基于PWM调光的智能多功能台灯设计.doc

本科毕业设计 题 目 基于PWM的智能多功能台灯设计姓 名 韦 洋 专 业 自 动 化 学 号 201042004 指导老师 曹 卫 锋 郑州科技学院电气工程学院二一四年五月郑州科技学院毕业设计（论文）任务书题目 基于PWM的智能多功能台灯设计 专业 自动化 学号 201042004 姓名 韦洋 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容：（1）功能要求：台灯能够自动调整光强亮度，检测环境温度，显示日历等。（2）硬件要求：整个系统的硬件部分包括单片机，键盘、显示和信号输出等。上述内容为基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。基本要求：（1）明确毕业设计任务，复习与查阅有关资料。（2）对设计进行简要说明，总体设计方案，设计电路，使用计算机绘图，画出详细的电路接线图，列出元器件清单。电路图要求工整、清楚、正确，并标明管脚。（3）软件编程必须有流程图，程序必须加注释，各程序段的开始要注明该段功能和作用。（4）要求使用A4打印稿，不少于2万字。格式遵照学校规定。 主要参考资料：（1）周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京航空航天大学出版社（2）中国期刊全文数据库。（3）“电子技术应用”、“电子设计应用”、“单片机与嵌入式系统应用”等期刊。（4）张毅刚.MCS-51单片机应用设计M.哈尔滨工业大学出版社（5）/a/zuopinzhanshi/diqijiedasaizuopin/（6）/forum/357/1 完 成 期 限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 年 月 日郑州科技学院毕业设计（论文）开题报告课题名称基于PWM的智能多功能台灯设计课题来源教师拟定课题类型AX指导教师曹卫峰学生姓名韦 洋学 号201042004 专 业自动化开题报告内容：（调研资料的准备，设计的目的、要求、思路与预期成果；任务完成的阶段内容及时间安排；完成设计（论文）所具备的条件因素等。）1. 调研资料的准备毕业设计是对我们在大学所学知识的一次系统而全面的总结，要求有一定的深度和广度，只有这样才能把所学知识融会贯通，将知识转化为能力。为了为我们的老师、家长和我们自己画下一个完美的句号，调研资料准备如下：（1） 在图书馆查阅与单片机、传感器、PWM脉宽调制相关电路等有关的文字书籍；（2） 通过互连网查阅所使用芯片相关的电子资料，以及国内外相关技术；（3） 通过老师的指导与解惑，对设计内容有基本的了解，确定所使用的单片机类型和芯片型号，掌握各种硬件原理。避免设计误区，争取高效率。2. 设计的目的与要求目的：利用单片机微控系统和各个集成电子模块设计出一款能够调节台灯亮度，能够显示时间，万年历，能够检测室内温度，拥有闹钟功能，有硬件设计图和软件设计流程图。要求：（1）设计显示模块以及恒流驱动模块，时钟模块，按键系统，蜂鸣系统，温度检测等硬件电路；（2）设计PWM调光系统能够对LED进行调节。（3）对设计的电路进行分析。（4）设计软件程序流程图及软件主控制程序。（5）设计调试程序与硬件电路相匹配完成智能控制。3. 设计思路为了达到设计的目的，经过反复查阅资料，设计出电路原理，熟悉为实现其功能所需要的各种元器件，集成模块，软件设计，软硬件结合。 （1）选用STC51单片机利用PWM脉宽调制原理通过程序改变脉宽参数用单片机来控制每个周期内高低电平数从而实现电压的调节，改变台灯的亮度。 （2）时钟系统时钟系统采用高性能的DS1302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、年、月、日、时、分、秒等时间信息。显示系统选用1602字符型液晶显示模块。 （3）温度检测系统温度检测系统选用数字温度传感器DS18B20。该传感器集成度高功耗小高性能。可直接将温度转为串行数字信号。 （4）蜂鸣系统蜂鸣系统用于产生闹钟报警及按键提示音，由单片机及三极管的通断实现对蜂鸣器声音控制。 （5）供电系统LED灯采用恒流驱动芯片PT4115，单片机采用5V直流电源来进行供电，其他模块采用直流电源供电。 （6）软件程序设计熟悉并掌握C语言程序设计的方法和思路，能够熟练掌握单片机仿真软件proteus的使用和仿真。 4. 设计的预期成果： 完成论文，制作出实物。5. 任务完成的阶段内容及时间安排（1） 第1周第2周：图书馆和网上查找资料，消化资料；（2） 第3周第5周：制作外围硬件电路；（3） 第6周第10周：完成各个模块对硬件以及程序的调试工作，使系统正常运行；（4） 第11周第12周：完成论文。 