DIY一個(gè)PWM調(diào)光的小夜燈

經(jīng)常夜里用電腦，或?qū)懽?、或上網(wǎng)，要是開(kāi)著沒(méi)有調(diào)光功能的工作臺(tái)燈，40W的白熾燈似乎有點(diǎn)明亮了，總會(huì)感覺(jué)有點(diǎn)防礙了思考，但是關(guān)了燈又會(huì)感覺(jué)周圍暗暗的，連鍵盤(pán)都沒(méi)法看清。于是自己DIY了一個(gè)PWM調(diào)光的小夜燈。這個(gè)電路實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)按開(kāi)關(guān)電路、具有8級(jí)調(diào)光、低功耗等功能，可以用作夜晚的弱光照明、設(shè)備的背光、小功率調(diào)光手電等等。對(duì)于年少的小朋友，夜里看書(shū)、玩電腦最好還是打開(kāi)臺(tái)燈或房間的吸頂燈，足夠明亮的光線才不會(huì)影響視力的發(fā)育。

先來(lái)了解一下PWM英文全稱為Pulse Width Modulation即脈沖寬度調(diào)制，是一種利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種十分有效的技術(shù)，非常廣泛應(yīng)用到功率控制、電機(jī)調(diào)速、通信等各種電子技術(shù)培領(lǐng)域中。PWM簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把模擬信號(hào)進(jìn)行量化，使其變?yōu)閿?shù)字編碼方便調(diào)控。PWM信號(hào)只有“高”和“低”，也可以看作“1”和“0”這2個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，在直流供電中的任何時(shí)刻只表示“通”與“斷”。圖1是2種占空比信號(hào)，分別是占空比為10%和90%的PWM輸出。假設(shè)信號(hào)供電電源為10V，方波以一定頻率進(jìn)行10%占空比輸出時(shí)，信號(hào)10%的時(shí)間是通的，90%的時(shí)間是斷的，輸出信號(hào)則對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓幅值為1V的模擬信號(hào)，如果點(diǎn)空比為100%時(shí)，方波則變?yōu)楦唠娖?，則對(duì)應(yīng)為10V的模擬信號(hào)?？赡苣氵€是沒(méi)搞明白是PWM信號(hào)到底指什么，那可以看看圖2的例子。

圖2是一個(gè)電燈的控制電路，也是一個(gè)可以用PWM控制的電路，如果電池電壓為12V，把開(kāi)關(guān)按下50毫秒燈泡就亮50毫秒，這段時(shí)間內(nèi)燈泡得到的電壓12V，下一個(gè)50毫秒斷開(kāi)開(kāi)關(guān)這時(shí)燈泡的電壓為0V，1秒內(nèi)進(jìn)行10次這樣開(kāi)關(guān)，燈泡亮度看起來(lái)就像用6V電壓供電一樣，而6V正是12V的50%，這種情況就是調(diào)制頻率為10Hz，占空比為50%的PWM。

同樣的占空比，調(diào)制頻率越低，負(fù)載效率就越低，可以設(shè)想一下，10Hz就是燈泡不斷亮50毫秒滅50毫秒，這樣人眼看起來(lái)是有點(diǎn)閃爍的，如果在一個(gè)周期內(nèi)把12V供電燈泡點(diǎn)亮.5秒然后再斷開(kāi)5秒，這樣就是0.1Hz，這時(shí)的占空比依然是50%，但是所得到的效果就更差了，光亮度看起來(lái)就5秒全亮，然后緊接著5秒全暗，根本就不可能相當(dāng)于12V的50%（6V）供電的效果了。要想取得像調(diào)光燈一樣的效果，就需要把調(diào)制頻率提高，通斷循環(huán)周期與負(fù)載對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化的響應(yīng)時(shí)間相比必須足夠短。大多數(shù)負(fù)載的PWM應(yīng)用的調(diào)制頻率一般是1K－200KHz。

