基于PWM調光的多功能LED臺燈設計方案

0引言

隨著(zhù)全球能源危機和氣候變暖問(wèn)題的日益嚴重，綠色節能已經(jīng)成為全球普遍關(guān)注的話(huà)題，人們正通過(guò)各種途徑尋找新的節能方式。照明是人類(lèi)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(zhù)經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高，因此綠色節能照明的研究越來(lái)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，與傳統光源相比，具有節能、環(huán)保、壽命長(cháng)、體積小、安全可靠等特點(diǎn)，代表著(zhù)照明技術(shù)的未來(lái)，并符合當前政府提出的建設資源節約型和環(huán)境友好型社會(huì )的要求?？梢灶A見(jiàn)不久的將來(lái)，LED必然會(huì )進(jìn)入普通照明領(lǐng)域取代現有的照明光源。

目前，市場(chǎng)上采用白熾燈、鹵素燈、熒光燈為光源的臺燈普遍存在著(zhù)低效率、高能耗、不易調光等缺點(diǎn)；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、時(shí)鐘日歷、溫度顯示等功能，無(wú)法適應現代家庭生活的實(shí)際需求。為解決當前問(wèn)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，采用PT4115大功率LED恒流驅動(dòng)方案，可實(shí)現對LED臺燈的PWM調光控制；同時(shí)兼有時(shí)鐘日歷、聲光鬧鐘、溫度檢測、液晶顯示等多項功能。在實(shí)現高效節能的同時(shí)，為家庭使用提供了極大的便捷。

1系統硬件電路設計

該多功能LED臺燈系統采用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(dòng)系統、時(shí)鐘系統、測溫系統、液晶顯示系統、蜂鳴系統、按鍵系統組成。系統結構框圖如圖1所示。

該系統可具體實(shí)現LED臺燈的10級PWM調光控制；液晶屏實(shí)時(shí)顯示時(shí)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(shí)間，LED臺燈自動(dòng)點(diǎn)亮，并發(fā)出蜂鳴聲報警，以喚醒用戶(hù)；用戶(hù)可通過(guò)按鍵系統實(shí)現對時(shí)鐘日歷與鬧鐘參數的設置、LED亮度的調節以及鬧鐘報警的解除。

圖1系統結構框圖

1.1單片機主控系統

本設計主控系統采用ATMEL公司的高性能AT89S51芯片實(shí)現，其P0口外接10K的上拉電阻，P0.0~P0.7同時(shí)作為DS12C887的數據接口與液晶1602的數據接口。P2.0~P2.3分別連接DS12C887芯片的片選端CS、地址選通輸入端AS、數據選擇端DS與讀/寫(xiě)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、數據/命令選擇端RS、讀/寫(xiě)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。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。系統晶振電路由12MHZ晶振與兩個(gè)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。主控系統電路如圖2所示。

圖2單片機主控系統電路圖

1.2恒流驅動(dòng)系統

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(guò)其正向導通電壓后，較小的電壓波動(dòng)都會(huì )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(dòng)方式。因此，本設計LED采用高性能PT4115恒流芯片驅動(dòng)，PT4115是一款連續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(shí)具有過(guò)溫、過(guò)壓、過(guò)流、LED開(kāi)路保護等多種功能。該芯片適合用于綠色照明LED燈的驅動(dòng)電路，具有應用電路非常簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。LED恒流驅動(dòng)電路如圖3所示。

圖3LED恒流驅動(dòng)系統電路圖

通過(guò)PT4115芯片上的DIM端，可以方便的進(jìn)行模擬或PWM調光。由于模擬調光是直接改變流過(guò)LED電流的大小來(lái)實(shí)現亮度調節，除了亮度會(huì )改變以外，也會(huì )影響白光的質(zhì)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(guò)控制電流導通和關(guān)斷的時(shí)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(jué)殘留效應，當LED亮暗變化頻率大于120Hz時(shí)，人眼就不會(huì )感覺(jué)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(huì )像模擬調光時(shí)產(chǎn)生變化?！?/p>

PT4115恒流驅動(dòng)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(dòng)輸出最大電流IOUT應為400mA,因此Rs選取0.25Ω電阻。

