照度穩(wěn)定可調(diào)LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)

朱娟娟

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006)

0 引言

LED光源因其光線質(zhì)量好、節(jié)能環(huán)保、易于控制、體積小、設(shè)計(jì)靈活等諸多優(yōu)勢(shì)，在照明、裝飾、交通、顯示等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。而LED臺(tái)燈作為我們?nèi)粘Ｉ詈蛯W(xué)習(xí)的必備品，隨著人們對(duì)照明要求的不斷提高，其功能品質(zhì)也在不斷提升，因此對(duì)LED臺(tái)燈的節(jié)能、舒適、無頻閃、亮度可調(diào)等的設(shè)計(jì)要求更高。

本文提出了一種照度穩(wěn)定可調(diào)的LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)方案，臺(tái)燈有兩種工作模式，使用者可通過開關(guān)來選擇手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)光模式。手動(dòng)調(diào)節(jié)方式下，可使用旋鈕來調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度，實(shí)現(xiàn) LED 臺(tái)燈從最亮到完全熄滅連續(xù)可調(diào)，在日常生活中可增強(qiáng)臺(tái)燈的實(shí)用性。自動(dòng)調(diào)節(jié)方式下，臺(tái)燈內(nèi)置照度傳感器,以單片機(jī)為控制核心，可實(shí)現(xiàn)LED臺(tái)燈自動(dòng)追蹤環(huán)境光照強(qiáng)度變化，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度，保證臺(tái)燈照射固定區(qū)域亮度變化不大且穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，這樣可實(shí)現(xiàn)照度穩(wěn)定，為使用者提供恒定舒適的照明環(huán)境，使人的眼睛一直處于舒適狀態(tài)，且更加節(jié)能[2]。

1 照度穩(wěn)定可調(diào)LED臺(tái)燈整體設(shè)計(jì)方案

照度穩(wěn)定可調(diào)LED臺(tái)燈由驅(qū)動(dòng)電路(功率放大電路)、單片機(jī)、控制回路、照度檢測(cè)器(照度傳感器)、LED燈板等部分組成(如圖1所示)。臺(tái)燈有兩種工作模式，使用者可通過開關(guān)來選擇手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)光模式。

圖1 照度穩(wěn)定可調(diào)LED臺(tái)燈系統(tǒng)框圖

整個(gè)控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，手動(dòng)方式下，可使用旋鈕來調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度，采用可調(diào)恒流源控制電路，由恒流源供電，燈的亮度只與電流大小有關(guān)，當(dāng)供電電壓改變時(shí)，不影響燈的亮度，實(shí)現(xiàn) LED 臺(tái)燈從最亮到完全熄滅連續(xù)可調(diào)，在日常生活中可增強(qiáng)臺(tái)燈的實(shí)用性。自動(dòng)調(diào)節(jié)方式下，臺(tái)燈內(nèi)置照度傳感器,將照度信號(hào)作為反饋信號(hào)，采用PID調(diào)制構(gòu)成照度負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)(如圖2所示)，調(diào)節(jié)輸出的電壓值進(jìn)而控制LED臺(tái)燈的亮度?？蓪?shí)現(xiàn)LED臺(tái)燈自動(dòng)追蹤環(huán)境光照強(qiáng)度變化，依此自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度，保證臺(tái)燈照射固定區(qū)域亮度變化不大且穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，這樣可實(shí)現(xiàn)照度穩(wěn)定，使人的眼睛一直處于舒適狀態(tài)，且更加節(jié)能。

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)照度均勻效果，在設(shè)計(jì)LED臺(tái)燈時(shí)，結(jié)合聚光燈罩大小，將LED燈珠合理分布于中心位置。另外，LED燈珠在發(fā)光的同時(shí)，其散熱量也是很大的，如不能及時(shí)散熱，將會(huì)影響臺(tái)燈的正常工作及使用壽命，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，在燈板上加裝了散熱片，并且保證每個(gè)燈珠都有一定的散熱面積[3]。

圖2 照度穩(wěn)定可調(diào)LED臺(tái)燈自動(dòng)調(diào)節(jié)方框圖

為了提高電源效率，本設(shè)計(jì)從兩個(gè)方面入手：一是選用開關(guān)電源模塊，因?yàn)殡娫茨K有線性電源和開關(guān)電源兩種，線性電源的效率約為40%，開關(guān)電源的效率可以達(dá)到 80%左右。二是通過恒流源來控制LED燈板的亮度時(shí)，電源的無功功率(發(fā)熱)主要消耗在驅(qū)動(dòng)電路，所以需要根據(jù)LED燈板的輸出功率來選擇與之功率匹配的驅(qū)動(dòng)功率管。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為核心，由照度傳感器、10 V～15 V 可調(diào)電源、LED 燈板、電位器模塊、集成運(yùn)算放大器、TL431、8050等組成。采用TL431產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電壓(2.5 V)，經(jīng)過集成運(yùn)放A1跟隨，與可調(diào)電位器，構(gòu)成一個(gè)0～2.5 V的可調(diào)信號(hào)源；集成運(yùn)放A2和A3構(gòu)成一個(gè)恒流源；LM358與電容、電阻構(gòu)成一個(gè)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。將開關(guān)打到A處為手動(dòng)調(diào)節(jié)模式，將開關(guān)打到B處為自動(dòng)調(diào)節(jié)模式(如圖3所示)，采用8050設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路(如圖4所示)。

