基于PWM调光的多功能LED台灯设计方案

0引言

随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是19%,我国也达到12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。LED作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源。基于白光LED的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来，并符合当前政府提出的建设资源节约型和环境友好型社会的要求。可以预见不久的将来，LED必然会进入普通照明领域取代现有的照明光源。

目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的台灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；而且部分台灯产品功能单一，缺少亮度调节、时钟日历、温度显示等功能，无法适应现代家庭生活的实际需求。为解决当前问题，本文设计了以AT89S51单片机为核心的多功能白光LED台灯系统，采用PT4115大功率LED恒流驱动方案，可实现对LED台灯的PWM调光控制；同时兼有时钟日历、声光闹钟、温度检测、液晶显示等多项功能。在实现高效节能的同时，为家庭使用提供了极大的便捷。

1系统硬件电路设计

该多功能LED台灯系统采用20只5mm高亮白光LED灯珠为光源，以AT89S51单片机为主控芯片，由LED恒流驱动系统、时钟系统、测温系统、液晶显示系统、蜂鸣系统、按键系统组成。系统结构框图如图1所示。

该系统可具体实现LED台灯的10级PWM调光控制；液晶屏实时显示时钟、日历与环境温度信息；闹钟功能采用声光报警方式，即一旦到达闹钟时间，LED台灯自动点亮，并发出蜂鸣声报警，以唤醒用户；用户可通过按键系统实现对时钟日历与闹钟参数的设置、LED亮度的调节以及闹钟报警的解除。

图1系统结构框图

1.1单片机主控系统

本设计主控系统采用ATMEL公司的高性能AT89S51芯片实现，其P0口外接10K的上拉电阻，P0.0~P0.7同时作为DS12C887的数据接口与液晶1602的数据接口。P2.0~P2.3分别连接DS12C887芯片的片选端CS、地址选通输入端AS、数据选择端DS与读/写输入端R/W,P3.2连接其闹钟中断请求输出端IRQ.P2.5~P2.7分别连接液晶1602的使能端EN、数据/命令选择端RS、读/写选择端RW.P2.4作为蜂鸣器控制端。P3.0作为DS18B20的信号输入端。P3.1、P3.4、P3.5、P3.6与P3.7作为S2~S6按键系统。P1.1作为PWM信号的输出端并连接PT4115芯片DIM端，用于PWM调光控制。系统晶振电路由12MHZ晶振与两个30PF电容组成；复位电路则由S1按键、10K电阻与10uF电解电容构成。主控系统电路如图2所示。

图2单片机主控系统电路图

1.2恒流驱动系统

本设计LED光源采用相互并联方式，共由20只5mm高亮度小功率LED灯珠组成；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，固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6~30V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。LED恒流驱动电路如图3所示。

图3LED恒流驱动系统电路图

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：

IOUT=（0.1×D）/Rs（D为方波信号占空比，Rs为限流电阻。

本设计LED光源采用20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IOUT应为400mA,因此Rs选取0.25Ω电阻。

L1为镇流电感，选取68μH,用于稳定通过LED的电流。D1是续流二极管，当芯片内部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.

PWM脉冲信号则由单片机P1.1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400μS），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，其调光原理如图4所示；当高电平脉冲为10时，占空比为1,LED亮度最高。

图4PWM调光原理图

1.3时钟系统

时钟系统采用高性能的DS12C887时钟芯片，该芯片功能丰富，使用简单，是一款高精度实时时钟芯片；其可以自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，具有闰年补偿及闹钟（定时）功能，并且内部自带有锂电池，外部掉电时，仍可维持时钟准确，其内部时间信息能够保持10年之久；外部系统断电后，用户无需重新设定时间。

DS12C887时钟芯片有两种总线工作模式，即Motorola和Intel模式。本设计选用Intel模式，即将芯片第一引脚MOT接GND.同时，时钟系统设置为24小时模式，寄存器存储模式选为二进制格式。P0.0~P0.7连接其地址数据复用端口AD0~AD7.P2.0~P2.3分别连接芯片片选端CS、地址选通输入端AS、读/写输入端R/W与数据选择端DS.

