照度穩(wěn)定可調(diào)LED照明燈設(shè)計(jì)
——基于STM32F103C8T6單片機(jī)

孟凡軍

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

圖1 智能照明方案

經(jīng)過這些年的長足發(fā)展，智能照明控制系統(tǒng)已為大眾所接受，形成了穩(wěn)定、廣闊的市場。在當(dāng)今數(shù)字智能化時代，一大批智能化照明產(chǎn)品為廣大受眾所認(rèn)可，智能照明控制系統(tǒng)逐漸占據(jù)廣大的市場份額，在諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用，如智能建筑、智能家居、智能電力等。對國家節(jié)能減排政策實(shí)施的起到了舉足輕重的作用，同時帶來了巨大效益。鑒于目前國內(nèi)隧道存在一些問題，如光線普遍較弱或者隧道內(nèi)外光線亮度差距過大等。而這些問題的存在，勢必會產(chǎn)生一定的安全隱患。而智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得這些問題迎刃而解。系統(tǒng)不僅可以提供舒適的照明亮度，還能根據(jù)外部環(huán)境，實(shí)時自動控制照明亮度，從而確保隧道內(nèi)部燈光強(qiáng)度始終適中，不會受到外界光強(qiáng)的影響，進(jìn)而確保隧道內(nèi)駕駛的安全性。綜上所述，研究照度穩(wěn)定可調(diào)的智能照明燈具有很大的發(fā)展空間，照度穩(wěn)定可調(diào)的智能照明燈產(chǎn)品為適應(yīng)用戶的實(shí)際需求，必將產(chǎn)生更多種類的個性化產(chǎn)品，引領(lǐng)市場發(fā)展潮流，成為國家節(jié)能減排道路上的生力軍。

2 原理分析及方案論證

2.1 照度穩(wěn)定可調(diào)LED臺燈

智能LED照明燈工作原理主要從以下兩個方面介紹。第一，智能LED照明燈主要是以STM32單片機(jī)為控制核心，利用光敏傳感器將外界的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再將電信號傳送到單片機(jī)的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)外界光的強(qiáng)度實(shí)時調(diào)節(jié)LED照明燈的亮度。第二，LED照明燈采用PWM脈寬調(diào)節(jié)方式，它也是以STM32單片機(jī)為核心，利用旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行調(diào)節(jié)燈光亮度，當(dāng)編碼器旋轉(zhuǎn)的時候，編碼器的數(shù)值傳入單片機(jī)中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，單片機(jī)輸出后通過電壓調(diào)節(jié)電路dc/dc對LED照明燈光照強(qiáng)度進(jìn)行控制。

2.2 照度顯示表

照度顯示表是利用光敏傳感器感知外界的光，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號傳入單片機(jī)中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，單片機(jī)輸出端接入OLED液晶顯示屏的輸入端口，從而在OLED中進(jìn)行數(shù)字顯示。

2.3 顯示部分

顯示部分主要采用OLED液晶顯示屏進(jìn)行顯示，它是LCD技術(shù)和LED技術(shù)的升級，沿用LED自發(fā)光技術(shù)，并改變LCD背光發(fā)光技術(shù)，不僅具有高清晰度分辨率，而且具有柔軟的拼接特征。不但能顯示數(shù)字，而且還能顯示字符、漢字等，顯示效果較好。

2.4 傳感器部分

系統(tǒng)傳感器部分采用光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體器件——光敏二極管，相比于工藝復(fù)雜、分辨率低且轉(zhuǎn)換精度不足的光敏電阻器，光敏二極管具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等。

2.5 控制部分

由于80C51單片機(jī)是一款八位單片機(jī)，其閃存(FLASH)只有8K,且無法內(nèi)置DAC電路,必須通過外圍電路實(shí)現(xiàn)，并且輸入輸出接口太少。由于處理的數(shù)據(jù)多，輸入輸出接口使用多，51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)這些功能比較困難且效率很低。而STM32單片機(jī)，STM32F1系列是意法半導(dǎo)體(ST)公司出品，屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片已Cortex-M3作為內(nèi)核，具有功耗低、輸入輸出接口多，運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，同時芯片內(nèi)置ADC電路，可以很好地完成復(fù)雜運(yùn)算任務(wù)。鑒于STM32單片機(jī)的相比于51單片機(jī)的諸多優(yōu)勢，本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為控制核心，以其優(yōu)越的性能，確保了智能LED照明燈穩(wěn)定、高效地運(yùn)行[1]。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該照度可調(diào)的LED照明燈，以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，由電源電路、LED恒流驅(qū)動系統(tǒng)、光照檢測系統(tǒng)、液晶顯示系統(tǒng)、蜂鳴系統(tǒng)以及數(shù)字顯示照度表組成。確保智能照明燈穩(wěn)定運(yùn)行，方便快捷。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.4 3組患者的宮腔粘連評分及再次宮腔粘連比較 輕度粘連組的宮腔粘連評分最低(P<0.05)，再次宮腔粘連例數(shù)最少(P<0.05)，重度粘連組的宮腔粘連評分最高(P<0.05)，再次宮腔粘連例數(shù)最多(P<0.05)。見表4。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1.1 單片機(jī)主控系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)采用STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，該芯片總共有40引腳。其中第1-第4引腳為 PA0-PA3，接OPWM1-OPWM4口用于PWM脈寬控制，實(shí)時調(diào)節(jié)照明燈光照強(qiáng)度；第5、第6引腳為PA4、PA5，第21、第22引腳為PB0、PB1，分別接ADC12模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，用于采集光強(qiáng)電信號以及旋轉(zhuǎn)編碼器電信號，并在內(nèi)部進(jìn)行實(shí)時轉(zhuǎn)換；第38、第39引腳為PB8、PB9，接OLED數(shù)據(jù)接口，用于控制OLED液晶顯示屏進(jìn)行顯示；第26引腳為PB5，接蜂鳴器引腳，對蜂鳴系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制[2]。主控系統(tǒng)電路如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)主控系統(tǒng)電路

