磁懸浮式無線智能臺燈設(shè)計

楊月 肖東岳 南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院

引言：當(dāng)今社會，在電子產(chǎn)品日益普遍、興盛的情況下，越來越多的人開始追求電子產(chǎn)品的實用性、創(chuàng)新性。傳統(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)總體設(shè)計

磁懸浮式無線智能臺燈系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計為基于單片機的智能臺燈，將磁懸浮技術(shù)與無線供電技術(shù)融為一體，既可以作為照明設(shè)施，也可以作為生活擺件。本設(shè)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(chǎn)生的渦流來實現(xiàn)對燈泡的懸浮；而無線供電技術(shù)利用電磁耦合方式電源進行整流、濾波、穩(wěn)壓等方式轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)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(yīng)部分電路組成。

2 系統(tǒng)各單元硬件設(shè)計

2.1 單片機控制電路設(shè)計

根據(jù)設(shè)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(yīng)具備低能耗的特點。由于單片機還要控制液晶屏實現(xiàn)時鐘定時功能，需要單片機數(shù)據(jù)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(yīng)模塊電路設(shè)計

為豐富該臺燈的功能，設(shè)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(guān)閉燈”可實現(xiàn)燈的開關(guān)；HC-SR505感應(yīng)芯片實現(xiàn)實現(xiàn)“人走燈熄”的功能；考慮到整體設(shè)計的和諧性、美觀性，最終選擇了OLED屏幕呈現(xiàn)時間。

2.3 無線供電模塊

XKT-510無線電供電發(fā)射芯片專門用于無線感應(yīng)智能充電和電源管理系統(tǒng)，具有很高的可靠性，負責(zé)系統(tǒng)中無線電能量傳輸功能的處理，采用電磁能量轉(zhuǎn)換原理，配合T3168無線供電接收芯片部分對電路進行能量轉(zhuǎn)換和實時監(jiān)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(qū)動電路組成。永磁鐵提供的磁力需按以下公式計算

驅(qū)動電路中，L298N驅(qū)動四個線圈產(chǎn)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(shù)據(jù)將調(diào)節(jié)電磁場磁場分布，使磁場達到平衡的狀態(tài)，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(tǒng)各單元軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)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(tǒng)分時段執(zhí)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(nèi)容，刷新霍爾傳感器數(shù)據(jù)。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(yīng)模塊程序設(shè)計

DS1302和單片機采用的是SPI總線通信，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在控制字輸入后執(zhí)行。 不同之處在于，在輸入控制字之后，數(shù)據(jù)被寫入下一個時鐘脈沖的上升沿，并且數(shù)據(jù)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(yīng)模塊程序設(shè)計如圖7所示。

圖6 時鐘模塊流程圖

圖7 人體感應(yīng)模塊流程圖

3.3 語音識別模塊程序設(shè)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(guān)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(shè)計流程圖

3.4 無線供電模塊程序設(shè)計

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

接收線圈接收到的高頻能量經(jīng)過電容整流濾波，再經(jīng)過T3168整流濾波，輸出5V 直流穩(wěn)壓源，驅(qū)動燈泡正常發(fā)光。程序流程圖如圖9所示。

3.5 磁懸浮驅(qū)動程序設(shè)計

磁懸浮電路由兩塊永久性磁鐵加上磁懸浮驅(qū)動電路組成。永久性磁鐵形成外磁場，而L298N驅(qū)動線圈，產(chǎn)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(shù)據(jù)，進而調(diào)節(jié)電磁場磁場分布，調(diào)節(jié)磁鐵懸浮的位置，使永久性磁鐵達到平衡的狀態(tài)。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(shè)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(shè)定初始時間，然后由單片機進行對數(shù)據(jù)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(tǒng)調(diào)試

在經(jīng)過硬件電路調(diào)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(tǒng)調(diào)試。磁懸浮式無線供電系統(tǒng)運行的結(jié)果如圖11及圖12所示。

在無線供電模塊中，調(diào)整兩個線圈的距離來進行電磁轉(zhuǎn)換，獲得足夠的電壓使照明效果穩(wěn)定。調(diào)試霍爾元件程序使燈泡在受到輕微擾動時能夠恢復(fù)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(shè)計題目、主燈狀態(tài)

5 結(jié)論

磁懸浮式智能臺燈不僅亮度可調(diào)節(jié)還可以通過語音控制開關(guān)燈，實現(xiàn)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(yīng)裝置實現(xiàn)“人走燈熄”的功能，在底座設(shè)計中，有兩種供電方式：直充/電池，在突然斷電時可作為應(yīng)急電源使用。此智能臺燈的設(shè)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(shù)品。