6. 完成设计（论文）所具备的条件因素 如期完成本次设计具备以下条件因素，可以在图书馆查阅与单片机，PWM调光的相关书籍、杂志和期刊，在图书馆的电子资源网络上搜索相关资料，学习仿真软件的使用方法和技巧，具有调试硬件电路以及软件的仪器与设备，积极听取老师的指导与意见。注：课题来源要填写明确（如教师拟定、学生建议、某企事业单位项目等）课题类型：（1）A工程设计；B技术开发；C软件工程；D理论研究；E调研报告（2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题；要求（1）、（2）均要填，如AY，BY等。目 录中文摘要I英文摘要II前 言IV1 设计的总体要求及方案选择1 1.1 调光技术的选择1 1.2 主要集成芯片的选择22 硬件系统电路设计4 2.1 整体电路系统模块4 2.2 单片机主控系统4 2.3 恒流驱动系统5 2.4 时钟系统7 2.5 液晶显示系统8 2.6 温度检测系统10 2.7 蜂鸣系统12 2.8 按键系统12 2.9 电源系统133 系统软件设计14 3.1 系统主程序14 3.2 按键检测和处理程序15 3.3 外部中断程序16 3.4 定时器中断程序16 3.5 C语言程序编写和ISP软件程序下载174软件的调试和仿真195 硬件的组装与调试20 5.1元器件的选择与测量20 5.2电子元器件的焊接与组装20 5.3电子电路的调试21 5.3.1 调试方法21 5.3.2 调试步骤21总 结24致 谢26参考文献27附录1 电路实物图28附录2 电路原理总图29附录3 电路程序清单30附录4 元器件清单58基于PWM的智能多功能台灯设计基于PWM的智能多功能台灯设计摘 要随着电子技术的日益发展，人们生活中的照明工具也在发生着巨大的变化。普通电灯，白炽灯，LED灯，这也反映了人类社会的进步，科技的发展。目前的家居逐步朝着多功能化智能化的方向发展12。随着环境问问题的恶化，能源的减少。节能绿色环保的台灯，逐步走进了人们的生活。以前的台灯用途单一，而现在的人们需要一种多功能智能化的台灯。因此利用所学知识设计一种多功能绿色环保的台灯是一种很好的方向。本文介绍了一种基于PWM调光的智能台灯设计。把单片机技术和PWM调光技术结合起来实现台灯光强的调节。利用软件来改变占空比从而来改变电压的大小实现调光。利用DS1302时钟芯片和单片机结合来产生时间日历。利用DS18B20温度检测芯片来检测环境温度。用1602 字符型液晶显示芯片来显示时间，日历，星期，温度，以及台灯的光强等级。利用蜂鸣器和时钟芯片产生定时闹钟。从而使台灯拥有多项功能。文章对总体设计思想进行了论述，分析了系统主要功能并以系统硬件设计框图的形式体现，进行了方案选择与方案论证。完成了硬件电路的设计，描述了各模块电路的组成，其中包括单片机最小系统、液晶显示电路、时钟电路、蜂鸣器电路，温度检测电路，照明电路等，分析了电路中所用芯片的主要功能及各部分电路的工作原理。本设计通过对各模块的硬件和软件的设计，基本能够达到设计要求，满足人们日常对台灯的功能使用。关键词：台灯；多功能；单片机；PWM调光 THE DESIGN OF SMART MULTIFUNCTIONAL TABLE LAMP BASED ON PWMAbstractWith the development of electronic technology, people living in the lighting tool is also undergoing tremendous changes . Ordinary lamp , incandescent , LED lights. It also reflects the progress and development of human society and technology. The current domestic industry gradually towards multi-functional intelligent direction . With the deterioration of the environment to ask questions , the energy reduction . Green energy-saving lamp , getting into peoples lives . Previous use of a single lamp , and now people need a versatile intelligent lamp. So take advantage of the knowledge to design a multi-purpose