第一篇：调光台灯电路设计
摘 要
为了节能和保护视力，市场上出现各种各样的调光台灯，也有很多的人研究更节能的调光方法。通过multisim10.0仿真，设计出一种调光台灯，通过控制单向晶闸管的导通角来改变灯泡的亮度。CD4017的输出接不同的电阻，高电平经过这些不同大小的电阻对电容进行充电，充电的快慢不一样，单向向晶闸管的触发脉冲移动，导通角发生变化，从而达到调光的目的。
关键词：
Multisim；调光；CD4017十进制计数译码器；单向晶闸管；单相桥式整流电路
调光台灯电路设计
目 录
一 设计任务........................................................3 1.1设计目的和意义...............................................3 1.1.1目的...................................................3 1.1.2意义...................................................3 1.2初始参数和要求...............................................3 1.2.1 初始参数...............................................3 1.2.2要求...................................................3 二 系统设计.........................................................4 2.1系统工作原理.................................................4 2.1.1CD4017工作原理..........................................4 2.1.2单向晶闸管.............................................6 2.1.3单相桥式整流电路.......................................7 2.1.4调光台灯电路原理.......................................8 2.2 器件选择....................................................9 2.3电路设计.....................................................9 2.4 电路仿真测试...............................................13 三 总结............................................................14 3.1结论........................................................14 3.2优点与不足..................................................14 3.3 心得与体会.................................................15 参考文献...........................................................15
调光台灯电路设计
一
设计任务
1.1设计目的和意义
1.1.1目的
1、熟悉和学会multisim的使用；
2、学会进行设计电路的方法；
3、通过查资料了解各种元件的功能、参数等；
4、了解调光电路的工作原理并进行设计；
5、以节能和保护视力为目的设计调光台灯电路。1.1.2意义
1、学会并熟练掌握multisim的使用；
2、培养创新的能力；
3、使台灯可以达到节能的目的；
4、学会应用已经学过的知识。
1.2初始参数和要求
1.2.1 初始参数
CD4017的输出端所接的电阻在10Ω-100Ω之间分散取，以达到多级的调光目的；电源选择220V 50Hz的交流电源；灯泡选用230V的，由于电源电压是220V，所以灯泡选择230V的可避免灯泡烧坏。触发电路的电阻阻值为100Ω，电容为47μF,起保护LED灯作用的电阻阻值为300Ω。
1.2.2要求
每次按动按钮开关，CD4017的10个输出就变换输出高电平“1”，并影响灯泡的亮度。
调光台灯电路设计
二 系统设计
2.1系统工作原理
2.1.1CD4017工作原理
CD4017是调光电路中实现调光功能的主要执行者，它控制着调光的级数和各级的亮度，其引脚图和方框图如图(1)和图（2）所示。
图（1）CD4017引脚图
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图（2）CD4017方框图
数字电路CD4017是十进制计数／分频器，它的内部由计数器及译码器两部分组成，由译码输出实现对脉冲信号的分配，整个输出时序就是Q0、Q1、Q2、„、Q9依次出现与时钟同步的高电平，宽度等于时钟周期。
CD4017有10个输出端（Q0～Q9）和1个进位输出端～Q5-9。
每输入10个计数脉冲，～Q5-9就可得到1个进位正脉冲，该进位输出信号可作为下一级的时钟信号。
CD4017有3个输（MR、CP0和~CP1），MR为清零端，当在MR端上加高电平或正脉冲时其输出Q0为高电平，其余输出端（Q1～Q9）均为低电平。CP0和～CPl是2个时钟输入端，若要用上升沿来计数，则信号由CP0端输入；若要用下降沿来计数，则信号由～CPl端输入。设置2个时钟输入端，级联时比较方便，可驱动更多二极管发光。由此可见，当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，故可直接用作顺序脉冲发生器。
