本科毕业设计 （文献综述）
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 指导教师 曹 卫 锋
郑州科技学院电气工程学院 二○一四年五月
文献综述
基于PWM的智能多功能台灯设计文献综述
1 前言
台灯是每个家庭的生活必需品，而普通的台灯功能简单，用途单一。随着电子科技的发展，台灯作为人们经常使用的生活必需品也有着很大的发展。逐步朝着多功能化，智能化的方向发展。根据自身所学知识结合实际情况制作一种智能台灯，主要实现台灯的基本照明功能功能，能够智能的调节台灯亮度，能够显示室内温度，拥有万年历时钟功能。随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能化多功能化。
2 台灯的发展的发展背景
虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的台灯已经感受到产品更新换代的威胁。与其他的智能化家用电器一样，智能化台灯有许多普通按键台灯所无法比及的优势，智能化台灯一方面可以更节省电能，有利于环保。现今台灯种类样式繁多，灯泡分为：节能灯，白炽灯，LED灯泡。控制方式有：开关控制，触控式，亮度可调式，甚至声控。LED 作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源[1]。基于白光LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式[2]。与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来，并符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。
3 基于PWM调光的智能LED台灯的发展现状
自LED光源进入通用照明领域，逐渐取代传统光源，日益占据照明的核心领域。其除了耗能少、无污染、不含汞、寿命长等优点外，可控性强是LED光源区别于传统光源的鲜明特点。因此，充分发挥LED的先天优势，让LED按
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照人们的照明需求，随时\"可控可调\"，将使LED更为快速的占据照明领域的核心地位。而如何实现成本可接受的\"可控可调\"，将非常关键。
调光的需求可以大体分为三类：一是功能型调节光线的需要，如进门的玄关、会议室等；二是家居生活中舒适性和生活格调的体现，比如对灯光的明暗搭配，色温冷暖，既可以根据环境的需要进行调节，也可以起到烘托氛围的作用；三是环保节能的需要，比如公共场所的节能需求。比如停车场照明、商场照明、道路照明等。
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。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[3]。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[4]。通过高分辨率计数器的使用，
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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。
香港理工大学电子与资讯工程系研究人员最近开发出高性能LED驱动器，可使LED灯更亮更节能。这种新驱动器采用创新的多级PWM技术为LED灯供电，与当下LED产品采用的PWM和线性驱动器相比，这种技术显著改善了光质量和能效。这种方式不局限于LED驱动器，并可提供比PWM或恒流模式更多的好处和选择。采用传统的PWM方式，LED接受的电流是脉冲式的，而不是直流。这种驱动电流以人眼所无法察觉的速度快速开关。以脉冲电流为LED供电使得光输出更容易控制。由Lai Yuk Ming博士、Loo Ka Hong博士以及MichaelTse教授所成立的研究团队，他们对PWM方式进行了转变。脉冲式操作是以最大化光输出同时最小化热能耗的方式进行的重新设计。从而得到更高光效(lm/W)。Loo Ka Hong博士认为，他们的技术可以再节能15%。
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[6]。因此最终选择PWM调光。
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4 基于PWM智能多功能台灯的设计要求和方法
4.1设计要求
功能要求：台灯能够自动调整光强亮度，检测环境温度，显示日历具有闹钟定时功能。
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。
具体要求如下：台灯功率1.8W。能够用按键调节台灯亮度，总共分为十级亮度。能够显示时间日期，星期，台灯亮度，温度，能够进行闹钟定时，能够修改时间日期。
4.2 基于PWM调光的智能LED台灯设计的实现
通过查阅资料，图书馆中的文献，以及一些刊物，了解别人的设计思想和方法，借鉴一些别人的好的思想方法和一些应用比较成熟的电路。进行自己的构思。单片机作为现在许多电子产品的微控制[7]，虽然单片机的品种，规格越来越多。但是52系列单片机仍然是八位单片机应用领域的主要机型。其功能也越来越强大。用52单片机作为智能台灯的控制器，也具有很多优势。通过单片机系统将各个电路模块有机的结合起来。形成一个完整的电路系统。从而实现智能台灯的操作。
此次设计的智能台灯将有以下几个电路模块组成：时钟系统，测温系统，显示系统，恒流LED驱动系统[9]，蜂鸣系统，主控系统，按键系统。硬件电路的设计当然少不了软件的支持。Proteus,keil C51等仿真软件的出现为单片机和硬件电路的仿真提供了很大的便利。Proteus软件能够非常逼真的进行单片机的仿真。为电路的设计提供了理论保障。
硬件电路的实现需要软件的支持单片机的编程可以用汇编语言或是高级语言。而C语言是常用的一种高级语言。程序的设计需要考虑硬件功能的实现。掌握设计程序的思路，学会用计算机语言编写程序，以实现所需处理的任务：
1、重点掌握单片机的基本知识，工作原理，能够掌握用单片机作为微处理器的电路设计。
2、熟悉DS1302时钟芯片的特性和工作原理。
3、熟悉DS18B20温度集成模块的特性和工作原理，掌握其应用。
4、熟悉字符型液晶显示模块1602 的
[8]
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使用，了解显示模块的各个引脚的用途，接法[10]。
5、LED灯采用恒流驱动芯片PT4115的工作原理作用，以及各个引脚的接法[3]。
6、熟悉了解PWM的原理，明白如何通过脉宽调制来进行调光[4]。
7、能够熟练掌握用C语言进行程序设计进行编程。
8、硬件电路的实现。研究手段：本系统制作的主要设计源泉来源于生活，因此创新之处也在于处理生活中一些比较常见的问题。
9、在论文写作工程中尽量做到贴近现实在大量资料的基础上做到真实可靠，发现问题解决问题。在做作品的时候尽量做到多练习，电路做到尽量简单可靠，设计美观，节约成本，实用。
5 总结
随着科技的发展，将来所有的家用电器都将在一个智能控制系统下工作。通过主控系统将家庭所有电器，电子产品有机的联合起来，形成一个智能化的网络。通过互联网实现远程监控。使生活变得更加方便快捷。所以我们认为家居生活的发展方向是：应用简单可靠的系统，通过高智能的精准控制和协同，让生活变得更简单更舒适更节约。LED台灯是家常电器之一，随着现代科技的进步，LED台灯的类型也越来越多。LED台灯的构造、技术等更加符合广大用户的使用，能起到环保、省电、护眼、耐用多功能等，适合于的场所包括有酒店、酒吧、房间、咖啡厅、客厅、办公室、书桌。可以预见不久的将来，LED 必然会进入普通照明领域取代现有的照明光源。而具有智能调光功能多用途的LED照明系统将会拥有更加广阔的前景。
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参考文献
[1] 赵国强.智能台灯[J].科学启蒙，2007，第Z1期
[2] 陈宜建.智能发光二极管照明控制器设计[J].光源与照明，2012，第三期
[3] 黄建华，侯建国.一种节能型LED驱动电路的设计[J].照明工程学报，2008，第三期 [4] 王雁.基于PWM控制的LED亮度调节方法[J].科学与财富，2011，第五期 [5] 位永辉,杨威.基于BISS0001的智能台灯设计[J].电子元器件应用，2010，第7期 [6] 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,2011，37~48 [7] AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999.dec [8] Vizimuller, P.: ‘RF design guide-systems, circuits, and equations’(ArtechHouse, Boston,
MA,1995) [9] 程安宁，王晋.白光LED的PWM驱动方式分析[J].电子设计工程,2010(2) [10] 赵亮.液晶显示模块LCD1602应用[J].电子制作,2007，17（3）
