PWM之长寿调光灯

笔者一直想做一个好点的键盘台灯，虽说市场上有非常好看的USB型键盘台灯，但笔者总觉得功能太单调，还不够好玩。带着玩电子的本性用电子显微镜头的样品模型挖掘了点创意，您看怎么样？...

笔者一直想做一个好点的键盘台灯，虽说市场上有非常好看的USB型键盘台灯，但笔者总觉得功能太单调，还不够好玩。带着玩电子的本性前后做了无数个键盘台灯，始终没有设计出一个更有意思的键盘台灯。直到某天公司的电子显微镜头的样品模型回来了，于是便对这个模型起了贪心，寻思在这个模型上挖掘出点创意来才行。

纸上谈兵——理论

将模型（图1所示）在手中翻捣组装几次后，有了新的想法。从结构上来看他很适合做一盏台灯，但LED必须选用高亮1W型的灯，因为结构框不适合使用多个Φ5的LED灯。如果用1W的高亮型灯球，带来的问题是散热啦，因此还需要为这个灯珠增加一块散热片才行。电子显微镜头的有空间甚是有限，而本公司却又没有五金件。转转眼珠，想到了实习的公司应该有我需要的五金件，找到同事聊起这事，果然找到了几块可以为灯珠散热的合金铝块（如图2所示），只可惜体积大了点，要放入有限的镜头内部是行不通的。只好将镜头凿个铝块大小的槽啦。图1 长寿灯控组装外壳图2  散热合金铝块

外行业的问题（模具）解决了，接下来需要处理的就是本行业的问题啦。电路如何设计，创新点设计需要哪些？这些都是我需要考虑的问题。众观LED世界，我也未曾见过带冷启动的方式的LED台灯方案，在平常的白炽灯、荧光灯中最容易出现烧坏的故障就是在开灯的瞬间，因为开灯的瞬间浪涌电流电压过冲击到了灯丝线而将其熔断出现永久性损坏。为解决这样的问题产生，设计中还是采用单片机控制吧，而在开灯的瞬间程序处理开机过程中使用PWM方式，让LED从最暗状态进行呼吸渐亮式开灯到最亮的一半时停住，而在关灯过程中从调节的亮度值开始进行呼吸渐灭式关灯。因解决了开关机的瞬间浪涌电流电压，便LED的工作时间更长寿，因此将此台灯命名为长寿型调光灯。这应该就是这盏台灯的创新点吧。

即然用到了PWM方式驱动1W的LED灯珠，整个设计中肯定还是少不了PWM调光，因此受控能互动的按键设计了三个，其中两个用来调光的亮和暗，而另一个是开灯和关机。即然是长寿型调光灯，为进一步体现出长寿，所以还为电路增加了过流保护和过温保护电路。这样一来，整个电路图便一下子就行设计出来啦。电路如下图所示。

考虑到电路工作于5V电压下，可以使用电脑USB电源做为键盘台灯使用，同时还可使用外接手机充电器电源适配器，在不使用台灯时又没有电源开关的设计。故此在电路中采用软件和硬件相结合的形式完成低功耗关机处理。电路中Q1A、R1、R3、D1、K1和U1完成了低功耗关机处理。原理是P1接口上电后，单片机U1并没有上电在工作状态中，而是被Q1ASI4947(PMOS)隔断了，此时电路基本没有耗能元件，故电源处于低功耗状态下。而只有当K1键按下时，在D1公共端产生一个低电平信号，同时被送到R3和U1的5脚，此时Q1A的栅极是低电平，因此5V电压会载过Q1A而到达VCC处。这样单片机U1将得电而处于工作状态，在单片机中的程序便开始运行起来，在程序的运行中检测到U1的5脚端若是第一次产生低电平信号，则在U1的第6脚输出一个高电平，这个电平会使LED1点亮，还会使Q2导通，Q2的集电极集偏置电压由R1和R3提供的，因导通后会在R1端产生低电平，那么Q1A的栅极依然是低电平被单片机U1锁住了，此时K1键即使弹起，整个电路也将不会掉电。

即然电路已步入到工作中，此时LED灯肯定是在渐亮中了，程序会控制U1的第7脚输出不同的占空比信号，送到R7和C4网络，不停的导通截止控制着Q3，由于驱动是的1W型功率LED，所以需要大电流型的Q1BPMOS管，而L1和C3、C6只是一个滤波网络罢了，更好的呼吸浪涌性电流和冲击性电压。为进一步保护好LED灯珠，在电路中还加了一个500mA的自恢复保险丝元件。P2可以设计两种方案，一种是外接一个1W的灯珠，另一种是外接12至20个Φ5的草帽型或聚光型的白发白LED并联起来，方案如图所示。R8至R11是接在图4方案中的“-”标号端的。是LED的限流检流电阻，通过R12将LED的电流情况送到比较器U2A（LM393）的2脚端，与3脚端电压值进行比较，而3脚端的电压是一个基准值，由两个1N4148二极管钳位到约1.4V左右。按1.4V电压来计算，R8和R11并联后的阻值是3.75欧，有1.4/3.75=373mA，即流过LED的最高电流是373mA,这是一个1W的灯珠的正常工作电流。若超出此电流值，U2A的2脚端电压会超过3脚端，使1脚端输出一个低电平，此时单片机U1的4脚会监控到LED已过流，程序会自动将PWM占空比调节，使LED的亮度值下降，以减少流过的电流，从而保护好LED。另外，D2和D3具有负温度特性，即当温度上升时在D2和D3上产生的压降会降低，多上公式中我们会发现这个电压值下降时会使得流过LED的最大电流下降，而LED的电流下降由PWM控制的，所以温度的上升是LED过热，发光强度过高。调节好PWM脉冲就能保证LED的不过热，不过流。倘若你觉得D2和D3不好用，可以重新计算R8至R11的值，将D2和D3用热敏电阻代替，笔者实际使用后觉得过温检测没有多大必要。在后面的制作中再为大家说说这个事。调兵遣将——实战

