智能LED台灯设计论文

徐州师范大学物电学院课程设计报告

课程名称：电子技术综合设计

题目： LED智能台灯

专业班级： 08物51班

学生姓名：苗圃

学生学号： 08225034 日期： 2011年6月15日

指导教师：杨增汪

物电学院教务部印制

指导教师签字：

年月日

目录

摘要.......................................................................................................II Abstract...................................................................................................II 1 绪论. (1)

1.1系统设计的目的 (1)

1.2LED智能台灯特性 (1)

1.3 系统设计的内容 (2)

2 系统的可行性分析 (3)

3 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 (5)

3.1.3 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 (9)

3.2.3 STC89C52具体介绍 (10)

3.3 红外感应模块 (11)

3.4 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 (14)

4.3 手动调节光强 (15)

5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 (21)

摘要

本项目针对台灯的节电和使用的方便性进行创新设计与研究，以单片机为核心，综合运用热释电红外、光检测等技术，设计制作出智能型多功能LED台灯。该台灯具有自动开、关，多级调光等功能，实现对台灯用电情况和亮度调节的智能控制。而对光源的选取，我们选用了5mm的草帽型LED作为光源。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。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。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。

关键词：智能台灯；LED驱动；PWM调光；红外感应

Abstract

The project for energy-saving lamp and ease of use for innovative design and research to the microcontroller as the core, the integrated use of pyroelectric infrared ray detection technology, intelligent design a multi-LED lamp. The lamp has an automatic open and close, multi-level dimming and other functions, to achieve the lamp brightness adjustment of electricity consumption and intelligent control. The selection of the light source, we use the hat of a 5mm LED as light sources. LED light-emitting device is a cold light source, high luminous efficiency, low voltage and low energy consumption, control, and no radiation. LED life of up to 100,000 hours, is 10 times the fluorescent, incandescent 100 times. With energy shortages, rising electricity prices, environmental requirements and improve the efficiency of LED light, LED replacement lamps are now commonly used incandescent or fluorescent lamps, environmental pollution.

Keywords：Intelligence desk lamp; LED drive; PWM light; Infrared sensors

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80～90%，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100－120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智能台灯功能和指标

1、低功耗LED光源：本系统采用30个5mm草帽型LED作为光源，最高功率为

1.8W。而市场上多数台灯的光源功率一般都在10W以上。

2、超长寿命光源：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10万小时远远超过普通光源寿命。

3、健康光源：光源发出的光线多集中在可见光区域，光线中含紫外线和红外线少，产生辐射少。而且以直流供电，没有普通光源因为交流电引起的频闪。

4、人体自动红外感应开关：能在一定距离范围内自动感应人体辐射出的红外线，并自动打开光源。当在一定时间内感应不到人体红外时，就自动关闭光源。并且可以手动调节红外感应器件的感应距离和延时时间。

5、多级PWM调光：根据自身需求，可通过点触式按键实现光源强度的多级调节。

6、指标：

工作电压：220V市电

工作电流：60mA~100mA

最大功率：1.8W

感应距离：3~7m

感应延时：15~300s

工作环境温度：0~70℃（单片机工作温度范围）

外形尺寸：185mm*120mm*300mm

1.3 系统设计的内容

本LED智能台灯系统主要包括以下四个模块：

（1）LED光源驱动模块

利用变压器将220V的交流电转化成12V的交流电源，并使用全桥和电容对其进行整流滤波，使其相对稳定在15V左右。然后使用PT4115电源驱动芯片将其转换成稳定的恒流源。

（2）单片机外围电路模块

利用STC89C52单片机实现对PWM调光以及红外检测模块的控制。其包括单片机电源电路部分，外围晶振部分、复位电路部分以及串口部分。串口可以实现对系统程序的实时升级及修改。

（3）人体红外检测模块

利用热释电红外检测模块来检测是否有人靠近台灯，若有人则自动开启光源，当一段时间检测不到人时台灯就会自动熄灭。

（4）手动PWM调光模块

通过两个点触式开关来实现光源光强的调节。当按下减弱开关时，单片机会检测到低电平，并将PWM波得占空比减少，这样光强变弱。当按下增强开关时，单片机会检测到低电平，并将PWM波得占空比增加，这样光强变强。

2 系统的可行性分析

2.1系统设计的意义：

LED作为一种新型光源，具有高效节能、绿色环保、使用寿命长等其他光源无法比拟的优点，代表着未来照明技术的发展方向。本文设计了一种以STC89C52 单片机为核心的家用多功能白光LED台灯系统，采用PT4115LED恒流驱动方案，可实现对LED 台灯的PWM多级调光控制；同时，系统兼有人体红外感应功能，能自动开关光源。本文详细给出系统的硬件与软件设计过程。实验证明，该多功能LED台灯稳定高效，功能丰富，能够满足家庭实际应用的要求。

2.2系统功能设计可行性分析：

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。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80～90%，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100－120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。

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220V交流市电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：

0.1*/out s

I D R = (D 为方波信号占空

比，s R

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

out

I 应为120mA ，因此

s

R 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

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

f

I ，

0.1/s LED

R I =；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D1～D4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3.0V，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。

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

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1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF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

①主电源引脚（2根）：VCC(Pin40)：电源输入，接＋5V电源；GND(Pin20)：接地线。

②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。

③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。

④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。

P0口（Pin39～Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7；

P1口（Pin1～Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7；

P2口（Pin21～Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7；

P3口（Pin10～Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7。

STC89C52主要功能如下表所示：

表3-2 STC89C52主要功能

主要功能特性

3.3 红外感应模块

红热释电红外传感器只对波长为10μm（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。

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

通过两个点触式开关来实现光源光强的调节。当按下减弱开关时，单片机会检测到低电平，并将PWM波得占空比减少，这样光强变弱。当按下增强开关时，单片机会检测到低电平，并将PWM波得占空比增加，这样光强变强。

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；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 = P1^0; //设置PWM输出端口为P1^0端口

sbit P1_1 = P1^1;

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：①有人在使用台灯范围内活动；②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

}

}

检测到没人

else

{

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

}