基于Arduino的电子调光台灯设计

刘爽　刘红喜　蒲鹏帅　崔继诚

随着科技全球化，越来越多的新技术被创造出来，我们的生活方式在科技创新中不断地被更新。本设计通过将单片机技术和PWM调节方式结合起来实现台灯光强调节。通过电子调光台灯上的亮度增减按键，实现其多个档位的亮度切换控制，包含全亮和熄灭。通过将环境光传感器、超声波传感器、LCD显示屏、蜂鸣器连接到Ardunio，来实现根据环境光强度变化自动调节灯光亮度，并显示对应亮度档位，测量并显示电子调光台灯的工作电压、电流、功率数据，实时显示人体与电子调光台灯的距离，当距离小于设定值时发出警示信号，距离大于设定值时将电灯亮度设为最低。也可设定和记录电子调光台灯的工作时间，当设定时间达到时，发出久坐的蜂鸣提示。

一、系统设计方案

本系统主要由控制器模块、传感器采集模块、电源模块、LCD显示模块、蜂鸣器警示模块组成。

传统的51系列单片机多为8位机，容易操作，价格便宜，但是内部资源较少，存储容量较小，运算速度较慢，很难实现大体积的程序的储存和快速精准的反应控制。并且受时钟限制，其计时精度不高，使得系统的不可靠性增加。STC系列单片机具有较强抗干扰能力和保密性能，想要破解较难，在单片机时钟上具有防外部电磁辐射的功能，但是功耗较高，采用5v供电，而且不具有硬件乘法器，运行速度较慢且内部的集成资源较少。所以系统主控制器件采用便捷灵活的Arduino。Arduino支持很多种处理器芯片的开发，内部有很多库，开发应用方便、快捷，支持多种MCU，有一个硬件抽象层，实现了硬件无关层和硬件相关层的分离。但Arduino定制了很多底层的设计。在Arduino平台上，关于硬件电路的软件开发环境是完全开源的，而且有非常丰富的第三方资源。

在面包板上搭建简易的单片机系统比较简单.可以随时修改硬件。但是搭建系统需要连线较多，线路相互干扰，造成电路杂乱无章，并且搭建的系统可靠性较低。有人尝试自制单片机印刷电路板，而成功实现自制印刷电路很难，并且实现的周期较长，花费较多的时间，使得整体设计进程受到影响。所以本设计控制系统采用在Arduino扩展板上搭建单片机，这种方法比面包板搭建方便、简单，易于搭建，连线较少，价格较贵一些。

二、设计原理：Arduino通过PWM方式控制双向可控硅实现变电压

高分辨率计数器被用于PWM调节方式，对一个具体模拟信号的电平进行编码通过调制方波的占空比来实现。电压则是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。占空比是指有效电平在一个周期之内所占的时间比率。在一定的频率下，通过不同的占空比，得到不同的输出模拟电压。PWM就是在合适的信号频率下，通过一个周期里改变占空比的方式来改变输出的有效电压。PWM输出是数字信号0和1，PWM常用来调光、调速等常规应用。Arduino带～的引脚可以输出PWM波;使用analogWrite库函数（pin，value），value范围在0～255。0～5V的PWM信号将220V交流电转至0～220V的交流电。

可控硅具有单向导电性。只有导通和关断两种状态。双向可控硅经常被用于交流调压。交流调压利用双向可控硅体积小、重量轻、效率高和使用方便等优点，使生产效率明显提高和生产成本明显降低。

首先要过零检测，过零后再延时定占空比，用占空比决定功率大小。就是满功率*导通时间/信号周期。利用可控硅变电压要注意可控硅的灵敏度.注意对可控硅模块过载的保护，注意控制大电感负载时的干扰电网和自干扰的避免。

三、电路设计

系统总体框图如图1所示，电路原理图如图2所示。

（1）超声波传感器：芯片CS100A：工作电压DC3V～5.5V;工作电流5.3mA：输出方式GPI。测距范围0～150cm，精度3MM，精度达到0.3%。

（2）环境光传感器：工作电压DC3.3V～5.5V;输出信号为模拟电压，在5工作电压情况范围0～5V。仅对可见光敏感，不需要额外的过滤镜，良好的线性输出。

（3）蜂鸣器：模块采用9012PNP三极管驱动，设有固定螺栓孔，方便安装，排针引出方便接线。工作电压3.3V～5V;小板PCB尺寸3.3cm×1.3cm。

（4）LCD显示屏：点阵型液晶显示模块。工作电压+4.8～+5.2V;LCD驱动电压+3.0V～+5.0V;工作电流（背光除外）1.7mA（max）;工作电流（背光）24.0Ma（max）。

（5）按键开关模块：OUT端口，按键按下时输出高电平，释放时保持低电平。

（6）导线：杜邦线，优质PVC外皮、耐腐蚀、导电性强;导体材料为镀锡铜：耐温耐压。

（7）电源：采用220V交流电作为输入电源，再转換成5V直流电电源供电给Arduino，Arduino通过PWM方式控制可控硅模块实现变电压。

四、程序设计

本设计利用的平台是Arduino。平台由开放原始码simpleI/0介面版构建，并且存在着类似Java、C语言的Pro-cessing/Wiring开发环境。采用Mixly图形化编辑，通过人写代码，使用Arduino进行识别，再反馈给输出。

程序控制方法和参数设计：模拟输出是PWM信号。定义一直输出的值为a，给a的初始值值为115，两个程序同时运行，当一个按钮按下时，程序收到加的信号，让其把a的值赋为a+20;按另外一个按钮，把a的值赋为a-20，实现调节开关亮度。通过台灯上按键开关，实现台灯多个档位的亮度切换，实现自动调光，成功准确发出警示信号，并且能够显示台灯的工作电压、电流、功率数据，最终成功实现电子调光台灯的控制和显示。

五、测试方案与测试结果

在灯泡电阻不变的情况下，经过多次检查，必须保证仿