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2.1.2单向晶闸管
单向晶闸管与CD4017组成调光电路的主体部分，CD4017控制晶闸管的触发电路，改变晶闸管的导通角。
晶体闸流管简称晶闸管，也称为硅可控元件，是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、逆变、调压等电路，也作为无触点开关。
图（3）晶闸管的结构
晶闸管的内部结构示意图如图（3）（a）所示，它有四层半导体材料组成，四层材料有P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P1、N1、P2和N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1、J2和J3，故晶体管也称为四层器件或PNPN器件。P1区的引出线为阳极A，N2区的引出线为阳极C，P2区的引出线为控制极G0。为了更好的理解晶闸管的工作原理。常将其N1和P2两个区域分解成两部分，使得P1-N1-P2构成一只PNP型管，N1-P2-N2构成一只NPN型管，如图（b）所示；用晶体管的符号表示，如图（c）所示；晶闸管的符号如图（d）所示。
晶闸管的工作原理：当晶闸管的阳极A和阴极C之间加上正向电压且控制极和阴极之间也加上正向电压时，如图（4）所示，J3处于导通状态。若T2管的基极电流为iB2，则其集电极电流为β2 iB2；T1管的基极电流iB1等于T2管的集电极电流β2
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iB2，因而T1管的集电极电流iC1为β1β2 iB2；该电流又作为T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内，两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。晶闸管一旦导通，控制极就失去导通作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。晶闸管导通后，阳极和阴极之间的电压一般为0.6-1.2V，电源电压几乎全部加载负载上；阳极电流iA因型号不同可达几十~几千安。
（a）
(b)
图（4）晶闸管的工作原理
（a）实际电路
（b）等效电路
2.1.3单相桥式整流电路
单相桥式整流电路在调光电路中的作用是为CD4017调光器提供电压。一般的家庭用电是220V的交流电，所以需要单相桥式整流电路变交流为直流，并且降压。
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图（5）单相桥式整流电路的波形图
设变压器副边电压u2=√2·U2·sinωt，U2为其有效值。
当u2为正半周时，电流由A点流出，经D1、RL、D3流入B点，因而负载电阻RL上的电压等于变压器副边电压，即u0=u2，D2和D4管承受的反向电压为-u2.当u2为负半周时，电流由B点流出，经D2、RL、D4流入A点，负载电阻Rl上的电压等于-u2，即u0=-u2，D1、D3承受的反向电压为u2。
由于D1、D3和D2、D4两对二极管交替导通，致使负载电阻RL上在u2的整个周期内都有电流通过，而且方向不变，输出电压u0=√2·U2·sinωt。上图所示为单相桥式整流电路各部分的电压和电流的波形。2.1.4调光台灯电路原理
调光台灯电路的主体组成由以上介绍的三部分构成。CD4017十进制计数译码器高电平“1”输出到不同大小的电阻，给电容充电，充电的快慢改变晶闸管的导通角，从而改变灯泡的亮度。220V的交流电通过单相桥式整流电路变成10V的直流，再经5V的稳压 8
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管稳定在5V，接入到CD4017的VDD，为调光器供电。
2.2 器件选择
1、选择CD4017作为调光器，用CD4017十进制计数译码器集成电路制作的调光台灯，具有寿命长、安全、可靠性强和调光级数多并级数细的有点。它省掉了电位器，因而可以防止因电位器磨损而产生的台灯故障；
2、选择一个控制脉冲次数的开关，来控制CD4017的输出；
3、所有的二极管都选用1N4001。选择一个红色的LED灯作为变换亮度的指示灯；
4、单向晶闸管选用BT169；用双向晶闸管也可以，但是由于需要用单结晶体管BT32来触发双向晶闸管，而multisim元件库中没有BT32，所以用单向晶闸管和单向晶闸管触发电路；
5、稳压管用稳压值为5V的1N4689；
6、电源选用220V的交流电源； 7、5V1KHz的时钟信号发生器，来给CD4017输入脉冲信号。
2.3电路设计
1、单相桥式整流稳压电路
电源是220V的交流电源，变压器是10：220的电压器，将220V的电压变为10V，再经过整流管进行整流，整流后稳压二极管将电压稳定在5V。这样整个电路的电源供给设计完成。
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图（6）单相桥式整流稳压电路设计
2、CD4017的工作电路
V2为一个脉冲发生器，它输出脉冲信号。CD4017有2个时钟脉冲输入端，设置2个时钟输入端，级联时比较方便。CLK1接脉冲信号输入，CLK2和R接地。当CD4017有连续脉冲输入时，其对应的输出端依次变为高电平状态，为控制高电平的输出，不让其一直连续依次输出高电平，所以加入一个碰触开关J1，按一下J1就发出一次脉冲。
图（7）CD4017工作电路
3、CD4017的输出电路
CD4017的十个输出端接不同阻值的电阻，按下J1后Q0输出高电平，电阻R2
