1、本科畢業設計 題 目 基于PWM的智能多功能臺燈設計姓 名 韋 洋 專 業 自 動 化 學 號 201042004 指導老師 曹 衛 鋒 鄭州科技學院電氣工程學院二一四年五月鄭州科技學院畢業設計（論文）任務書題目 基于PWM的智能多功能臺燈設計 專業 自動化 學號 201042004 姓名 韋洋 主要內容、基本要求、主要參考資料等：主要內容：（1）功能要求：臺燈能夠自動調整光強亮度，檢測環境溫度，顯示日歷等。（2）硬件要求：整個系統的硬件部分包括單片機，鍵盤、顯示和信號輸出等。上述內容為基本要求，可按照自己的理解增加功能使之更完善。基本要求：（1）明確畢業設計任務，復習與查閱有關資料。（2）對

2、設計進行簡要說明，總體設計方案，設計電路，使用計算機繪圖，畫出詳細的電路接線圖，列出元器件清單。電路圖要求工整、清楚、正確，并標明管腳。（3）軟件編程必須有流程圖，程序必須加注釋，各程序段的開始要注明該段功能和作用。（4）要求使用A4打印稿，不少于2萬字。格式遵照學校規定。 主要參考資料：（1）周航慈.單片機應用程序設計技術M.北京航空航天大學出版社（2）中國期刊全文數據庫。（3）“電子技術應用”、“電子設計應用”、“單片機與嵌入式系統應用”等期刊。（4）張毅剛.MCS-51單片機應用設計M.哈爾濱工業大學出版社（5）（6） 完 成 期 限： 指導教師簽名： 專業負責人簽名： 年 月 日鄭州科

3、技學院畢業設計（論文）開題報告課題名稱基于PWM的智能多功能臺燈設計課題來源教師擬定課題類型AX指導教師曹衛峰學生姓名韋 洋學 號201042004 專 業自動化開題報告內容：（調研資料的準備，設計的目的、要求、思路與預期成果；任務完成的階段內容及時間安排；完成設計（論文）所具備的條件因素等。）1. 調研資料的準備畢業設計是對我們在大學所學知識的一次系統而全面的總結，要求有一定的深度和廣度，只有這樣才能把所學知識融會貫通，將知識轉化為能力。為了為我們的老師、家長和我們自己畫下一個完美的句號，調研資料準備如下：（1） 在圖書館查閱與單片機、傳感器、PWM脈寬調制相關電路等有關的文字書籍；（2）

4、通過互連網查閱所使用芯片相關的電子資料，以及國內外相關技術；（3） 通過老師的指導與解惑，對設計內容有基本的了解，確定所使用的單片機類型和芯片型號，掌握各種硬件原理。避免設計誤區，爭取高效率。2. 設計的目的與要求目的：利用單片機微控系統和各個集成電子模塊設計出一款能夠調節臺燈亮度，能夠顯示時間，萬年歷，能夠檢測室內溫度，擁有鬧鐘功能，有硬件設計圖和軟件設計流程圖。要求：（1）設計顯示模塊以及恒流驅動模塊，時鐘模塊，按鍵系統，蜂鳴系統，溫度檢測等硬件電路；（2）設計PWM調光系統能夠對LED進行調節。（3）對設計的電路進行分析。（4）設計軟件程序流程圖及軟件主控制程序。（5）設計調試程序與硬件

5、電路相匹配完成智能控制。3. 設計思路為了達到設計的目的，經過反復查閱資料，設計出電路原理，熟悉為實現其功能所需要的各種元器件，集成模塊，軟件設計，軟硬件結合。 （1）選用STC51單片機利用PWM脈寬調制原理通過程序改變脈寬參數用單片機來控制每個周期內高低電平數從而實現電壓的調節，改變臺燈的亮度。 （2）時鐘系統時鐘系統采用高性能的DS1302時鐘芯片，該芯片功能豐富，使用簡單，是一款高精度實時時鐘芯片；其可以自動產生、年、月、日、時、分、秒等時間信息。顯示系統選用1602字符型液晶顯示模塊。 （3）溫度檢測系統溫度檢測系統選用數字溫度傳感器DS18B20。該傳感器集成度高功耗小高性能。可直