L1為鎮流電感，選取68μH,用于穩定通過(guò)LED的電流。D1是續流二極管，當芯片內部MOS管截止狀態(tài)時(shí)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?jīng)Q定LED的通斷狀態(tài)。將定時(shí)器T0溢出中斷定為1/2500秒（即400μS），每10次脈沖作為一個(gè)周期，即頻率為250HZ.這樣，在每1/250秒的方波周期中，通過(guò)改變方波的輸出占空比，從而實(shí)現LED燈的10級亮度調節，即LED亮度等級由每個(gè)周期內的高電平脈沖數目決定。當高電平脈沖個(gè)數為1時(shí)，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(shí)，占空比為1,LED亮度最高。

圖4PWM調光原理圖

1.3時(shí)鐘系統

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

DS12C887時(shí)鐘芯片有兩種總線(xiàn)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(shí)，時(shí)鐘系統設置為24小時(shí)模式，寄存器存儲模式選為二進(jìn)制格式。P0.0~P0.7連接其地址數據復用端口A(yíng)D0~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(xiě)輸入端R/W與數據選擇端DS.

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

圖5時(shí)鐘系統電路圖

1.4液晶顯示系統

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

本系統1602液晶采用并行操作方式，P0.0~P0.7通過(guò)借助10K的上拉電阻連接其數據端口DB0~DB7,P0口同時(shí)也連接著(zhù)DS12C887的數據地址端口，由于各自片選信號不同，選中時(shí)操作對應芯片將不會(huì )造成操作沖突。P2.5~P2.6分別連接1602液晶的使能端E、讀/寫(xiě)選擇端RW、數據/命令選擇端RS.第3引腳為液晶顯示對比度調節端，通過(guò)10K滑動(dòng)變阻器接地，用于調節液晶的顯示亮度。第15管腳背光源正極BLA通過(guò)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。

圖6液晶系統電路圖

1.5溫度檢測系統

溫度檢測系統選用DALLAS公司一線(xiàn)總線(xiàn)接口的數字溫度傳感器DS18B20,該傳感器具有微型化、低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)，可直接將溫度轉化成串行數字信號處理，測溫范圍為-55~125℃，最高分辨率可達0.0625℃。DS18B20共有三個(gè)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(shí)高低電平準確的被單片機機和DS18B20識別。單片機P3.0口通過(guò)R3連接DQ端口實(shí)現溫度數據的采集處理，并通過(guò)液晶屏實(shí)時(shí)顯示。溫度檢測電路如圖7所示。

圖7溫度檢測電路圖

1.6蜂鳴系統

蜂鳴系統用于產(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(shí)現對蜂鳴器聲音控制；通過(guò)延遲函數實(shí)現蜂鳴報警聲的長(cháng)短音控制，長(cháng)音''滴''用于鬧鐘鈴聲，短音''滴''用于按鍵提示音。蜂鳴系統電路如圖8所示。

圖8蜂鳴系統電路圖

1.7按鍵系統

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

圖9按鍵系統電路圖

1.8電源系統

本系統設計最大功率約1.6W,可采用電池或穩壓電源多種方式供電。由于系統光源采用20只LED燈珠并聯(lián)組成，所以L(fǎng)ED恒流驅動(dòng)芯片PT4115供電電源在6~30V電壓范圍內均可使LED燈正常使用。但單片機供電系統采用三端穩壓芯片7805,該線(xiàn)性穩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(guò)大會(huì )增加額外功耗。因此，本系統宜選用2節4.2V鋰電池或9V的穩壓電源方式供電。同時(shí)，本文LED恒流驅動(dòng)系統設計簡(jiǎn)潔靈活，可根據用戶(hù)需求適當調整驅動(dòng)電路參數，即可擴展LED照明功率，最大可至10W左右。

2系統軟件設計

該系統控制程序主要包含系統初始化程序、實(shí)時(shí)時(shí)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(pán)檢測與處理程序、鬧鐘中斷以及定時(shí)器產(chǎn)生PWM程序構成。

2.1系統主程序

系統主程序主要包括系統初始化程序（包括I/O口初始化、DS12C887時(shí)鐘芯片初始化、液晶1602的初始化、外部中斷0與定時(shí)器T0設置）、按鍵檢測和處理程序、時(shí)鐘數據的讀取與處理程序、溫度數據的讀取與處理程序、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(shí)間到達，時(shí)鐘芯片IRQ引腳觸發(fā)外部中斷0,進(jìn)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。

