基于單片機的照度穩(wěn)定可調臺燈設計

曾文琦

（湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410208）

1 引言

燈光照明是影響青少年視力的最重要的因素[11]。市面上的臺燈種類越來越多，許多臺燈是通過單一的觸摸方式或手動按鍵調節(jié)的方式實現(xiàn)臺燈的照明及照度，因而需要一款智能調光臺燈，使生活更加便捷[9]。為了改善傳統(tǒng)臺燈功能單一，與當前家電的智能化、人性化和低碳設計相悖的問題[10]，本文以LED臺燈為例，研究了家用臺燈的優(yōu)化設計方案，通過硬件電路的構建以及相應軟件程序的編寫，實現(xiàn)智能臺燈的自動亮滅、智能調光、糾正坐姿等功能，操作和控制方式更加簡便，功能較為全面，使得臺燈更護眼、更節(jié)能、更加智能化[12]，并解決了傳統(tǒng)臺燈照明影響青少年的視力下降問題。

2 系統(tǒng)方案設計與論證

2.1 系統(tǒng)總體方案設計

本系統(tǒng)需要設計制作一種照度穩(wěn)定可調的LED臺燈，需要滿足以下要求：LED臺燈照度穩(wěn)定且連續(xù)可調，無頻閃，電源效率高；LED臺燈自動檢測環(huán)境光的強度變化，實時調節(jié)自身亮度，保持照度穩(wěn)定。經(jīng)過上述分析，照度穩(wěn)定可調臺燈系統(tǒng)包含6個基本模塊，包括MCU主控、照度傳感器、按鍵輸入、TFT顯示器、恒流源及燈板，其總體設計框圖如圖1所示。

圖1 照度穩(wěn)定可調臺燈整體方案框圖

系統(tǒng)以MCU主控為核心，按鍵、TFT顯示器構成人機交互接口，照度傳感器檢測環(huán)境照度，MCU根據(jù)用戶設置、采集環(huán)境照度，經(jīng)過PID計算以后得出控制量，通過D/A轉化為模擬量，模擬量控制數(shù)控恒流源輸出恒定電流，達到照度可設置并可抗干擾的設計需求[1]。

2.2 主要模塊方案選擇和論證

2.2.1 主控芯片選型

方案一：采用STC89C52系列單片機。51系列單片機電路設計簡單，速度慢，且片內(nèi)不帶D/A，容量有限。

方案二：采用STM32系列單片機。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內(nèi)核，增強型系列時鐘頻率達到72MHz，自帶D/A模擬量輸出；在需要復雜運算的環(huán)境中[4]，STM32具有較大優(yōu)勢，能及時響應環(huán)境照度變化而及時調節(jié)輸出穩(wěn)定照度。

考慮到系統(tǒng)對運算要求較高，而且需要有D/A模擬量輸出，使用STM32F103VCT6單片機符合設計需求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。

2.2.2 電源模塊的論證與選擇

方案一：恒壓源模塊。

恒壓源在功率范圍內(nèi)，輸出電壓保持恒定，不會因為負載的變化而發(fā)生變化。

方案二：恒流源模塊。

恒流源在輸出功率范圍內(nèi)，輸出電流保持恒定的設備，負載變化時，輸出電流也不會發(fā)生變化[2]。

綜合以上兩種方案，考慮到系統(tǒng)要求調光臺燈輸入直流電壓Vi為10V～15V時，Vi變化不影響亮度，亮度從最亮到完全熄滅連續(xù)可調，無頻閃。因此采用方案二恒流源模塊。

2.2.3 照度檢測模塊的論證與選擇

方案一：采用光敏電阻。

光敏電阻，頻率響應(器件檢測變化很快的光信號的能力)很低。

方案二：采用照度傳感器BH1750。

BH1750引出了時鐘線和數(shù)據(jù)線，單片機通過I2C協(xié)議可以與BH1750模塊通訊，可以選擇BH1750的工作方式，也可以將BH1750寄存器的光照度數(shù)據(jù)提取出來。