了解了PWM的基本原理，我們就可以用硬件電路去實(shí)現(xiàn)了。筆者的這個(gè)制作里選用了ATMEL公司的Attiny13單片機(jī)生成PWM信號(hào)，它是一個(gè)只有8引腳的低功耗AVR單片機(jī)，除了基本的單片機(jī)功能外，還有一個(gè)具有8位PWM功能的定時(shí)器，能在PB0（OC0A）、PB1（OC0B）兩引腳輸出2路獨(dú)立的PWM信號(hào)。本制作的電路圖如圖3。

制作中用到2顆“食人魚(yú)”白光LED（eagle-eye led或piranha LED），其外形像食人魚(yú)，所以得其名，所封裝的支架為4引腳，提高了散熱性能，還具有比較大的發(fā)光角度，一般為120度。筆者選用的是5mm的白光“食人魚(yú)”，標(biāo)稱導(dǎo)通電壓約為3.6V，電流30mA。制作中直接使用電腦USB取電，電壓為5V，PWM信號(hào)從PB0輸出，通過(guò)R3、R4使Q1基極得到電流從而對(duì)Q1發(fā)射極電流進(jìn)行控制，總電流控制在最大60毫安左右。R1、R2則起到限流作用。SW1為功能按鍵。ATtiny13使用內(nèi)部9.6MHzRC振蕩電路不對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行8分頻，使其工作在9.6MHz的頻率中，使用內(nèi)部復(fù)位電路，使電路最簡(jiǎn)化。

筆者使用小型雕刻機(jī)制作好PCB后，焊接電路，效果如圖5、圖6。筆者用包裝小型繼電器的透明塑料包裝條用來(lái)安裝電路，切割成合適的大小，鉆好安裝孔，安裝電路進(jìn)入塑料條。使用USB接口線取得電源。使用USBASP工具將固件程序pwmled.hex燒錄進(jìn)入芯片中。電路焊接無(wú)誤后，無(wú)需調(diào)試，上電后PWM輸出12.5%的占空比，點(diǎn)亮LED總電流約為10mA，每短按一次按鍵時(shí)，占空比遞增12.5%，直到100%輸出電流約為60mA，再短按時(shí)又回到12.5%占空比，一共有8個(gè)亮度檔位。長(zhǎng)按3秒則可以關(guān)閉和點(diǎn)亮LED。圖7是安裝完成后的發(fā)光效果，為了使光線柔和筆者在塑料條上帖了一層美紋紙，光線柔和不剌眼。

本文中前兩制作中使用的PCB是使用小型雕刻機(jī)在單面玻纖覆銅板上雕刻而成，因板材及雕刻刀具限制，最小線間隔在0.3MM左右，為了方便業(yè)余制作畫(huà)板時(shí)盡量保留覆銅面，這樣可以減少雕刻時(shí)間，同時(shí)沒(méi)有鉆過(guò)孔，也沒(méi)有刷阻焊漆，使制作最簡(jiǎn)化。雖然比不上成品印刷電路板的精度和品質(zhì)，但是勝在方便快捷，在制作一些業(yè)余制作中簡(jiǎn)單的電路時(shí)還是十分好使的。

程序編寫(xiě)使用到C語(yǔ)言，由于Attiny13的PWM是由硬件方式產(chǎn)生，只需要更改OCR0A寄存器的值，就可以更改PWM的占空比，所以在程序編寫(xiě)上顯得極為簡(jiǎn)單，只需要編寫(xiě)一個(gè)按鍵處理程序就可以了，然后把按鍵的次數(shù)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換為定時(shí)器PWM設(shè)定值寫(xiě)入到OCR0A寄存器中。OCR0A為8位寄存器，也就是說(shuō)它可以把一個(gè)方波周期分成256份，每增加一個(gè)值則占空比增加約為0.4%。

圖5：PCB

圖6：安裝配件

圖7：發(fā)光效果（左圖為普通效果，右圖為貼上美紋紙后的效果）