系統主程序流程圖如圖10所示。

圖10主程序流程圖

2.2按鍵檢測和處理程序

按鍵控制系統由S2~S6五個(gè)按鍵組成，分別為S2時(shí)間設置鍵、S3數值增大鍵、S4數值減小鍵、S5鬧鐘設置鍵以及S6亮度調節鍵。S2用于選擇需要調整的時(shí)鐘以及鬧鐘參數，根據S2按下次數，依次選擇秒、分、時(shí)、星期、日、月、年，液晶屏上被選參數下方以光標閃爍狀態(tài)提示，再通過(guò)按下S3或S4調整被選參數值的大小，S2按下累積8次時(shí)，則退出選擇功能并保存當前數據至時(shí)鐘芯片。S5用于鬧鐘時(shí)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(shí)間；可通過(guò)S2、S3與S4重新設置鬧鐘時(shí)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至時(shí)鐘芯片。同時(shí)，S3與S4還可獨立作為鬧鐘產(chǎn)生時(shí)的取消鍵與LED燈光的關(guān)閉鍵。S6實(shí)現LED燈光亮度的10級調節，每按一次，LED亮度增大一級；當達到亮度最大時(shí)，再次按下則關(guān)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。

圖11按鍵檢測與處理流程圖

2.3鬧鐘中斷程序

系統到達設置的鬧鐘時(shí)間，DS12C887時(shí)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(guò)讀取DS12C887芯片的C寄存器來(lái)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(shí)刻到達時(shí)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。

圖12鬧鐘中斷流程圖

2.4定時(shí)器中斷程序

為產(chǎn)生調節LED燈光亮度的PWM信號，定時(shí)器T0設置為工作方式0,即13位計數器定時(shí)，最多裝載數值為213=8192個(gè)。因為系統晶振采用12MHz,賦值使TH0=（8192-400）/32與TL0=（8192-400）%32,即可實(shí)現400μS的定時(shí)中斷。10次中斷（即4mS）作為一個(gè)周期，通過(guò)調節每個(gè)周期內單片機P1.1（該控制口名稱(chēng)定義為L(cháng)ED_PWM）輸出的占空比來(lái)產(chǎn)生PWM脈沖信號，以控制PT4115恒流驅動(dòng)芯片實(shí)現LED燈的10級亮度調節。

程序設置對T0中斷次數（即定義為T(mén)0_num）進(jìn)行計數，以便判斷一個(gè)周期到否；同時(shí)判斷比較高電平脈沖個(gè)數（即定義為scale值，由調光鍵S6按下次數設置）用于實(shí)現不同亮度等級的調節。在定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序中，首先T0重新裝入定時(shí)為400μS的初值；定時(shí)器中斷次數T0_num加1,判斷一個(gè)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(gè)方波周期還沒(méi)到，則與亮度等級scale值作比較，判斷高電平脈沖個(gè)數scale到否，若到達，令P1.1口輸出電平置低（即LED_PWM=0），否則繼續保持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(shí)中斷。

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

圖13定時(shí)器生成PWM流程圖

3實(shí)驗結果

根據以上設計方案，本文制作了該款基于PWM調光的多功能LED臺燈。經(jīng)調試后系統運行穩定可靠，基本可以滿(mǎn)足家庭生活的使用要求。系統工作時(shí)，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(shí)，液晶顯示時(shí)間、日歷與溫度數據準確，鬧鐘功能穩定。實(shí)物照片如圖14所示。

圖14實(shí)物照片

4結論

本文多功能LED臺燈系統采用AT89S51單片機為控制核心，運用恒流驅動(dòng)方案與PWM調光技術(shù)實(shí)現LED臺燈的多級調光控制，并兼有時(shí)間日歷、溫度檢測、液晶顯示以及聲光鬧鐘等功能。該系統具有控制電路簡(jiǎn)單、亮度調節精確、功能豐富、實(shí)用便捷等優(yōu)點(diǎn)，適合于現代家庭的實(shí)際需要?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)LED照明技術(shù)的不斷發(fā)展完善，節能高效的LED將在家用照明領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)日益重要的作用。