圖3 控制電路圖

圖4 驅(qū)動(dòng)電路圖

3 程序設(shè)計(jì)

隨著外界環(huán)境光照強(qiáng)弱變化，臺(tái)燈自動(dòng)追蹤環(huán)境光照強(qiáng)度，使臺(tái)燈照射固定區(qū)域亮度變化不大且穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)，采用PID調(diào)制構(gòu)成照度負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)[4]。通過實(shí)驗(yàn)的方式采集臺(tái)燈的照度當(dāng)前值，例如維持在1200 lx，采集多組數(shù)據(jù)，在excel中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到電壓與照度的關(guān)系(如圖5所示)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行PID參數(shù)整定，重復(fù)多次，最后確定一組較合適的PID參數(shù)值。根據(jù)KP、KI、KD的數(shù)值得到PID公式，將設(shè)定值與當(dāng)前照度值進(jìn)行比較，取其偏差值來進(jìn)行照度負(fù)反饋閉環(huán)控制，編寫程序，實(shí)現(xiàn)控制要求，程序流程圖如圖 6所示。

圖5 電壓與照度關(guān)系

圖6 臺(tái)燈自動(dòng)調(diào)整亮度控制流程圖

4 測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果

設(shè)計(jì)中采用萬用表、直流穩(wěn)壓電源、照度表、A4紙、LED臺(tái)燈、與設(shè)計(jì)臺(tái)燈同等亮度的LED燈板(用于改變環(huán)境光照強(qiáng)度)等儀器進(jìn)行測(cè)試。

首先，將照度表檢測(cè)頭置于臺(tái)燈正下方0.5 m處，調(diào)節(jié)臺(tái)燈輸入電壓(10 V～15 V)，當(dāng)改變輸入電壓時(shí)，用照度表檢測(cè)照度值，測(cè)試照度值見表1。結(jié)果顯示，改變輸入電壓時(shí)不影響臺(tái)燈亮度，可實(shí)現(xiàn)照度穩(wěn)定。

表1 電壓與照度關(guān)系表

其次，將臺(tái)燈調(diào)至最大亮度，在其下方0.5 m處放置一張A4白紙，用照度表檢測(cè)白紙四個(gè)角及中間若干區(qū)域的亮度，經(jīng)測(cè)試，整張A4紙區(qū)域內(nèi)照度穩(wěn)定均勻無頻閃。

最后，用制作的調(diào)至最大亮度的另一個(gè)LED燈板作為環(huán)境干擾光源，通過改變其與固定照射區(qū)域的距離來實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境光強(qiáng)變化。當(dāng)干擾光源快速靠近A4紙時(shí)，LED臺(tái)燈快速熄滅；當(dāng)將干擾光源緩慢靠近 A4 紙時(shí)，LED臺(tái)燈亮度逐漸變暗直至熄滅；將干擾光源緩慢遠(yuǎn)離，臺(tái)燈又重新亮起，且逐漸變亮。在整個(gè)過程中使用照度計(jì)測(cè)量A4紙區(qū)域內(nèi)的亮度。經(jīng)測(cè)試，照度值基本穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)燈照射固定區(qū)域亮度變化穩(wěn)定且在設(shè)定值范圍內(nèi)，為使用者提供了一個(gè)恒定舒適的照明環(huán)境，使人的眼睛一直處于舒適狀態(tài)，且更加節(jié)能。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，采用照度傳感器獲取反饋信號(hào)，設(shè)計(jì)了一款可自動(dòng)追蹤環(huán)境光照強(qiáng)度，隨著外界環(huán)境光照強(qiáng)弱變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度的LED臺(tái)燈。該臺(tái)燈可在實(shí)現(xiàn)照射固定區(qū)域亮度穩(wěn)定，節(jié)能的同時(shí)，為使用者提供良好的照明條件，帶來更加舒適的體驗(yàn)。臺(tái)燈結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)節(jié)方式靈活、無頻閃、抗干擾能力強(qiáng)，后續(xù)可繼續(xù)增加用時(shí)提醒、報(bào)警、語音控制等功能[5]。