green lamp is a good direction. This paper describes the design of a lamp -based intelligent PWM dimming . The microcontroller technology and PWM dimming technology combine to achieve a strong regulator station lights . Make use of software to change the duty cycle and thus to change the size of the voltage dimming . Using DS1302 clock chip and single-chip combination to generate time calendar. Using DS18B20 temperature detection chip to detect the ambient temperature. Character LCD with a 1602 chip to display the time , calendar , week, temperature, and light intensity lamp level .Make use of the buzzer and the alarm clock chip to generate timing . So that the lamp has a number of functions. Articles on the overall design ideas were discussed, analyzed the main functions of the system and the system hardware design embodied in block diagram form , carried out a program of selection and demonstration program . Completed the hardware design , describes the composition of each module of the circuit, including the smallest single-chip systems, liquid crystal display circuit , clock circuit , buzzer circuit, the temperature detection circuit , lighting circuits , analysis of the main functions of the chip used in the circuit works each part of the circuit. The design of the hardware and software through the design of each module , and can basically meet the design requirements , to meet peoples daily use of lamp function .Keywords : lamps;multi-function;single-chip;PWM dimmingII目 录I基于PWM的智能多功能台灯设计前 言随着人类社会的发展能源的消耗，人们和环境资源的矛盾变的越来越尖锐。全球气候变暖日益严峻。如何减少照明用电就作为一个重要的问题提到日程上来。因为照明用电占总能耗的20%.电子技术的发展，更加节能环保的LED的出现,让节能减排变成一种实际行动。LED 比白炽灯节，荧光灯，节能灯还要节约更多的电力。并且环保无污染。能够根据亮度来调节灯光的亮度将会更加节能。但过去所有光源都很不容易实现调光，LED却能够轻易实现调光。有的时候人们需要照明时并不一定需要很亮的亮度，可是又无法去改变，反而浪费了能源。许多的场合都需要能够智能调光的光控系统。像路灯、家庭照明，办公室、商场、学校、工厂这些地方需要进行灯光的亮度的调光，可以预见调光技术的发展必将带来很大的节能减排的效应。而台灯作为家庭必备物品如果也能实现调光，采用LED照明技术，根据环境亮度来调节亮度，将会达到节能的效果。而且同时拥有闹钟功能，日历功能，温度检测功能，将会给人们的生活带来更大的便利。论文的主要原理和制作是根据所学的理论知识和在学习期间的电子电路制作过程中所积累的经验，从而进行创作。在查阅大量相关资料的前提下结合任务书以及老师提出的要求和需要达到的效果进行设计。