LED 智能多功能臺(tái)燈

金 衡 鄧松坤 宛 錚 周正寶

(嘉興學(xué)院電子信息工程系 浙江 嘉興 314000)

0 前言

書寫臺(tái)燈的光源一般有三大類：白熾燈、鹵鎢燈和熒光燈。 據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：白熾燈只有5%的電耗用于發(fā)光照明，其他全都轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉了，夏天甚至?xí)谷烁械綗帷?由于燈絲發(fā)光較集中，如果其功率稍大就會(huì)產(chǎn)生眩光，反之，又會(huì)造成照度不夠；另一種普通熒光燈的臺(tái)燈，由于供電方式的原因?qū)е缕淞炼炔豢烧{(diào)整， 在很多時(shí)候造成能源的浪費(fèi)，同時(shí)，因?yàn)槠涔╇婋妷侯l率為50Hz，屬于低頻率的頻閃光，會(huì)使人眼的調(diào)節(jié)器官處于緊張的調(diào)節(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致視覺疲勞。 本次設(shè)計(jì)正是針對(duì)這些不足而設(shè)計(jì)的采用LED 發(fā)光技術(shù)的安全、節(jié)能、環(huán)保的臺(tái)燈。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖1 為本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，控制核心采用美國Microchip 公司生產(chǎn)PIC16877A 芯片， 該芯片具有IIC 接口，內(nèi)置PWM 模塊，且價(jià)格低廉，十分適合本次的設(shè)計(jì)；光強(qiáng)傳感器采用TAOS 公司推出的高速、低功耗、可編程靈活配置的TSL2560 芯片，通過IIC 總線協(xié)議與PIC16 進(jìn)行通訊，將當(dāng)前環(huán)境下的光強(qiáng)值發(fā)給PIC16，由PIC16 進(jìn)行處理判斷，以此來輸出不同占空比的PWM 的控制信號(hào)到后級(jí)燈光控制電路中， 達(dá)到調(diào)整LED 臺(tái)燈的亮度的目的。 溫度傳感器采用DALLAS 公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字型溫度傳感器DS18B20，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且直接輸出數(shù)字信號(hào)， 可與微處理器直接相連， 無需另加A/D轉(zhuǎn)換器，十分方便；顯示模塊由一塊2.4 寸的TFT 屏幕構(gòu)成，用于顯示當(dāng)前溫度及光照強(qiáng)度。

2 主要電路分析

2.1 人體紅外感應(yīng)電路

2.1.1 人體紅外感應(yīng)電路原理

人體輻射紅外線波長(zhǎng)為10μm， 而熱釋電紅外傳感器只對(duì)此長(zhǎng)度左右的紅外輻射波敏感，因此當(dāng)人體通過時(shí)，熱釋電紅外傳感器才會(huì)感應(yīng)， 從而可以避免其他物體觸發(fā)傳感器。本次使用的DB203 熱釋電紅外傳感器的探頭是由兩個(gè)相互串聯(lián)的熱釋電元構(gòu)成，而且這兩個(gè)熱釋電元的電極化方向相反，所以當(dāng)人進(jìn)入到探測(cè)區(qū)域內(nèi)，由于兩個(gè)熱釋電元接收到的熱量不同，無法相互抵消，就輸出了檢測(cè)信號(hào)。 而因?yàn)橹車庠诘沫h(huán)境對(duì)兩個(gè)熱釋元件的輻射幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，所以當(dāng)沒有人進(jìn)入到探測(cè)區(qū)域內(nèi)時(shí)，探測(cè)器不會(huì)有信號(hào)輸出。

2.1.2 人體紅外感應(yīng)電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用的人體紅外感應(yīng)電路主要由D203B 熱釋電紅外線傳感器和信號(hào)處理芯片BISS0001 組成。 BISS0001電路如圖2 所示，BISS0001 是由狀態(tài)控制器、 封鎖時(shí)間定時(shí)器、運(yùn)算放大器、電壓比較器、延遲時(shí)間定時(shí)器、及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)混合專用集成電路。 BISS0001 中，VDD 為工作電源的正端，本次使用5V 直流電壓供電，IB 為內(nèi)部運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端， 通過一個(gè)1MΩ 大小的電阻接入VSS 地端。1IN+和1IN-是BISS0001 第一級(jí)放大器的輸入端，用來將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大[1]，然后由C3 耦合給第二級(jí)運(yùn)算放大器(2IN+和2IN-)進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由內(nèi)部?jī)蓚€(gè)電壓比較器構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器， 信號(hào)經(jīng)處理后從2 腳輸出。 A 管腳為可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)控制端， 當(dāng)A=”1”時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)，當(dāng)A=“0”時(shí)，不可重復(fù)觸發(fā)。 本次設(shè)計(jì)采用可重復(fù)觸發(fā)模式，所以直接接入5V 電源。 RR1 和RC1 是輸出延遲時(shí)間Tx 的調(diào)節(jié)端， 值為Tx≈49152xR9C7；RR2 和RC2 是觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti 的調(diào)節(jié)端，值為Ti≈24xR10C6。

