基于Cortex—M3單片機的高效智能調光臺燈設計

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位單片機高效智能調光臺燈的設計方案。該設計采用以Cortex-M3為內核的單片機作為主控單元，通過單片機自帶的高效內部ADC單元調制輸出PWM波形占空比，通過數字器件處理信號，最終通過降壓型電源管理芯片實現對輸出電壓的調整，實現無級調整，并可通過液晶顯示屏顯示當前環境溫度、臺燈亮度以及使用時間計時等，并有多種調光模式。

關鍵詞：單片機；高效能；無級調整

前言

現在市場主要銷售的調光臺燈在調光方面基本上以分檔調節為主，在對電力資源的利用效率方面，大部分產品使用效率并不理想，在提倡低碳環保的今天，顯然是不提倡的。本設計著重人性化設計，在調級方面采用兩種調級方式，即真無級調光與近無級調光，并且增加了成本低廉但又很實用的溫度顯示、級數顯示、使用時間計時等功能，這對使用者是有極大幫助的。

1 整體設計方案

1.1 調級設計

在調級方面，本設計采用兩種方案。

（1）真無級調光。該部分采用0～3.3V電壓信號作為信號源，單片機通過內部高速高精度ADC讀取該電壓值，并以3.3V為電壓基準，可以精確地換算出相應的百分比，而此時輸出的PWM波形的占空比應等于該百分比與100%的差值，通過旋轉型電位器的旋鈕，實現對單片機輸出PWM波形的占空比從0%調整到100%，這就是真無級調光。這樣的無級調光非常精確，可以將滿級基數增加到1000或更高，遠多于市場上同類產品。

（2）近無級調光。該部分采用按鍵調級方式，既可以通過加減按鍵改變級數，也可以采用輸入數據的形式達到自己理想亮度級數，為了有利于調整，該方式的滿級數設置為100，通過加減或者直接輸入的方式得到的數字，以100為基數得到相應的百分比，同樣此時輸出的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核的以Cortex-M3為內核的STM32F103C8T6，該種型號單片機具有明顯優勢，與8位、16位傳統單片機相比，該單片機具有體積小、性能穩定、功耗低、運算速度快、ADC轉化速度快、精準度高、軟件編寫方便等特點。性價比遠高于其他類型單片機。

1.2 電壓調整輸出設計

該設計電壓輸出調整主要采用降壓型電源管理芯片LM2596開關電源調節器，以輸出在0～24V為例，通過設計電路，調整部分元器件即可實現，在該芯片輸入VCC為24V時，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相關的線性關系。該芯片具有輸出功率大，帶載能力強，電源管理效率高等特點。

1.3 數字信號處理設計

數字信號處理電路主要以LM324N集成運算放大器為主，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，該運放芯片主要實現對該信號的處理，使該電壓信號輸出范圍調整為-1.37～1.37V，這樣就可以使LM2596正常工作，并且該運放芯片也起到了作為該電壓信號的緩沖器的作用。

1.4 溫度以及調級顯示設計

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，價格低，抗干擾能力強，測量精度高等特點。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，適合在本設計中使用。

2 系統設計實現

2.1 調級電路

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

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

兩種調光方式通過撥碼開關進行模式選擇，并在液晶屏顯示模式以及當前級數。

2.2 電壓調整輸出電路

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

經過計算，當輸入U（in）在-1.37-1.37V之間變化時，該調壓電路輸出電壓值V（OUT）為0-24V，并呈負相關線性變化，無論是輸出電壓還是輸出電流，都符合本設計要求。

2.3 數字信號處理電路

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

2.4 軟件程序設計

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

3 設計總結

無論是在真無級情況下還是近無級情況下，經測定，燈泡兩端電壓均滿足設計需求，按鍵值讀入無誤，按鍵輸入級數可以準確達到設定亮度，旋鈕開關可以實現無級調整，溫度讀取準確，級數顯示準確，使用時間計時準確，實現了設計的初衷。

參考文獻

[1]華成英.模擬電子技術基礎（第五版）[M].高等教育出版社.

[2]童詩白.數字電子技術基礎（第五版）[M].高等教育出版社.

[3]張洋.原子帶你玩轉STM32庫函數版（第二版）[M].北京航空航天大學出版社.

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