首先利用Proteus软件进行电路图的设计，画出电路原理图。利用单片机编程软件用C语言进行编程。将调试好的源程序下载到Proteus软件单片机中进行仿真。经过一系列的调试仿真。最终达到任务书中的要求。在进行实物的焊接。在实物调试完成后在进行论文的整理，一切按照要求进行。本论文主要的方法就是利用计算机软件进行辅助设计，利用计算机编程软件进行软件设计。III1 设计的总体要求及方案选择本次设计制作一基于PWM的智能多功能台灯的控制系统，能够通过STC89C52单片机编程实现台灯亮度的调节，并通过显示装置显示出时间，日期，星期，台灯亮度，并且能够进行闹钟定时，能够进行环境温度的检测。功能要求：台灯能够自动调整光强亮度，检测环境温度，显示日历等。硬件要求：整个系统的硬件部分包括单片机，键盘、显示和信号输出等。1.1 调光技术的选择 目前常见的调光技术主要有：1采用直流电源LED 的调光技术。2采用脉宽调制（PWM）来调光。3用可控硅对LED 调光2。按照常规技术的应用有以下三种方案可供选择。方案一：采用直流电源LED 的调光技术如果需要要改变LED 的亮度，实现起来相对来说比较容易。发光二极管具有单向导电性是由电流驱动的器件，因为LED 的亮度是取决于通过它的电流，在一定范围内电流越大其亮度越亮，反之则越小。调节LED 的亮度只需要调节电流大小，而LED工作电流很小通常需要串接限流电阻，所以当我们改变其限流检测电阻就能实现改变其电流大小从而改变LED的亮度。但是通常限流检测电阻阻值非常小，用一个很小阻值的电位器来调节电流，操作起来很难实现电流调节。所以一般不采用调节电阻大小来实现调节电流。因此为了实现电流调节，有些芯片提供一个控制电压接口，通过改变输入的控制电压就可以改变其输出恒流值。这样实现起来就比较容易。然而用调正向电流的方法来调亮度会产生一些问题，那就是在调亮度的同时也会改变它的光谱和色温。调电流会产生使恒流源无法工作的严重问题。长时间工作于低亮度有可能会使降压型恒流源效率降低温升增高而无法工作。调节正向电流无法得到精确调光。方案二：采用脉宽调制（PWM）来调光LED 是一个发光二极管，它可以快速实现开关。这一特点是其他的发光器件所无法比拟的。因此，我们需要把供电源改成脉冲恒流源，改变电源脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度1。种方法称为脉宽调制（PWM）调光法。假如脉冲的周期为tpwm,脉冲宽度为ton,那么其工作比D（或称为孔度比）就是ton/tpwm.改变恒流源脉冲的工作比就可以改变LED 的亮度。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的5。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。脉宽调制调光的优点：1、不会产生任何色谱偏移。2、PWM调光具有极高的调光精确度。3、可以和数字控制技术相结合来进行控制。因为任何数字都可以很容易变换成为一个PWM 信号。4、PWM调光能够通过软件的方式比较容易实现，使用范围广阔。方案三：可控硅调光普通的照明灯具通常采用可控硅来调光，例如白炽灯和卤素灯。因为他们基本是一个纯阻器件，以这样纯阻器件为照明工具的灯光系统对输入电压没有要求，输入电压是否是正弦波交流电对其没有任何影响。通过纯阻器件的电流和电压波形是完全一致的，所以不管电压波形如何偏离正弦波，所以改变输入纯阻器件电压的有效值，就可以调光。但是可控硅却不能对以LED为照明器件的照明系统进行调光。因为LED并不是一个纯阻性的器件。综述来说LED调光最好采用的技术是PWM调光。采用PWM 调光时，可以运用微控系统，例如单片机，通过程序可以预先设置好灯光的亮度等级，然后通过调节等级就能实现对灯光的亮度的调节。PWM 调光是可以直接应用于调光型台灯的5。因此最终选择PWM调光。1.2 主要集成芯片的选择单片机是整个电路的控核心，因此单片机的选择对于整个电路来说是至关重要的。结合本论文的实际情况选择STC89C52单片机15。52单片机比51单片机内存大，可以串口下载程序，指令执行速度快。经济方便18。时钟芯片主要在DS12C887和DS1302之间进行选择。由于 DS12C887 能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路 解决了“千年”问题；DS12C887 中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM 和PM 区分上午和下午；但是DS12C887引脚比较多，从而造成硬件电路比较复杂，而DS1302 也能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，但是内部没有内部电源需要外接备用电源。