新型便携式多功能LED台灯的设计与实现.pdf

第 期(总第 期)黎明职业大学学报 ()年 月 收稿日期:作者简介:骆妙艺()女 工程师 主要从事集成电路设计、无人机应用技术研究基金项目:福建省中青年教师教育科研项目(科技类)()文章编号:():/新型便携式多功能 台灯的设计与实现骆妙艺 陈建民(黎明职业大学 航空学院 福建 泉州)摘要:提出一款新型便携式多功能 台灯的设计 采用 单片机控制台灯 通过触摸动作无极调节 亮度 支持 与锂电池两种供电方式 达到便携的优势 增加人体感应模块产生语音提示 实现节能与保护眼睛的作用 主要模块有 升压恒流电路模块、触摸调光模块、电池管理模块等 从测试数据可以看出 输入电压 输出电流稳定在 采用 开关电源的结构 使得该台灯的效率较高 在 左右 且输入电压线性调整率很好 达到 关键词:便携式多功能 台灯 单片机 无极调光 人体感应模块中图分类号:文献标识码:随着社会的发展 能源短缺日益凸显 因此“节能”这个主题受到越来越多的关注 在全球耗电量中 照明所耗电量所占比重不容忽视 很多国家开始推广“绿色照明”采用发光二极管 灯照明既能解决照明的效率问题 又能满足绿色环保要求 目前 市面上的台灯具备无极调光、便携、语音、人体感应等功能齐全的比较少见 市面上所使用的 (发光二极管)台灯大多数缺乏智能控制 如不能智能地检测用户是否在使用台灯 造成用电浪费 没有双供电系统无法到达便携的目的 调光方式较为单一 多采用多段式 以及无语言提示 无法增强护眼功能等 刘宏志等所设计的智能 台灯 仅使用红外传感器感应人手红外光的强弱 以控制单片机计算使用时间提醒用户护眼 李从宏等提出用红外遥控技术来控制台灯亮度 李佳译等通过热释电红外传感器和光照强度传感器 实时采集环境数据 从而实现对台灯的自动控制 本文在以上研究的基础上对 台灯智能控制进行了创新 采用无极调光、双供电系统、人体感应、语音提示 以及电路结构中采用开关电源 结构等 设计出一种低成本、便携、智能高效的多功能 台灯 设计的系统方案针对 台灯提出一个新的设计方案 拟实现的功能包括:()采用 单片机控制台灯 通过触摸动作无极调节 亮度()支持 (通用串行总线)与锂电池两种供电方式达到便携的优势()增加人体感应模块产生语音提示 实现节能与保护眼睛的作用(见图)本文设计的便携式多功能 台灯接入 时 既需要给台灯供电 还要通过充电模块给锂电池供电 同时 还设计了一个锂电池保护电路 防止锂电池在充电过程过充或放电过程中过放等情况便携式多功能 台灯还兼具电容式按键触摸调光模块 经 单片机输出 (脉宽调制)信号至 台灯驱动模块的 (使能端)引脚 进而使该信号能调节输出电流 以此来改变第 期骆妙艺 等:新型便携式多功能 台灯的设计与实现 灯的亮度图 便携式多功能 台灯设计的系统原理便携式多功能 台灯可根据用户的操作进行相应的语音提示 如台灯亮度被调至最大时 语音会提示用户“台灯亮度过强 请注意”当台灯亮度被调至最暗时 语音会提示用户“台灯亮度过低”等 另外 本台灯还加装有人体感应模块以检测人体在 台灯前的活动 并将反馈的信号传至 单片机 如果使用时间过长 由单片机向语音模块发出对应的信号 提示用户注意用眼过度问题 或者检测到人长时间不在台灯旁边 自动断电达到节能目的 系统的硬件设计与实现便携式多功能 台灯的硬件部分主要包括:灯源以及灯的驱动电路 普通台灯的灯源通常采用 灯源和普通灯源(如白炽灯、节能灯、荧光灯、卤素灯等)该台灯设计采用 灯源 因 具有寿命长、高效节能、绿色环保的优点 台灯的硬件驱动电路有以下几种方案方案一:采用 (线性稳压电源)方式驱动 输出 电压降为 左右 而 电压、锂电池电压均高于输出电压 可选取 结构 但是 当输入 供电时 输入电压较高 结构的效率仅能达到 左右方案二:采用单片机的/(输入/输出)口直接驱动 灯 但是 单片机的/口驱动能力较弱 可在输出加三极管进行电流放大 