6、接將溫度轉為串行數字信號。 （4）蜂鳴系統蜂鳴系統用于產生鬧鐘報警及按鍵提示音，由單片機及三極管的通斷實現對蜂鳴器聲音控制。 （5）供電系統LED燈采用恒流驅動芯片PT4115，單片機采用5V直流電源來進行供電，其他模塊采用直流電源供電。 （6）軟件程序設計熟悉并掌握C語言程序設計的方法和思路，能夠熟練掌握單片機仿真軟件proteus的使用和仿真。 4. 設計的預期成果： 完成論文，制作出實物。5. 任務完成的階段內容及時間安排（1） 第1周第2周：圖書館和網上查找資料，消化資料；（2） 第3周第5周：制作外圍硬件電路；（3） 第6周第10周：完成各個模塊對硬件以及程序的調試工作，使系統正常運

7、行；（4） 第11周第12周：完成論文。 6. 完成設計（論文）所具備的條件因素 如期完成本次設計具備以下條件因素，可以在圖書館查閱與單片機，PWM調光的相關書籍、雜志和期刊，在圖書館的電子資源網絡上搜索相關資料，學習仿真軟件的使用方法和技巧，具有調試硬件電路以及軟件的儀器與設備，積極聽取老師的指導與意見。注：課題來源要填寫明確（如教師擬定、學生建議、某企事業單位項目等）課題類型：（1）A工程設計；B技術開發；C軟件工程；D理論研究；E調研報告（2）X真實課題；Y模擬課題；Z虛擬課題；要求（1）、（2）均要填，如AY，BY等。目 錄中文摘要I英文摘要II前 言IV1 設計的總體要求及方案選擇1

8、 1.1 調光技術的選擇1 1.2 主要集成芯片的選擇22 硬件系統電路設計4 2.1 整體電路系統模塊4 2.2 單片機主控系統4 2.3 恒流驅動系統5 2.4 時鐘系統7 2.5 液晶顯示系統8 2.6 溫度檢測系統10 2.7 蜂鳴系統12 2.8 按鍵系統12 2.9 電源系統133 系統軟件設計14 3.1 系統主程序14 3.2 按鍵檢測和處理程序15 3.3 外部中斷程序16 3.4 定時器中斷程序16 3.5 C語言程序編寫和ISP軟件程序下載174軟件的調試和仿真195 硬件的組裝與調試20 5.1元器件的選擇與測量20 5.2電子元器件的焊接與組裝20 5.3電子電路的調

9、試21 5.3.1 調試方法21 5.3.2 調試步驟21總 結24致 謝26參考文獻27附錄1 電路實物圖28附錄2 電路原理總圖29附錄3 電路程序清單30附錄4 元器件清單58基于PWM的智能多功能臺燈設計基于PWM的智能多功能臺燈設計摘 要隨著電子技術的日益發展，人們生活中的照明工具也在發生著巨大的變化。普通電燈，白熾燈，LED燈，這也反映了人類社會的進步，科技的發展。目前的家居逐步朝著多功能化智能化的方向發展12。隨著環境問問題的惡化，能源的減少。節能綠色環保的臺燈，逐步走進了人們的生活。以前的臺燈用途單一，而現在的人們需要一種多功能智能化的臺燈。因此利用所學知識設計一種多功能綠色環

10、保的臺燈是一種很好的方向。本文介紹了一種基于PWM調光的智能臺燈設計。把單片機技術和PWM調光技術結合起來實現臺燈光強的調節。利用軟件來改變占空比從而來改變電壓的大小實現調光。利用DS1302時鐘芯片和單片機結合來產生時間日歷。利用DS18B20溫度檢測芯片來檢測環境溫度。用1602 字符型液晶顯示芯片來顯示時間，日歷，星期，溫度，以及臺燈的光強等級。利用蜂鳴器和時鐘芯片產生定時鬧鐘。從而使臺燈擁有多項功能。文章對總體設計思想進行了論述，分析了系統主要功能并以系統硬件設計框圖的形式體現，進行了方案選擇與方案論證。完成了硬件電路的設計，描述了各模塊電路的組成，其中包括單片機最小系統、液晶顯示電路

11、、時鐘電路、蜂鳴器電路，溫度檢測電路，照明電路等，分析了電路中所用芯片的主要功能及各部分電路的工作原理。本設計通過對各模塊的硬件和軟件的設計，基本能夠達到設計要求，滿足人們日常對臺燈的功能使用。關鍵詞：臺燈；多功能；單片機；PWM調光 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 cha