和单片机相连的引脚只有三个，硬件电路比较简单。因此选择 DS1302作为时钟芯片。显示芯片采用1602液晶显示芯片。可以显示字符，数字等，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。温度检测芯片采用数字温度传感器DS18B20，该传感器具有微型化、低功耗、高性能等优点。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使其应用范围广阔，DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号处理，测温范围为-55125，最高分辨率可达0.0625。58基于PWM的智能多功能台灯设计2 硬件系统电路设计2.1 整体电路系统模块该多功能 LED 台灯系统采用20 只5mm 高亮白光LED 灯珠为光源，以STC89C52 单片机为主控芯片15，由LED 恒流驱动系统、时钟系统、测温系统、液晶显示系统、蜂鸣系统、按键系统、电源系统组成。系统结构框图如图2.1 所示。该台灯系统可具体实现LED 台灯的10 级PWM 调光控制；液晶屏实时显示时钟、日历与环境温度信息；闹钟功能采用声音报警方式，即一旦到达闹钟时间，LED 台灯能够出蜂鸣声报警，以唤醒用户；用户则可以通过按键系统实现对时钟日历与闹钟参数的设置、LED 亮度的调节以及闹钟报警的解除。DS130时钟系统STC89C521602显示系统DS18B20测温系统按键系统Pt4115恒流驱动蜂鸣系统电源系统图2.1 系统结构框图2.2 单片机主控系统本设计主控系统采用高性能STC89C52 芯片实现，其P0 口外接10K 的上拉电阻，P0.0P0.7 连接液晶1602 的数据接口17。P2.6P2.7 则需要分别连接液晶1602 的使能端EN、数据/命令选择端RS。P2.4 作为蜂鸣器控制端。P3.0 作为DS18B20 的信号输入端。P3.1、P3.4、P3.5、P3.6 与P3.7 作为S2S6 按键系统。单片机的P1.1 作为PWM 信号的输出端并连接PT4115 芯片DIM 端，用于PWM 调光控制8。系统晶振电路由12MHZ 晶振与两个30PF 电容组成；复位电路则由S1 按键、1K 电阻与20uF 电解电容构成。单片机最小系统电路如图2.2所示。基于PWM的智能多功能台灯设计图2.2 单片机最小系统2.3 恒流驱动系统本台灯设计LED 光源采用相互并联方式，共由20只高亮度小功率LED 组成；每只LED 灯珠的压降约3.1V，工作电流约20mA.由白光LED 的正向伏安特性可知，当LED 端电压超过其正向导通电压后，较小的电压波动都会导致工作电流的的剧烈变化，从而影响LED 的正常使用，固LED 宜采用恒流驱动方式。因此，本设计LED 采用高性能PT4115 恒流芯片驱动。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源IC，能将直流电压直接转换成稳定的恒流输出4。该芯片适合用于绿色照明LED灯的驱动电路，能够驱动一颗或者多颗串并联的LED，且具有应用电路非常简洁的优点。根据不同的外部电压和器件PT4115可以驱动数十瓦的LED灯。PT4115采用抖频(Frequency Jitter)技术，能有效降低EMI。频率抖动技术是一种从分散谐波干扰能量着手解决EMI问题的新方法。频率抖动技术是指开关电源的工作频率并非固定不变，而是周期性地由窄带变为宽带的方式来降低EMI，以减小电磁干扰。当没有采用频率抖动技术时，各次谐波较窄而且离散，幅值在谐波频率较高处，EMI集中在峰尖。采用频率抖动技术时，谐波幅值降低并变得平滑，高次谐波接近连续响应，抑制EMI的效果十分显著。PT4115输入电压范围为6V-30V，芯片被击穿的电压大于45V，最大的输出的电流为1.2A，其转换的效率较高，达到97，PT4115恒流驱动芯片的输出的电流精度达5。该芯片具有过压、过流、LED断路保护等多种功能。其封装模式，有利于驱动电路的快速散热，从而对电路进行保护。PT4115的应用电路简洁，仅需四个元器件，DIM引脚的调光功能采用由高向低的调光方法，安全可靠。PWM和模拟电压均可控制调光。DIM内部有一个1M的上拉电阻(Rup)接到内部5V电源。由于有些灯具需要实施过温保护，可在DIM端外加一个热敏电阻、NTC或温度二极管。DIM端的电压由Rup和NTC分压决定，利用模拟调光的原理以及温度对PN结电流的负反馈实现动态温度控制，可实现LED灯具的动态过温保护。