亮度穩(wěn)定可調(diào)的LED 臺燈系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

王 艷，陳樂珠，譚小龍，江 穎

（汕尾職業(yè)技術(shù)學院，廣東 汕尾 516600）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，智能化、人性化的家用電器已經(jīng)走入人們的生活。作為生活學習的小伙伴，傳統(tǒng)的臺燈已經(jīng)滿足不了人們的個性化需求。這就需要對傳統(tǒng)的臺燈從功能、結(jié)構(gòu)、性能等方面進行改進，以滿足人們對臺燈的功能多樣化、智能化、個性化和環(huán)保性的需求[1-5]。智能化的臺燈與傳統(tǒng)的臺燈相比，更節(jié)電環(huán)保，使用更便捷，亮度更均勻、更穩(wěn)定[6-7]。本文設(shè)計了一個電源穩(wěn)定、電源使用效率高、亮度連續(xù)可調(diào)的LED 臺燈。使用者可以根據(jù)個人需要將臺燈亮度調(diào)整到讓自己舒適的照度，照度分布均勻，并保持穩(wěn)定的照度而不受環(huán)境的影響。

1 LED 臺燈的總體設(shè)計方案

本設(shè)計的硬件電路分為2 部分：一部分是可調(diào)LED 臺燈系統(tǒng)，以STM32 芯片為主控器，使用編碼電位器手動調(diào)節(jié)亮度，GY-30 光照度傳感器與0.96 英寸OLED 顯示屏檢測和顯示照度值，使用PWM 信號控制L298N 模塊實現(xiàn)LED燈的亮度調(diào)整，STM32 對采集到的4 路亮度值進行處理，實現(xiàn)臺燈照度的均勻分布和穩(wěn)定；另一部分是數(shù)字顯示照度表系統(tǒng)，采用開源的Arduino 控制器，編程更簡單高效，采用照度傳感器GY-30 模塊，采集臺燈照度值并在OLED 顯示屏上顯示，方便實時觀測臺燈亮度參數(shù)，并進行電路調(diào)整和測試。LED 臺燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、數(shù)字顯示照度表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖分別如圖1 和圖2 所示。

圖1 LED 臺燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 數(shù)字照度表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 LED 臺燈硬件模塊實現(xiàn)

2.1 核心控制器

核心控制器選用了ST 公司的內(nèi)核為ARM Cortex-M3的STM32F103ZE 單片機。其封裝為LQFP-144，工作電源電壓為2.0 ～3.6 V。STM32F103ZE 最高工作頻率可達72 MHz，內(nèi)置了高速存儲器，內(nèi)部具有DAM、ADC、4個定時器、2個PWM定時器、13個通信接口（2 個I2C 接 口，5 個USART 接口，3 個SPI 接口，CAN 接口，USB2.0 全速接口和SDIO 接口）、多功能的雙向IO 口等[8]。STM32F103ZET6 具有低功耗模式，有豐富的硬件資源，可以實現(xiàn)遠程控制、信息采集和調(diào)整，更加便于進行LED 臺燈的功能升級改造。

2.2 電源電路模塊

采用DC-DC 開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換芯片XL4015，輸入電壓為8 ～36 V，輸出電壓支持1.25 ～32 V 間任意可調(diào)，Vout=1.25×(1+R2/R1)。本設(shè)計輸入10 ～15 V 的直流電源，經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換芯片XL4015 穩(wěn)定輸出5 V 的直流電源，給系統(tǒng)各個器件供電。采用正向低壓穩(wěn)壓器ASM1117-3.3 固定輸出3.3 V 的直流電源給核心控制器STM32F103ZE 提供工作電源。LED1 和R3構(gòu)成電源指示燈電路。電源電路原理如圖3 所示。

圖3 電源電路原理

2.3 驅(qū)動電路模塊

LED 臺燈使用了4 個相互獨立的LED 燈板，采用恒壓恒流橋式L298N 模塊作為LED 燈板的驅(qū)動。本模塊具有驅(qū)動能力強、發(fā)熱低、抗干擾能力強的特點。L298 內(nèi)部包含4 通道邏輯驅(qū)動電路，可以同時獨立控制4 路LED 燈板。

STM32F103ZE 單片機輸出連續(xù)可調(diào)的PWM 信號，控制L298N 輸出連續(xù)可調(diào)的PWM 信號，從而實現(xiàn)LED 燈板的亮度連續(xù)可調(diào)。如圖4 所示為LED 燈板的驅(qū)動電路。

2.4 顯示電路模塊

顯示模塊選擇了厚度薄、視角廣、反應速度快、耗能更低的0.96 寸OLED 顯示模塊。該顯示模塊采用SSD1306 為主芯片，像素為128*64，通信方式為接口簡單的I2C 通信總線，模塊自帶有穩(wěn)壓芯片，支持3.3 ～5 V 寬電源電壓供電[9]。如圖5 所示為OLED 顯示屏的接口電路。