12、nges . 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

13、. Green energy-saving lamp , getting into people's 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 P

14、WM 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 calend

15、ar. 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 fun

16、ctions. 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 modu

17、le 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 har

18、dware and software through the design of each module , and can basically meet the design requirements , to meet people's daily use of lamp function .Keywords : lamps;multi-function;single-chip;PWM dimmingII目 錄I基于PWM的智能多功能臺燈設計前 言隨著人類社會的發展能源的消耗，人們和環境資源的矛盾變的越來越尖銳。全球氣候變暖日益嚴峻。如何減少照明用電就作為一個重要的問題提到日程上來

19、。因為照明用電占總能耗的20%.電子技術的發展，更加節能環保的LED的出現,讓節能減排變成一種實際行動。LED 比白熾燈節，熒光燈，節能燈還要節約更多的電力。并且環保無污染。能夠根據亮度來調節燈光的亮度將會更加節能。但過去所有光源都很不容易實現調光，LED卻能夠輕易實現調光。有的時候人們需要照明時并不一定需要很亮的亮度，可是又無法去改變，反而浪費了能源。許多的場合都需要能夠智能調光的光控系統。像路燈、家庭照明，辦公室、商場、學校、工廠這些地方需要進行燈光的亮度的調光，可以預見調光技術的發展必將帶來很大的節能減排的效應。而臺燈作為家庭必備物品如果也能實現調光，采用LED照明技術，根據環境亮度來調

20、節亮度，將會達到節能的效果。而且同時擁有鬧鐘功能，日歷功能，溫度檢測功能，將會給人們的生活帶來更大的便利。論文的主要原理和制作是根據所學的理論知識和在學習期間的電子電路制作過程中所積累的經驗，從而進行創作。在查閱大量相關資料的前提下結合任務書以及老師提出的要求和需要達到的效果進行設計。首先利用Proteus軟件進行電路圖的設計，畫出電路原理圖。利用單片機編程軟件用C語言進行編程。將調試好的源程序下載到Proteus軟件單片機中進行仿真。經過一系列的調試仿真。最終達到任務書中的要求。在進行實物的焊接。在實物調試完成后在進行論文的整理，一切按照要求進行。本論文主要的方法就是利用計算機軟件進行輔助設

21、計，利用計算機編程軟件進行軟件設計。III1 設計的總體要求及方案選擇本次設計制作一基于PWM的智能多功能臺燈的控制系統，能夠通過STC89C52單片機編程實現臺燈亮度的調節，并通過顯示裝置顯示出時間，日期，星期，臺燈亮度，并且能夠進行鬧鐘定時，能夠進行環境溫度的檢測。功能要求：臺燈能夠自動調整光強亮度，檢測環境溫度，顯示日歷等。硬件要求：整個系統的硬件部分包括單片機，鍵盤、顯示和信號輸出等。1.1 調光技術的選擇 目前常見的調光技術主要有：1采用直流電源LED 的調光技術。2采用脈寬調制（PWM）來調光。3用可控硅對LED 調光2。按照常規技術的應用有以下三種方案可供選擇。方案一：采用直流電

22、源LED 的調光技術如果需要要改變LED 的亮度，實現起來相對來說比較容易。發光二極管具有單向導電性是由電流驅動的器件，因為LED 的亮度是取決于通過它的電流，在一定范圍內電流越大其亮度越亮，反之則越小。調節LED 的亮度只需要調節電流大小，而LED工作電流很小通常需要串接限流電阻，所以當我們改變其限流檢測電阻就能實現改變其電流大小從而改變LED的亮度。但是通常限流檢測電阻阻值非常小，用一個很小阻值的電位器來調節電流，操作起來很難實現電流調節。所以一般不采用調節電阻大小來實現調節電流。因此為了實現電流調節，有些芯片提供一個控制電壓接口，通過改變輸入的控制電壓就可以改變其輸出恒流值。這樣實現起來