这种方案也能达到需求 但是效率低且无法实现无极调光的功能方案三:采用 (开关电源)降压驱动芯片 具有高效率的特点 但是如果采用降压结构 想要满足 的设计指标就需要输出电流较大 (印刷线路板)的设计以及芯片的选择会更局限方案四:采用 升压驱动芯片 升压芯片的市场种类繁多 芯片价格便宜 外围元件少 效率高能满足设计需求综合考虑上述四种方案的优缺点 从节能高效角度考虑 选择方案四为便携式多功能 台灯驱动电路结构便携式多功能 台灯角度设计主要突出台灯的触摸调光、语音、人体感应、便携等功能 主要模块如下 升压恒流电路模块本设计采用 升压芯片 来驱动白光 电路如图 所示黎明职业大学学报 年 月图 驱动电路便携式多功能 台灯功率为 采用三串十并的方式即十串 并联 每一串 采用三颗贴片 串联 单个 的压降在 左右 即一串 电压约为 该贴片 可根据客户需求采用、或者 的封装 从美观便携上考虑 选用 的贴片 封装 灯板上的电流通过升压芯片上的外围电阻 设置流经每串 的电流值为 十串并联总电流为 实现 台灯总功率为 电阻阻值设置如下:/其中 的反馈电压 为 阻值 选用 电阻可满足该设计需求 升压芯片内置 (场效应晶体管)管 外围电路由电感、二极管、反馈电阻 (反馈电阻)、输入输出滤波电容、负载 灯板所组成 采用 的拓扑结构之所以使得该智能台灯效率较高 是因为 管处于导通、截止两种状态 损耗小 触摸调光模块调光的方式有传统的机械开关以及触摸调光 为了使便携式多功能 台灯外形美观 采用触摸式调光电路 如图 所示图 触摸调光电路触摸调光的方式分为电容式和电阻式 电容式的耐用性较高 因此采用电容式触摸芯片 芯片型号选用 它是一款可以对 灯光亮度进行调节的单通道触摸芯片 芯片外围器件少 为触摸输入引脚 该引脚采用弹簧与铜箔连接进行按键触摸 手指靠近铜箔触摸按键时 手指与大地就会产生一个感应电容 此电容与焊盘和大地构成的感应电容并联 改变了总电容值 根据感应的容值发生变化 引脚检测到信号 选择开关 台灯 用户也可以通过触摸进行 台灯亮度强弱的调节 引脚通过输出方波信号控制 模块中的 以改变 亮度 调光方式由、引脚控制 共有四种调光方式 如表 所示第 期骆妙艺 等:新型便携式多功能 台灯的设计与实现表 芯片调光方式调光方式全亮、全灭两种状态不带亮度记忆无极调光带亮度记忆无极调光三段触摸调光(低中亮)在触摸调光电路中 根据 芯片用户手册可知 为了调节触摸的灵敏度可采用增加铜箔电极的面积或者在 引脚并联一个采样电容 本设计采用并联一个 电容来调节触摸的灵敏度 从而使得台灯不容易误触发 不接电容时台灯灵敏度最大 容易误触发 所加电容容值越大 触摸的灵敏度越低 电池管理模块图 所示的硬件电路图为电池管理模块 该模块由三部分电路组成:及锂电池切换模块、电池充电模块及过充过放保护模块()及锂电池切换模块()电池充电模块()过充过放保护模块图 电池管理模块电源切换模块是当台灯的 和蓄电池共同供电时 优先级高于蓄电池 并通过充电模块判断蓄电池电量 若电池电压低于 即对其进行充电 电池管理模块的工作原理:通过电阻分压控制 (沟道场效应晶体管)栅极 当插入 (电压为 )二极管导通、截止 台灯由 供电 锂电池电压不会接入电源为台灯供电 反之 二极管截止、导通 台灯由锂电池供电锂电池的充电芯片采用 芯片 其充电电流通过外部电阻 设置 最高允许充电电流达到 端口电压为 选择多大电流充电可根据公式 (/)本设计中选择 电阻 充电电流为 并且用、引脚设置充电中、充满两个指示状态 分别用红、绿 作为指示灯 引脚电池端口外加一电容 当电池没有接入时 该电容被迅速充到阈值电压 此时 指示灯闪烁 闪烁频率跟次外加电容有关 推荐设置值为 此时闪烁频率为 该电池管理模块还设计过充、过放、过流等保护功能 选用 芯片实现 该电路能检测电池电压以进行过充、过放保护及监测 引脚电压以判断充电电流 