基于Cortex—M3單片機(jī)的高效智能調(diào)光臺燈設(shè)計(jì)

從永正++汪陳松++劉永健++宇俊

摘 要：文章簡要說明一種基于Cortex-M3的32位單片機(jī)高效智能調(diào)光臺燈的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)采用以Cortex-M3為內(nèi)核的單片機(jī)作為主控單元，通過單片機(jī)自帶的高效內(nèi)部ADC單元調(diào)制輸出PWM波形占空比，通過數(shù)字器件處理信號，最終通過降壓型電源管理芯片實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)整，并可通過液晶顯示屏顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、臺燈亮度以及使用時(shí)間計(jì)時(shí)等，并有多種調(diào)光模式。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；高效能；無級調(diào)整

前言

現(xiàn)在市場主要銷售的調(diào)光臺燈在調(diào)光方面基本上以分檔調(diào)節(jié)為主，在對電力資源的利用效率方面，大部分產(chǎn)品使用效率并不理想，在提倡低碳環(huán)保的今天，顯然是不提倡的。本設(shè)計(jì)著重人性化設(shè)計(jì)，在調(diào)級方面采用兩種調(diào)級方式，即真無級調(diào)光與近無級調(diào)光，并且增加了成本低廉但又很實(shí)用的溫度顯示、級數(shù)顯示、使用時(shí)間計(jì)時(shí)等功能，這對使用者是有極大幫助的。

1 整體設(shè)計(jì)方案

1.1 調(diào)級設(shè)計(jì)

在調(diào)級方面，本設(shè)計(jì)采用兩種方案。

（1）真無級調(diào)光。該部分采用0～3.3V電壓信號作為信號源，單片機(jī)通過內(nèi)部高速高精度ADC讀取該電壓值，并以3.3V為電壓基準(zhǔn)，可以精確地?fù)Q算出相應(yīng)的百分比，而此時(shí)輸出的PWM波形的占空比應(yīng)等于該百分比與100%的差值，通過旋轉(zhuǎn)型電位器的旋鈕，實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)輸出PWM波形的占空比從0%調(diào)整到100%，這就是真無級調(diào)光。這樣的無級調(diào)光非常精確，可以將滿級基數(shù)增加到1000或更高，遠(yuǎn)多于市場上同類產(chǎn)品。

（2）近無級調(diào)光。該部分采用按鍵調(diào)級方式，既可以通過加減按鍵改變級數(shù)，也可以采用輸入數(shù)據(jù)的形式達(dá)到自己理想亮度級數(shù)，為了有利于調(diào)整，該方式的滿級數(shù)設(shè)置為100，通過加減或者直接輸入的方式得到的數(shù)字，以100為基數(shù)得到相應(yīng)的百分比，同樣此時(shí)輸出的PWM波形的占空比就是該百分比與100%的差值。

在主控芯片選用為內(nèi)核的以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103C8T6，該種型號單片機(jī)具有明顯優(yōu)勢，與8位、16位傳統(tǒng)單片機(jī)相比，該單片機(jī)具有體積小、性能穩(wěn)定、功耗低、運(yùn)算速度快、ADC轉(zhuǎn)化速度快、精準(zhǔn)度高、軟件編寫方便等特點(diǎn)。性價(jià)比遠(yuǎn)高于其他類型單片機(jī)。

1.2 電壓調(diào)整輸出設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)電壓輸出調(diào)整主要采用降壓型電源管理芯片LM2596開關(guān)電源調(diào)節(jié)器，以輸出在0～24V為例，通過設(shè)計(jì)電路，調(diào)整部分元器件即可實(shí)現(xiàn)，在該芯片輸入VCC為24V時(shí)，其控制端輸入-1.37-1.37V電壓，即可使其輸出端輸出0～24V電壓，并且控制電壓與輸出電壓直接呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系。該芯片具有輸出功率大，帶載能力強(qiáng)，電源管理效率高等特點(diǎn)。

1.3 數(shù)字信號處理設(shè)計(jì)