3.1.2 恒流驅(qū)動系統(tǒng)

本系統(tǒng)中智能照明燈光源由高度為5 mm的小功率LED燈珠組成，各燈珠之間采用并聯(lián)方式連接，每只LED燈珠的工作壓降和電流分別為3.1 V和20 mA。根據(jù)LED的正向伏安特性可知，當(dāng)LED端電壓超過正向?qū)妷汉?，較小的電壓波動都會導(dǎo)致工作電流的劇烈變化，從而影響LED的正常使用，所以LED宜采用高性能的PT4115 恒流芯片所驅(qū)動的恒流驅(qū)動方式[3]。PT4115芯片自身內(nèi)部過溫保護(hù)功能，而且外部可擴(kuò)展過問保護(hù)功能，對LED提供雙重保護(hù)，基于此，該芯片以其優(yōu)越的性能確保照明燈穩(wěn)定運(yùn)行。LED恒流驅(qū)動電路如圖4 所示。

圖4 LED 恒流驅(qū)動系統(tǒng)電路

3.1.3 PWM脈寬電路

本設(shè)計(jì)采用PWM脈寬調(diào)制對智能照明燈光強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，PWM脈寬調(diào)制是通過控制輸入脈沖信號的占空比，實(shí)時控制LED光強(qiáng)度變化的過程。其基本原理是在保持LED正向?qū)娏骱愣ㄇ疤嵯?，通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時間占比，同時利用人眼的視覺殘留效應(yīng)，當(dāng)LED光強(qiáng)度變化頻率大于120Hz時，人眼看到只是LED光照的平均亮度，無法識別LED的閃爍。PWM調(diào)光的優(yōu)勢是當(dāng)LED正向?qū)ǖ碾娏骱愣〞r，LED的色度就不會像模擬調(diào)光時產(chǎn)生變化。可以簡單來說就是利用PWM脈寬信號對照明燈光強(qiáng)弱進(jìn)行控制，利用旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，向左無限減小，直到臺燈熄滅為止，向右臺燈無限增大，亮度越大，但達(dá)到一定值就不可以增大，會把燈珠燒壞。PWM調(diào)光電路如圖5所示。

圖 5 PWM 調(diào)光電路圖

3.1.4 ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

由光敏二極管感知光照變化，將光照強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字信號送給單片機(jī)的PA4-PA5和PB0-PB1，經(jīng)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。簡單來說就是將光敏二極管所采集的光信號經(jīng)ADC模塊轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳送，將電信號輸送至照明燈，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)外部的燈光強(qiáng)度對照明燈光強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時控制，確保光強(qiáng)穩(wěn)定可調(diào)。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

圖6 ADC轉(zhuǎn)換電路圖

3.1.5 OLED液晶顯示系統(tǒng)

顯示系統(tǒng)采用OLED液晶顯示屏。該液晶顯示屏具有體積小、能耗低、操作簡單等特點(diǎn)，能同時顯示兩行，且每行顯示16個字符，適合于本設(shè)計(jì)所需數(shù)字、英文字母以及特殊符號的顯示要求。通過單片機(jī)控制OLED 液晶實(shí)現(xiàn)信息顯示。簡單來說液晶顯示的效果比LED數(shù)碼顯示的要更好，通過簡單地對比就可得到結(jié)論，OLED液晶顯示屏顯示出的數(shù)字等都比LED數(shù)碼顯示的要全面，更通透，顯示的效果更好。液晶系統(tǒng)顯示電路如圖7所示。

圖7 液晶系統(tǒng)電路圖

3.1.6 蜂鳴系統(tǒng)

蜂鳴系統(tǒng)是由單片機(jī)PB5口控制PNP三極管9012的通斷實(shí)現(xiàn)對蜂鳴器聲音的控制，主要用于產(chǎn)生按鍵提示音。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時通過延遲函數(shù)實(shí)現(xiàn)蜂鳴報警聲短音控制，短音“滴”用于按鍵提示音，當(dāng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器的時候，蜂鳴器會發(fā)出“滴”的聲音，這是對照明燈燈光強(qiáng)弱的提示音。蜂鳴系統(tǒng)電路如圖8所示。