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接通，再次按下时，Q1输出高电平，电阻R3接通，依次类推，连续按动J1使高电平在Q0`~Q9之间依次输出。电阻前串联二极管来控制电流通过已导通的电阻为晶闸管触发电路的电容充电。
图（8）CD4017输出电路
4、单向晶闸管触发电路
电流整流过来之后的电压是一个个相连的向上拱的波形，当刚接电的时候C1是相当于导线，这时候要是Q9输出高电平的话，就可以触发单向晶闸管，这时候就是最亮的状态；当Q3输出高电平的时候，刚通电的瞬间C1还是相当于导线接地，这时候要慢慢充电，等到到了一定的电压的时候就触发单向晶闸管，这时候导通已经是从波
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图（9）单向晶闸管触发电路 的上升的过程中开始，所以通过灯泡的有效值就减小了，灯泡就暗了！一旦导通单向晶闸管就短路了，电容就立即放电，为下一周期做准备！
5、电路的总体设计
图（10）调光台灯完整电路
将以上的各部分电路设计组合到一起就可以组成一个调光台灯的电路。交流电通过变压器变压整流，经过LED与稳压二极管稳压在5V左右，供给调光器。CD4017构成脉冲上升沿触发、Q0~Q9端依次的“1”电平的计数译码电路。当按钮J1接通时，CD4017相当于输入一正向脉冲，若设此时输出端Q4为“1”电平，其余都为低电平，则“1”电平通过二极管、R6向电容充电，通过单向晶闸管触发电路触发晶闸管，使灯泡得电。要调整亮度，可再按动按钮J1，此时输出端Q5为高电平，此高电平通过二极管、R7向电容充电，由于R7的值比R6小，充电电流较Q4为高电平是大些，电容充电快些，晶
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闸管的导通角大一些，使得灯泡亮度亮一些。根据所设电阻，控制电容C2的充电电流，以达到改变晶闸管导通角的目的。在开关J1的控制下灯泡连续调光，当Q0~Q9依次为高电平时，灯泡连续由暗变亮。
2.4 电路仿真测试
图（11）CD4017组成电路仿真测试
1、按上图接好电路，连续按动开关J1，发光二极管LED2~LED11应依次点亮，表明CD4017的输出端Q0~Q9可依次输出高电平。从而测试出CD4017可以正常工作，此部分设计正确。
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2、在电阻R13两端加上万用表，测出电压为5V，测试出单向桥式整流稳压电路工作正常，可以达到整流稳压的目的。
图（12）电源功能仿真测试
三 总结
3.1结论
调光台灯电路可以分为三个大的组成部分：CD4017十进制计数译码器控制高电平的输出部分，单相桥式整流稳压电路部分和单向晶闸管触发电路。这三部分共同完成了调光电路的调光功能。
3.2优点与不足
优点：
1、用CD4017十进制计数译码器集成电路制作的调光台灯，具有寿命长、安全、可靠性强和调光级数多并级数细的有点。它省掉了电位器，因而可以防止因电位器磨损而产生的台灯故障。
2、多级的调光更能使人调到最舒适的光，更适合多种环境。
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不足：
在调光过程中，变光时会有轻微闪烁，对眼睛有些影响。
3.3 心得与体会
通过本次课程设计，使自己对multisim有了更多的了解，基本可以熟练使用multisim的基本功能。学会了初步的电子仿真设计。锻炼了自己的思考能力和创新能力。自己对电路的设计和看课本上的电路感觉完全不同，在设计过程中要考虑很多的因素，比如器件的选择要考虑到参数，还要看软件中的元件库中有没有此元件，还要通过查资料了解元件的结构和原理。在仿真过程中会有一些错误，所以需要分部分分析电路的错误，因此而学会了如何对电路进行分析测试的方法，并想办法加以改正。
参考文献
[1] 阎石 数字电子技术基础第五版[M] 高等教育出版社 2004年； [2] 华成英 童诗白 模拟电子技术第四版[M] 高等教育出版社 2006年。
第二篇：亮度稳定的调光台灯
亮度稳定的调光台灯
该调光台灯不但灯光亮度可调，而且调整后的亮度不因电网电压波动而变化。
工作原理
电路如右图所示。由R2、RPl和C1组成的阻容移相电路决定可控硅的导通角。当C1两端电压经R2、RPl充电上升到双向触发管的导通电压时，双向可控硅VS被触发导通，当交流电过零时，双向可控硅自行关断，调节RPl可改变C1的充电时间，从而改变双向可控硅在交流电正、负半周时的导通角，以便得到需要的亮度。
图中R3、RP2及光敏电阻R4串联后和C1并联。在R3、RP2固定的情况下，分流的大小由光敏电阻R4的阻值来决定。当电网电压上升，灯光亮度增加；光敏电阻R4受到的照度增大，阻值减小，分流增大。C1两端电压上升变慢，可控硅导通角减小，灯光亮度下降；反之当电网电压下降；灯光变暗，光敏电阻R4受到照度减小，阻值增加，分流减小，C1两端电压上升加快，可控硅导通角增大，输出电压增加，灯光的亮度也相应增加，这样就自动地将输出电压稳定在需要数值，保证了灯光亮度不变。元器件选择与制作
双向可控硅VS可选3A／400V的。RPl为47KΩ带开关电位器。双向触发管可用日光灯启辉器氖泡代用。其它元件无特殊要求。
光敏电阻R4可安装在台灯的装饰品上，要求能受到台灯的光照。调试时，先将RP2调到最小值，并用纸挡住光线，使光敏电阻不受灯光照射，接通电源，调节RPl使灯光处于最亮。然后将纸拿开，如灯光稍有变化，说明此时RP2不需调节。如在R4受照后亮度不变则应调节RP2使灯光稍有下降即可。如R4受照后，亮度变化很大，则应增加R3的阻值，RP2经一次调整后不需再调。
第三篇：调光台灯程序
#include