數(shù)字信號處理電路主要以LM324N集成運(yùn)算放大器為主，通過阻容高低通濾波，把主控芯片輸出的具有一定占空比的PWM信號濾波為在0～3.3V之間變化的電壓信號，該電壓值隨著PWM占空比變化，該運(yùn)放芯片主要實(shí)現(xiàn)對該信號的處理，使該電壓信號輸出范圍調(diào)整為-1.37～1.37V，這樣就可以使LM2596正常工作，并且該運(yùn)放芯片也起到了作為該電壓信號的緩沖器的作用。

1.4 溫度以及調(diào)級顯示設(shè)計(jì)

在溫度檢測采用單總線溫度傳感器BS18B20，該傳感器使用方便，單總線，體積小，價(jià)格低，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高等特點(diǎn)。顯示采用0.96寸oled液晶顯示屏，該顯示屏體積小，總線少，能耗低，顯示信息量大且清晰等特點(diǎn)，適合在本設(shè)計(jì)中使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 調(diào)級電路

（1）真無級調(diào)光電路。信號來源是3.3V電源通過3.3K旋轉(zhuǎn)變阻器接地，旋轉(zhuǎn)旋鈕，分壓得到0～3.3V電壓值，通過1K限流串聯(lián)至單片機(jī)IO口，并聯(lián)瓷片電容和電解電容起高低通濾波作用，對輸入電壓信號進(jìn)行濾波，防止紋波干擾。

（2）近無級調(diào)光。使用普通按鍵，按照矩陣鍵盤方式進(jìn)行排布，使得在不占用過多引腳的情況下可以產(chǎn)生一定數(shù)量的按鍵供使用者進(jìn)行加減鍵入以及直接輸入的方式調(diào)整級數(shù)。

兩種調(diào)光方式通過撥碼開關(guān)進(jìn)行模式選擇，并在液晶屏顯示模式以及當(dāng)前級數(shù)。

2.2 電壓調(diào)整輸出電路

LM2596調(diào)壓輸出電路如圖1所示，由LM2596芯片特性知V（FB）=1.23V。對該電路進(jìn)行分析，可知：V（FB）=[R1*V（OUT）/（R1+R2+R3）]+[（R2+R3）*U（in）/（R1+R2+R3）]

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)輸入U(xiǎn)（in）在-1.37-1.37V之間變化時(shí)，該調(diào)壓電路輸出電壓值V（OUT）為0-24V，并呈負(fù)相關(guān)線性變化，無論是輸出電壓還是輸出電流，都符合本設(shè)計(jì)要求。

2.3 數(shù)字信號處理電路

該電路主要由LM324N集成運(yùn)算放大器構(gòu)成，此芯片為14P型芯片，每片芯片含有四組運(yùn)放器，以及公用的工作電壓輸入端，即正負(fù)電源。其中先通過電阻電容組成的濾波電路將PWM波轉(zhuǎn)成電壓信號，變化范圍為0～3.3V。經(jīng)過由LM324N組成的差分放大電路，使得電壓信號變化為-1.37～1.37V，其中單片機(jī)與處理電路輸入間、處理電路輸出與電壓調(diào)整電路之間與經(jīng)過由LM324N組成的緩沖電路，目的是匹配前后的不同時(shí)間常數(shù)的電路。

2.4 軟件程序設(shè)計(jì)

初始外部信號采集ADC轉(zhuǎn)換、測溫和oled顯示具體程序在各類電子信息論壇上均有，本文也不進(jìn)行詳細(xì)的說明。在PWM波形輸出方面，使用單片機(jī)內(nèi)部專門PWM波的定時(shí)器編寫程序，這樣定時(shí)準(zhǔn)確，且易于操作。在工作模式切換以及按鍵改變級數(shù)方面，采用外部中斷掃描方式，這樣不僅提高對數(shù)字鍵入讀取的準(zhǔn)確度，還提高主控芯片的工作效率。

3 設(shè)計(jì)總結(jié)

無論是在真無級情況下還是近無級情況下，經(jīng)測定，燈泡兩端電壓均滿足設(shè)計(jì)需求，按鍵值讀入無誤，按鍵輸入級數(shù)可以準(zhǔn)確達(dá)到設(shè)定亮度，旋鈕開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)整，溫度讀取準(zhǔn)確，級數(shù)顯示準(zhǔn)確，使用時(shí)間計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的初衷。

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作者簡介：從永正（1997，01-），男，漢族，學(xué)歷：本科，研究方向：測控技術(shù)與儀器。