LED智能台灯设计.docx
《LED智能台灯设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED智能台灯设计.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
LED智能台灯设计
毕业设计
中图分类号：
LED智能台灯的设计
专业名称：
应用电子技术
学生姓名：
王子龙
导师姓名：
王春霞
职称：
讲师
焦作大学机电工程学院
2012年12月
中图分类号：
密级：
UDC：
单位代码：
11522
LED智能台灯的设计
LEDthedesignofintelligentlamp
姓 名
王子龙
学 制
3年
专业
应用电子技术
研究方向
电子技术
导 师
王春霞
职 称
讲师
论文提交日期
2012.12.27
论文答辩日期
2013.1.4
焦作大学机电工程学院
摘要
我这个设计针对台灯的节电性和使用的方便性两个方面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种功能的实用型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，控制性能简单好用、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；红外感应
Abstract
Ithisdesignaccordingtothedesklampofpowersavingsexandeaseofusetwoaspectsofinnovativedesignandresearch,basedonthesinglechipcomputerasthecore,theintegrateduseofpyroelectricinfrared,lightdetectiontechnology,designavarietyoffunctionsofintelligentpracticalLEDdesklamp.Thisdesklampcanautomaticallyopenandclose,multistagedimming,andotherfunctions,realizethedesklamppowerconditionandbrightnesscontrolofintelligentcontrol.Andtotheselectionoflightsource,wechoosethe5mmstrawhattypeLEDaslightsource.LEDluminousdeviceiscoldlightsource,highefficiency,lowvoltageoperation,andlowenergyconsumption,thecontrolperformanceissimpletouse,noradiation.LEDlifecanreach100000hours,itis10timesoffluorescentlamp,incandescentlamp100times.Withtheenergyshortage,electricitypriceismoreandmorehigh,environmentalprotectionrequirementsandLEDtheimprovementofefficiency,LEDlampreplacementnowcommonuseincandescentlamporfluorescentlamp,environmentalprotectionfreefromcontamination.
Keywords：
intelligentdesklamp;LEDdrive;PWMdimming;Infraredinduction.
目录
引言III
第一章LED智能台灯的设计思路1
1.1LED智能台灯功能和指标1
1.2台灯的设计内容1
第二章智能台灯系统电路的设计3
2.1.总体电路图3
2.2系统电路的设计4
2.3光源驱动电路4
第三章单元电路的设计及仿真6
3.189C51单片机6
3.1.1结构特点6
3.1.289C51单片机的主要特性6
3.1.3AT89C51单片机的管脚说明7
3.2传感器及信号处理电路9
3.2.2光敏电阻10
3.4灯光控制电路11
3.5人体红外感应12
3.6手动调节光强12
第四章硬件的选用14
4.1LED智能台灯元器件的选择14
4.1.1电感的选择：
15
4.1.2适配器的选择：
15
总结17
参考文献18
附录19
致谢23
引言
现在台灯已是千家万户的书房或者书桌必备电器，很多人平时出门会忘关灯引起巨大的资源浪费。
在我们国家，照明耗电占年发电总量的16%（超过100多亿kW•h）。
目前市场上的台灯基本上都是采用普通的荧光灯、节能灯、白炽灯或螺旋节能灯，一般都是采用的控制方式是手动开关，不能调节灯光的亮暗强弱，更不能自动调节。
随着人们认识到全球的资源开始慢慢紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高，LED替代目前台灯用的白炽灯或荧光灯，更加环保无污染。
LED的光谱几乎全部集中在可见光频段，LED发光效率高达80～90%，传统的台灯使用的是交流电，所以每秒钟会产生100－120次的频率闪烁。
LED灯是把交流电直接转换为直流电，不会有闪烁现象，可以起到保护眼睛和获得“柔和”的灯光的健康性。
现在中国30%左右的人有不同程度的视力，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70%左右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。
因此，我想设计一款智能LED台灯。
第一章LED智能台灯的设计思路
1.1LED智能台灯功能和指标
1、低功耗LED光源：
现在市场上很多台灯的光源功率一般都在10W左右。
我的这个设计采用19个5mm草帽型LED作为光源，最高功率为1.15W左右。
所以说，我这个设计比现在市场上的台灯要节能许多。
2、LED的使用寿命：
大家都知道LED是无灯丝、无玻璃泡、不怕震动、不易破碎的半导体发光体，一般使用寿命可达10万小时，远远超过普通光源寿命。
3、健康光源：
LED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。
采用直流供电，没有普通光源因交流电引起的频闪。
4、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，在人靠近台灯的一定范围内自动打开光源。
使用人员离开台灯较远时，此台灯在一定时间内感应不到人体红外时会自动断电关闭光源。
本设计可以手动调节红外感应器件的感应距离和延时时间。
5、手动的PWM调光：
可以根据自己使用台灯的环境通过点触式按键对光源强度进行调节。
6、台灯的各个工作指标：
工作电压：
220V市电
工作电流：
60mA~100mA
最大功率：
1.2W
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：
a：
100mm、b：
