LED智能台灯系统课程设计.doc

一、课程设计目的、任务和内容要求：在现代城市中，随着人口和能源消耗的急剧增长，总用电量也在日益增加，要是没有节能措施，便会造成能源枯竭的不良后果。因此，LED智能台灯便有了其设计的必要性。本课程设计的任务就是设计一个LED智能台灯系统。鼓励学生在熟悉基本原理的前提下，与实际应用相联系，提出自己的方案，完善设计。具体设计任务如下： 1熟悉LED智能台灯的工作原理； 2写出LED智能台灯的设计方案；3用硬件及软件加以实现；4写课程设计报告。 二、进度安排：第周： 查找资料，熟悉LED智能台灯的设计原理，给出设计总体方案；第2周： 各模块的详细设计；第3周： 硬件连线，调试；第4周： 写课程设计报告。三、主要参考文献：1谢自美. 电子线路设计-实验-测试M .武汉:华中科技大学出版社, 20002周志敏. 纪爱华 集成稳压电源电路图集M.北京：中国电力出版社,20073余永全. 单片机在控制系统中的应用M.电子工业出版社,20034林雪梅. 热释电红外传感器及其应用J.甘肃科技纵横,2005.（01） 指导教师签字： 年 月 日目 录摘要 .IIAbstract .II1 绪论.11.1 系统设计的目的.11.2 LED智能台灯特性.11.3 系统设计的内容. 22 系统的可行性分析. 33 系统硬件电路设计. 4 3.1 电源模块.4 3.1.1 LED光源驱动电路.4 3.1.2 元器件选择. 53.1.3 LED光源的设计. .7 3.2 单片机外围电路模块.8 3.2.1单片机总控制电路.8 3.2.2时钟电路.93.2.3 STC89C52具体介绍.103.3 红外感应模块.113.4 手动调节光强模块.12 4 系统软件电路设计.14 4.1 PWM调光.14 4.2 人体红外感应144.3 手动调节光强.155总 结 .16参考文献 .17附录.18 附录1 主要程序代码.18附录2 实物图.。.22摘 要台灯已是千家万户的必需生活电器，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10，荧光灯的50。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。因此，我们提出LED智能台灯方案，本系统主要包括以PT4115芯片为基础的LED驱动模块，利用单片机STC89C52进行控制的手动PWM调光模块、感应人体红外信号的热释电红外传感器的红外感应模块等目的。关键词：智能台灯；LED驱动；PWM调光；红外感应AbstractDesk lamp is already the necessary life appliances, families often due to forget to turn off the lights and cause a huge waste of energy. The LED is considered lighting source of the 21 st century. LED device is cold light, high efficiency, low voltage operation, and low energy consumption, can control, no radiation, the same brightness, LED to 10% of incandescent lamp energy consumption, 50% of fluorescent lamp. The LED life can reach 100000 hours, it is 10 times as much as incandescent lamp, fluorescent lamp 100 times. Therefore, we put forward the LED intelligence desk lamp scheme, this system mainly includes PT4115 chip in the basis of driver module, LED by SCM STC89C52 to control PWM light module, sensing the human body of pyroelectric infrared signal infrared sensor of infrared sensor modules and manual light on the purpose. Keywords： intelligence desk lamp; The LED drive; PWM light; inductive - 25 -1绪论 1.1 系统设计的目的台灯已是千家万户的必需生活电器，经常由于忘记关灯而造成巨大的能源浪费。在我国,照明耗电占年发电总量的12% (超过100亿kWh) 。