磁悬浮式无线智能台灯设计

杨月 肖东岳 南阳理工学院电子与电气工程学院

引言：当今社会，在电子产品日益普遍、兴盛的情况下，越来越多的人开始追求电子产品的实用性、创新性。传统的照明功能相对简单，亮度不足，耗能多。在保证台灯照明的必需功能后，加以创新使其更具有实用性与功能的多样性，才能满足人们的生活要求。因此本文研究了磁悬浮式无线智能台灯。

1 磁悬浮式无线智能台灯系统总体设计

磁悬浮式无线智能台灯系统的总体设计结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

本设计为基于单片机的智能台灯，将磁悬浮技术与无线供电技术融为一体，既可以作为照明设施，也可以作为生活摆件。本设计中的智能灯的磁悬浮是通过利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对灯泡的悬浮；而无线供电技术利用电磁耦合方式电源进行整流、滤波、稳压等方式转变为稳定的5V直流电，供给灯泡部分的电路工作。而“人机交互”部分，由语音控制部分电路、人体感应部分电路组成。

2 系统各单元硬件设计

2.1 单片机控制电路设计

根据设计要求，在该台灯使用过程中，存在一定磁场干扰，所以单片机首先需要具备抗干扰能力强的特点。其次，还应具备低能耗的特点。由于单片机还要控制液晶屏实现时钟定时功能，需要单片机数据处理速度要足够快。基于以上原因，选择STC15W401AS微控制器为控制核心。单片机外部接线图如图2所示。

图2 单片机控制电路图

2.2 外围时钟、语音、显示、感应模块电路设计

为丰富该台灯的功能，设计中采用DS1302芯片提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息；语音芯片WTK6900B-B01芯片通过语音指令“小白，打开灯”“小白，关闭灯”可实现灯的开关；HC-SR505感应芯片实现实现“人走灯熄”的功能；考虑到整体设计的和谐性、美观性，最终选择了OLED屏幕呈现时间。

2.3 无线供电模块

XKT-510无线电供电发射芯片专门用于无线感应智能充电和电源管理系统，具有很高的可靠性，负责系统中无线电能量传输功能的处理，采用电磁能量转换原理，配合T3168无线供电接收芯片部分对电路进行能量转换和实时监控。原理图如图3所示。

图3 无线充电模块原理图

2.4 磁悬浮模块

磁悬浮模块由圆形永磁铁、悬浮部分磁铁加上磁悬浮驱动电路组成。永磁铁提供的磁力需按以下公式计算

驱动电路中，L298N驱动四个线圈产生高频涡流与外磁场共同作用使灯泡悬浮。LN324将两个霍尔元件输出的线性电位信号反馈给单片机，由单片机处理数据将调节电磁场磁场分布，使磁场达到平衡的状态，霍尔元件外部接线图如图4所示。

图 4 霍尔元件外部接线图

3 系统各单元软件设计

3.1 主程序设计

主程序中主要是要完成对各个模块的初始化操作，采用并行系统分时段执行，进行时间轮寻。开定时器并完成初始值的装入。定时器主要是读取DS1302时钟芯片的日历、时间，刷新液晶显示内容，刷新霍尔传感器数据。主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图图

3.2 时钟模块及人体感应模块程序设计

DS1302和单片机采用的是SPI总线通信，数据在脉冲信号控制下一位一位的传输，所以读写的时序非常重要。读取和写入数据在控制字输入后执行。 不同之处在于，在输入控制字之后，数据被写入下一个时钟脉冲的上升沿，并且数据的读取是控制字输入之后的下一个时钟脉冲的下降沿。程序流程图如图6所示。人体感应模块程序设计如图7所示。

图6 时钟模块流程图

图7 人体感应模块流程图

3.3 语音识别模块程序设计

WTK6900B-B01芯片与单片机采用串口通信方式，通过语音命令“小白，打开灯”可使灯泡亮起，“小白，关闭灯”使灯泡熄灭。语音识别模块中，使用了对称的差分放大电路来降噪抗干扰。程序流程图

图 8语音识别模块流程图

图9 无线供电程序设计流程图

3.4 无线供电模块程序设计

XKT-510的引脚1（VDD）端接12V电源，经引脚7（AIN）端进行电压检测，当电压符合要求时，经该芯片产生脉冲频率，再通过处理高频交流电以电磁波的形式发射给接收线圈T3168。

接收线圈接收到的高频能量经过电容整流滤波，再经过T3168整流滤波，输出5V 直流稳压源，驱动灯泡正常发光。程序流程图如图9所示。

3.5 磁悬浮驱动程序设计

磁悬浮电路由两块永久性磁铁加上磁悬浮驱动电路组成。永久性磁铁形成外磁场，而L298N驱动线圈，产生高频涡流。高频涡流加上外磁场使灯泡悬浮起来。霍尔传感器的信号量通过LM324反馈给单片机，由单片机处理数据，进而调节电磁场磁场分布，调节磁铁悬浮的位置，使永久性磁铁达到平衡的状态。程序流程图如图10所示。

图10 磁悬浮模块程序流程图

图 11 显示模块程序流程图

3.6 显示模块程序设计

显示模块选用OLED显示屏。液晶屏显示时钟日历、具体流程首先是对液晶屏初始化并设定初始时间，然后由单片机进行对数据的处理，最后液晶屏显示时钟日历。程序流程图如图11所示。

4 系统调试

在经过硬件电路调试，确认各个部分模块工作没有问题后，将程序通过烧录软件下载到单片机上，通电进行系统调试。磁悬浮式无线供电系统运行的结果如图11及图12所示。

在无线供电模块中，调整两个线圈的距离来进行电磁转换，获得足够的电压使照明效果稳定。调试霍尔元件程序使灯泡在受到轻微扰动时能够恢复原位。

图11 无线供电下正常工作的灯泡

图12 OLED显示时钟日历、设计题目、主灯状态

5 结论

磁悬浮式智能台灯不仅亮度可调节还可以通过语音控制开关灯，实现人机交互，使用更加方便，除此之外，还增加了时钟定时提醒功能、通过感应装置实现“人走灯熄”的功能，在底座设计中，有两种供电方式：直充/电池，在突然断电时可作为应急电源使用。此智能台灯的设计更加人性化，实用性强，不仅能为使用者提供照明，更是一款精致艺术品。