中心議題：

• 基於PWM調光的多功能LED台燈設計方案

解決方案

• 探究係統硬件電路設計方法
• 設計基於PWM 調光的多功能LED 台燈

引言

隨(sui)著(zhe)全(quan)球(qiu)能(neng)源(yuan)危(wei)機(ji)和(he)氣(qi)候(hou)變(bian)暖(nuan)問(wen)題(ti)的(de)日(ri)益(yi)嚴(yan)重(zhong)，綠(lv)色(se)節(jie)能(neng)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)全(quan)球(qiu)普(pu)遍(bian)關(guan)注(zhu)的(de)話(hua)題(ti)
，人(ren)們(men)正(zheng)通(tong)過(guo)各(ge)種(zhong)途(tu)徑(jing)尋(xun)找(zhao)新(xin)的(de)節(jie)能(neng)方(fang)式(shi)。照(zhao)明(ming)是(shi)人(ren)類(lei)消(xiao)耗(hao)能(neng)源(yuan)的(de)重(zhong)要(yao)方(fang)麵(mian)，在(zai)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)中(zhong)，發(fa)達(da)國(guo)家(jia)照(zhao)明(ming)用(yong)電(dian)占(zhan)發(fa)電(dian)總(zong)量(liang)的(de)比(bi)例(li)是(shi)19%,我國也達到12%.隨著經濟發展，我國的照明用電將有大比例的提高，因此綠色節能照明的研究越來越受到重視。LED 作為一種固態冷光源，是繼白熾燈、熒光燈
、高強度放電燈（如高壓鈉燈和金鹵燈）之後的第四代新光源。基於白光LED 的固態照明，是一種典型的綠色照明方式，與傳統光源相比，具有節能、環保
、壽命長
、體積小、安全可靠等特點，代表著照明技術的未來，並符合當前政府提出的"建設資源節約型和環境友好型社會"的要求。可以預見不久的將來，LED 必然會進入普通照明領域取代現有的照明光源。

目前，市場上采用白熾燈
、鹵素燈
、熒光燈為光源的台燈普遍存在著低效率、高能耗、不易調光等缺點；至於壽命結束的含汞燈

，一旦處理不當，將對環境造成嚴重危害；而且部分台燈產品功能單一
，缺少亮度調節、時鍾日曆、溫度顯示等功能，無法適應現代家庭生活的實際需求。為解決當前問題
，本文設計了以AT89S51 單片機為核心的多功能白光LED 台燈係統
，采用PT4115 大功率LED 恒流驅動方案，可實現對LED 台燈的PWM 調光控製
；同時兼有時鍾日曆
、聲光鬧鍾、溫度檢測
、液晶顯示等多項功能。在實現高效節能的同時，為家庭使用提供了極大的便捷。

1 係統硬件電路設計

該多功能 LED 台燈係統采用20 隻5mm 高亮白光LED 燈珠為光源，以AT89S51 單片機為主控芯片，由LED 恒流驅動係統
、時鍾係統
、測溫係統、液晶顯示係統、蜂鳴係統、按鍵係統組成。係統結構框圖如圖1 所示。

該係統可具體實現LED 台燈的10 級PWM 調光控製
；液晶屏實時顯示時鍾、日曆與環境溫度信息；鬧鍾功能采用聲光報警方式，即一旦到達鬧鍾時間
，LED 台燈自動點亮，並發出蜂鳴聲報警，以喚醒用戶
；用戶可通過按鍵係統實現對時鍾日曆與鬧鍾參數的設置
、LED 亮度的調節以及鬧鍾報警的解除。

圖1 係統結構框圖

1.1 單片機主控係統

本設計主控係統采用ATMEL 公司的高性能AT89S51 芯片實現，其P0 口外接10K 的上拉電阻，P0.0~P0.7 同時作為DS12C887 的數據接口與液晶1602 的數據接口。P2.0~P2.3分別連接DS12C887 芯片的片選端CS
、地址選通輸入端AS
、數據選擇端DS 與讀/寫輸入端R/W,P3.2 連接其鬧鍾中斷請求輸出端IRQ.P2.5~P2.7 分別連接液晶1602 的使能端EN
、數據/命令選擇端RS、讀/寫選擇端RW.P2.4 作為蜂鳴器控製端。P3.0 作為DS18B20 的信號輸入端。P3.1、P3.4、P3.5、P3.6 與P3.7 作為S2~S6 按鍵係統。P1.1 作為PWM 信號的輸出端並連接PT4115 芯片DIM 端
，用於PWM 調光控製。係統晶振電路由12MHZ 晶振與兩個30PF 電容組成；複位電路則由S1 按鍵、10K 電阻與10uF 電解電容構成。主控係統電路如圖2 所示。