23、就比較容易。然而用調正向電流的方法來調亮度會產生一些問題，那就是在調亮度的同時也會改變它的光譜和色溫。調電流會產生使恒流源無法工作的嚴重問題。長時間工作于低亮度有可能會使降壓型恒流源效率降低溫升增高而無法工作。調節正向電流無法得到精確調光。方案二：采用脈寬調制（PWM）來調光LED 是一個發光二極管，它可以快速實現開關。這一特點是其他的發光器件所無法比擬的。因此，我們需要把供電源改成脈沖恒流源，改變電源脈沖寬度的方法，就可以改變其亮度1。種方法稱為脈寬調制（PWM）調光法。假如脈沖的周期為tpwm,脈沖寬度為ton,那么其工作比D（或稱為孔度比）就是ton/tpwm.改變恒流源脈沖的工作比就可

24、以改變LED 的亮度。簡而言之，PWM是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的5。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。脈寬調制調光的優點：1、不會產生任何色譜偏移。2、PWM調光具有極高的調光精確度。3、可以和數字控制技術相結合來進行控制。因為任何數字

25、都可以很容易變換成為一個PWM 信號。4、PWM調光能夠通過軟件的方式比較容易實現，使用范圍廣闊。方案三：可控硅調光普通的照明燈具通常采用可控硅來調光，例如白熾燈和鹵素燈。因為他們基本是一個純阻器件，以這樣純阻器件為照明工具的燈光系統對輸入電壓沒有要求，輸入電壓是否是正弦波交流電對其沒有任何影響。通過純阻器件的電流和電壓波形是完全一致的，所以不管電壓波形如何偏離正弦波，所以改變輸入純阻器件電壓的有效值，就可以調光。但是可控硅卻不能對以LED為照明器件的照明系統進行調光。因為LED并不是一個純阻性的器件。綜述來說LED調光最好采用的技術是PWM調光。采用PWM 調光時，可以運用微控系統，例如單片

26、機，通過程序可以預先設置好燈光的亮度等級，然后通過調節等級就能實現對燈光的亮度的調節。PWM 調光是可以直接應用于調光型臺燈的5。因此最終選擇PWM調光。1.2 主要集成芯片的選擇單片機是整個電路的控核心，因此單片機的選擇對于整個電路來說是至關重要的。結合本論文的實際情況選擇STC89C52單片機15。52單片機比51單片機內存大，可以串口下載程序，指令執行速度快。經濟方便18。時鐘芯片主要在DS12C887和DS1302之間進行選擇。由于 DS12C887 能夠自動產生世紀、年、月、日、時、分、秒等時間信息，其內部又增加了世紀寄存器，從而利用硬件電路 解決了“千年”問題；DS12C887 中

27、自帶有鋰電池，外部掉電時，其內部時間信息還能夠保持10年之久；對于一天內的時間記錄，有12小時制和24小時制兩種模式。在12小時制模式中，用AM 和PM 區分上午和下午；但是DS12C887引腳比較多，從而造成硬件電路比較復雜，而DS1302 也能夠自動產生世紀、年、月、日、時、分、秒等時間信息，但是內部沒有內部電源需要外接備用電源。和單片機相連的引腳只有三個，硬件電路比較簡單。因此選擇 DS1302作為時鐘芯片。顯示芯片采用1602液晶顯示芯片。可以顯示字符，數字等，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；適合于本設計所需數字、英文字母以及特殊符號的顯示要求。通過

28、單片機控制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。溫度檢測芯片采用數字溫度傳感器DS18B20，該傳感器具有微型化、低功耗、高性能等優點。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使其應用范圍廣闊，DS18B20可直接將溫度轉化成串行數字信號處理，測溫范圍為-55125，最高分辨率可達0.0625。58基于PWM的智能多功能臺燈設計2 硬件系統電路設計2.1 整體電路系統模塊該多功能 LED 臺燈系統采用20 只5mm 高亮白光LED 燈珠為光源，以STC89C52 單片機為主控芯片15，由LED 恒流驅動系統、時鐘系統、測溫系統、液晶

29、顯示系統、蜂鳴系統、按鍵系統、電源系統組成。系統結構框圖如圖2.1 所示。該臺燈系統可具體實現LED 臺燈的10 級PWM 調光控制；液晶屏實時顯示時鐘、日歷與環境溫度信息；鬧鐘功能采用聲音報警方式，即一旦到達鬧鐘時間，LED 臺燈能夠出蜂鳴聲報警，以喚醒用戶；用戶則可以通過按鍵系統實現對時鐘日歷與鬧鐘參數的設置、LED 亮度的調節以及鬧鐘報警的解除。DS130時鐘系統STC89C521602顯示系統DS18B20測溫系統按鍵系統Pt4115恒流驅動蜂鳴系統電源系統圖2.1 系統結構框圖2.2 單片機主控系統本設計主控系統采用高性能STC89C52 芯片實現，其P0 口外接10K 的上拉電阻，