2.5 光照度檢測電路模塊

使用BH1750FVI 芯片，型號為GY-302 光照度傳感器模塊。該模塊電源電壓為3 ～5 V，內(nèi)置有16 bit 的AD 轉(zhuǎn)換器，直接輸出數(shù)字信號，省去了繁瑣的計算和標定，軟件程序更加簡單。與單片機之間采用異步的I2C 通信，通信接口簡單。其電路原理如圖6 所示。AD0 引腳為地址引腳，可以接電源或者接地，接地時地址為0x46，接電源時地址為0xB8。本設(shè)計中采用接地的方式，地址為0x46。

圖6 光照度檢測電路模塊

2.6 亮度調(diào)整電路模塊

LED 臺燈亮度調(diào)整模塊采用數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器模塊。數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器模塊是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號的傳感器，旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生20 個脈沖。其具有穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)動計數(shù)不受限制、抗干擾性強、使用壽命長等特點。電路如圖7 所示，S1、S2 為編碼數(shù)字脈沖信號輸出端，KEY 為按鍵狀態(tài)輸出端。當按鍵按下時KEY 輸出低電平，按鍵釋放時KEY 輸出高電平。利用旋轉(zhuǎn)編碼器的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)LED臺燈亮度的增加和減小，旋轉(zhuǎn)編碼器上的按鍵實現(xiàn)手動控制亮度和自動控制亮度的狀態(tài)切換。

圖7 亮度控制電路模塊

3 LED 臺燈的軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

程序設(shè)計分為2 部分：LED 臺燈系統(tǒng)程序和數(shù)字顯示照度表系統(tǒng)程序，均使用C 語言編寫程序。LED 臺燈系統(tǒng)主程序流程如圖8 所示。

圖8 可調(diào)LED 臺燈系統(tǒng)程序流程

3.2 PID 自動控制算法

本 設(shè) 計 中， 采 用 了PID（Proportion Integration Differentiation）算法來實現(xiàn)LED臺燈照度的穩(wěn)定和均勻分布。PID 控制算法是應用非常廣泛的控制算法，PID 就是指比例、積分、微分控制[10]。其控制流程如圖9 所示。

圖9 PID 算法控制流程

PID 算法公式為：

4 LED 臺燈系統(tǒng)的檢測

4.1 電源電壓對亮度的影響

將臺燈亮度調(diào)整到最亮時，改變輸入直流電源電壓Vi，使Vi在10 ～15 V 之間變化，用照度表檢測臺燈中心點亮度值，臺燈中心點亮度穩(wěn)定，不受電源電壓的影響。

4.2 電源效率測試

當臺燈電源電壓為12 V 時，電源效率測試結(jié)果如下：

（1）LED 燈板消耗功率：PLED=6.66 V×2.56 A=17.06 W；

（2）供電電源輸出功率：P=12 V×1.58 A=18.96 W；

（3）電源效率為：η=PLED/P×100%=17.06/18.96=90%。

臺燈系統(tǒng)的電源效率可達90%，電源的效率較高。

4.3 臺燈亮度檢測

（1）檢測臺燈照度值

調(diào)節(jié)數(shù)字旋轉(zhuǎn)編碼器，使臺燈分別達到最亮和最暗，用數(shù)字照度表檢測臺燈正下方的照度值。經(jīng)過多次檢測，最大照度值顯示的數(shù)字均大于1 000 lx，最小照度值小于100 lx。

（2）檢測臺燈照度是否分布均勻

將臺燈調(diào)整到最大亮度，在其下方0.5 m 距離處放置一張 A4 白紙，在位于A4 紙面四個角的位置安裝照度檢測模塊。照度表檢測A4 紙中心位置的亮度。測試結(jié)果見表1 所列。對檢測結(jié)果進行觀察和計算，臺燈中心亮度最高，其他各點照度值與中心照度值差均小于5%，所以在整個A4 紙區(qū)域內(nèi)LED 臺燈亮度分布均勻。

表1 多點位置測試照度值 lx

（3）檢測臺燈照度的穩(wěn)定性

在干擾光源緩慢地由最弱變?yōu)樽顝姷倪^程中，檢測A4紙中心照度值，臺燈系統(tǒng)能跟隨干擾光源的變化自動調(diào)節(jié)臺燈亮度，保持紙面照度值穩(wěn)定。經(jīng)過多次檢測，紙面中心位置的照度值變化小于5%。當環(huán)境光突增直至臺燈熄滅時，經(jīng)多次檢測，紙面中心照度值變化小于10%。當環(huán)境光突減直至環(huán)境光源熄滅時，經(jīng)多次檢測，紙面中心照度值變化小于10%。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款電源穩(wěn)定、電源使用效率高、亮度連續(xù)可調(diào)的LED 臺燈。經(jīng)多次檢測、數(shù)據(jù)計算與分析，設(shè)計的本款LED 臺燈電源穩(wěn)定，輸入電壓的變化對臺燈照度值沒有影響，電源的效率為90%，電源效率較高。LED 臺燈照度值檢測的顯示數(shù)據(jù)精確度較高。臺燈中心點照度值與周圍測試點照度值差在5%以內(nèi)，在整個A4 紙區(qū)域內(nèi)LED 臺燈照度分布均勻。本LED 臺燈系統(tǒng)能跟蹤干擾光源的變化自動調(diào)節(jié)臺燈亮度，臺燈具有比較穩(wěn)定的照度。系統(tǒng)設(shè)計合理，具有良好的穩(wěn)定性、可靠性和環(huán)保性。