1.2 恒流驅動係統

本設計 L ED 光源采用相互並聯方式，共由20 隻5mm 高亮度小功率LED 燈珠組成
；每隻LED 燈珠的壓降約3.1V,工作電流約20mA.由白光LED 的正向伏安特性可知

，當LED 端電壓超過其正向導通電壓後，較小的電壓波動都會導致工作電流的的劇烈變化，從而影響LED 的正常使用
，固LED 宜采用恒流驅動方式。因此，本設計LED 采用高性能PT4115 恒流芯片驅動，PT4115 是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源芯片，能將直流電壓直接轉換成穩定的恒流輸出；其采用6~30V 寬電壓輸入
，輸出電流可達1.2A,轉換效率高達97%,輸出電流精度達±5%.該芯片內部含有抖頻特性

，極大的改善EMI,同時具有過溫、過壓、過流

、LED 開路保護等多種功能。該芯片適合用於綠色照明LED燈的驅動電路，具有應用電路非常簡潔的優點。LED 恒流驅動電路如圖3 所示。

通過 PT4115 芯片上的DIM 端，可以方便的進行模擬或PWM 調光。由於模擬調光是直接改變流過LED 電流的大小來實現亮度調節，除了亮度會改變以外，也會影響白光的質量
，即不同電流下發出的白光存在色偏。因此
，本設計采用PWM 調光方案，PWM 調光的基本原理是保持LED 正向導通電流恒定，而通過控製電流導通和關斷的時間比例，即改變輸入脈衝信號的占空比，使LED 產生亮暗變化；並利用人眼的視覺殘留效應
，當LED 亮暗變化頻率大於120Hz 時
，人眼就不會感覺到閃爍，而看到是LED 的平均亮度。PWM 調光的優勢是LED 正向導通的電流是恒定的，LED 的色度就不會像模擬調光時產生變化。
[page]
PT4115 恒流驅動輸出的電流值計算公式為：

IOUT =（0.1×D）/ Rs （D 為方波信號占空比
，Rs 為限流電阻。

本設計 LED 光源采用20 隻小功率白光LED 燈珠並聯方式，且每隻LED 燈珠額定電流為20mA,則PT4115 恒流驅動輸出最大電流IOUT 應為400mA,因此Rs 選取0.25 Ω 電阻。

L1 為鎮流電感，選取68μ H,用於穩定通過LED 的電流。D1 是續流二極管
，當芯片內部MOS 管截止狀態時為儲存在電感L1 中的電流提供放電回路；由於工作在高頻狀態，D1 選用正向壓降小且恢複速度快的肖特基二極管SS24.

PWM 脈衝信號則由單片機P1.1 產生，其高低電平決定LED 的通斷狀態。將定時器T0溢出中斷定為1/2500 秒（即400μ S），每10 次脈衝作為一個周期，即頻率為250HZ.這樣，在每1/250 秒的方波周期中
，通過改變方波的輸出占空比，從而實現LED 燈的10 級亮度調節
，即LED 亮度等級由每個周期內的高電平脈衝數目決定。當高電平脈衝個數為1 時，占空比為1/10,亮度最低，其調光原理如圖4 所示；當高電平脈衝為10 時，占空比為1,LED亮度最高。

1.3 時鍾係統

時鍾係統采用高性能的DS12C887 時鍾芯片，該芯片功能豐富，使用簡單
，是一款高精度實時時鍾芯片；其可以自動產生世紀、年
、月
、日
、時、分
、秒等時間信息
，具有閏年補償及鬧鍾（定時）功能，並且內部自帶有鋰電池，外部掉電時，仍可維持時鍾準確，其內部時間信息能夠保持10 年之久；外部係統斷電後，用戶無需重新設定時間。

DS12C887 時鍾芯片有兩種總線工作模式
，即Motorola 和Intel 模式。本設計選用Intel模式，即將芯片第一引腳MOT 接GND.同時，時鍾係統設置為24 小時模式
，寄存器存儲模式選為二進製格式。P0.0~P0.7 連接其地址數據複用端口AD0~AD7.P2.0~P2.3 分別連接芯片片選端CS、地址選通輸入端AS、讀/寫輸入端R/W 與數據選擇端DS.