现在的台灯绝大部分是采用普通的白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯 ,并且控制方式多采用手动开关,不能连续调节，更不能自动调节。随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达8090%，并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电，所以每秒钟会产生100120次的频闪。LED灯是把交流电直接转换为直流电，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。现在中国约30%的人有不同程度的视力问题，其中近视是主要问题，近年来，我国的近视率已上升为全球第二，仅次于日本，但近视的总人数确是全球第一。引起近视的主要原因是用眼不健康，如用连续用眼时间过长，看书，学习时的坐姿不正确等。现在的普通台灯90%的供电系统是用交流电经变压后直接供电，在用电高峰期时使用会增加供电系统的负担，并且停电时不能工作，移动使用性较差。太阳能是新型的绿色能源，但普及率还不高。因此，我们提出智能LED台灯方案。1.2 LED智能台灯特性1、高效节能：以相同亮度比较，3W的LED节能灯333小时耗1度电，而普通60W白炽灯17小时耗1度电，普通5W节能灯200小时耗1度电。2、超长寿命：半导体芯片发光，无灯丝、无玻璃泡、不怕震动、不易破碎、使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）。3、健康：光线健康光线中含紫外线和红外线少，产生辐射少（普通灯光线中含有紫外线和红外线）。4、绿色环保：不含汞和氙等有害元素，利于回收，普通灯管中含有汞和铅等元素。5、保护视力：直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）。6、安全系数高：所需电压、电流较小，安全隐患小于矿场等危险场所。7、市场潜力大：低压、直流供电。1.3 系统设计的内容本次课程设计的LED智能台灯主要包括四个模块：（1）LED光源驱动利用变压器将220V的交流电转化成12V的直流电源，然后PT4115芯片将12V直流电压变换成稳定的恒流源（2）单片机外围电路 利用STC89C52单片机控制PWM调光以及红外检测等模块。（3）红外检测 利用热释电红外检测模块来检测是否有人靠近台灯，若有人则台灯自动开启，当一段时间检测不到人活动是台灯就会渐渐熄灭。（4）手动PWM调光经AD转换后得出的数值来改变单片机的PWM的占空比，实现手动调光。 2 系统的可行性分析（1）系统设计的意义：本项目的设计思想来源于生活，所具有的功能也是为台灯使用的方便性及节能环保而设置，因此具有很大的实际意义。（2）系统功能设计可行性分析：针对目前普通台灯存在的能耗高、操作使用不便及功能单一三个问题进行系统分析与研究，以单片机PT4115为控制核心，用热释电红外传感器检测是否人进入使用台灯的范围，用光敏电阻判断有人在使用台灯范围时是否需要开灯。综合运用传感技术实现台灯是否有人员来自动控制台灯的开关及利用PWN波对台灯进行手动调光，在功能上使之更加具有人性化，以此提高人的接受度和舒适度。3 系统硬件电路设计3.1 电源模块3.1.1 LED光源驱动电路LED光源的驱动电路就是把12V直流电压变换成稳定的恒流源，电路的设计本着删繁就简、节省成本的原则，应该从能完成这个电路设计要求的众多LED驱动芯片中选择集成度高、性能较好、应用电路简单、价格较平的性价比有优势的PT4115芯片。因此选择驱动电路外围器件少的驱动芯片是生产成本的首要考量。图3-1 PT4115 LED光源驱动电路图3-2 PT4115 芯片实物图通过 PT4115芯片上的DIM 端，可以方便的进行模拟或PWM调光。由于模拟调光是直接改变流过LED电流的大小来实现亮度调节，除了亮度会改变以外，也会影响白光的质量，即不同电流下发出的白光存在色偏。因此，本设计采用PWM调光方案，PWM调光的基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，即改变输入脉冲信号的占空比，使LED产生亮暗变化；并利用人眼的视觉残留效应，当LED亮暗变化频率大于120Hz时，人眼就不会感觉到闪烁，而看到是LED的平均亮度。PWM调光的优势是LED正向导通的电流是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光时产生变化。PT4115 恒流驱动输出的电流值计算公式为： (D为方波信号占空比，为限流电阻).本设计LED光源采用30只小功率白光LED灯珠并联方式，且每只LED灯珠额定电流为20mA，则PT4115恒流驱动输出最大电流应为120mA，因此选取0.25电阻。L1为镇流电感，选取68H，用于稳定通过LED的电流。