- 基于PWM調光的多功能LED臺燈設計方案
- 探究系統硬件電路設計方法
- 設計基于PWM 調光的多功能LED 臺燈
引言
隨著全球能源危機和氣候變暖問題的日益嚴重，綠色節能已經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能方式。照明是人類消耗能源的重要方面，在電能消耗中，發達國家照明用電占發電總量的比例是19%,我國也達到12%.隨著經濟發展，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越受到重視。LED 作為一種固態冷光源，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。基于白光LED 的固態照明，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"建設資源節約型和環境友好型社會"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，將對環境造成嚴重危害；而且部分臺燈產品功能單一，缺少亮度調節、時鐘日歷、溫度顯示等功能，無法適應現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，采用PT4115 大功率LED 恒流驅動方案，可實現對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。在實現高效節能的同時，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 恒流驅動系統、時鐘系統、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。
該系統可具體實現LED 臺燈的10 級PWM 調光控制；液晶屏實時顯示時鐘、日歷與環境溫度信息；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，并發出蜂鳴聲報警，以喚醒用戶；用戶可通過按鍵系統實現對時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 芯片實現，其P0 口外接10K 的上拉電阻，P0.0~P0.7 同時作為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 恒流驅動系統
本設計 L ED 光源采用相互并聯方式，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點。LED 恒流驅動電路如圖3 所示。
圖3 LED 恒流驅動系統電路圖
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 電流的大小來實現亮度調節，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生變化。
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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0.25 Ω 電阻。
L1 為鎮流電感，選取68μ H,用于穩定通過LED 的電流。D1 是續流二極管，當芯片內部MOS 管截止狀態時為儲存在電感L1 中的電流提供放電回路；由于工作在高頻狀態，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 產生，其高低電平決定LED 的通斷狀態。將定時器T0溢出中斷定為1/2500 秒（即400μ S），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LED 燈的10 級亮度調節，即LED 亮度等級由每個周期內的高電平脈沖數目決定。當高電平脈沖個數為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。
圖 4 PWM 調光原理圖
1.3 時鐘系統
時鐘系統采用高性能的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 連接其地址數據復用端口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。該時鐘接口電路如圖5 所示。
圖5 時鐘系統電路圖
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 個字符；且體積小、能耗低、操作簡單；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。通過單片機控制1602 液晶實現首行年、月、日、星期顯示，第二行時、分、秒以及環境溫度顯示。
本系統 1602 液晶采用并行操作方式，P0.0~P0.7 通過借助10K 的上拉電阻連接其數據端口DB0~DB7,P0 口同時也連接著DS12C887 的數據地址端口，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、數據/命令選擇端RS.第3 引腳為液晶顯示對比度調節端，通過10K 滑動變阻器接地，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"一線總線"接口的數字溫度傳感器DS18B20,該傳感器具有微型化、低功耗、高性能等優點，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 端口實現溫度數據的采集處理，并通過液晶屏實時顯示。溫度檢測電路如圖7 所示。
圖7 溫度檢測電路圖
1.6 蜂鳴系統
蜂鳴系統用于產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的通斷實現對蜂鳴器聲音控制；通過延遲函數實現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。蜂鳴系統電路如圖8 所示。
圖8 蜂鳴系統電路圖
[page]1.7 按鍵系統
按鍵控制系統由S2~S5 五個按鍵組成，分別為S2 時間設置鍵、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間日歷以及鬧鐘參數，并作為時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。但單片機供電系統采用三端穩壓芯片7805,該線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,若差值過大會增加額外功耗。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，本文LED 恒流驅動系統設計簡潔靈活，可根據用戶需求適當調整驅動電路參數，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,一旦鬧鐘時間到達，時鐘芯片IRQ引腳觸發外部中斷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~S6五個按鍵組成，分別為S2時間設置鍵、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鐘以及鬧鐘參數，根據S2按下次數，依次選擇秒、分、時、星期、日、月、年，液晶屏上被選參數下方以光標閃爍狀態提示，再通過按下S3或S4調整被選參數值的大小，S2按下累積8次時，則退出選擇功能并保存當前數據至時鐘芯片。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至時鐘芯片。同時，S3與S4還可獨立作為鬧鐘產生時的取消鍵與LED燈光的關閉鍵。S6實現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，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。
圖11 按鍵檢測與處理流程圖
[page]2.3 鬧鐘中斷程序
系統到達設置的鬧鐘時間，DS12C887 時鐘芯片IRQ 引腳輸出由高電平變為低電平，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。
圖12 鬧鐘中斷流程圖
2.4 定時器中斷程序
為產生調節 LED 燈光亮度的PWM 信號，定時器T0 設置為工作方式0,即13 位計數器定時，最多裝載數值為213=8192 個。因為系統晶振采用12MHz,賦值使TH0=（8192-400）/ 32 與 TL0=（8192-400）%32,即可實現400μ S 的定時中斷。10 次中斷（即4mS）作為一個周期，通過調節每個周期內單片機P1.1（該控制口名稱定義為LED_PWM）輸出的占空比來產生PWM 脈沖信號，以控制PT4115 恒流驅動芯片實現LED 燈的10 級亮度調節。
程序設置對T0 中斷次數（即定義為T0_num）進行計數，以便判斷一個周期到否；同時判斷比較高電平脈沖個數（即定義為scale 值，由調光鍵S6 按下次數設置）用于實現不同亮度等級的調節。在定時器T0 中斷服務程序中，首先T0 重新裝入定時為400μ S 的初值；定時器中斷次數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，等待下一次定時中斷。
這樣，P1.1 口就產生了所需的PWM 調光信號。定時器生成PWM 流程圖如圖13所示。
圖13 定時器生成PWM流程圖
3 實驗結果
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。經調試后系統運行穩定可靠，基本可以滿足家庭生活的使用要求。系統工作時，最低功率（即LED 熄滅狀態）為0.28W;最大功率（即LED 最高亮度狀態）約為1.52W;同時，液晶顯示時間、日歷與溫度數據準確，鬧鐘功能穩定。實物照片如圖14 所示。
圖 14 實物照片
4 結論
本文多功能LED 臺燈系統采用AT89S51 單片機為控制核心，運用恒流驅動方案與PWM調光技術實現L ED 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。該系統具有控制電路簡單、亮度調節精確、功能豐富、實用便捷等優點，適合于現代家庭的實際需要。可以預見，隨著LED 照明技術的不斷發展完善，節能高效的LED將在家用照明領域發揮著日益重要的作用。