PT4115 内置功率开关，采用高端电流采样设置LED电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光10。PT4115在DIM 管脚加PWM 信号进行调光，DIM 管脚电压低于0.3V 关断LED 电流，高于2.5V 全部打开LED电流，PWM 调光的频率范围从100Hz 到20KHz 以上。当高电平在0.5V 到2.5V 之间，也可以调光，当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。LED 恒流驱动电路如图2.3 所示 图2.3 LED 恒流驱动系统电路图PT4115 恒流驱动输出的电流值计算公式为：IOUT =（0.1D）/ Rs （D 为方波信号占空比，Rs 为限流电阻。）由于本设计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欧电阻。L1 为镇流电感，选取68 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 脉冲调光信号由单片机P1.1 产生，单片机P1.1口的输出的高电平和低电平决定LED 是否通断。将定时器T0溢出中断定为1/2500 秒（即400 S），每10个脉冲信号作为一个周期，即频率为250HZ.这样，在每1/250 秒的周期中，通过改变方波的高低电平的个数，即改变占空比从而实现LED 灯的10级亮度调节，即LED亮度等级是由每个周期内的高电平脉冲的数目所决定的。当高电平脉冲个数为1时，占空比为1/10，亮度最低，当在一个周期中10个脉冲全为高电平时，占空比为1，LED亮度最高。其调光原理如图2.4 所示；图2.4 PWM 调光原理图2.4 时钟系统时钟系统采用DS1302时钟芯片。此芯片通过程序的读写提供年月日，时间，星期，达到显示时间日历的目的。此芯片引脚，X1, X2接32.768KHZ的晶振。VCC1接备用电源以保证系统电源断电时，能够正常的进行计时。VCC2接主电源。DS1302的工作电压在3.5V到5.5V之间。复位引脚RST接单片机的P1.5引脚，时钟引脚SCLK接单片机的P1.6引脚，I/O接口接单片机的 P1.7引脚9。时钟系统和单片机系统连接图如图2.5。基于PWM的智能多功能台灯设计图2.5 时钟系统电路图2.5 液晶显示系统液晶显示器在我们平时的生活中运用的地方非常多，像最简单的计算器，电子表，数字万用表等等。液晶显示能够显示数字特殊符号和图形。而其他的显示有:发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，这些显示所使用的软件都比较简单，但是硬件电路比较复杂，从而使硬件电路的设计变得更加复杂，同时也会产生一些其他诸如成本，设计思路等方面的问题。相比较而言液晶显示成本低运用广，且硬件电路相对比较简单，所以本次设计的显示模块选择使用LCD液晶显示器11。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。液晶显示的优点：（1）显示质量好，可视面积大。液晶显示器每一个点在收到信号后会一直保持色彩和亮度，恒定发光，而不需要像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。基于PWM的智能多功能台灯设计（2）数字式接口。液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，不需要把数字信号转化为模拟信号在进行输出，操作更加方便。（3）体积小、重量轻。液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，所以在实际电路的焊接中能够更好的进行电路的排版焊接，简化了在硬件电路中设计的工作量。（4）功耗低。相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。 因此该硬件系统的显示电路采用LCD1602液晶显示,可以显示时间、日历，星期，灯光亮度和温度等。用单片机一组I/O口作为数据口向LCD1602发送数据信息。从而实现所需功能。 液晶显示器各种图形的显示原理:（1）线段的显示点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行有16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。（2）字符的显示用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。（3）汉字的显示 汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完LCD就可以得到一个完整的汉字。 