sbit LED = P1 ^ 0;sbit ONOFF = P2 ^ 0;sbit ADD = P2 ^ 1;sbit DEC = P2 ^ 2;
unsigned int Brightness;bit MARK;
//库文件定义（定义单片机为8952系列）//台灯控制端口（LED）//开关键 //变亮键
//变暗键
//亮度值，值域0~255（全局变量）
//状态标志位（目前是开灯还是关灯状态）
/***************************************************************************** 延时程序：时间为1mS /*****************************************************************************/ void Delay1mS(unsigned int a){ //延时程序(ms)
unsigned char i;while(--a!= 0){
for(i = 0;i < 125;i++);
} } /**************************************************************************** 延时程序：驱动程序专用
/****************************************************************************/ void delay(unsigned char d){
// 延时功能函数--由d决定延时长度
unsigned char i;while(--d!= 0){
for(i = 0;i < 2;i++);} }
/**************************************************************************** 灯泡驱动程序：根据亮度值驱动灯泡
/****************************************************************************/ void drive(void){
unsigned char a;
} /**************************************************************************** 开灯判断：
/****************************************************************************/ void open(void){
// a = Brightness;LED = 0;delay(a);a = ~a;LED = 1;delay(a);a = ~a;
// a值取反 使a回到原值继续循环
//
// a控制延时长度
//取得亮度值数据 //点亮灯泡
// 延时长度随a而改变
// a值取反 决定灯灭时的占空比
if(ONOFF == 0){
}
//如果ONOFF为0则证明开关键按下 //等待20毫秒躲过按键不稳定的状态 //再看开关键是否被按下 //将标志位变成开灯状态 //等待按键放开 Delay1mS(20);
if(ONOFF == 0){
MARK = 1;
while(ONOFF == 0);}
} /**************************************************************************** 关灯判断：
/****************************************************************************/ void close(void){
//
} /**************************************************************************** 变亮判断：
/****************************************************************************/ void add(void){
// if(ADD == 0){
//如果ADD为0则证明变亮键按下
} Brightness++;if(Brightness > 254){ }
//亮度值加1
//如果亮度值大于最大值时 //则保持最大值状态 if(ONOFF == 0){ Delay1mS(20);
} if(ONOFF == 0){ MARK = 0;
}
//将标志位变成关灯状态
while(ONOFF == 0);
Brightness = 254;
} /**************************************************************************** 变暗判断：
/****************************************************************************/ void dec(void){
if(DEC == 0){
} Brightness--;if(Brightness < 1){ Brightness = 1;}
//
} /**************************************************************************** 初始化： /****************************************************************************/ void init(void){ LED
} ONOFF ADD DEC Brightness MARK =
1;
//
//灯泡和按键初始状态设置