程序内容启用资源定时器中断，用定时器制作PWM脉冲和按键扫描。程序的难点在于长寿的特点，呼吸式渐亮和渐灭过程的设计。开灯时需要检测当前是处于开机状态和亮度上升过程状态，还要判断是否达到预期的亮度值；而关灯时与上检测处理过程相反，同时在亮度上升前需要先将Q1A锁住，而在亮度下降到关灯后需要将Q1A解锁，让整个系统掉电。

图5是用HS108单片机的仿真器并焊接了一个调试电路进行初步调试的结果。HS108是采用低功耗高速CMOS工艺制造的8位单片机，它内部包含一个1024*13-bit的一次性可编程只读电存储器（OTP-ROM）。有15位选项位可满足用户要求，其中的保护位可用来防止程序被读出。这个单片机别看他小，功能也算蛮强的。工作电压范围2.3V~5.5V，工作频外晶振模式4MHz~20MHz，而内部IRC模式有8MHz、4MHz、1MHz、455KHz可选用，还带分频系数；5个双向IO，1个输入IO可做复位引脚；一个8位定时器和外部中断等资源。而程序代码需要使用EMC编程器写入芯片，EMC是台湾义隆单片机，专业生产OTP型的单片机。但HS108并非义隆公司出产，据说是内陆商取用EMC78P153（14引脚封装），单片机的下半身8个引脚，封装成现在的HS108单片机。这款单片机的开发平台挺贵的，编译平台对C语言的兼容性不上很好，笔者在开发这个长寿型灯控时用C编程，很多正常的C51写法都不能兼容EMC，有时甚至会出现语句前后调换才行的不能理解的小问题。不大适合学习单片机的学生，而适合工程应用开发，因此想仿制这个长寿型灯控的爱好者建议选择STC或AVR等容易上手的单片机。

即然调试成功后便要开始步入到PCB设计过程，在PCB设计中发现电路很简单，可以用单面板走线完成。在布线前就联系了下制板的朋友，以最低价位出样11片，结果单双板按同样的价算给我了，还花了70大洋啊（PCB大小才38mm*33mm）。即然这样，板还是单面走线得了，而另一面就设计几上其他简单的电路在上面得了，这样也方便以后使用。如图6示，PCB布线图，图7示是软件3D效果图。图5 初步调试效果图图6 PCB布线图图7 PCB板3D效果图图8 双面实物板

PCB设计时，为了以后能做为一个真正的台灯形式，将按键电路和主电路是隔离设计的，可以将按键裁剪下来按装到外壳中，用4条导线连接到主板即可。至于焊接这是做为一个电子爱好者的基本功吧，怎么焊接就不啰嗦啦，而电子元件清单见附表。焊接好的实物图如下图所示。图9 焊接好的实物图图 10  LED和检温电路

笔者在制作中是将检温二极管贴在散热片上的，是插件型，如图10所示。其中散热片有两个通孔，一个孔正好过LED的引线，一个孔正好将检温二极管紧贴着LED。检温二极管的引出在PCB板上已设计好了两个通孔焊盘，同时将LED用双面胶粘贴到散热片上并安装到镜头内，如图11所示。图12示是安装好后的整体结构。图11 镜头内部安装示意图12 整体结构示意

激动时刻到了，上电测试看看效果。图13为黄色1瓦LED调光效果。实际使用效果还是白光灯的颜色更好，同时LED调光到最亮时由于过流检测电路的存在，LED还会由最亮状态自动向减少一两级亮度，工作几十小时也未曾有多少温度的热量，所以个人感觉过温检测的连接没有多少必要。当然本身的铝块散热片的体积也比较大，会吸收更多的热量，更利于散热。黄色灯光有点偏白炽灯的颜色，但比白炽灯的颜色更暖，不大适合做这键盘台灯的照明。笔者在某一次做饭时，厨房照明灯坏了，用这个暖色的照明台灯急用了几天感觉还挺好的哦。最为遗憾的就是这个结构不能融合电路板，电路板没有好的地方安装。程序设计了PWM的可调级数是50级，并针对这个长寿型灯控的LED发光强度测量出了一数据列表，如附表2所示。在附表2中不难看出是针对1W型的LED进行功率测试，实际测量时，PWM在50级时不到2秒后由过渡保护电路检测并程序反馈调节使电流下降到330mA左右，下降了至少5级亮度。由表中数据可知40级以上的PWM调光已经超出LED的额定功率，可以在软件上设置最多可调40级亮度，也可修改硬件过流检测电阻阻值（增大）。至于对这个长寿型调光灯的第二方案，笔者也一直没有进行实测过，但从个人思考的角度来说，应该方案二的制作会比方案一更有效果吧。等笔者找到合适的结构时一定试试方案二的效果，各位看官也可动手一试哦。科瑞迪教育

creadey

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