基于Arduino的電子調(diào)光臺燈設(shè)計

劉爽　劉紅喜　蒲鵬帥　崔繼誠

隨著科技全球化，越來越多的新技術(shù)被創(chuàng)造出來，我們的生活方式在科技創(chuàng)新中不斷地被更新。本設(shè)計通過將單片機技術(shù)和PWM調(diào)節(jié)方式結(jié)合起來實現(xiàn)臺燈光強調(diào)節(jié)。通過電子調(diào)光臺燈上的亮度增減按鍵，實現(xiàn)其多個檔位的亮度切換控制，包含全亮和熄滅。通過將環(huán)境光傳感器、超聲波傳感器、LCD顯示屏、蜂鳴器連接到Ardunio，來實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光強度變化自動調(diào)節(jié)燈光亮度，并顯示對應(yīng)亮度檔位，測量并顯示電子調(diào)光臺燈的工作電壓、電流、功率數(shù)據(jù)，實時顯示人體與電子調(diào)光臺燈的距離，當(dāng)距離小于設(shè)定值時發(fā)出警示信號，距離大于設(shè)定值時將電燈亮度設(shè)為最低。也可設(shè)定和記錄電子調(diào)光臺燈的工作時間，當(dāng)設(shè)定時間達到時，發(fā)出久坐的蜂鳴提示。

一、系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由控制器模塊、傳感器采集模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、蜂鳴器警示模塊組成。

傳統(tǒng)的51系列單片機多為8位機，容易操作，價格便宜，但是內(nèi)部資源較少，存儲容量較小，運算速度較慢，很難實現(xiàn)大體積的程序的儲存和快速精準(zhǔn)的反應(yīng)控制。并且受時鐘限制，其計時精度不高，使得系統(tǒng)的不可靠性增加。STC系列單片機具有較強抗干擾能力和保密性能，想要破解較難，在單片機時鐘上具有防外部電磁輻射的功能，但是功耗較高，采用5v供電，而且不具有硬件乘法器，運行速度較慢且內(nèi)部的集成資源較少。所以系統(tǒng)主控制器件采用便捷靈活的Arduino。Arduino支持很多種處理器芯片的開發(fā)，內(nèi)部有很多庫，開發(fā)應(yīng)用方便、快捷，支持多種MCU，有一個硬件抽象層，實現(xiàn)了硬件無關(guān)層和硬件相關(guān)層的分離。但Arduino定制了很多底層的設(shè)計。在Arduino平臺上，關(guān)于硬件電路的軟件開發(fā)環(huán)境是完全開源的，而且有非常豐富的第三方資源。

在面包板上搭建簡易的單片機系統(tǒng)比較簡單.可以隨時修改硬件。但是搭建系統(tǒng)需要連線較多，線路相互干擾，造成電路雜亂無章，并且搭建的系統(tǒng)可靠性較低。有人嘗試自制單片機印刷電路板，而成功實現(xiàn)自制印刷電路很難，并且實現(xiàn)的周期較長，花費較多的時間，使得整體設(shè)計進程受到影響。所以本設(shè)計控制系統(tǒng)采用在Arduino擴展板上搭建單片機，這種方法比面包板搭建方便、簡單，易于搭建，連線較少，價格較貴一些。

二、設(shè)計原理：Arduino通過PWM方式控制雙向可控硅實現(xiàn)變電壓

高分辨率計數(shù)器被用于PWM調(diào)節(jié)方式，對一個具體模擬信號的電平進行編碼通過調(diào)制方波的占空比來實現(xiàn)。電壓則是以一種通或斷的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。占空比是指有效電平在一個周期之內(nèi)所占的時間比率。在一定的頻率下，通過不同的占空比，得到不同的輸出模擬電壓。PWM就是在合適的信號頻率下，通過一個周期里改變占空比的方式來改變輸出的有效電壓。PWM輸出是數(shù)字信號0和1，PWM常用來調(diào)光、調(diào)速等常規(guī)應(yīng)用。Arduino帶～的引腳可以輸出PWM波;使用analogWrite庫函數(shù)（pin，value），value范圍在0～255。0～5V的PWM信號將220V交流電轉(zhuǎn)至0～220V的交流電。

可控硅具有單向?qū)щ娦浴Ｖ挥袑?dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。雙向可控硅經(jīng)常被用于交流調(diào)壓。交流調(diào)壓利用雙向可控硅體積小、重量輕、效率高和使用方便等優(yōu)點，使生產(chǎn)效率明顯提高和生產(chǎn)成本明顯降低。

首先要過零檢測，過零后再延時定占空比，用占空比決定功率大小。就是滿功率*導(dǎo)通時間/信號周期。利用可控硅變電壓要注意可控硅的靈敏度.注意對可控硅模塊過載的保護，注意控制大電感負載時的干擾電網(wǎng)和自干擾的避免。

三、電路設(shè)計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，電路原理圖如圖2所示。

（1）超聲波傳感器：芯片CS100A：工作電壓DC3V～5.5V;工作電流5.3mA：輸出方式GPI。測距范圍0～150cm，精度3MM，精度達到0.3%。

（2）環(huán)境光傳感器：工作電壓DC3.3V～5.5V;輸出信號為模擬電壓，在5工作電壓情況范圍0～5V。僅對可見光敏感，不需要額外的過濾鏡，良好的線性輸出。

（3）蜂鳴器：模塊采用9012PNP三極管驅(qū)動，設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝，排針引出方便接線。工作電壓3.3V～5V;小板PCB尺寸3.3cm×1.3cm。

（4）LCD顯示屏：點陣型液晶顯示模塊。工作電壓+4.8～+5.2V;LCD驅(qū)動電壓+3.0V～+5.0V;工作電流（背光除外）1.7mA（max）;工作電流（背光）24.0Ma（max）。

（5）按鍵開關(guān)模塊：OUT端口，按鍵按下時輸出高電平，釋放時保持低電平。

（6）導(dǎo)線：杜邦線，優(yōu)質(zhì)PVC外皮、耐腐蝕、導(dǎo)電性強;導(dǎo)體材料為鍍錫銅：耐溫耐壓。

（7）電源：采用220V交流電作為輸入電源，再轉(zhuǎn)換成5V直流電電源供電給Arduino，Arduino通過PWM方式控制可控硅模塊實現(xiàn)變電壓。

四、程序設(shè)計

本設(shè)計利用的平臺是Arduino。平臺由開放原始碼simpleI/0介面版構(gòu)建，并且存在著類似Java、C語言的Pro-cessing/Wiring開發(fā)環(huán)境。采用Mixly圖形化編輯，通過人寫代碼，使用Arduino進行識別，再反饋給輸出。

程序控制方法和參數(shù)設(shè)計：模擬輸出是PWM信號。定義一直輸出的值為a，給a的初始值值為115，兩個程序同時運行，當(dāng)一個按鈕按下時，程序收到加的信號，讓其把a的值賦為a+20;按另外一個按鈕，把a的值賦為a-20，實現(xiàn)調(diào)節(jié)開關(guān)亮度。通過臺燈上按鍵開關(guān)，實現(xiàn)臺燈多個檔位的亮度切換，實現(xiàn)自動調(diào)光，成功準(zhǔn)確發(fā)出警示信號，并且能夠顯示臺燈的工作電壓、電流、功率數(shù)據(jù)，最終成功實現(xiàn)電子調(diào)光臺燈的控制和顯示。

五、測試方案與測試結(jié)果

在燈泡電阻不變的情況下，經(jīng)過多次檢查，必須保證仿