= 1;= 1;= 1;= 130;= 0;
//初始化亮度值
//状态切换标志位
/**************************************************************************** 主循环体：
/****************************************************************************/ void main(void){
// 主函数 实现程序流程
init();
//调用初始化程序
while(1){
if(MARK == 0){
}
} open();
} if(MARK == 1){
} drive();close();add();dec();
//状态标志为关灯状态时 //等待开关键按下（开灯）//状态标志为开灯状态时
//驱动灯泡
//判断开关键按下（关灯）
//判断变亮键按下 //判断变暗键按下
第四篇：基于PWM调光的多功能LED台灯设计方案
基于PWM调光的多功能LED台灯设计方案 2012-04-26 站长统计 中心议题：
基于PWM调光的多功能LED台灯设计方案 解决方案
探究系统硬件电路设计方法
设计基于PWM 调光的多功能LED 台灯
引言
随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是19%,我国也达到12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。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。基于白光LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，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。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。
目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的台灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；而且部分台灯产品功能单一，缺少亮度调节、时钟日历、温度显示等功能，无法适应现代家庭生活的实际需求。为解决当前问题，本文设计了以AT89S51 单片机为核心的多功能白光LED 台灯系统，采用PT4115 大功率LED 恒流驱动方案，可实现对LED 台灯的PWM 调光控制；同时兼有时钟日历、声光闹钟、温度检测、液晶显示等多项功能。在实现高效节能的同时，为家庭使用提供了极大的便捷。系统硬件电路设计
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AT89S51 单片机为主控芯片，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、按键系统组成。系统结构框图如图1 所示。
该系统可具体实现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；闹钟功能采用声光报警方式，即一旦到达闹钟时间，LED 台灯自动点亮，并发出蜂鸣声报警，以唤醒用户；用户可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。
图1 系统结构框图
1.1 单片机主控系统
本设计主控系统采用ATMEL 公司的高性能AT89S51 芯片实现，其P0 口外接10K 的上拉电阻，P0.0~P0.7 同时作为DS12C887 的数据接口与液晶1602 的数据接口。P2.0~P2.3分别连接DS12C887 芯片的片选端CS、地址选通输入端AS、数据选择端DS 与读/写输入端R/W,P3.2 连接其闹钟中断请求输出端IRQ.P2.5~P2.7 分别连接液晶1602 的使能端EN、数据/命令选择端RS、读/写选择端RW.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S2~S6 按键系统。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。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、10K 电阻与10uF 电解电容构成。主控系统电路如图2 所示。
图2 单片机主控系统电路图
1.2 恒流驱动系统
本设计 L ED 光源采用相互并联方式，共由20 只5mm 高亮度小功率LED 灯珠组成；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芯片，能将直流电压直接转换成稳定的恒流输出；其采用6~30V 宽电压输入，输出电流可达1.2A,转换效率高达97%,输出电流精度达±5%.该芯片内部含有抖频特性，极大的改善EMI,同时具有过温、过压、过流、LED 开路保护等多种功能。该芯片适合用于绿色照明LED灯的驱动电路，具有应用电路非常简洁的优点。LED 恒流驱动电路如图3 所示。
图3 LED 恒流驱动系统电路图
通过 PT4115 芯片上的DIM 端，可以方便的进行模拟或PWM 调光。由于模拟调光是直接改变流过LED 电流的大小来实现亮度调节，除了亮度会改变以外，也会影响白光的质量，即不同电流下发出的白光存在色偏。因此，本设计采用PWM 调光方案，PWM 调光的基本原理是保持LED 正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，即改变输入脉冲信号的占空比，使LED 产生亮暗变化；并利用人眼的视觉残留效应，当LED 亮暗变化频率大于120Hz 时，人眼就不会感觉到闪烁，而看到是LED 的平均亮度。PWM 调光的优势是LED 正向导通的电流是恒定的，LED 的色度就不会像模拟调光时产生变化。