圖2 BISS0001 電路

2.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路

2.2.1 LED 光源工作原理

LED 是一個(gè)PN 結(jié)二極管[3]，只有對(duì)其施加足夠的正向電壓才能傳導(dǎo)電流，正向電壓為L(zhǎng)ED 發(fā)光建立一個(gè)正常的工作狀態(tài)，正向電流促使LED 發(fā)光，發(fā)光強(qiáng)度與流過的電流成正比例。 白光LED 的額定電壓：3.3V， 額定電流20mA。 由于LED 的伏安曲線十分陡峭，當(dāng)電壓產(chǎn)生微小的變化時(shí)，電流會(huì)產(chǎn)生很大的變化，極易造成LED 的燒毀，所以在驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，一般采用的是恒流源。

2.2.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用專門驅(qū)動(dòng)LED 光源的恒流控制芯片BP2808，該芯片可以控制LED 光源的紋波和峰值電流，可實(shí)現(xiàn)恒流控制、模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光[2]。 本文采用PWM 調(diào)光的控制。 電路如圖3 所示，BP2808 芯片中，LN 為線電壓補(bǔ)償端，實(shí)際中采用R5、R6 電阻降壓經(jīng)R7、C4 前饋補(bǔ)償。VCC 為芯片的電源端，且內(nèi)置了12.5V 的穩(wěn)壓管。 OUT 為驅(qū)動(dòng)的輸出端，設(shè)計(jì)中與MOS 管Q1 連接，與R8、D8 一起組成源極驅(qū)動(dòng)電路， 輸出恒流與D9、L3 的續(xù)流電路合并向8 串8 并64個(gè)LED 光源恒流供電。 R8、D8 還有軟化開關(guān)開通驅(qū)動(dòng)變軟，保持關(guān)斷驅(qū)動(dòng)，改善電磁干擾，提升效率的作用。而與LED 光源并聯(lián)的輸出濾波電容C6 用以減少LED 光源上的電流紋波。 芯片CS 端為電流采樣端，通過R9、R10 兩個(gè)采樣電阻與地端相連，用于短路保護(hù)。 同時(shí)，為了使整個(gè)電路的輸出電流達(dá)到LED 光源陣列組合的要求，電阻R9 和R10 的阻值也要隨著LED 數(shù)量的不同而改變。

圖3 BP2808 電路

3 智能工作方式程序框圖

圖4 程序流程圖

程序采用C 語言編寫， 通過Microchip的開發(fā)平臺(tái)MPLAB IDE 編譯。 程序框圖如圖4 所示，程序開始后，對(duì)程序進(jìn)行初始化。 臺(tái)燈處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有人靠近臺(tái)燈的時(shí)候，熱釋電紅外傳感器感應(yīng)信號(hào)，并將信號(hào)傳給單片機(jī)，開始采集光照強(qiáng)度[4]，調(diào)整不同占空比，從而起到控制燈光明暗的效果。 當(dāng)人離開時(shí)，中斷返回，臺(tái)燈繼續(xù)處于休眠狀態(tài)。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)采用LED 能提供安全優(yōu)質(zhì)的光環(huán)境，提升照明系統(tǒng)的光效，沒有紅外和紫外的成分，改善眩光，減少和消除光污染。 并且利用光照強(qiáng)度控制原理，智能控制燈的發(fā)光度，一方面有效減少對(duì)資源的浪費(fèi)，與當(dāng)前社會(huì)”低碳”理念相符，另一方面也保護(hù)了我們的眼睛。 當(dāng)房間亮度不夠時(shí)，且有人在附近時(shí)，臺(tái)燈便會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，省去了黑暗中摸開關(guān)的麻煩。 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易行，實(shí)用性較強(qiáng)。

［1］周景雷.新型多功能控制LED 臺(tái)燈[J].電子技術(shù)，2011(5).

［2］顏重光. 基于BP2808 的LED 照明燈具電源應(yīng)用設(shè)計(jì)技術(shù)[J].中國集成電路，2010(8).

［3］羅樹軍. 觸摸、光線雙控多點(diǎn)高亮LED 臺(tái)燈的研究[J].價(jià)值工程，2010(33).

［4］彭勁松，文利群.恒流源LED 觸摸臺(tái)燈的設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2007(2).