基于PWM调光的多功能LED台灯设计

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0.25 Ω 电阻。
　　L1 为镇流电感，选取68μ H，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400μ S），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 4 PWM 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。