綜合以上兩種方案，結合系統(tǒng)要求，選擇方案二照度傳感器。

3 理論分析與計算

要實現(xiàn)照度穩(wěn)定，最重要的是實時動態(tài)調節(jié)，周期采集環(huán)境照度，再通過控制算法穩(wěn)定輸出。雖然現(xiàn)在各種智能控制方法層出不窮，但是在工業(yè)控制領域，PID控制仍然占據(jù)了重要地位[6]，為了穩(wěn)定光照，抵抗外界干擾，結合MCU方便處理數(shù)字信號的特點，本設計采用增量式PID控制方式穩(wěn)定照度。

增量式PID控制，數(shù)字PID控制算法的一種基本形式，是通過對控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進行PID控制的一種控制算法[7]，控制過程如圖2增量式PID控制概述圖。

圖2 增量式PID控制概述圖

PID根據(jù)輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數(shù)關系進行運算，運算結果用以控制輸出[8]。

PID控制是自動控制原理中定義的一種控制方法，也稱為校正方法。PID控制主要是對系統(tǒng)偏差進行比例、積分、微分三種操作并線性組合成控制量，以減小系統(tǒng)誤差，提高系統(tǒng)響應速度和響應效果。

數(shù)字PID控制是把現(xiàn)場控制變量的模擬信號和對現(xiàn)場受控變量的輸出信號均轉換成了數(shù)字信號，PID的實現(xiàn)也是通過數(shù)字信號的設定來完成的。數(shù)字PID控制大多在DCS、PLC等計算機系統(tǒng)內(nèi)完成。

數(shù)字PID控制的兩種基本形式是位置式PID控制和增量式PID控制，位置式PID控制是指在積分環(huán)節(jié)，對從0時刻到當前時刻的所有偏差進行積分，是非遞推式的全局積分。和位置式PID控制不同，增量式PID控制將當前時刻的控制量和上一時刻的控制量作差，以差值為新的控制量，是一種遞推式的算法，結合單片機特點設計選用增量數(shù)字PID控制算法穩(wěn)定輸出，控制公式如下[8]：

根據(jù)增量PID控制公式，控制增量△u(n)的確定僅與最近3次的采樣值與設定值的差值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果，計算機每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構位置的變化量。系統(tǒng)首先采集環(huán)境照度，再與用戶設置照度計算差值，經(jīng)過PID控制公式得出控制增量，最后將控制增量累積到原有控制量上。

4 硬件電路設計

4.1 數(shù)控恒流源電路設計

恒流源分線性與開關型，線性恒流源精度較好，但是不能輸出較大電流，關鍵是效率不高[3]。為了滿足效率高效率的需求，本設計選用開關電源管理芯片LM2596設計恒流源，針對系統(tǒng)要求當調光臺輸入電壓在10～15V變化時LED臺燈亮度穩(wěn)定，故設計選用如圖3所示的恒流源電路，保證在輸入電壓變化時，流過臺燈LED的電流值保持較好的穩(wěn)定性。

LM2596系列是德州儀器（TI）生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等[5]。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路，引入運算放大器形成電流反饋便可設計成恒流源，電路如圖3所示。

圖3 數(shù)控恒流源電路圖

本電路設計兩條反饋線，R1是固定反饋，當負載電阻過大或者斷開時讓電路有一個最大輸出電壓。使用運算放大器LM358構成第二條電流反饋線，通過R5功率電阻對電流進行采樣，經(jīng)過第一級運放后采樣電壓被放大10倍，0～1A電流對應第一級運放輸出0～3.3V電壓，第二級運放是比較反饋，將采樣的電壓值與MCU主控D/A輸出的電壓進行比較，再反饋到LM2596的基準端，達到穩(wěn)定電流目的，實現(xiàn)電流源設計。MCU主控D/A輸出0～3.3V電壓對應輸出0～1.0A電流。

4.2 照度檢測電路設計

照度檢測模塊需要實時采集臺燈與環(huán)境光的綜合照度，需要在多點采集照度，因此要多個照度傳感器模塊同時采集。因此，本系統(tǒng)傳感采集模塊選用數(shù)字型光強度傳感器集成電路BH1750FVI采集照度，數(shù)字接口，IIC通信協(xié)議，方便將信號傳遞給MCU，模塊設計雙接口（CN1、CN2），可以將多個模塊用串聯(lián)的方式接入MCU主控，通過R1、R2硬件設置模塊地址，設計電路如圖4所示。