30、P0.0P0.7 連接液晶1602 的數據接口17。P2.6P2.7 則需要分別連接液晶1602 的使能端EN、數據/命令選擇端RS。P2.4 作為蜂鳴器控制端。P3.0 作為DS18B20 的信號輸入端。P3.1、P3.4、P3.5、P3.6 與P3.7 作為S2S6 按鍵系統。單片機的P1.1 作為PWM 信號的輸出端并連接PT4115 芯片DIM 端，用于PWM 調光控制8。系統晶振電路由12MHZ 晶振與兩個30PF 電容組成；復位電路則由S1 按鍵、1K 電阻與20uF 電解電容構成。單片機最小系統電路如圖2.2所示。基于PWM的智能多功能臺燈設計圖2.2 單片機最小系統2.3 恒流

31、驅動系統本臺燈設計LED 光源采用相互并聯方式，共由20只高亮度小功率LED 組成；每只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后，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IC，能將直流電壓直接轉換成穩定的恒流輸出4。該芯片適合用于綠色照明LED燈的驅動電路，能夠驅動一顆或者多顆串并聯的LED，且具有應用電路非常簡潔的優點。根據不同的外部電壓和器件P

32、T4115可以驅動數十瓦的LED燈。PT4115采用抖頻(Frequency Jitter)技術，能有效降低EMI。頻率抖動技術是一種從分散諧波干擾能量著手解決EMI問題的新方法。頻率抖動技術是指開關電源的工作頻率并非固定不變，而是周期性地由窄帶變為寬帶的方式來降低EMI，以減小電磁干擾。當沒有采用頻率抖動技術時，各次諧波較窄而且離散，幅值在諧波頻率較高處，EMI集中在峰尖。采用頻率抖動技術時，諧波幅值降低并變得平滑，高次諧波接近連續響應，抑制EMI的效果十分顯著。PT4115輸入電壓范圍為6V-30V，芯片被擊穿的電壓大于45V，最大的輸出的電流為1.2A，其轉換的效率較高，達到97，PT4

33、115恒流驅動芯片的輸出的電流精度達±5。該芯片具有過壓、過流、LED斷路保護等多種功能。其封裝模式，有利于驅動電路的快速散熱，從而對電路進行保護。PT4115的應用電路簡潔，僅需四個元器件，DIM引腳的調光功能采用由高向低的調光方法，安全可靠。PWM和模擬電壓均可控制調光。DIM內部有一個1M的上拉電阻(Rup)接到內部5V電源。由于有些燈具需要實施過溫保護，可在DIM端外加一個熱敏電阻、NTC或溫度二極管。DIM端的電壓由Rup和NTC分壓決定，利用模擬調光的原理以及溫度對PN結電流的負反饋實現動態溫度控制，可實現LED燈具的動態過溫保護。PT4115 內置功率開關，采用高端電流

34、采樣設置LED電流，并通過DIM引腳可以接受模擬調光和很寬范圍的PWM調光10。PT4115在DIM 管腳加PWM 信號進行調光，DIM 管腳電壓低于0.3V 關斷LED 電流，高于2.5V 全部打開LED電流，PWM 調光的頻率范圍從100Hz 到20KHz 以上。當高電平在0.5V 到2.5V 之間，也可以調光，當DIM的電壓低于0.3伏時，功率開關關斷，PT4115進入極低工作電流的待機狀態。LED 恒流驅動電路如圖2.3 所示 圖2.3 LED 恒流驅動系統電路圖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

35、限流電阻。）由于本設計LED 光源采用20只小功率白光LED 燈珠并聯方式，且每只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歐電阻。L1 為鎮流電感，選取68 H，用于穩定通過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；由于工作在高頻狀態，D1 選用正向壓降小且恢復速度快的肖特基二極管SS24。PWM 脈沖調光信號由單片機P1.1 產生，單片機P1.1口的輸出的高電平和低電平決定LED 是否通斷。將定時器T0溢出中斷定為1/2500 秒（即400 S），每10