P3.2 連接中斷請求輸出端IRQ,用於處理鬧鍾中斷。該時鍾接口電路如圖5 所示。

圖5 時鍾係統電路圖

1.4 液晶顯示係統

顯示係統采用1602 字符型液晶。該液晶可顯示兩行
，每行顯示16 個字符；且體積小、能耗低、操作簡單；適合於本設計所需數字
、英文字母以及特殊符號的顯示要求。通過單片機控製1602 液晶實現首行年
、月、日、星期顯示，第二行時、分、秒以及環境溫度顯示。

本係統 1602 液晶采用並行操作方式
，P0.0~P0.7 通過借助10K 的上拉電阻連接其數據端口DB0~DB7,P0 口同時也連接著DS12C887 的數據地址端口
，由於各自片選信號不同
，選中時操作對應芯片將不會造成操作衝突。P2.5~P2.6 分別連接1602液晶的使能端E、讀/寫選擇端RW、數據/命令選擇端RS.第3 引腳為液晶顯示對比度調節端，通過10K 滑動變阻器接地
，用於調節液晶的顯示亮度。第15 管腳背光源正極BLA通過10 歐電阻接地
，第16 管腳背光源負極BLK 接地。該液晶接口電路如圖6 所示。

1.5 溫度檢測係統

溫度檢測係統選用DALLAS 公司"一線總線"接口的數字溫度傳感器DS18B20,該傳感器具有微型化
、低功耗


、高性能等優點
，可直接將溫度轉化成串行數字信號處理，測溫範圍為-55~125℃

，最高分辨率可達0.0625℃。DS18B20 共有三個引腳電源正VCC、電源負GND 和信號輸入輸出口DQ.R3 為4.7K 的上拉電阻
，用於保證單片機與DS18B20 通訊時高低電平準確的被單片機機和DS18B20 識別。單片機P3.0 口通過R3 連接DQ 端口實現溫度數據的采集處理，並通過液晶屏實時顯示。溫度檢測電路如圖7 所示。

1.6 蜂鳴係統

蜂鳴係統用於產生鬧鍾報警聲以及按鍵提示音。由單片機P2.4 口控製PNP 三極管9012的通斷實現對蜂鳴器聲音控製；通過延遲函數實現蜂鳴報警聲的長短音控製，長音''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''滴''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''用於鬧鍾鈴聲


，短音''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''滴''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''用於按鍵提示音。蜂鳴係統電路如圖8 所示。

[page]
1.7 按鍵係統

按鍵控製係統由S2~S5 五個按鍵組成，分別為S2 時間設置鍵、S3 數值增大鍵


、S4 數值減小鍵、S5 鬧鍾設置鍵以及S6 亮度調節鍵。S2 用於選擇需要調整的時間日曆以及鬧鍾參數，並作為時間日曆參數的存儲確認鍵。S3 與S4 用於調整被選參數值的大小。S5 用於鬧鍾查看與存儲確認鍵。S6 用於LED 燈光10 級亮度的調節鍵。按鍵係統電路如圖9 所示。

圖9 按鍵係統電路圖

1.8 電源係統

本係統設計最大功率約1.6W,可采用電池或穩壓電源多種方式供電。由於係統光源采用20 隻LED 燈珠並聯組成，所以LED 恒流驅動芯片PT4115 供電電源在6~30V 電壓範圍內均可使LED 燈正常使用。但單片機供電係統采用三端穩壓芯片7805,該線性穩壓芯片正常工作輸入電壓與輸出電壓差值應至少高於2V,若差值過大會增加額外功耗。因此，本係統宜選用2 節4.2V 鋰電池或9V 的穩壓電源方式供電。同時
，本文LED 恒流驅動係統設計簡潔靈活，可根據用戶需求適當調整驅動電路參數
，即可擴展LED 照明功率，最大可至10W左右。

2 係統軟件設計

該係統控製程序主要包含係統初始化程序
、實時時鍾芯片處理程序、溫度傳感器芯片處理程序、液晶顯示程序、鍵盤檢測與處理程序
、鬧鍾中斷以及定時器產生PWM 程序構成。

2.1 係統主程序

係統主程序主要包括係統初始化程序（包括I/O 口初始化、DS12C887 時鍾芯片初始化
、液晶1602 的初始化、外部中斷0 與定時器T0 設置）、按鍵檢測和處理程序、時鍾數據的讀取與處理程序、溫度數據的讀取與處理程序、液晶顯示程序、鬧鍾報警的判斷和處理程序
、PWM 調光處理程序等。程序中設置鬧鍾標誌位Flag_ri,一旦鬧鍾時間到達