本系统 1602 液晶采用并行操作方式，P0.0P0.7 通过借助10K 的上拉电阻连接其数据端口DB0DB7，这样就能保证单片机和液晶显示1602之间进行数据通信，进行数据读写14。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连接1602液晶的使能端E，P2.7 连接1602液晶的数据/命令选择端RS，液晶显示1602的数据读写RW接地。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2.6 所示。图2.6 液晶系统电路图2.6 温度检测系统系统的温度检测选用DALLAS 公司“一线总线”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0.06253。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6。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2.7所示。 图2.7 温度检测电路图DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在使用DS18B20温度传感器并且需要进行编程来实现其温度测试的功能时，必须知道DS18B20内部储器。明白他是怎么样工作的。这样才能进行编程。DS18B20 共有2种形态的存储器资源，它们分别是： （1）ROM 只读存储器，用于存放 DS18B20ID 编码，其前 8 位是单线系列编码（DS18B20 的编码是19H），后面48 位是芯片唯一的序列号，最后 8位是以上 56的位的 CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20 共 64 位 ROM。 （2）RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共9 个字节 RAM，每个字节为8位。第1，2个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、4 个字节是用户 EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第 3 个 EEPROM的镜像。第 6、7、8 个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第 9 个字节为前 8个字节的 CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在 RAM 都存在镜像，以方便用户操作。由于DS18B20温度检测传感器使用范围比较广，电路设计和软件编程都比较成熟。所以本电路系统采用DS18B20温度检测传感器不管是从硬件电路设计还是软件编程方面都具有很好的优势，能够起到简化电路设计节约成本的作用。2.7 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2.8所示。图2.8 蜂鸣系统电路图2.8 按键系统按键控制系统由S2S6 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2.9 所示。 图2.9 按键系统电路图2.9 电源系统 本系统设计最大功率约1.6W，可采用电池或稳压电源多种方式供电。由于系统光源采用20 只LED 灯珠并联组成，所以LED 恒流驱动芯片PT4115 供电电源在630V 电压范围内均可使LED 灯正常使用。但单片机供电需要恒压供电。系统采用三端稳压芯片7805，来稳定给单片机供电的电源。该线性稳压芯片正常工作输入电压与输出电压差值应至少高于2V，若差值过大会增加额外功耗。因此，本系统宜选用稳压电源方式供电。同时，本文LED 恒流驱动系统设计简洁灵活，可根据用户需求适当调整驱动电路参数，即可扩展LED 照明功率，最大可至10W左右。 集成直流稳压电源的要求是比较基本的设计，设计要求电源输出5V直流电压。设计中包括电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四个部分。通过四部分的组合将220V交流电压转变为设计要求直流电压。由于稳压电路发生波动、负载和温度发生变化，滤波电路输出的直流电压会随着变化。因此，需要维持电源输出的电压稳定不变，需要加一级稳压电路。系统中稳压电路的作用是当外界因素（电网电压、负载、环境温度）等发生变化时，使输出的直流电压不受外界因素的影响，从而维持稳定的电压输出。保护各个芯片的正常工作。