PT4115 恒流驱动输出的电流值计算公式为：
IOUT =（0.1×D）/ Rs（D 为方波信号占空比，Rs 为限流电阻。
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 Ω 电阻。
L1 为镇流电感，选取68μ 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 脉冲信号则由单片机P1.1 产生，其高低电平决定LED 的通断状态。将定时器T0溢出中断定为1/2500 秒（即400μ S），每10 次脉冲作为一个周期，即频率为250HZ.这样，在每1/250 秒的方波周期中，通过改变方波的输出占空比，从而实现LED 灯的10 级亮度调节，即LED 亮度等级由每个周期内的高电平脉冲数目决定。当高电平脉冲个数为1 时，占空比为1/10,亮度最低，其调光原理如图4 所示；当高电平脉冲为10 时，占空比为1,LED亮度最高。
图 4 PWM 调光原理图
1.3 时钟系统
时钟系统采用高性能的DS12C887 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；其可以自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，具有闰年补偿及闹钟（定时）功能，并且内部自带有锂电池，外部掉电时，仍可维持时钟准确，其内部时间信息能够保持10 年之久；外部系统断电后，用户无需重新设定时间。
DS12C887 时钟芯片有两种总线工作模式，即Motorola 和Intel 模式。本设计选用Intel模式，即将芯片第一引脚MOT 接GND.同时，时钟系统设置为24 小时模式，寄存器存储模式选为二进制格式。P0.0~P0.7 连接其地址数据复用端口AD0~AD7.P2.0~P2.3 分别连接芯片片选端CS、地址选通输入端AS、读/写输入端R/W 与数据选择端DS.P3.2 连接中断请求输出端IRQ,用于处理闹钟中断。该时钟接口电路如图5 所示。
图5 时钟系统电路图
1.4 液晶显示系统
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。
本系统 1602 液晶采用并行操作方式，P0.0~P0.7 通过借助10K 的上拉电阻连接其数据端口DB0~DB7,P0 口同时也连接着DS12C887 的数据地址端口，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~P2.6 分别连接1602液晶的使能端E、读/写选择端RW、数据/命令选择端RS.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6 所示。
图6 液晶系统电路图
1.5 温度检测系统
温度检测系统选用DALLAS 公司“一线总线”接口的数字温度传感器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0.0625℃。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。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7 所示。
图7 温度检测电路图
1.6 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8 所示。
图8 蜂鸣系统电路图
1.7 按键系统
按键控制系统由S2~S5 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9 所示。
图9 按键系统电路图
1.8 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6~30V 电压范围内均可使LED 灯正常使用。但单片机供电系统采用三端稳压芯片7805,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2 节4.2V 锂电池或9V 的稳压电源方式供电。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。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。
2.1 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、DS12C887 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10 所示。
图10 主程序流程图
2.2 按键检测和处理程序
按键控制系统由S2~S6五个按键组成，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11所示。
图11 按键检测与处理流程图
2.3 闹钟中断程序
系统到达设置的闹钟时间，DS12C887 时钟芯片IRQ 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DS12C887 芯片的C 寄存器来清除IRQ 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12 所示。
图12 闹钟中断流程图