圖8 蜂鳴系統(tǒng)電路圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)控制程序主要由系統(tǒng)初始化程序、蜂鳴程序、光敏傳感器芯片處理程序、液晶顯示程序、以及PWM 脈寬調(diào)制等程序構(gòu)成。

3.2.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化程序(包括 I/O口初始化、液晶OLED 的初始化)、按鍵檢測和處理程序、蜂鳴數(shù)據(jù)的讀取與處理程序、光照數(shù)據(jù)的讀取與處理程序、液晶OLED顯示程序、PWM調(diào)制處理程序等，實(shí)現(xiàn)更為方便的效果。系統(tǒng)主程序框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主程序框圖

3.2.2 定時器中斷程序

本系統(tǒng)通過定時器T0產(chǎn)生調(diào)節(jié) LED 燈光亮度的PWM信號，定時器采用13位計(jì)數(shù)器定時(工作方式0)，最多裝載數(shù)值為8 192個。通過計(jì)算公式可實(shí)現(xiàn)400 μS的定時中斷。為產(chǎn)生4 ms的系統(tǒng)周期，需要中斷累計(jì)達(dá)到10次，通過調(diào)節(jié)每個周期內(nèi)單片機(jī) PA口輸出的占空比來產(chǎn)生 PWM 脈沖信號，以控制恒流驅(qū)動芯片實(shí)現(xiàn)LED 燈的亮度調(diào)節(jié)[4]。簡單來說就是利用了PWM脈寬的調(diào)節(jié)對LED臺燈進(jìn)行燈光強(qiáng)弱的控制，脈寬的大小決定臺燈燈光的強(qiáng)弱，就是旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)節(jié)的電信號傳入單片機(jī)進(jìn)行對臺燈的燈光控制。定時器生成PWM流程如圖10所示。

圖10 定時器生成PWM 流程

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 調(diào)試儀器

為驗(yàn)證智能照明燈的運(yùn)行效果，主要采用萬用表、直流電源、干擾燈板以及照度計(jì)等工具設(shè)備對照明燈進(jìn)行測試，確保智能照明燈照度穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。調(diào)試儀器如圖11所示。

圖11 調(diào)試儀器

4.2 調(diào)試過程及結(jié)果

第一，調(diào)光臺輸入10-15 V直流電源，電壓變化不影響亮度。運(yùn)用直流電源給智能照明燈供電，用萬用表測量輸入電壓，調(diào)節(jié)電壓到10 V后，打開調(diào)光臺，將照度計(jì)放在智能照明燈正下方，此時可得出檢測光的數(shù)值，隨后調(diào)節(jié)直流電源，當(dāng)輸入電壓達(dá)到15 V時，再次檢測照度計(jì)的數(shù)值。測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)輸入電壓為10 V和15 V時，照度計(jì)檢測到的光強(qiáng)數(shù)值幾乎不變，說明電源電壓的波動不影響智能照明燈光照強(qiáng)度。第二，亮度從最弱到最強(qiáng)完全可調(diào)。打開智能照明燈PWM脈寬調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可實(shí)時顯示智能照明燈光照強(qiáng)度，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器，可實(shí)現(xiàn)對光照強(qiáng)度值從0到3 000的線性調(diào)節(jié)。第三，環(huán)境光照緩慢變化時，中心亮度變化不大于5 %。利用干擾板模擬光照強(qiáng)度的變化，將干擾板緩慢靠近智能照明燈，通過照度計(jì)檢測智能照明燈光強(qiáng)數(shù)值，光強(qiáng)數(shù)值變化不大于2.4 %。第四，環(huán)境光照突變時，中心亮度變化不大于10 %。將干擾板抬升到距離照明燈0.5 m的高度，最后突然下降到智能照明燈底板位置，觀察照度計(jì)檢測的光強(qiáng)數(shù)值，光強(qiáng)數(shù)值較之前變化為5 %。第五，環(huán)境光增強(qiáng)直至照明燈熄滅，中心亮度變化不大于10 %。將干擾板由遠(yuǎn)及近緩慢靠近照明燈，檢測并記錄照度計(jì)顯示光強(qiáng)數(shù)值，經(jīng)計(jì)算照明燈中心亮度變化不大于6 %。第六，均勻度變化不超過5 %。照明燈有4個方位，分別位于正方形板的四個角，利用照度計(jì)對4個方位的光強(qiáng)數(shù)值分別進(jìn)行檢測并記錄，4個方位光強(qiáng)數(shù)值變化不超過5 %，光照均勻度符合要求。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對LED臺燈照度的穩(wěn)定可調(diào)的，同時系統(tǒng)兼具照度顯示、光照檢測等多項(xiàng)功能。實(shí)驗(yàn)證明，基于STM32F103C8T6的照度穩(wěn)定可調(diào)的LED照明燈功能豐富，運(yùn)行穩(wěn)定高效，能夠滿足家庭實(shí)際應(yīng)用需求。