，時鍾芯片IRQ引腳觸發外部中斷0,進入中斷程序則置Flag_ri=1,用於主程序中鬧鍾報警的判斷與處理。

係統主程序流程圖如圖10 所示。

2.2 按鍵檢測和處理程序

按鍵控製係統由S2~S6五個按鍵組成，分別為S2時間設置鍵、S3數值增大鍵
、S4數值減小鍵、S5鬧鍾設置鍵以及S6亮度調節鍵。S2用於選擇需要調整的時鍾以及鬧鍾參數，根據S2按下次數，依次選擇秒
、分
、時
、星期、日、月
、年，液晶屏上被選參數下方以光標閃爍狀態提示，再通過按下S3或S4調整被選參數值的大小，S2按下累積8次時，則退出選擇功能並保存當前數據至時鍾芯片。S5用於鬧鍾時間的查看與設置；首次按下S5,1602液晶屏第二行顯示已設置的鬧鍾時間；可通過S2、S3與S4重新設置鬧鍾時間；再次按下

，則退出鬧鍾查看功能並保存當前設置的鬧鍾參數至時鍾芯片。同時
，S3與S4還可獨立作為鬧鍾產生時的取消鍵與LED燈光的關閉鍵。S6實現LED燈光亮度的10級調節，每按一次，LED亮度增大一級；當達到亮度最大時，再次按下則關閉LED燈光。每次有按鍵按下，蜂鳴器都以短''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''滴''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''聲提示。按鍵檢測與處理流程圖如圖11所示。

[page]
2.3 鬧鍾中斷程序

係統到達設置的鬧鍾時間
，DS12C887 時鍾芯片IRQ 引腳輸出由高電平變為低電平，作為單片機P3.2 口INT0 中斷的申請輸入，並可通過讀取DS12C887 芯片的C 寄存器來清除IRQ 引腳輸出。因此，將外部中斷INT0 設置為負跳變沿觸發中斷
，並設置鬧鍾標誌位Flag_ri,鬧鍾時刻到達時設置Flag_ri=1,用於主程序中的鬧鍾報警處理。鬧鍾中斷程序如圖12 所示。

2.4 定時器中斷程序

為產生調節 LED 燈光亮度的PWM 信號，定時器T0 設置為工作方式0,即13 位計數器定時，最多裝載數值為213=8192 個。因為係統晶振采用12MHz,賦值使TH0=（8192-400）/ 32 與 TL0=（8192-400）%32,即可實現400μ S 的定時中斷。10 次中斷（即4mS）作為一個周期
，通過調節每個周期內單片機P1.1（該控製口名稱定義為LED_PWM）輸出的占空比來產生PWM 脈衝信號，以控製PT4115 恒流驅動芯片實現LED 燈的10 級亮度調節。

程序設置對T0 中斷次數（即定義為T0_num）進行計數，以便判斷一個周期到否
；同時判斷比較高電平脈衝個數（即定義為scale 值，由調光鍵S6 按下次數設置）用於實現不同亮度等級的調節。在定時器T0 中斷服務程序中
，首先T0 重新裝入定時為400μ S 的初值；定時器中斷次數T0_num 加1,判斷一個方波周期到否
，若到達

，令T0_num 歸零，並將P1.1口輸出電平置高（即LED_PWM=1）
；如果一個方波周期還沒到

，則與亮度等級scale 值作比較，判斷高電平脈衝個數scale 到否，若到達，令P1.1 口輸出電平置低（即LED_PWM=0）
，否則繼續保持P1.1 口輸出高電平（即LED_PWM=1）

；而後中斷返回，等待下一次定時中斷。

這樣，P1.1 口就產生了所需的PWM 調光信號。定時器生成PWM 流程圖如圖13所示。

圖13 定時器生成PWM流程圖

3 實驗結果

根據以上設計方案
，本文製作了該款基於PWM 調光的多功能LED 台燈。經調試後係統運行穩定可靠
，基本可以滿足家庭生活的使用要求。係統工作時，最低功率（即LED 熄滅狀態）為0.28W;最大功率（即LED 最高亮度狀態）約為1.52W;同時，液晶顯示時間
、日曆與溫度數據準確，鬧鍾功能穩定。實物照片如圖14 所示。

4 結論

本文多功能LED 台燈係統采用AT89S51 單片機為控製核心，運用恒流驅動方案與PWM調光技術實現L ED 台燈的多級調光控製，並兼有時間日曆、溫度檢測
、液晶顯示以及聲光鬧鍾等功能。該係統具有控製電路簡單、亮度調節精確、功能豐富、實用便捷等優點
，適合於現代家庭的實際需要。可以預見
，隨著LED 照明技術的不斷發展完善
，節能高效的LED將在家用照明領域發揮著日益重要的作用。