电子课程设计论文 LED智能台灯

1、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

2、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. 43.1 电源模块.43.1.1 led 光

3、源驱动电路.43.1.2 元器件选择. 53.1.3 led 光源的设计. .73.2 单片机外围电路模块.83.2.1 单片机总控制电路.83.2.2 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.124 系统软件电路设计.144.1 pwm 调光.144.2 人体红外感应144.3 手动调节光强.155 总结 .1 6参考文献 .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

4、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,

5、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% o

6、f 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 driv

7、er 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; inductive1 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

8、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 kw?h) 。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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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rs表 3-1关键元器件的选择精度大于 1%100uf （工作电压50v），比如要输出 350ma，则 =0.1/0.35=0，2857输出电流小于 400macin 100uf （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ss14d ss24输出电流小于 400ma输出电流大于 400ma导通压低

16、于 0.30v 的肖特基二极管，可以提高系统效率；33-47uh （饱和电流1.8a）47-68uh （饱和电流1.2a）l 68-100uh （饱和电流0.6a）输出电流在 800ma 到 1200ma输出电流在 400ma 到 800ma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 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。管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

17、，；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

18、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

19、 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

20、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

21、 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

22、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

23、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

24、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

25、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1 主电源引脚（2 根）：vcc(pin40)：电源输入，接5v 电源； gnd(pin20)：接地线。1 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。2 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

26、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。3 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

27、.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32 个双向 i/o 口3 个 16 位可编程定时/计数器中断 2 个串行中断8k 可反复擦写 flash rom 256x8bit 内部 ram时钟频率 0-24mhz可编程 uart 串行通道2 个外部中断源2 个读写中断口线低功耗空闲和掉电模式共 6 个中断源3 级加密位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

28、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

29、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，

30、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

31、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

32、（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

33、 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

34、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,200

35、3【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

36、 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;/pwm 输出函数tl1 = lowtime;pwm_ctrl = 1;tr1 = 1;void delay(uint n) /