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件组成。采用集成稳压器设计的电源具有很好稳定性能、电路结构比较简单等优点。从而保证稳定给各个芯片供电，并提供整个系统的供电。图2.10 直流稳压电源3 系统软件设计该系统控制程序主要包含系统初始化程序、实时时钟芯片处理程序、温度传感器芯片处理程序、液晶显示程序、键盘检测与处理程序、闹钟中断以及定时器产生PWM 程序构成。3.1 系统主程序系统主程序主要包括系统初始化程序（包括I/O 口初始化、DS1302 时钟芯片初始化、液晶1602 的初始化、外部中断0 与定时器T0 设置）、按键检测和处理程序、时钟数据的读取与处理程序、温度数据的读取与处理程序、液晶显示程序、闹钟报警的判断和处理程序、PWM调光处理程序等。程序中设置闹钟标志位Flag_ri，一旦闹钟时间到达，时钟芯片IRQ引脚触发外部中断0，进入中断程序则置Flag_ri=1，用于主程序中闹钟报警的判断与处理。系统主程序流程图如图3.1 所示。图3.1 主程序流程图3.2 按键检测和处理程序按键控制系统由S2S6五个按键组成，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钟以及闹钟参数，根据S2按下次数，依次选择秒、分、时、星期、日、月、年，液晶屏上被选参数下方以光标闪烁状态提示，再通过按下S3或S4调整被选参数值的大小，S2按下累积8次时，则退出选择功能并保存当前数据至时钟芯片。S5用于闹钟时间的查看与设置；首次按下S5，1602液晶屏第二行显示已设置的闹钟时间；可通过S2、S3与S4重新设置闹钟时间；再次按下，则退出闹钟查看功能并保存当前设置的闹钟参数至时钟芯片。同时，S3与S4还可独立作为闹钟产生时的取消键与LED灯光的关闭键。S6实现LED灯光亮度的10级调节，每按一次，LED亮度增大一级；当达到亮度最大时，再次按下则关闭LED灯光。每次有按键按下，蜂鸣器都以短滴声提示。按键检测与处理流程图如图3.2所示。图3.2 按键检测与处理流程图3.3 外部中断程序系统到达设置的闹钟时间，DS1302 时钟芯片SCLK引脚输出由高电平变为低电平，作为单片机P3.2 口INT0 中断的申请输入，并可通过读取DS1302 芯片的C 寄存器来清除SCLK引脚输出。因此，将外部中断INT0 设置为负跳变沿触发中断，并设置闹钟标志位Flag_ri，闹钟时刻到达时设置Flag_ri=1，用于主程序中的闹钟报警处理。闹钟中断程序如图3.3所示。图3.3 外部中断流程图3.4 定时器中断程序为产生调节 LED 灯光亮度的PWM 信号，定时器T0设置为工作方式0，即13 位计数器定时，最多装载数值为8192个。因为系统晶振采用12MHz，赋值使TH0=（8192-400）/ 32 与 TL0=（8192-400）%32，即可实现400 S 的定时中断。10 次中断（即4mS）作为一个周期，通过调节每个周期内单片机P1.1（该控制口名称定义为LED_PWM）输出的占空比来产生PWM 脉冲信号，以控制PT4115 恒流驱动芯片实现LED 灯的10 级亮度调节。程序设置对T0 中断次数（即定义为T0_num）进行计数，以便判断一个周期到否；同时判断比较高电平脉冲个数（即定义为scale 值，由调光键S6 按下次数设置）用于实现不同亮度等级的调节。在定时器T0 中断服务程序中，首先T0 重新装入定时为400 S 的初值；定时器中断次数T0_num 加1，判断一个方波周期到否，若到达，令T0_num 归零，并将P1.1口输出电平置高（即LED_PWM=1）；如果一个方波周期还没到，则与亮度等级scale 值作比较，判断高电平脉冲个数scale 到否，若到达，令P1.1 口输出电平置低（即LED_PWM=0），否则继续保持P1.1 口输出高电平（即LED_PWM=1）；而后中断返回，等待下一次定时中断。这样，P1.1 口就产生了所需的PWM 调光信号。定时器生成PWM 流程图如图3.4所示。图3.4 定时器生成PWM流程图3.5 C语言程序编写和ISP软件程序下载C语言是国际社会广泛流行的计算机高级语言。语言简洁，紧凑，使用方便灵活，是完全模块化和结构化的语言，语法设计不太严格，程序设计自由度大，用C语言编写的程序可移植性好。C语言的这些特点和电路的设计比较吻合。全局性和局部性，模块化可以简便编程过程。因此选择C语言进行程序设计，要比汇编语言好。在程序编写的过程中需要做到认真仔细，程序的编写是个比较大的一个工程。在这个过程中会遇到许多的问题，需要一一解决。程序编写也是论文设计过程中最重要的一个环节，因为硬件和软件是不可能脱离的。两者都能成功并且结合到一起才能实现论文的要求。SP（In-Sy