D1是续流二极管，当芯片內部MOS管截止状态时为储存在电感L1中的电流提供放电回路；由于工作在高频状态，D1选用正向压降小且恢复速度快的肖特基二极管SS24。3.1.2 元器件选择表3-1 关键元器件的选择Rs精度大于1%，比如要输出350mA，则=0.1/0.35=0，2857Cin100uF （工作电压50V）输出电流小于400mA100uF （工作电压50V）输出电流大于400mA有续流储能和滤波的功能，电容量不宜太小DSS14输出电流小于400mASS24输出电流大于400mA导通压低于0.30V的肖特基二极管，可以提高系统效率；L33-47uH （饱和电流1.8A）输出电流在800mA到1200mA47-68uH （饱和电流1.2A）输出电流在400mA到800mA68-100uH （饱和电流0.6A）输出电流小于400mADCR越小，效率越高。选用EPC13锰锌4000磁芯。选用额定电流大于工作电流的1-1.5倍整流二极管正向压降尽可能低于肖特基二极管，可有效地降低系统功耗。电流能力一定要满足应用，原则上大于。PT4115用于小功率白光LED光源驱动方案时只需四个零件，Cin是输入滤波电容，Rs设定流过LED的电流，；L是续流电感，D5是续流二极管。因适配器已提供12V的直流电压，原图为交流电压输入整流用的桥式整流器D1D4可省略。虽然零件少了，但对零件的要求更高，设计时需按要求选用，才能使电路进入良好的工作状态。PT4115的开关频率采用抖频技术有效降低EMI（Electromagnetic Interference），省略了抗EMI电路。LED光源驱动芯片的恒流精度对于LED灯具生产厂家而言是至关重要的，目前LED光源驱动IC的恒流精度批量生产时都会有一定的离散性，LED灯具生产厂家在批量生产调试时，同样的电源、同样的LED光源负载、同样的恒流源电源板，因同一型号的不同驱动IC其恒流精度的个性差异会导致恒流源电源板输出电流产生一定的公差，使同一LED光源负载的发光亮度有所不同，这就会增加恒流源电源板大批量生产时在线调试的时间，影响生产力。因此，恒流源电源板生产厂家应选用恒流精度高的驱动IC，恒流精度至少要小于3%，如是1%更理想，但其价格会高于3%的产品。（1）电感的选择：PT4115的设计最佳工作频率在1MHz以下，电感量的大小会影响其工作频率，本方案的电感设计在68uH以上，这样系统工作频率可以控制到1MHz以下。电感量小了，工作频率趋高，由于PT4115内部电流检测电路响应速度限制，对内部电流正常检测出现影响，不能更好地实现对内部开关的导通/关断控制。另外由于高频率会带来较大的开关损耗，使芯片运行在较高的结温下，电应力加大，不利于稳定工作。电感量太小还会导致PT4115的SW端烧坏，而无输出。电感的DCR越小，效率越高。建议选用EPC13锰锌4000磁芯。 电感器的饱和电流选小了，D5肖特基二极管的电流选小了，将会导致整个电路的续流不足，LED光源会产生人眼可见的闪光。将电感器的饱和电流和肖特基二极管的电流适当增大即可增大整个电路的续流电流，消除因此产生的闪光。 （2）适配器的选择： 适配器为本方案LED台灯提供稳定的交流电源-交直流降压变换，它的实时带载输出能力将影响本方案LED台灯的性能，用于本方案小功率白光LED台灯的适配器，它在带载时输出电流应大于1A，电压应稳定在DC12V。有些带载能力差的适配器，连接上本方案LED光源负载时，其实时输出电压会跌落到7V，甚至6.5V，对于工作电压从8V开始的LED驱动IC，届时会进入欠压保护状态而停止工作，一旦驱动IC停止工作，电压又回升至12V，LED驱动IC再次进入工作状态，如此周而复始，使LED台灯出现人眼可见的闪光。此时，只有更换带载能力好的适配器才能使LED台灯正常工作。同时应选用工作电压范围自6V初始的LED驱动IC，也可降低对适配器的选择要求，以降低生产配套成本。 （3）EMI的传导与辐射： 本LED台灯方案总体设计时要考虑能过EMI的传导与辐射，过EMI的传导与辐射的关键是电源变换器，因此要选用能过EMI。恒流源电源板因使用的驱动IC是DC/DC开关器件，工作时开关频率会产生辐射，因此内置在台灯底座金属壳内可有效降低辐射，机械结构设计时应考虑金属底座内的磁路屏蔽。3.1.3 LED光源的设计本设计LED光源采用5*6混联方式，共由30只高亮度小功率LED灯珠组成,如图3-3所示；每只LED灯珠的压降约3.1V，工作电流约20mA。由白光LED的正向伏安特性可知，当LED 端电压超过其正向导通电压后，较小的电压波动都会导致工作电流的的剧烈变化，从而影响LED的正常使用，故LED宜采用恒流驱动方式。因此，本设计LED采用高性能PT4115 恒流芯片驱动，PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源芯片，能将直流电压直接转换成稳定的恒流输出；其采用630V宽电压输入，输出电流可达1.2A，转换效率高达97，输出电流精度达5。