36、個脈沖信號作為一個周期，即頻率為250HZ.這樣，在每1/250 秒的周期中，通過改變方波的高低電平的個數，即改變占空比從而實現LED 燈的10級亮度調節，即LED亮度等級是由每個周期內的高電平脈沖的數目所決定的。當高電平脈沖個數為1時，占空比為1/10，亮度最低，當在一個周期中10個脈沖全為高電平時，占空比為1，LED亮度最高。其調光原理如圖2.4 所示；圖2.4 PWM 調光原理圖2.4 時鐘系統時鐘系統采用DS1302時鐘芯片。此芯片通過程序的讀寫提供年月日，時間，星期，達到顯示時間日歷的目的。此芯片引腳，X1, X2接32.768KHZ的晶振。VCC1接備用電源以保證系統電源斷電時，能

37、夠正常的進行計時。VCC2接主電源。DS1302的工作電壓在3.5V到5.5V之間。復位引腳RST接單片機的P1.5引腳，時鐘引腳SCLK接單片機的P1.6引腳，I/O接口接單片機的 P1.7引腳9。時鐘系統和單片機系統連接圖如圖2.5。基于PWM的智能多功能臺燈設計圖2.5 時鐘系統電路圖2.5 液晶顯示系統液晶顯示器在我們平時的生活中運用的地方非常多，像最簡單的計算器，電子表，數字萬用表等等。液晶顯示能夠顯示數字特殊符號和圖形。而其他的顯示有:發光管、LED數碼管、液晶顯示器。發光管和LED數碼管比較常用，這些顯示所使用的軟件都比較簡單，但是硬件電路比較復雜，從而使硬件電路的設計變得更加復

38、雜，同時也會產生一些其他諸如成本，設計思路等方面的問題。相比較而言液晶顯示成本低運用廣，且硬件電路相對比較簡單，所以本次設計的顯示模塊選擇使用LCD液晶顯示器11。顯示系統采用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；適合于本設計所需數字、英文字母以及特殊符號的顯示要求。通過單片機控制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。液晶顯示的優點： （1）顯示質量好，可視面積大。液晶顯示器每一個點在收到信號后會一直保持色彩和亮度，恒定發光，而不需要像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新亮點。因此，液晶

39、顯示器畫質高且不會閃爍。基于PWM的智能多功能臺燈設計（2）數字式接口。液晶顯示器都是數字式的，和單片機系統的接口更加簡單可靠，不需要把數字信號轉化為模擬信號在進行輸出，操作更加方便。 （3）體積小、重量輕。液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態來達到顯示的目的，所以在實際電路的焊接中能夠更好的進行電路的排版焊接，簡化了在硬件電路中設計的工作量。 （4）功耗低。相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內部的電極和驅動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 因此該硬件系統的顯示電路采用LCD1602液晶顯示,可以顯示時間、日歷，星期，燈光亮度和溫度等。用單片機一組I/O

40、口作為數據口向LCD1602發送數據信息。從而實現所需功能。 液晶顯示器各種圖形的顯示原理: （1）線段的顯示 點陣圖形式液晶由M×N個顯示單元組成，假設LCD顯示屏有64行，每行有128列，每8列對應1字節的8位，即每行有16字節，共16×8=128個點組成，屏上64×16個顯示單元與顯示RAM區1024字節相對應，每一字節的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應。例如屏的第一行的亮暗由RAM區的000H00FH的16字節的內容決定，當（000H）=FFH時，則屏幕的左上角顯示一條短亮線，長度為8個點；當（3FFH）=FFH時，則屏幕的右下角顯示一

41、條短亮線；當（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H時，則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和8條暗線組成的虛線。這就是LCD顯示的基本原理。 （2）字符的顯示 用LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區的8字節，還要使每字節的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內帶字符發生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據在LCD上開始顯

42、示的行列號及每行的列數找出顯示RAM對應的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。 （3）漢字的顯示  漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數可找出顯示RAM對應的地址，設立光標，送上要顯示的漢字的第一字節，光標位置加1，送第二個字節，換行按列對齊，送第三個字節直到32B顯示完LCD就可以得到一個完整的漢字。 本系統 1602 液晶采用并行操作方式，P0.0P0.7 通過借助10K 的上拉電阻連接其數據