圖4 照度采集模塊電路圖

4.3 MCU主控電路設計

MCU主控采用STM32F103VET6單片機，電路包含單片機最小系統(tǒng)、調試接口、電源電路、TFT顯示電路、按鍵電路、I2C接口、D/A接口及串口。關鍵接口電路設計如下：

人機交互接口電路如圖5，輸出使用TFT 2.8寸彩色顯示屏，分辨率為320*240，使用單片機內(nèi)部FSMC接口直接驅動，硬件直驅可以有效使用單片機內(nèi)部資源，驅動程序簡單，訪問速度快；輸入使用5個按鍵，電路使用簡單的獨立按鍵接法。

圖5 人機交互接口電路

照度采集及控制輸出電路如圖6，STM32F103VET6單片機片內(nèi)自帶兩路I2C及D/A外設，接口電路設計相對簡單，采用對插接口直接引出，接口包含電源及通訊I/O，兩路外設全部引出。照度采集模塊使用I2C通信，與CN4、CN5接口對接，數(shù)控恒流源用D/A控制，與CN3接口對接。

圖6 照度采集及控制輸出電路

5 軟件設計

5.1 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)核心軟件分兩部分：一是增量式數(shù)字PID設計，完成照度控制；二是人機交互設計，完成用戶信息輸入與信息輸出。STM32系列單片機系統(tǒng)啟動及外設驅動可以使用STM32CUBEMX軟件配置如圖7，同時選配FreeRTOS嵌入式操作系統(tǒng)，建立兩個線程，一個處理人機交互，一個處理照度控制。

圖7 系統(tǒng)啟動及外設驅動配置圖

5.2 處理人機交互軟件設計

系統(tǒng)正常運行過程中屏幕顯示信息包括：實時照度、設置照度與工作模式；按下“確定”鍵可以切換工作模式，“上”“下”鍵可以設置照度值，設置完畢后通過“啟動”鍵開始調節(jié)照度，實現(xiàn)的核心代碼如下：

5.3 照度PID控制軟件設計

系統(tǒng)分為兩個工作模式，即手動調節(jié)和自動調節(jié)模式。手動調節(jié)模式用于進行臺燈照度的手動調節(jié)，自動調節(jié)模式用來實現(xiàn)臺燈隨環(huán)境光變化自動調整自身亮度，以提供穩(wěn)定顯示效果。照度穩(wěn)定可調臺燈模塊軟件設計流程見圖8。

圖8 照度穩(wěn)定模塊軟件設計流程圖

增量PID實現(xiàn)代碼如下：

6 測試方案與測試結果

6.1 測試方案

測試時，根據(jù)功能要求逐一測試結果。

6.2 測試結果

數(shù)字顯示照度表檢測頭置于調光臺燈正下方0.5米處，調整臺燈亮度，照度數(shù)字顯示不少于3位半，最大照度時顯示數(shù)字大于1000，遮擋檢測頭達到最低照度時顯示數(shù)字小于100。臺燈亮度連續(xù)變化時，數(shù)顯也隨之連續(xù)變化。亮度穩(wěn)定時，數(shù)顯穩(wěn)定，跳變不大于10。測試結果如表1，表2所示。調節(jié)調光臺燈輸入電壓Vi直流10V～15V時，Vi變化不影響亮度，測試結果如表3所示。

表1 測試結果

表2 測試結果

實現(xiàn)了亮度從最亮到完全熄滅連續(xù)可調，無頻閃（LED燈板供電電壓紋波小于5%）。臺燈供電電壓為12V時，電源效率（LED燈板消耗功率與供電電源輸出功率之比）不低于90%。

6.3 結果分析

通過多次測試，照度穩(wěn)定可調，完全達到了設計要求的全部各項性能指標，滿足系統(tǒng)設計要求。

7 結語

經(jīng)過測試可以得到，設計的照度穩(wěn)定可調的LED臺燈，實現(xiàn)了臺燈照度穩(wěn)定且連續(xù)可調，無頻閃，電源效率高。LED臺燈自動跟蹤環(huán)境光的強度變化，實時調節(jié)自身亮度，保持照度穩(wěn)定。最終照度穩(wěn)定完全達到了要求的全部各項性能指標，性能穩(wěn)定、動作流暢。