單片機智能臺燈Proteus仿真與hex文件分享

ID:477532 · 發表于 2020-12-2 19:38

制作出來的實物圖如下：

本文介紹了一種基于PWM調光的智能臺燈設計。把單片機技術和PWM調光技術結合起來實現臺燈光強的調節。即在不改變PWM方波周期的前提下，利用單片機控制PWM的占空比，從而來改變電壓的大小實現燈光亮度的調節。并且提供手動控制和自動控制兩種模式，使臺燈應用起來更加人性化。

本設計通過對各模塊的硬件和軟件的設計，基本能夠達到設計要求，滿足人們日常對臺燈的功能使用。

單片機的選擇

方案一：采用DSP作為系統控制器。DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器，是以數字信號來處理大量信息的器件。DSP具有對元件值的容限不敏感，受溫度、環境等外部因素影響小，容易實現集成，可分時復用，共享處理器，方便調整處理器的系數實現自適應，可用于頻率非常低的信號等優點。但DSP硬件電路比較復雜，且價格昂貴，數字系統由耗電的有源器件構成，沒有無源設備可靠。

方案二：采用單片機作為系統控制器。單片機具有可靠性強、性價比搞、電壓低、功耗低等優點得到迅猛發展和大范圍推廣，單片機算術運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現各種邏輯功能，本身帶有定時器、計數器，可以用來定時和計數，并且其功耗低，體積小，計數成熟和成本低等優點。

基于以上分析，擬定方案二，用STC89C52單片機作為控制器。

2.2.2 顯示方案的選擇

目前常見的調光技術主要有：1采用直流電源LED的調光技術。2采用脈寬調制（PWM）來調光。3用可控硅對LED調光。按照常規技術的應用有以下三種方案可供選擇。

方案一：采用直流電源LED的調光技術

如果需要要改變LED的亮度，實現起來相對來說比較容易。發光二極管具有單向導電性是由電流驅動的器件，因為LED的亮度是取決于通過它的電流，在一定范圍內電流越大其亮度越亮，反之則越小。調節LED的亮度只需要調節電流大小，而LED工作電流很小通常需要串接限流電阻，所以當我們改變其限流檢測電阻就能實現改變其電流大小從而改變LED的亮度。但是通常限流檢測電阻阻值非常小，用一個很小阻值的電位器來調節電流，操作起來很難實現電流調節。所以一般不采用調節電阻大小來實現調節電流。因此為了實現電流調節，有些芯片提供一個控制電壓接口，通過改變輸入的控制電壓就可以改變其輸出恒流值。這樣實現起來就比較容易。然而用調正向電流的方法來調亮度會產生一些問題，那就是在調亮度的同時也會改變它的光譜和色溫。調電流會產生使恒流源無法工作的嚴重問題。長時間工作于低亮度有可能會使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無法工作。調節正向電流無法得到精確調光。

方案二：采用脈寬調制（PWM）來調光

LED是一個發光二極管，它可以快速實現開關。這一特點是其他的發光器件所無法比擬的。因此，我們需要把供電源改成脈沖恒流源，改變電源脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度。種方法稱為脈寬調制（PWM）調光法。假如脈沖的周期為tpwm,脈沖寬度為ton,那么其工作比D（或稱為孔度比）就是ton/tpwm.改變恒流源脈沖的工作比就可以改變LED的亮度。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。脈寬調制調光的優點：1、不會產生任何色譜偏移；2、PWM調光具有極高的調光精確度；3、可以和數字控制技術相結合來進行控制。因為任何數字都可以很容易變換成為一個PWM 信號；4、PWM調光能夠通過軟件的方式比較容易實現，使用范圍廣闊。

方案三：可控硅調光

普通的照明燈具通常采用可控硅來調光，例如白熾燈和鹵素燈。因為他們基本是一個純阻器件，以這樣純阻器件為照明工具的燈光系統對輸入電壓沒有要求，輸入電壓是否是正弦波交流電對其沒有任何影響。通過純阻器件的電流和電壓波形是完全一致的，所以不管電壓波形如何偏離正弦波，所以改變輸入純阻器件電壓的有效值，就可以調光。但是可控硅卻不能對以LED為照明器件的照明系統進行調光。因為LED并不是一個純阻性的器件。

綜述來說LED調光最好采用的技術是PWM調光。采用PWM調光時，可以運用微控系統，例如單片機，通過程序可以預先設置好燈光的亮度等級，然后通過調節等級就能實現對燈光的亮度的調節。PWM調光是可以直接應用于調光型臺燈的。因此最終選擇PWM調光。第3章系統硬件設計

3.1 整體方案設計
3.1.1 系統概述

整個系統以STC89C52單片機為核心器件，配合電阻電容晶振等器件，構成單片機的最小系統。其它個模塊圍繞著單片機最小系統展開。其中包括，照明設備采用USB小燈進行模擬，使得設計在外形上更加美觀，在USB小燈內部，是6顆白色LED燈；光照強度采集模塊，是使用光敏電阻+ADC0832方案；指示燈模塊由一顆綠色的小燈構成，指示燈亮時是自動模式，熄滅時是手動模式；按鍵模塊由3個按鍵組成，包括模式切換按鍵、亮度減少按鍵和亮度增加按鍵；最后是供電采用常用的USB5V進行供電。3.3.3 LED照明電路原理圖