100mm、h：
300mm
1.2台灯的设计内容
此LED智能台灯的系统主要包括四个模块：
（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，使用桥式整流和电容对其进行整流滤波，得到相对稳定在15V左右。
然后用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89C51单片机实现对PWM调光以及红外检测模块的控制。
主要包括单片机电源电路部分、外围晶振部分、复位电路部分和串口部分。
串口可以实现对系统程序的实时升级及修改。
（3）红外检测模块
在这里采用热释电红外检测模块来检测是否有人靠近台灯，若有人进入红外检测模块的检测范围，则自动开启光源，若使用人员离开此台灯较远距离一段时间，红外检测模块则检测不到人，此时台灯就会自动熄灭。
（4）手动PWM调光模块
光源光强的调节是通过两个点触式按钮开关来实现。
如果按下减弱开关按钮时，单片机会检测到低电平，将PWM波得占空比减少，这样光强变弱。
如果按下增强开关按钮时，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。
第二章智能台灯系统电路的设计
2.1.总体电路图
整个系统是以80C51控制下工作的。
其工作过程为：
由热释电传感器检测一定范围内是否有人在，当没有人时热释电传感器的2端口不会产生信号，信号处理电路和单片机都不工作。
当有人靠近时，端口2发出变化缓慢、幅值小（小于1mv）的信号，该信号经过信号处理电路把不规则的波形转化成适合单片机处理的数字信号并通过INT1端口输入到单片，在此过程中同时还要通过光敏电阻进行光照强度检测，当环境光比较强时，光敏电阻阻值比较小，端口P3.3电平较低，省去了80C51处理过程。
当环境光比较弱时，光敏电阻阻值变大，端口P3.3电平较高，将此电平送到单片机。
单片机接收到开灯信号后，发出控制信息将台灯点亮，同时通过计时提醒电路开始计时，当计时达到整点是通过扬声器发出鸣响，提醒使用者起身活动。
电路图如图1所示：
图1智能台灯电路原理图
2.2系统电路的设计
图2系统机构图
本系统组成如图2所示，主要由以下几部分组成：
（1）传感器及信号处理电路:
检测人体辐射红外信号及光强信号经过处理后变成可处理的数字信号。
（2）以89C51组成的中央处理单元：
处理信号并发出控制命令。
（3）单片机外围电路模块：
主要包括单片机电源电路部分、外围晶振部分、复位电路部分和串口部分。
串口可以实现对系统程序的实时升级及修改。
2.3光源驱动电路
图3PT4115LED光源驱动电路
PT4115芯片上的DIM端，用来进行模拟或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。
第三章单元电路的设计及仿真
3.189C51单片机
89C51单片机是整个系统的控制核心，它接受信号并处理后发出控制信息。
3.1.1结构特点
8位CPU；
片内振荡器和时钟电路；
32根I/O线；
外部存贮器寻址范围ROM、RAM64K；
2个16位的定时器/计数器；
5个中断源，两个中断优先级；
全双工串行口；
布尔处理器；
3.1.289C51单片机的主要特性
（1）.与MCS-51兼容
（2）.4K字节可编程闪烁存储器
（3）.寿命：
1000写/擦循环
（4）.数据保留时间：
10年
（5）·全静态工作：
0Hz-24MHz
（6）·三级程序存储器锁定
（7）·128*8位内部RAM
（8）·32可编程I/O线
（9）·两个16位定时器/计数器
（10）·5个中断源
（11）·可编程串行通道
（12）·低功耗的闲置和掉电模式
（13）·片内振荡器和时钟电路
3.1.3AT89C51单片机的管脚说明
AT89C51单片机的管脚图4所示：
图4AT89C51管脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下面所示：
管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2传感器及信号处理电路
电路原理图如图5所示：
图5热释电传感器信号处理电路
本设计采用BISS0001来完成热释电红外传感器输出信号的处理，由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小，不能直接作为灯泡的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。
图5中，热释电传感器的输出信号送入BISS0001的14脚，经内部第一级运算放大器后，由C3耦合从12脚输入至内部第二级运算放大器放大，再经电压比较器构成的鉴幅器处理后，最后从12脚输出信号（V0）送入单片机进行照明控制。
BISS0001的1脚接高电平，使芯片处于可重复触发工作方式，输出V0的延迟时间T1由外部R8和C7的大小调整；触发封锁时间T2由R9和C6的大小调整。
3.2.1热释电红外传感器的组成及工作原理
热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜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”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射（10um左右）的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
3.2.2光敏电阻
简介：
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。
工作原理：
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
3.4灯光控制电路
单片机对光照检测电路和传感器处理电路输出的信号进行检测，输出控制信号由单片机的P2.4输出。
在室内环境光较强或光线弱但室内又无人时，P2.4输出高电平，此时三极管Q1截止，继电器J1不工作，则接在220V上的灯不亮，在室内光照较弱且传感器检测到室内有人时，则P2.4输出低电平，此时三极管Q1导通，继电器J1工作，则220V交流电通过继电器加到灯上，灯泡正常点亮。
电路原理图如图6所示：
图6灯光控制电路原理图
3.5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%
}
3.6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
}
图7手动调节光强模块电路图
第四章硬件的选用
4.1LED智能台灯元器件的选择
表4-1关键元器件的选择
Rs
精度大于1%
，比如要输出350mA，则
=0.1/0.35=0，2857
Cin
100uF（工作电压＞50V）
输出电流小于400mA
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
D
SS14
输出电流小于400mA
SS24
输出电流大于400mA
导通压低于0.
升级会员 