43、端口DB0DB7，這樣就能保證單片機和液晶顯示1602之間進行數據通信，進行數據讀寫14。由于各自片選信號不同，選中時操作對應芯片將不會造成操作沖突。P2.5連接1602液晶的使能端E，P2.7 連接1602液晶的數據/命令選擇端RS，液晶顯示1602的數據讀寫RW接地。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，用于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2.6 所示。圖2.6 液晶系統電路圖2.6 溫度檢測系統系統的溫度檢測選用DALLAS 公司“一線總線”數字溫度傳感器DS18B20，該

44、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，測溫范圍為-55-125，最高分辨率可達0.06253。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，用于保證單片機與DS18B20 通訊時高低電平準確的被單片機機和DS18B20 識別6。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，并通過液晶屏實時顯示。溫度檢測電路如圖2.7所示。 圖2.7 溫度檢測電路圖DS18B20 的溫度檢測與數字數據輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數據處理

45、。在使用DS18B20溫度傳感器并且需要進行編程來實現其溫度測試的功能時，必須知道DS18B20內部儲器。明白他是怎么樣工作的。這樣才能進行編程。DS18B20 共有2種形態的存儲器資源，它們分別是：   （1）ROM  只讀存儲器，用于存放 DS18B20ID 編碼，其前 8 位是單線系列編碼（DS18B20 的編碼是19H），后面48 位是芯片唯一的序列號，最后 8位是以上 56的位的 CRC碼（冗余校驗）。數據在出產時設置不由用戶更改。DS18B20 共 64 位 ROM。   （2）RAM  數據暫存器，用于內部計算和數據存取

46、，數據在掉電后丟失，DS18B20 共9 個字節 RAM，每個字節為8位。第1，2個字節是溫度轉換后的數據值信息，第 3、4 個字節是用戶 EEPROM（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。第5個字節則是用戶第 3 個 EEPROM的鏡像。第 6、7、8 個字節為計數寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內部溫度轉換、計算的暫存單元。第 9 個字節為前 8個字節的 CRC碼。EEPROM  非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數據，上下限溫度報警值和校驗數據，DS18B20共3位EEPROM，并在 RAM 都存在鏡像，以方便用戶操作。由于DS

47、18B20溫度檢測傳感器使用范圍比較廣，電路設計和軟件編程都比較成熟。所以本電路系統采用DS18B20溫度檢測傳感器不管是從硬件電路設計還是軟件編程方面都具有很好的優勢，能夠起到簡化電路設計節約成本的作用。2.7 蜂鳴系統蜂鳴系統用于產生鬧鐘報警聲以及按鍵提示音。由單片機P2.4口控制PNP 三極管9012的通斷實現對蜂鳴器聲音控制；通過延遲函數實現蜂鳴報警聲的長短音控制，長音滴用于鬧鐘鈴聲，短音滴用于按鍵提示音。蜂鳴系統電路如圖2.8所示。圖2.8 蜂鳴系統電路圖2.8 按鍵系統按鍵控制系統由S2S6 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 鬧鐘設置鍵

48、以及S6 亮度調節鍵。S2 用于選擇需要調整的時間日歷以及鬧鐘參數，并作為時間日歷參數的存儲確認鍵。S3 與S4 用于調整被選參數值的大小。S5 用于鬧鐘查看與存儲確認鍵。S6 用于LED 燈光10 級亮度的調節鍵。按鍵系統電路如圖2.9 所示。 圖2.9 按鍵系統電路圖2.9 電源系統 本系統設計最大功率約1.6W，可采用電池或穩壓電源多種方式供電。由于系統光源采用20 只LED 燈珠并聯組成，所以LED 恒流驅動芯片PT4115 供電電源在630V 電壓范圍內均可使LED 燈正常使用。但單片機供電需要恒壓供電。系統采用三端穩壓芯片7805，來穩定給單片機供電的電源。該線性穩壓芯片正常工作輸

49、入電壓與輸出電壓差值應至少高于2V，若差值過大會增加額外功耗。因此，本系統宜選用穩壓電源方式供電。同時，本文LED 恒流驅動系統設計簡潔靈活，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。 集成直流穩壓電源的要求是比較基本的設計，設計要求電源輸出5V直流電壓。設計中包括電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路四個部分。通過四部分的組合將220V交流電壓轉變為設計要求直流電壓。由于穩壓電路發生波動、負載和溫度發生變化，濾波電路輸出的直流電壓會隨著變化。因此，需要維持電源輸出的電壓穩定不變，需要加一級穩壓電路。系統中穩壓電路的作用是當外界因素（電網電壓、負載、環