LED燈照明電路如圖3-4所示。本設計采用市面上的一種USB小燈作為照明設備，拆開這個小燈的外殼可以發現，里面其實是6個白色的LED燈串聯了6個電阻。使用該USB小燈，不僅簡化了設計，而且在外形上更加美觀，更接近實際臺燈的外觀。實際電路采用PNP三極管的驅動，三極管型號是S8550，基極串聯一個限流電阻后連到單片機的IO口，發射極接電源，集電極串聯USB小燈后連到電源地。只要單片機該IO口輸出一個低電平信號，即可控制三極管導通，繼而點亮LED燈。3.4 光照強度采集電路

3.4.1光敏電阻概述

光敏電阻器（photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。通常，光敏電阻器都制成薄片結構，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內就激發出電子—空穴對，參與導電，使電路中電流增強。

光敏電阻的重要特性是它的阻值大小隨著環境光的改變而改變，當環境光比較強時，它的阻值減小，相反當環境光較弱時，它的阻值就會增大，這是跟它本身的制作材料有關的。本文的智能節能臺燈設計也是利用了光敏電阻的這一特性，用它來感應環境光的強度。若是環境光較強的時候，比如白天時，光敏電阻的阻值就很小，傳感器信號處理電路會根據它的阻值進行相應的處理；相反當環境光較弱的時候，比如晚上或者陰天時，它的電阻值就會變大，傳感器信號處理電路就會把這些信號經過處理傳到單片機控制電路，從而啟動點亮臺燈。

3.4.2光敏電阻工作原理

用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。在暗環境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產生的電子—空穴對增加了半導體材料中載流子的數目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發產生的電子—空穴對將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。

3.4.3光敏電阻的分類

根據光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器。紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線；紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農業生產中；可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈和其他照明系統的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數器，煙霧報警器，光電跟蹤系統等方面。

3.4.4光敏電阻的主要參數

光敏電阻的主要參數有亮電阻，暗電阻，光電特性光譜特性，頻率特性，溫度特性。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而變大，從而實現光電轉換。沒有極性，純粹是個電阻期間，使用時可加直流也可以加交流。

3.4.5 ADC0832簡介

ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉換時間僅為32μS，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。作為單通道模擬信號輸入時ADC0832的輸入電壓是0~5V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設定在某一個較大范圍之內，從而提高轉換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉換后的數據結果始終為00H。

3.4.6 光照強度采集電路

本設計的臺燈有自動調節亮度的功能，因此必須采集環境中的光照強度，以便進行臺燈亮度的計算和控制。光照強度采集使用的方案是光敏電阻，由于光敏電阻采集到的是光照強度的模擬量，因此使用ADC0832將光照模擬量轉為數字量再傳給單片機進行處理。該模塊的電路圖如圖3-5所示。

3.5 紅外感應電路

光電傳感器E18-D80NK-N這是一種集發射與接收于一體的光電傳感器，發射光經過調制后發出，接收頭對反射光進行解調輸出。有效的避免了可見光的干擾。透鏡的使用，也使得這款傳感器最遠可以檢測80厘米距離的問題（由于紅外光的特性，不同顏色的物體，能探測的最大距離也有不同；白色物體最遠，黑色物體最近）。

檢測障礙物的距離可以根據要求通過尾部的電位器旋鈕進行調節。

該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。

該紅外傳感器是個NPN 型光電開關，其輸出狀態是0,1，即數字電路中的高電平和低電平。在檢測到目標是低電平輸出，正常狀態是高電平輸出，輸出時外加一個上拉電阻即可連接到IO口上。其上拉電阻阻值一般在1K 左右。

3.6 按鍵輸入模塊

鍵盤是人與單片機打交道的主要設備。站在系統監控軟件設計的立場上來看，僅僅完成鍵盤掃描，讀取當前時刻的鍵盤狀態是不夠的，還有不少問題需要妥善解決，否則，人們在操作鍵盤就容易引起誤操作和操作失控現象。在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤。它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節省端口資源上有優勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。其次就是消除在按鍵過程中產生的“毛刺”現象。這里采用最常用的方法，即延時重復掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間,所以當單片機檢測到有按鍵動靜后再延時一段時間后再判斷此電平是否保持原狀態,如果是則為有效按鍵，否則無效。

本設計中由于采用的按鍵數量較少，只有3個按鍵，分別是“模式切換按鍵”、“亮度減少按鍵”和“亮度增加按鍵”，故采用了獨立鍵盤的方式。按鍵的連接

仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）

仿真工程與hex文件分享(源碼暫時不分享)：

仿真.rar (57.5 KB, 下載次數: 104)

ID:488191 · 發表于 2020-12-23 22:50

有51代碼嗎

ID:1109254 · 發表于 2024-1-24 21:43

思路明確，目地性很專業。謝謝提供的思路！

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