一種新型的智能臺(tái)燈調(diào)光控制系統(tǒng)

牛浩　劉存良

【摘??要】隨著生活水平的提高，人們對臺(tái)燈的需求趨于智能化與多功能化。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一種臺(tái)燈的智能調(diào)光系統(tǒng)，以STM32微處理器為基礎(chǔ)，采用基于Z源的BUCK斬波電路，為用戶提供多種照明狀態(tài)，并分為智能語音控制和人工控制兩種調(diào)光方式;利用NRF通信技術(shù)，對用戶的書寫姿勢進(jìn)行糾正。文中給出了系統(tǒng)介紹方案，給出了硬件電路的設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】Z源BUCK斬波;智能;NRF無線通訊

引言

隨著社會(huì)水平的發(fā)展，人們生活水平日益提高，對于臺(tái)燈的功能也有了更大的挑戰(zhàn)，更加的趨于個(gè)性化、功能的多樣性和環(huán)保節(jié)能，單一的光照顯然無法滿足用戶的需求，設(shè)計(jì)出一種多功能的智能臺(tái)燈有很大的意義。本文設(shè)計(jì)了以STM32微處理器為基礎(chǔ)的智能調(diào)光控制系統(tǒng)，根據(jù)使用場合的不同，提供不同的光照，并根據(jù)實(shí)際情況，分為智能控制和人工控制，當(dāng)使用者出現(xiàn)不當(dāng)?shù)臅鴮懽藙?，能夠進(jìn)行警報(bào)提醒，賦予了臺(tái)燈更高的使用價(jià)值。

一、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由STM32處理器、放大電路、調(diào)光電路、NRF無線通信、驅(qū)動(dòng)電路、LCD警報(bào)模塊、LD3302語音識(shí)別、HC-SR501熱釋電阻、BH1750FVI光傳感器組成。系統(tǒng)采用了Z源斬波電路和紅外傳感器，實(shí)現(xiàn)對燈光照度，色溫和模式的調(diào)節(jié);并利用STM32處理器對語音進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)語音智能控制。超聲測距與NRF無線通信的結(jié)合，對不當(dāng)?shù)臅鴮懽藙葸M(jìn)行警報(bào)提醒。

圖1?智能調(diào)光控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

二、硬件電路設(shè)計(jì)

2.1驅(qū)動(dòng)電路

多功能智能臺(tái)燈采用直接供電，把電源模塊分為兩級，第一級電源模塊為AC-DC開關(guān)電源模塊，可將輸入的220?V市電經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換，同時(shí)輸出12V和5V的直流電壓，第二級電源模塊為一款基于LM2596S芯片的調(diào)壓模塊，可將5V電平轉(zhuǎn)為3.3V輸出。

2.2熱釋電阻電路

熱釋電阻輸出接三極管B極，正極與C極相連，負(fù)極與三極管E極接地，根據(jù)需要，設(shè)置保護(hù)電阻。

2.3放大電路

來自STM32微處理器的接口電流較小，采用LM324的二級放大電路，一級放大約為50倍，二級放大約為100倍，達(dá)到下級調(diào)光電路所需的電壓值。

2.4調(diào)光電路及其原理

調(diào)光電路是基于Z源的BUCK斬波電路，L1和C1構(gòu)成輸入濾波器，L4和C4構(gòu)成輸出濾波器，用于濾去斬波產(chǎn)生的高頻諧波，帶有反向續(xù)流二級管的四個(gè)開關(guān)管IGBT1、IGBT2，、IGBT3：和IGBT4，構(gòu)成開關(guān)控制電路：L2、C2、L3、C3構(gòu)成主電路的Z源網(wǎng)絡(luò)。

輸入電壓為正時(shí)，IGBT1和IGBT3處于互補(bǔ)通斷狀態(tài)，IGBT2和IGBT4處于常通狀態(tài);在輸入電壓為負(fù)時(shí)，則IGBT1和IGBT3處于常通狀態(tài)，IGBT2和IGBT4處于互補(bǔ)通斷狀態(tài)。設(shè)開關(guān)周期為T，IGBT1?的開關(guān)占空比為D，則在DT時(shí)間內(nèi)，電流流過IGBT，和D給負(fù)載供電并且給Z源網(wǎng)絡(luò)中的電感充電，設(shè)輸入交流電壓為Ui，輸出電壓為UO，電感L2兩端的電壓可以表示為UL2，C2兩端電壓為Uc2則有以下關(guān)系式

（1）

故在（1-D）T時(shí)間內(nèi)，根據(jù)Z源網(wǎng)絡(luò)的對稱性，得

（2）

在輸入電壓一個(gè)周期內(nèi)，根據(jù)能量守恒，輸出功率與輸入功率在整個(gè)回路代數(shù)和為0，聯(lián)立（1）和（2）式，得輸出電壓Uo為

（3）

由表達(dá)式可得，電壓隨著占空比增大呈指數(shù)型增長，本項(xiàng)目取日常照明時(shí)的D=0.32。

電路具體連接如下圖2所示，其中輸入濾波電路的電感值與電容值分別為105uH和3uF，輸出濾波電路的電感值與電容值分別為2.3mH和13uF，Z源網(wǎng)絡(luò)的電感值與電容值分別為1mH和2.8uF。利用STM32微處理器調(diào)節(jié)IGBT的占空比即可得到不同的輸出電壓值，電路的設(shè)計(jì)簡單，工作穩(wěn)定。

圖2調(diào)光主電路

三、軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶的實(shí)際使用情況，設(shè)定五種的工作色溫與亮度：閱讀、書寫、辦公、娛樂和日常照明。并根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置為智能語音調(diào)節(jié)和人工手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)使用智能語音識(shí)別時(shí)，當(dāng)用戶說出特定的指令時(shí)，LD3320芯片對其進(jìn)行語音識(shí)別，轉(zhuǎn)化為頻譜，并與單片機(jī)的內(nèi)部設(shè)定的詞條進(jìn)行匹配，當(dāng)吻合后，調(diào)節(jié)IGBT的占空比，調(diào)節(jié)電壓。

當(dāng)用戶在書寫出現(xiàn)不正當(dāng)?shù)淖藙輹r(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測的超聲測距模塊會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)給NRF模塊，再由NRF發(fā)送給主機(jī)，分析后對用戶進(jìn)行聲音警報(bào)，并在LCD液晶屏上閃爍相應(yīng)詞句進(jìn)行提醒。

結(jié)束語

總而言之，在生活水平日益增長的今天，用戶對臺(tái)燈的功能提出了更多的要求，社會(huì)上目前存在的臺(tái)燈多為傳統(tǒng)的單一照明臺(tái)燈，不能滿足用戶的需求，用戶對于多智能化與多功能化的呼聲越來越高。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了滿足用戶的痛點(diǎn)，在傳統(tǒng)臺(tái)燈突出的缺點(diǎn)給予了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，能夠滿足用戶的基本需求，極大的提高了臺(tái)燈的使用價(jià)值。

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（作者單位：1、安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院;2、廣東移動(dòng)佛山分公司）