P3.2连接中断请求输出端IRQ,用于处理闹钟中断。该时钟接口电路如图5所示。

图5时钟系统电路图

1.4液晶显示系统

显示系统采用1602字符型液晶。该液晶可显示两行，每行显示16个字符；且体积小、能耗低、操作简单；适合于本设计所需数字、英文字母以及特殊符号的显示要求。通过单片机控制1602液晶实现首行年、月、日、星期显示，第二行时、分、秒以及环境温度显示。

本系统1602液晶采用并行操作方式，P0.0~P0.7通过借助10K的上拉电阻连接其数据端口DB0~DB7,P0口同时也连接着DS12C887的数据地址端口，由于各自片选信号不同，选中时操作对应芯片将不会造成操作冲突。P2.5~P2.6分别连接1602液晶的使能端E、读/写选择端RW、数据/命令选择端RS.第3引脚为液晶显示对比度调节端，通过10K滑动变阻器接地，用于调节液晶的显示亮度。第15管脚背光源正极BLA通过10欧电阻接地，第16管脚背光源负极BLK接地。该液晶接口电路如图6所示。

图6液晶系统电路图

1.5温度检测系统

温度检测系统选用DALLAS公司一线总线接口的数字温度传感器DS18B20,该传感器具有微型化、低功耗、高性能等优点，可直接将温度转化成串行数字信号处理，测温范围为-55~125℃，最高分辨率可达0.0625℃。DS18B20共有三个引脚电源正VCC、电源负GND和信号输入输出口DQ.R3为4.7K的上拉电阻，用于保证单片机与DS18B20通讯时高低电平准确的被单片机机和DS18B20识别。单片机P3.0口通过R3连接DQ端口实现温度数据的采集处理，并通过液晶屏实时显示。温度检测电路如图7所示。

图7温度检测电路图

1.6蜂鸣系统

蜂鸣系统用于产生闹钟报警声以及按键提示音。由单片机P2.4口控制PNP三极管9012的通断实现对蜂鸣器声音控制；通过延迟函数实现蜂鸣报警声的长短音控制，长音''滴''用于闹钟铃声，短音''滴''用于按键提示音。蜂鸣系统电路如图8所示。

图8蜂鸣系统电路图

1.7按键系统

按键控制系统由S2~S5五个按键组成，分别为S2时间设置键、S3数值增大键、S4数值减小键、S5闹钟设置键以及S6亮度调节键。S2用于选择需要调整的时间日历以及闹钟参数，并作为时间日历参数的存储确认键。S3与S4用于调整被选参数值的大小。S5用于闹钟查看与存储确认键。S6用于LED灯光10级亮度的调节键。按键系统电路如图9所示。

图9按键系统电路图

1.8电源系统

本系统设计最大功率约1.6W,可采用电池或稳压电源多种方式供电。由于系统光源采用20只LED灯珠并联组成，所以LED恒流驱动芯片PT4115供电电源在6~30V电压范围内均可使LED灯正常使用。但单片机供电系统采用三端稳压芯片7805,该线性稳压芯片正常工作输入电压与输出电压差值应至少高于2V,若差值过大会增加额外功耗。因此，本系统宜选用2节4.2V锂电池或9V的稳压电源方式供电。同时，本文LED恒流驱动系统设计简洁灵活，可根据用户需求适当调整驱动电路参数，即可扩展LED照明功率，最大可至10W左右。

2系统软件设计

该系统控制程序主要包含系统初始化程序、实时时钟芯片处理程序、温度传感器芯片处理程序、液晶显示程序、键盘检测与处理程序、闹钟中断以及定时器产生PWM程序构成。

2.1系统主程序

系统主程序主要包括系统初始化程序（包括I/O口初始化、DS12C887时钟芯片初始化、液晶1602的初始化、外部中断0与定时器T0设置）、按键检测和处理程序、时钟数据的读取与处理程序、温度数据的读取与处理程序、液晶显示程序、闹钟报警的判断和处理程序、PWM调光处理程序等。程序中设置闹钟标志位Flag_ri,一旦闹钟时间到达，时钟芯片IRQ引脚触发外部中断0,进入中断程序则置Flag_ri=1,用于主程序中闹钟报警的判断与处理。