2.4 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213=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400μS 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400μ 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13所示。
图13 定时器生成PWM流程图 实验结果
根据以上设计方案，本文制作了该款基于PWM 调光的多功能LED 台灯。经调试后系统运行稳定可靠，基本可以满足家庭生活的使用要求。系统工作时，最低功率（即LED 熄灭状态）为0.28W;最大功率（即LED 最高亮度状态）约为1.52W;同时，液晶显示时间、日历与温度数据准确，闹钟功能稳定。实物照片如图14 所示。
图 14 实物照片 结论
本文多功能LED 台灯系统采用AT89S51 单片机为控制核心，运用恒流驱动方案与PWM调光技术实现L ED 台灯的多级调光控制，并兼有时间日历、温度检测、液晶显示以及声光闹钟等功能。该系统具有控制电路简单、亮度调节精确、功能丰富、实用便捷等优点，适合于现代家庭的实际需要。可以预见，随着LED 照明技术的不断发展完善，节能高效的LED将在家用照明领域发挥着日益重要的作用。
第五篇：五年级科学《调光小台灯》教学设计及反思
五年级科学《调光小台灯》教学设计及反思
一、教学目标： 知识与技能
1、初步了解“利用铅笔芯使调光小台灯实现调光”的技术手段。
2、进一步学习电路的连接、组装等。方法与过程
1、观察台灯的组成部分，培养学生善于观察、善于提问的能力。
2、讨论、交流设计方案，明确调光台灯的制作步骤和方法。
3、拓展延伸，主动探究便于调节台灯亮度的方法。情感态度与价值观
1、通过观察生活中常见的调光开关，引导学生善于观察、善于发现，培养他们善于提出问题、善于解决问题、善于反思的能力。
2、在设计和制作活动中，培养学生良好的劳动习惯。
二、教学准备： 教师材料、工具
基本电路模型、木板、吸管、小电珠、电池、电池夹、自攻螺丝、导线、回形针、铅芯、导线、剪刀、十字螺丝刀等。
学生材料、工具
调光小台灯模型材料包（木板、吸管、小电珠、电池、电池夹、自攻螺丝、导线、回形针、铅芯、导线）
剪刀、十字螺丝刀。
三、教学过程：
一）复习旧知、导入新课
1、复习旧知(P2)
2、揭示课题。
3、回忆旧知 二）设计调光装置
普通电路、铅芯、回形针、实物投影仪。
1、出示普通小台灯模型的电路，引导学生观察其结构。
2、加入铅芯和回形针，变成调光开关，引导学生观察变化。
3、组织大组交流。
1）观察普通小台灯模型电路，了解其结构组成和开关。2）仔细观察调光开关的变化及调光的效果。
能够通过观察了解普通小台灯和调光小台灯的电路结构组成、开关的结构。在讨论交流过程中，学会表达、倾听 三）绘制草图
调光小台灯学习单、实物投影仪。
1、观察调光小台灯结构，组织学生讨论填写学习单。
2、引导学生尝试摆弄，设想调光小台灯模型的结构，组织学生进行讨论。
3、组织学生绘制设计草图。
1、分析调光小台灯结构，填写学习单。
2、尝试摆弄，设想调光小台灯模型结构，并讨论交流。
3、绘制设计草图。
能够设想调光小台灯的电路连接步骤，并通过尝试摆弄，预想制作过程中的困难，并在互助学习中培养勇于克服困难的习惯。
四）组织竞赛、开展制作
十字螺丝刀、剪刀、木板、吸管、小电珠、电池、电池夹、自攻螺丝、导线、回形针、铅芯、导线。
1、组织学生开展制作竞赛。
2、巡视指导。
1、开展调光小台灯制作竞赛。选择合适的工具、方法开展加工制作。五）欣赏作品相互评价 书本、实物投影仪。
1、组织学生欣赏各自完成的调光小台灯模型，根据评价表上的指标开展自评和互评。
2、组织学生推荐优秀作品，并交流对作品的评价。
1、欣赏各自完成的调光小台灯模型，根据评价表上的指标开展自评和互评。
2、展示各组优秀作品，并交流对作品的评价。学会客观评价自己和他人的作品 能大胆表达自己对优秀作品的评价 六）反思作品、改进创新
调光小台灯模型范作等。
1、组织学生反思作品，开展创新改进设想。
2、组织学生交流设想。
3、出示调光小台灯模型范作，拓展小结。
1、反思作品，开展创新改进设想
2、交流设想图纸
学会反思，并通过文字、图片等形式开展创新改进设想 学会交流设想意图 小台灯教学反思
《调光小台灯》一课是五年级第二册教材中的第七课，本课围绕调光小台灯的调光开关设计、电路连接设计、外观改进展开教学活动，旨在引导学生了解调光开关的结构与材料，讨论其加工及组装程序，并开展制作、评价和改进，以此培养学生良好的设计制作习惯：了解结构——了解材料——设想步骤——开展制作——试用评价——改进创新。
由于调光开关的结构和铅芯可以用作控制电流大小的材料是学生之前没有的知识。所以本课的设计思路是由调光小台灯与普通台灯的灯光对比入手，让学生观察灯光的不同，从中获得调光开关可以控制灯光这个现象，并引出设计一个调光小台灯模型这个想法。随后在充分讨论的基础上引导学生认识调光开关的结构，利用提供的材料设计调光开关，小组讨论调光小台灯模型电路和基本结构的设计，然后按步制作。制作过程中，个别学生可能会提出铅芯无法与木板连接这个问题，可请学生根据这个问题进行思考解决。完成作品后，由各小组开展自评和互评，并针对各自的调光小台灯开展反思，提出改进设想，并大组交流。
因为吸管与木板的连接，吸管与小电珠的连接等是本课的教学难点，所以学生在连接上还存在着一定的困难，加上用铅芯来作为台灯的调光设计，学生不是很能理解，所以没能在课内把这个调光台灯做完。
通过本课学生的实际，发现在今后的学生实际操作上，将每一步的操作过程事先分析清楚，免得学生做错了再修改。对于学生在劳技上所需要的劳动工具将及时和学校联系，进行一定的补充，以便更好地完成教学任务。
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