该芯片内部含有抖频特性，极大的改善EMI，同时具有过温、过压、过流、LED开路保护等多种功能。该芯片适合用于绿色照明LED灯的驱动电路，具有应用电路非常简洁的优点。图3-3 LED光源实物图3.2 单片机外围电路模块3.2.1单片机总控制电路图3-4 STC89C52单片机总控制电路STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦出只读存储器(FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。3.2.2时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3-5(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图3-5（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。（a） 内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图3-5时钟电路3.2.3 STC89C52具体介绍 主电源引脚（2根）：VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源；GND(Pin20)：接地线。外接晶振引脚（2根）：XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端；XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端。控制引脚（4根）：RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位；ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号；PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号；EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚（32根）：STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7；P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7；P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7； P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.7。STC89C52主要功能如下表所示：表3-2 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.3 红外感应模块红外感应模块主要由红热释电红外传感器和菲涅尔透镜及其外电路组成。（1）热释电红外传感器红热释电红外传感器只对波长为10m（人体辐射红外线波长）左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。（2）菲涅尔透镜菲涅尔透镜的利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到得红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入。菲涅尔透镜的作用有两个：一是聚焦作用。而是将探测区域内分为若干明区和暗区，是进入探测区的移动物体能以温度变化的形式产生变化的信号。图3-5 模块外接示意图图3-6 直流负载示意图图3-7 交流负载示意图3.4 手动调节光强模块在智能模式下，台灯能根据外界的光照强度自行调节台灯的亮度，使用户始终能有一个合适的光照环境；如果用户不需要自动调光，可以用旋钮来进行手动调光，或者使用无线遥控进行调光，可以根据用户自身的需要来控制台灯的亮度。通过测量电位器两端的电压值，经AD转换后得出的数值来改变单片机的PWM的占空比，实现手动调光。如下图所示，通过调节S1增加光强，调节S2减小光强。图3-8 手动调节光强模块电路图4 系统软件电路设计4.1 PWM调光PWM 脉冲信号则由单片机P1.0 产生，其高低电平决定LED的通断状态。将定时器T0溢出中断定为1/2500秒(即400S)，每10 次脉冲作为一个周期，即频率为250HZ。这样，在每1/250 秒的方波周期中，通过改变方波的输出占空比，从而实现LED灯的10 级亮度调节，即LED 亮度等级由每个周期内的高电平脉冲数目决定。当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/10，亮度最低；当高电平脉冲为10时，占空比为1，LED亮度最高。