磁懸浮式無線智能臺燈設計

楊月 肖東岳 南陽理工學院電子與電氣工程學院

引言：當今社會，在電子產品日益普遍、興盛的情況下，越來越多的人開始追求電子產品的實用性、創新性。傳統的照明功能相對簡單，亮度不足，耗能多。在保證臺燈照明的必需功能后，加以創新使其更具有實用性與功能的多樣性，才能滿足人們的生活要求。因此本文研究了磁懸浮式無線智能臺燈。

1 磁懸浮式無線智能臺燈系統總體設計

磁懸浮式無線智能臺燈系統的總體設計結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

本設計為基于單片機的智能臺燈，將磁懸浮技術與無線供電技術融為一體，既可以作為照明設施，也可以作為生活擺件。本設計中的智能燈的磁懸浮是通過利用高頻電磁場在金屬表面產生的渦流來實現對燈泡的懸浮；而無線供電技術利用電磁耦合方式電源進行整流、濾波、穩壓等方式轉變為穩定的5V直流電，供給燈泡部分的電路工作。而“人機交互”部分，由語音控制部分電路、人體感應部分電路組成。

2 系統各單元硬件設計

2.1 單片機控制電路設計

根據設計要求，在該臺燈使用過程中，存在一定磁場干擾，所以單片機首先需要具備抗干擾能力強的特點。其次，還應具備低能耗的特點。由于單片機還要控制液晶屏實現時鐘定時功能，需要單片機數據處理速度要足夠快。基于以上原因，選擇STC15W401AS微控制器為控制核心。單片機外部接線圖如圖2所示。

圖2 單片機控制電路圖

2.2 外圍時鐘、語音、顯示、感應模塊電路設計

為豐富該臺燈的功能，設計中采用DS1302芯片提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息；語音芯片WTK6900B-B01芯片通過語音指令“小白，打開燈”“小白，關閉燈”可實現燈的開關；HC-SR505感應芯片實現實現“人走燈熄”的功能；考慮到整體設計的和諧性、美觀性，最終選擇了OLED屏幕呈現時間。

2.3 無線供電模塊

XKT-510無線電供電發射芯片專門用于無線感應智能充電和電源管理系統，具有很高的可靠性，負責系統中無線電能量傳輸功能的處理，采用電磁能量轉換原理，配合T3168無線供電接收芯片部分對電路進行能量轉換和實時監控。原理圖如圖3所示。

圖3 無線充電模塊原理圖

2.4 磁懸浮模塊

磁懸浮模塊由圓形永磁鐵、懸浮部分磁鐵加上磁懸浮驅動電路組成。永磁鐵提供的磁力需按以下公式計算

驅動電路中，L298N驅動四個線圈產生高頻渦流與外磁場共同作用使燈泡懸浮。LN324將兩個霍爾元件輸出的線性電位信號反饋給單片機，由單片機處理數據將調節電磁場磁場分布，使磁場達到平衡的狀態，霍爾元件外部接線圖如圖4所示。

圖 4 霍爾元件外部接線圖

3 系統各單元軟件設計

3.1 主程序設計

主程序中主要是要完成對各個模塊的初始化操作，采用并行系統分時段執行，進行時間輪尋。開定時器并完成初始值的裝入。定時器主要是讀取DS1302時鐘芯片的日歷、時間，刷新液晶顯示內容，刷新霍爾傳感器數據。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖圖

3.2 時鐘模塊及人體感應模塊程序設計

DS1302和單片機采用的是SPI總線通信，數據在脈沖信號控制下一位一位的傳輸，所以讀寫的時序非常重要。讀取和寫入數據在控制字輸入后執行。 不同之處在于，在輸入控制字之后，數據被寫入下一個時鐘脈沖的上升沿，并且數據的讀取是控制字輸入之后的下一個時鐘脈沖的下降沿。程序流程圖如圖6所示。人體感應模塊程序設計如圖7所示。

圖6 時鐘模塊流程圖

圖7 人體感應模塊流程圖

3.3 語音識別模塊程序設計

WTK6900B-B01芯片與單片機采用串口通信方式，通過語音命令“小白，打開燈”可使燈泡亮起，“小白，關閉燈”使燈泡熄滅。語音識別模塊中，使用了對稱的差分放大電路來降噪抗干擾。程序流程圖

圖 8語音識別模塊流程圖

圖9 無線供電程序設計流程圖

3.4 無線供電模塊程序設計

XKT-510的引腳1（VDD）端接12V電源，經引腳7（AIN）端進行電壓檢測，當電壓符合要求時，經該芯片產生脈沖頻率，再通過處理高頻交流電以電磁波的形式發射給接收線圈T3168。

接收線圈接收到的高頻能量經過電容整流濾波，再經過T3168整流濾波，輸出5V 直流穩壓源，驅動燈泡正常發光。程序流程圖如圖9所示。

3.5 磁懸浮驅動程序設計

磁懸浮電路由兩塊永久性磁鐵加上磁懸浮驅動電路組成。永久性磁鐵形成外磁場，而L298N驅動線圈，產生高頻渦流。高頻渦流加上外磁場使燈泡懸浮起來。霍爾傳感器的信號量通過LM324反饋給單片機，由單片機處理數據，進而調節電磁場磁場分布，調節磁鐵懸浮的位置，使永久性磁鐵達到平衡的狀態。程序流程圖如圖10所示。

圖10 磁懸浮模塊程序流程圖

圖 11 顯示模塊程序流程圖

3.6 顯示模塊程序設計

顯示模塊選用OLED顯示屏。液晶屏顯示時鐘日歷、具體流程首先是對液晶屏初始化并設定初始時間，然后由單片機進行對數據的處理，最后液晶屏顯示時鐘日歷。程序流程圖如圖11所示。

4 系統調試

在經過硬件電路調試，確認各個部分模塊工作沒有問題后，將程序通過燒錄軟件下載到單片機上，通電進行系統調試。磁懸浮式無線供電系統運行的結果如圖11及圖12所示。

在無線供電模塊中，調整兩個線圈的距離來進行電磁轉換，獲得足夠的電壓使照明效果穩定。調試霍爾元件程序使燈泡在受到輕微擾動時能夠恢復原位。

圖11 無線供電下正常工作的燈泡

圖12 OLED顯示時鐘日歷、設計題目、主燈狀態

5 結論

磁懸浮式智能臺燈不僅亮度可調節還可以通過語音控制開關燈，實現人機交互，使用更加方便，除此之外，還增加了時鐘定時提醒功能、通過感應裝置實現“人走燈熄”的功能，在底座設計中，有兩種供電方式：直充/電池，在突然斷電時可作為應急電源使用。此智能臺燈的設計更加人性化，實用性強，不僅能為使用者提供照明，更是一款精致藝術品。