当超过阈值电压时可控制 管关断充电其他硬件电路模块还包括 单片机最小系统电路 该最小系统电路除了 芯片之外外围电路还有复位电路 外部高速、低速晶振以及供电电源和 (串行调试)下载接口 而供电电源采用 结构 因为 芯片需要 的电压供电 接口电压为 锂电池电压则在 之间 因此本设计采用 的 模块 以便产生稳定的电压为单片机电源供电此外 还设计语音提示模块 该模块采用 语音芯片 该芯片采样频率达 、内置 级音量强度 可最高支持 语音长度 采用传感器来搭建人体感应模块 利用红外对管接收人体信号以控制台灯 设计(印刷线路板)的设计利用奥腾()软件采用双层板绘制 由于台灯 电流较大 布线时黎明职业大学学报 年 月注意大电流走线 电源线、电路中的电感、二极管等元件都流过大电流 因此布线要足够宽同时 为了让 芯片上 引脚的反馈电阻设置的电流尽可能精准及 上的电压干扰小 反馈电阻应尽可能靠近芯片 且地线布线需要遵循“短而粗”的原则 带有散热焊盘的芯片要做好散热处理 台灯软件设计便携式多功能 台灯程序利用 语言进行编程 当便携式多功能 台灯通电后 开始进入待机状态 程序开始执行 首先进行初始化 然后各个模块开始运行 调用库函数程序 系统工作流程如图 所示图 便携式多功能 台灯软件流程图第 期骆妙艺 等:新型便携式多功能 台灯的设计与实现便携式多功能 台灯的基础功能是通过触摸铜箔控制 灯 在设计亮度调节中 首先是设定了初值 通过读取触摸情况来改变 占空比 以达到灯光亮度调节 当亮度过亮、过暗或者开灯时间太长时均有语音提示功能 此外 还利用红外对管来感应人体信号 当人体长时间离开三极管导通后发出信号至单片机 可实现断电节能的目的 最后 利用 软件进行编译调试 测试结果经过软件调试和硬件测试 便携式多功能 台灯各项指标正常 实物如图 所示 图 便携式多功能 台灯从测试数据可以看出 输入电压 输出电流稳定在 该电流是由 升压芯片的反馈电阻所设置 采用 开关电源的结构 使得该台灯的效率较高 在 左右 且输入电压线性调整率很好 达到 该台灯通过触摸调光改变 占空比来调节升压芯片的 使能端口 调节 电流功能也正常 实现了亮度调节 同时附加人体靠近台灯 开始计时 后启动语音 提醒用户注意休息 以达到护眼效果 用户也可根据需求烧录程序定制语音提示计时时长 结束语本文采用 单片机作为多功能 台灯的主控芯片 使用触控的方式调节 灯光亮度 与锂电池两种供电方式为 台灯供电 并添加人体感应模块与语音提示模块起到保护眼睛的作用 通过对该台灯的软硬件设计及系统调试 最终设计出一款新型 台灯 该台灯具有多功能、便于携带和自动化调光等优势 解决了 台灯功能单一 不便携带 缺少语音提示、红外自动断电及无极调光等问题参 考 文 献 刘宏志葛先雷邓玉茹.智能 台灯设计.电子世界():.李从宏严影.一种新的智能 台灯设计.信息技术():.李佳译郭锐王亮等.基于物联网技术的智能台灯设计.电子世界():.刘辉.智能 灯控制系统.长春工业大学学报():.魏星张锐陈云翰等.基于单片机设计的智能 台灯设计.中国新技术新产品():.张庆祺.基于 的智能 台灯设计.轻工标准与质量():.周景雷.新型多功能控制 台灯.电子技术():.汪扬埔.基于单片机的智能 台灯设计.科教导刊:电子版():.刘力齐.基于单片机的智能 台灯设计.轻工科技():.魏炽旭林泉康.基于 单片机的智能台灯设计.电子制作():.():.吴忠伟岳彤洪震.基于单片机的旋转 灯的设计研究.工业控制计算机():.锁萌蔡武德赵昆霞等.基于单片机的 无线操控 灯的电路设计.电子制作():.黎明职业大学学报 年 月 曹文越.基于单片机的无线遥控智能 灯.厦门:厦门大学.徐安安任乘乘吴珊珊等.基于 系列单片机对智能 台灯调光系统设计.照明工程学报():.():.:(责任编辑:东红 英文审校:杨秋娜)(上接第 页)():.:.:(责任编辑:李金锋 英文审校:杨秋娜)