一種多功能LED臺燈設計方案

　　引言

　　LED(發(fā)光二極管)作為一種新型光源，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命長等其他光源無法比擬的優(yōu)點，代表著未來照明技術(shù)的發(fā)展方向。本文設計了以AT89S51 單片機為核心的多功能白光LED 臺燈系統(tǒng)，采用PT4115 大功率LED 恒流驅(qū)動方案，可實現(xiàn)對LED 臺燈的PWM 調(diào)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(xiàn)高效節(jié)能的同時，為家庭使用提供了極大的便捷。

　　1 系統(tǒng)硬件電路設計

　　該多功能LED臺燈系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、蜂鳴系統(tǒng)、按鍵系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　該系統(tǒng)可具體實現(xiàn)LED 臺燈的10 級PWM 調(diào)光控制;液晶屏實時顯示時鐘、日歷與環(huán)境溫度信息;鬧鐘功能采用聲光報警方式，即一旦到達鬧鐘時間，LED 臺燈自動點亮，并發(fā)出蜂鳴聲報警，以喚醒用戶;用戶可通過按鍵系統(tǒng)實現(xiàn)對時鐘日歷與鬧鐘參數(shù)的設置、LED 亮度的調(diào)節(jié)以及鬧鐘報警的解除。

　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　1.1 單片機主控系統(tǒng)

　　本設計主控系統(tǒng)采用ATMEL 公司的高性能AT89S51 芯片實現(xiàn)，其P0 口外接10K 的上拉電阻，P0.0~P0.7 同時作為DS12C887 的數(shù)據(jù)接口與液晶1602 的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)/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(tǒng)。P1.1 作為PWM 信號的輸出端并連接PT4115 芯片DIM 端，用于PWM 調(diào)光控制。系統(tǒng)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(gòu)成。主控系統(tǒng)電路如圖2 所示。

　　圖2 單片機主控系統(tǒng)電路圖

　　1.2 恒流驅(qū)動系統(tǒng)

　　本設計 L ED 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 端電壓超過其正向?qū)妷汉?，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(qū)動方式。因此，本設計LED 采用高性能PT4115 恒流芯片驅(qū)動，PT4115 是一款連續(xù)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(zhuǎn)換成穩(wěn)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(zhuǎn)換效率高達97%,輸出電流精度達±5%.該芯片內(nèi)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(qū)動電路，具有應用電路非常簡潔的優(yōu)點。LED 恒流驅(qū)動電路如圖3 所示。

　　圖3 LED 恒流驅(qū)動系統(tǒng)電路圖

　　通過 PT4115 芯片上的DIM 端，可以方便的進行模擬或PWM 調(diào)光。由于模擬調(diào)光是直接改變流過LED 電流的大小來實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，除了亮度會改變以外，也會影響白光的質(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(diào)光方案，PWM 調(diào)光的基本原理是保持LED 正向?qū)娏骱愣ǎㄟ^控制電流導通和關(guān)斷的時間比例，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(diào)光的優(yōu)勢是LED 正向?qū)ǖ碾娏魇呛愣ǖ?，LED 的色度就不會像模擬調(diào)光時產(chǎn)生變化。

　　PT4115 恒流驅(qū)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(lián)方式，且每只LED 燈珠額定電流為20mA,則PT4115 恒流驅(qū)動輸出最大電流IOUT 應為400mA,因此Rs 選取0.25 Ω 電阻。

　　L1 為鎮(zhèn)流電感，選取68μ H,用于穩(wěn)定通過LED 的電流。D1 是續(xù)流二極管，當芯片內(nèi)部MOS 管截止狀態(tài)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(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(xiàn)LED 燈的10 級亮度調(diào)節(jié)，即LED 亮度等級由每個周期內(nèi)的高電平脈沖數(shù)目決定。當高電平脈沖個數(shù)為1 時，占空比為1/10,亮度最低，其調(diào)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(diào)光原理圖

1.3 時鐘系統(tǒng)

　　時鐘系統(tǒng)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(chǎn)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(nèi)部自帶有鋰電池，外部掉電時，仍可維持時鐘準確，其內(nèi)部時間信息能夠保持10 年之久;外部系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)電路圖

　　1.4 液晶顯示系統(tǒng)

　　顯示系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)首行年、月、日、星期顯示，第二行時、分、秒以及環(huán)境溫度顯示。

　　本系統(tǒng) 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(shù)據(jù)端口DB0~DB7,P0 口同時也連接著DS12C887 的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)/命令選擇端RS.第3 引腳為液晶顯示對比度調(diào)節(jié)端，通過10K 滑動變阻器接地，用于調(diào)節(jié)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(tǒng)電路圖

　　1.5 溫度檢測系統(tǒng)

　　溫度檢測系統(tǒng)選用DALLAS 公司"一線總線"接口的數(shù)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，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)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(xiàn)溫度數(shù)據(jù)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(tǒng)

　　蜂鳴系統(tǒng)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的通斷實現(xiàn)對蜂鳴器聲音控制;通過延遲函數(shù)實現(xiàn)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(tǒng)電路如圖8 所示。

　　圖8 蜂鳴系統(tǒng)電路