程序见附录：sbit PWM_ctrl = P10; /设置PWM输出端口为P10端口sbit P1_1 = P11; 图4-1 PWM调光原理图4.2 人体红外感应人体红外感应要满足两个条件：有人在使用台灯范围内活动；外界环境的光照强度较弱。当有人在台灯上的热释电红外的探测范围内活动并且环境光强较弱时，台灯逐渐点亮；或者用户可以无线遥控点亮台灯。当人离开后，延时一段时间后台灯渐渐熄灭。人体红外感应由单片机P1.1产生，程序见附录。检测到有人：LED_infrared = 0; /红外检测指示灯亮ET1 = 1; /开定时器1中断if(!add) /检测到按键输入（增加光强）PWM_add(); /增加光强if(!minus)&infrared) /检测到按键输入（减弱光强）PWM_minus(); /减弱光强else /检测到没人LED_infrared = 1; /红外检测指示灯灭ET1 = 0; /关定时器1中断PWM_ctrl = 0; /PWM占空比输出为0%4.3 手动调节光强利用PWM波进行手动调光，其主要代码如下：if(!add) /检测到按键输入（增加光强）PWM_add(); /增加光强if(!minus)&infrared) /检测到按键输入（减弱光强）PWM_minus(); /减弱光强5 总结LED被认为是21世纪的照明光源。随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED光效的提高，用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达8090%，并且传统的台灯中的光源使用的是交流电，所以每秒会产生100120次得频闪。LED灯是把交流电直接转换为直流点，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。在本次课程设计中，我们组四人分工合作，分成资料搜集、元件采购、硬件设计、软件设计、论文完成等几个方面的工作。在整个设计制作过程中，我们，积极讨论设计方案，通力合作，完成了本次的电子技术课程设计。本次课程设计这是一个自主学习的过程，我们也在此过程中学到了许多知识，对单片机也有了较深入的了解，对我们能力的提高有很大的帮助。虽然项目达到了初定的目标，但我们同时还提出了其他的设想，如蜂鸣器报警（提醒坐姿不正的人）以及液晶显示模块（显示时间）人体追踪（即台灯跟着人体的活动而自动调整照明方向）等设想，但由于时间关系，只能作为本项目的扩展功能，以对设计进行进一步的完善。参考文献【1】谢自美. 电子线路设计-实验-测试M .武汉:华中科技大学出版社, 2000【2】周志敏 纪爱华 集成稳压电源电路图集M.北京：中国电力出版社,2007【3】余永全.单片机在控制系统中的应用M.电子工业出版社,2003【4】林雪梅. 热释电红外传感器及其应用J.甘肃科技纵横,2005.（01）附录附录1：主要程序代码：#include reg51.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit LED_infrared = P34; /设置红外检测指示灯为P34端口sbit LED_status = P35; /设置系统工作指示灯为P35端口sbit PWM_ctrl = P10; /设置PWM输出端口为P10端口sbit P1_1 = P11; sbit add = P12; /设置按键检测输入端口（增加光强）为P12端口sbit minus = P13; /设置按键检测输入端口（减弱光强）为P12端口uchar infrared;uint HighTime = 65535; /设置初始占空比为0%uint LowTime = 56535;uchar flag = 0; /设置标志位void init_sys() /系统初始化函数PWM_ctrl = 1;LED_status = 1;LED_infrared = 1;infrared=0;void init_timer1() /定时器1初始化函数TMOD = 0x10;TH1 = HighTime8;TL1 = HighTime;EA = 1;ET1 = 1;TR1 = 1;void PWM_add() / PWM占空比增加函数if(LowTime65535)HighTime = HighTime-1000;LowTime = LowTime+1000;void PWM_minus() /PWM占空比减小函数if(HighTime8;TL1 = HighTime;PWM_ctrl = 0;elseTH1 = LowTime8;TL1 = LowTime;PWM_ctrl = 1;TR1 = 1;void delay(uint n) / 延时函数uchar i;while(n-)i=10