50、境溫度）等發生變化時，使輸出的直流電壓不受外界因素的影響，從而維持穩定的電壓輸出。保護各個芯片的正常工作。穩壓電路一般采用集成穩壓器和一些外圍元件組成。采用集成穩壓器設計的電源具有很好穩定性能、電路結構比較簡單等優點。從而保證穩定給各個芯片供電，并提供整個系統的供電。圖2.10 直流穩壓電源3 系統軟件設計該系統控制程序主要包含系統初始化程序、實時時鐘芯片處理程序、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、鬧鐘中斷以及定時器產生PWM 程序構成。3.1 系統主程序系統主程序主要包括系統初始化程序（包括I/O 口初始化、DS1302 時鐘芯片初始化、液晶1602 的初始化、外部中

51、斷0 與定時器T0 設置）、按鍵檢測和處理程序、時鐘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、鬧鐘報警的判斷和處理程序、PWM調光處理程序等。程序中設置鬧鐘標志位Flag_ri，一旦鬧鐘時間到達，時鐘芯片IRQ引腳觸發外部中斷0，進入中斷程序則置Flag_ri=1，用于主程序中鬧鐘報警的判斷與處理。系統主程序流程圖如圖3.1 所示。圖3.1 主程序流程圖3.2 按鍵檢測和處理程序按鍵控制系統由S2S6五個按鍵組成，分別為S2時間設置鍵、S3數值增大鍵、S4數值減小鍵、S5鬧鐘設置鍵以及S6亮度調節鍵。S2用于選擇需要調整的時鐘以及鬧鐘參數，根據S2按下次數，依次選擇秒、分、

52、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，則退出選擇功能并保存當前數據至時鐘芯片。S5用于鬧鐘時間的查看與設置；首次按下S5，1602液晶屏第二行顯示已設置的鬧鐘時間；可通過S2、S3與S4重新設置鬧鐘時間；再次按下，則退出鬧鐘查看功能并保存當前設置的鬧鐘參數至時鐘芯片。同時，S3與S4還可獨立作為鬧鐘產生時的取消鍵與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3.2

53、所示。圖3.2 按鍵檢測與處理流程圖3.3 外部中斷程序系統到達設置的鬧鐘時間，DS1302 時鐘芯片SCLK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，并可通過讀取DS1302 芯片的C 寄存器來清除SCLK引腳輸出。因此，將外部中斷INT0 設置為負跳變沿觸發中斷，并設置鬧鐘標志位Flag_ri，鬧鐘時刻到達時設置Flag_ri=1，用于主程序中的鬧鐘報警處理。鬧鐘中斷程序如圖3.3所示。圖3.3 外部中斷流程圖3.4 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8192個。因為系

54、統晶振采用12MHz，賦值使TH0=（8192-400）/ 32 與 TL0=（8192-400）%32，即可實現400 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（該控制口名稱定義為LED_PWM）輸出的占空比來產生PWM 脈沖信號，以控制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沖個數（即定義為scale 值，由調光鍵S6 按下次數設置）用于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400 S

55、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，并將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，判斷高電平脈沖個數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）；而后中斷返回，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3.4所示。圖3.4 定時器生成PWM流程圖3.5 C語言程序編寫和ISP軟件程序下載C語言是國際社會廣泛流行的計算機高級語言。語言簡潔，緊湊，使用方便靈活，是完全模塊化和結構化的語言，語法設計不太嚴格，程序設計自由度大，用C語言編寫的程序可移植性好。C語言的這些特點和電路的設計比較吻合。全局性和局部性，模塊化可以簡便編程過程。因此選擇C語言進行程序設計，要比匯編語言好。在程序編寫的過程中需要做到認真仔細，程序的編寫是個比較大的一個工程。在這個過程中會遇到許多的問題，需要一一解決。程序編寫也是論文設計過程中最重要的一個環節，因為硬件和軟件是不可能脫離的。兩者都能成功并且結合到一起才能實現論文的要求。SP