系统主程序流程图如图10所示。

图10主程序流程图

2.2按键检测和处理程序

按键控制系统由S2~S6五个按键组成，分别为S2时间设置键、S3数值增大键、S4数值减小键、S5闹钟设置键以及S6亮度调节键。S2用于选择需要调整的时钟以及闹钟参数，根据S2按下次数，依次选择秒、分、时、星期、日、月、年，液晶屏上被选参数下方以光标闪烁状态提示，再通过按下S3或S4调整被选参数值的大小，S2按下累积8次时，则退出选择功能并保存当前数据至时钟芯片。S5用于闹钟时间的查看与设置；首次按下S5,1602液晶屏第二行显示已设置的闹钟时间；可通过S2、S3与S4重新设置闹钟时间；再次按下，则退出闹钟查看功能并保存当前设置的闹钟参数至时钟芯片。同时，S3与S4还可独立作为闹钟产生时的取消键与LED灯光的关闭键。S6实现LED灯光亮度的10级调节，每按一次，LED亮度增大一级；当达到亮度最大时，再次按下则关闭LED灯光。每次有按键按下，蜂鸣器都以短''滴''声提示。按键检测与处理流程图如图11所示。

图11按键检测与处理流程图

2.3闹钟中断程序

系统到达设置的闹钟时间，DS12C887时钟芯片IRQ引脚输出由高电平变为低电平，作为单片机P3.2口INT0中断的申请输入，并可通过读取DS12C887芯片的C寄存器来清除IRQ引脚输出。因此，将外部中断INT0设置为负跳变沿触发中断，并设置闹钟标志位Flag_ri,闹钟时刻到达时设置Flag_ri=1,用于主程序中的闹钟报警处理。闹钟中断程序如图12所示。

图12闹钟中断流程图

2.4定时器中断程序

为产生调节LED灯光亮度的PWM信号，定时器T0设置为工作方式0,即13位计数器定时，最多装载数值为213=8192个。因为系统晶振采用12MHz,赋值使TH0=（8192-400）/32与TL0=（8192-400）%32,即可实现400μS的定时中断。10次中断（即4mS）作为一个周期，通过调节每个周期内单片机P1.1（该控制口名称定义为LED_PWM）输出的占空比来产生PWM脉冲信号，以控制PT4115恒流驱动芯片实现LED灯的10级亮度调节。

程序设置对T0中断次数（即定义为T0_num）进行计数，以便判断一个周期到否；同时判断比较高电平脉冲个数（即定义为scale值，由调光键S6按下次数设置）用于实现不同亮度等级的调节。在定时器T0中断服务程序中，首先T0重新装入定时为400μS的初值；定时器中断次数T0_num加1,判断一个方波周期到否，若到达，令T0_num归零，并将P1.1口输出电平置高（即LED_PWM=1）；如果一个方波周期还没到，则与亮度等级scale值作比较，判断高电平脉冲个数scale到否，若到达，令P1.1口输出电平置低（即LED_PWM=0），否则继续保持P1.1口输出高电平（即LED_PWM=1）；而后中断返回，等待下一次定时中断。

这样，P1.1口就产生了所需的PWM调光信号。定时器生成PWM流程图如图13所示。

图13定时器生成PWM流程图

3实验结果

根据以上设计方案，本文制作了该款基于PWM调光的多功能LED台灯。经调试后系统运行稳定可靠，基本可以满足家庭生活的使用要求。系统工作时，最低功率（即LED熄灭状态）为0.28W;最大功率（即LED最高亮度状态）约为1.52W;同时，液晶显示时间、日历与温度数据准确，闹钟功能稳定。实物照片如图14所示。

图14实物照片

4结论

本文多功能LED台灯系统采用AT89S51单片机为控制核心，运用恒流驱动方案与PWM调光技术实现LED台灯的多级调光控制，并兼有时间日历、温度检测、液晶显示以及声光闹钟等功能。该系统具有控制电路简单、亮度调节精确、功能丰富、实用便捷等优点，适合于现代家庭的实际需要。可以预见，随着LED照明技术的不断发展完善，节能高效的LED将在家用照明领域发挥着日益重要的作用。