用距離綜合決定PWM波的占空比，從而實現(xiàn)了智能控制LED臺燈的亮度以及臺燈開啟熄滅的功能。

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

二、創(chuàng)新點

人走燈滅

作為本設(shè)計的智能控制之一，實現(xiàn)了“人走燈滅”的功能，這是本設(shè)計的兩大創(chuàng)新點之一。這就為那些擁有不良使用臺燈習(xí)慣的用戶解決了一個很大的問題。即使他們離開時忘記關(guān)燈，本臺燈也會智能識別，然后自動將LED亮度調(diào)到最低，進入睡眠低功耗模式，達到了節(jié)能的目的。

根據(jù)環(huán)境光線強弱自動調(diào)節(jié)LED亮度

能夠在維持用戶視野內(nèi)光線強度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)境的光線強弱來智能的改變LED自身的發(fā)光強度：當(dāng)外界環(huán)境光線強時，減弱LED亮度，達到進一步節(jié)能的目的；當(dāng)外界環(huán)境光線弱時，自動增加LED發(fā)光強度，保持用戶使用視野的光強恒定，保障用戶正常學(xué)習(xí)工作。這又是本設(shè)計的另一個重大創(chuàng)新點。

另外，本臺燈的用戶使用視野光強和自動開啟/關(guān)閉距離均可通過按鍵進行設(shè)置，設(shè)置的具體光強和臺燈使用距離均在1602的LCD屏上實時顯示，從而使本臺燈的設(shè)計和使用更加人性化。

三、系統(tǒng)框圖

整個設(shè)計由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臺燈供電和控制系統(tǒng)電壓，分別給LED驅(qū)動電路和PSoC3以及各個傳感器供電。

PSoC3的ADC通過采集環(huán)境光線傳感器輸出得到環(huán)境光線強度，據(jù)此改變輸出的PWM信號占空比，PWM的輸出控制后級的LED驅(qū)動器調(diào)節(jié)LED臺燈亮度；

另一方面，超聲波測距為MCU智能控制LED開啟/關(guān)閉提供可靠依據(jù)（當(dāng)用戶距臺燈一定距離時，實現(xiàn)臺燈自動開啟/關(guān)閉，以進一步加強節(jié)能效果）。

用戶設(shè)置模塊用于完成用戶對臺燈自動開啟/關(guān)閉距離和照明光強的自定義設(shè)置。

1602液晶顯示模塊用于實時顯示用戶自定義設(shè)置的LED臺燈亮度（光強）和用戶使用距離值，以便于人機交互設(shè)置信息。

整個智能LED臺燈系統(tǒng)框圖設(shè)計如下，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、超聲波測距模塊實物圖

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輸出一個持續(xù)時間20us以上的高電平，然后模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波并自動檢測是否有信號返回。當(dāng)有信號返回時就通過ECHO輸出一個高電平給MCU，高電平的持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到接收的時間。這個時間間隔被PSOC3內(nèi)部的16bit定時器中斷捕獲。具體計算距離公式如下：

D=340*t/2(m)

其中t 為定時器計算出的時間。PSoC3內(nèi)部電路設(shè)計如下：

圖三、PSoC3內(nèi)部定時器捕獲電路實現(xiàn)

4.2、光線傳感器測環(huán)境光強：

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光敏電阻，可以將環(huán)境光線強度轉(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)境光線強度所對應(yīng)的數(shù)字量，此數(shù)值的大小與光線強弱成反比，即，光線越強，AD轉(zhuǎn)換值越??；光線越弱，AD轉(zhuǎn)換值越大。

PSoC3內(nèi)部ADC電路實現(xiàn)如下：

圖五、PSoC3內(nèi)部16-bit ADC實現(xiàn)電路

4.3、PWM波形輸出驅(qū)動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

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

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實現(xiàn)電路圖如下：

圖七、PSoC3內(nèi)部PWM電路實現(xiàn)

4.4、按鍵防抖實現(xiàn)

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

這里，本設(shè)計充分利用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D觸發(fā)器均有同一個200Hz的時鐘觸發(fā)，每個按鍵的輸入與三個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，相應(yīng)的按鍵輸入信號和硬件防抖后的信號對比如圖所示：

圖八、PSoC3內(nèi)部按鍵硬件防抖電路實現(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

5.1、硬件設(shè)計

CYPRESS獨特的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，使得整個智能LED臺燈的設(shè)計和編程變得十分靈活和簡單。

整個智能LED臺燈硬件設(shè)計電路圖如下：

圖十、整個智能LED臺燈硬件設(shè)計電路圖

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

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 中斷測距 ：

超聲波測距離控制LED臺燈開啟/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 的三個按鍵中斷函數(shù)以及超聲波測距中斷函數(shù)

——CY_ISR(isr_INC_Interrupt)和CY_ISR(isr_DEC_Interrupt)

智能臺燈使用距離/光強用戶自定義+/-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和三個按鍵中斷函數(shù)以及超聲波測距中斷函數(shù)——CY_ISR(isr_ADJ_Interrupt)

整個智能LED臺燈設(shè)計工程軟件編譯結(jié)果（報告）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 %).