伦炳坤(LED简易节能触屏台灯设计方案)

东莞理工学院城市学院

设计报告

课程名称：PROE课程作品设计

题目：LED简易节能触屏台灯

专业班级：11机电一班

学生姓名：伦炳坤

学生学号：201843601128

日期：2018年6月15日

指导教师：殷素峰

具体设计任务如下：

目录

摘要 (2)

1 绪论 (2)

1.1系统设计的目

的 (3)

1.2LED智能台灯特

性 (3)

1.3 系统设计的内容 (5)

2 系统的可行性分析 (6)

3 系统硬件电路设计 (7)

3.1 电源模块 (7)

3.1.1 LED光源驱动电路 (8)

3.1.2 元器件选择 (8)

3.1.3 LED光源的设计……………………………………..………………………….…… .10

3.2 单片机外围电路模块 (12)

3.2.1单片机总控制电路 (12)

3.2.2 STC89C52具体介绍 (12)

3.3 手动调节光强模块 (13)

4 LED简易节能触屏台灯外观 (14)

4.1 灯罩和支杆采用进口铝合金 (14)

4.2 四脚底座 (15)

4.3.1 简易折叠 (15)

4.3.2 灯罩旋转 (17)

4.4 智能面板触摸滑动调光 (17)

5总结 (18)

参考文献 (18)

摘要

本工程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。该台灯具有触屏开、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：简易节能台灯；LED驱动；PWM调光；触屏开关

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LED简易节能触屏台灯方案。

1.2 LED智能台灯功能和指标

1、低功耗LED光源：本系统采用24个5mm草帽型LED作为光源，最高功率为10W。而市场上多数台灯的光源功率一般都在50W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、触屏感应开关：台灯的底座有一共有9个梯度的触摸按钮。其中，中间的为关闭按钮，如果我们想打开左边或者右边的灯，只有用手指一直沿着这触摸按钮移动过去，灯就会越来越亮，越往后，灯就会越亮，这样就能调节台灯的亮度了，而且可以分开来调节左右两边的亮度。

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：10W

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：180mm*400mm*330mm

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。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）触屏感应模块

智能面板，触摸滑动调光。

<4）LED贴片

在功率更小的情况下提供更强的照度。本台灯能在7W功率的工作环境下提供照度能达950lux的照度。

（5）LED面光源

LED面光源，采用导光板和镜面反射。能恒定直流供电。源源不断的稳定光源，无频闪，不刺激眼球。而且更能做到节约能源，防止光源向其他方向照射。

（6）铝合金灯罩

因为LED台灯会产生大量的热，使温度上升，会减少台灯的寿命。我们采用铝合金打造的灯罩，能有卓越的散热效果，美观实用性和抗强压。

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。

传统的大功率的台灯体积比较大，在一个小小的书桌上占的位置比较大，而且也比较中，不方便移动。而且台灯的光源照射方向和高度也是固定的，不能调节的，这样会带来许许多多的不便之处，而且还很容易减低学习效率和伤害眼睛。

因此，我们提出简易节能触屏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： (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0.25Ω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

，比如要输出

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

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光源导光板的设计

本设计LED光源采用3*4混联方式，台灯的左右2个光源个12个灯珠，共由24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。利用导光板光学级的压克力/PC板材，然后用具有极高反射率且不吸光的高科技材料，在光学级的压克力板材底面用UV网版印刷技术印上导光点。利用光学级压克力板材吸取从灯发出来的光在光学级压克力板材表面的停留，当光线射到各个导光点时，反射光会往各个角度扩散，然后破坏反射条件由导光板正面射出。通过各种疏密、大小不一的导光点，可使导光板均匀发光。反射片的用途在于将底面露出的光反射回导光板中，用来提高光的使用效率。

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 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

P1口

P2口

P3口

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 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

4LED简易节能触屏台灯外观

4.1 灯罩和支杆采用进口铝合金<蓝色部分）

①由于LED灯会产生大量的热，所以一点需要一个理想的散热装置。散热性取决于金属的导热性,由金属的导热系数决定.导热系数越大散热性越好。根据《铝加工技术实用手册》1100铝合金为222，3003铝合金为193。铝合金的高效导热性，是保持良好散热功能的决定因素和热能转换的最理想介质。

②采用铝合金还使台灯的外观更加美观，而且密度小铝及铝合金的密度接近2.7g/,约为铁或铜的1/3。所以可以减少台灯的重量，使台灯更加轻便。

图4-1 LED灯罩和支杆

4.2 四脚底座

底座的四个脚采用软塑胶制成。塑胶原料:是由高分子合成树脂(聚合物>为主要成份渗入各种辅助料或添加剂,在特定温度,压力下具有可塑性和流动性，可被模塑成一定形状,且在一定条件下保持形状不变的材料.聚合物:指聚合过程所产生的纯材料或称聚合材料。无论天然树脂还是合成树脂均属高分子合聚物,简称高聚物。塑胶对电,热,声具有良好绝缘性:电绝缘性，耐电弧性，保温，隔声，吸音，吸振，消声性能卓越。塑胶最重要的一个特点是能增强摩擦力，就算台灯比较轻，也可以使台灯较好地固定在桌面上。

图4-1 LED灯罩和支杆

4.3 折叠与旋转装置

4.3.1 简易折叠

由于有了这个旋转装置，支杆与底座可以自由旋转150度，支杆与灯罩支架可以自由旋转135度。因此，我们使用台灯的时候可以前后调节光的照射角度，使我们使用起来更加方便。当我们不使用台灯时，我们可以将台灯的灯罩支架收回来，节省空间。

图4-2 -1 LED旋转装置

图4-2-2 收缩后的台灯

4.3.2 灯罩旋转

灯罩能绕着灯罩支架旋转180度，可以左右的调节光的照射角度。因为可以旋转得大于90度，所以一个台灯可以同时供2个人用。

如果使用者觉得台灯的一半的照度无法达到其需求，该设计还可以把两边的光源照射到同一个方向，加强该方向的照度。因为有了这个功能，该台灯可以应用到许多

方面，比如金饰店，课室，办公室等等。

图4-3 LED旋转灯罩

4.4 智能面板触摸滑动调光

面板上总共有9个触摸按钮，中间那个是关闭按钮。如果我们先打开左边的灯源，一开始就触摸中间的按钮，然后沿着按钮一直向左滑动，越往后滑动，灯的照度越大。右边同样的道理。该触摸面板是左右两边是分别控制左右两边的灯源，达到了智能和节能的效果。普通的台灯只是用呆板的按钮或旋钮，缺乏新鲜的科技感，不符合现阶段的科技发展。