基于废旧锂电池的LED便携式亮度可控光源的设计

吉紫娟，舒 晟，杨 李，余 展，孙晓峰

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院， 武汉 430205)



基于废旧锂电池的LED便携式亮度可控光源的设计

吉紫娟，舒 晟，杨 李，余 展，孙晓峰

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院， 武汉 430205)

由于通信技术与设备更新换代速度的加快，产生大量闲置锂电池，若直接丢弃，将造成环境污染。废旧锂电池在对电压要求不太高的电器设备中仍可使用，且还能充电，性能优于普通干电池。本文从节能环保角度出发，设计了一种基于废旧电池的LED便携式亮度可控光源装置。该装置以废旧手机锂电池、节能LED灯珠及其驱动电路为基本模块；为实现亮度可调，辅以光敏电阻及STM32处理芯片。实验结果表明，所设计的便携式光源可在不同光照条件下自动实现亮度可调，且性能稳定，体积小成本低，具有较好的实用价值。

废旧锂电池; LED; 便携光源; 亮度可控

1 引言

随着照明技术的发展，我们正大踏步迈入LED照明时代，LED以其无污染、高效率、节能环保、使用寿命长的优势，正逐步取代传统的白炽灯和节能灯，进入千家万户的生活[1]。目前市面上的LED照明产品很多，小至常用的手电、床头夜灯、护眼台灯等，大至市政照明、建筑照明等大型工程，都有共同的特点，就是市售LED产品形式固定，灵活性不高，且价格往往高于同等照度的照明产品。此外，随着通信技术与设备更新换代速度的加快，在校园中，许多学生手机的使用周期大约为1～2年，手机淘汰后，机身可以回收再利用，但旧电池极少有商家愿意回收，往往还未达到使用寿命就被丢弃，造成浪费并污染环境，不利于环保。我们发现，旧手机锂电池虽不能满足一部大屏智能手机的日常使用，但其剩余的电量却足以为小型便携式LED照明光源所利用。

基于上述两种原因，我们充分发挥LED节能环保，易于驱动的特点，利用身边闲置的废旧锂电池为LED驱动电源，设计一种便携式的LED照明光源。其结构简单，造价低廉，可以广泛应用于如机器装配维修等暗区工作场合(设计为磁铁吸附)；夜间步行、骑行、户外野营场合以及床头阅读(配合支架)等，具有较好的实用意义。

2 设计实例

2.1 LED驱动电路的设计

LED光源不能像普通白炽灯和荧光灯那样使用普通的国家电网作为电源进行驱动，它需要采用配套的电源驱动器驱动才能正常工作[2]。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、过压保护、负载断开、小型尺寸以及简便易用等特点。因为LED的各种材料和规格参数不同，使用时的数量及功率也不同，这使得与之配套的驱动器也各异。理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。其实每种驱动方式均有优缺点,需根据产品的要求及应用场合，合理选用驱动方式，因此设计驱动电源是比较关键的[3]。

此次便携式光源的设计制作分为两个阶段：首先，采用1～3W的低功率LED灯珠及日常使用的3.7V～4.5V手机锂电池，完成光源的基本点亮功能，用以观察低压直流驱动的效果。其基本接线原理如下：将锂电池的正负极与USB接口的正负极对应相连接，实现以USB接口进行充电；将锂电池正极与开关的进线相接，开关的出线与LED灯的正极相接，最后LED灯的负极与电池负极相接，实现了用按键开关控制光源的功能。其实物接线图如图1所示。

图1 低压直流驱动LED实物接线图

该驱动电路的优点就是简单易制作，一次充电后发光时间大约可以维持20小时，且散热情况良好，能满足日常生活需求。但该设计有其相应的缺点：(1)没有设计相应的限流电阻，将导致在对锂电池进行充电时影响其使用寿命；(2)没有设置调光功能，不能人性化地保护使用者的视力。为弥补上述缺陷，我们对第一阶段的设计进行了改进，重点设计了可以实现自动调光功能的便携式LED光源。

2.2 LED调光电路的设计

传统的照明调光方案主要有两种，即模拟调光(Anlphtude Mode,AM)和数字(Pulse width Modulation,PWM)调光。模拟调光是通过直接改变输出直流电流的大小来实现调光；而PWM 调光则是通过开关的通断来改变占空比实现输出电流平均值的调节，从而实现对LED光强的调节。其中，模拟调光的实现相对比较容易，成本也比较低，但它调光线性度差，且随着驱动电流的变化LED的发光颜色将会发生变化。而数字调光一般选用大于100Hz的开关调光控制频率，主要是为了避免人眼感觉到调光闪烁现象，并且在这种调光控制方法下，可以保持在高调光比范围内LED 的发光颜色不变。本设计采用了开关调光控制频率为300Hz左右的数字调光(PWM)方案，目的在于避免调光闪烁现象从而保护用户的视力[4]。

本设计仍以废旧手机锂电池、节能LED灯珠及其驱动电路为基本模块，辅以光敏电阻及STM32处理芯片来实现光源亮度自动可调。其工作原理框图如图2所示。

图2 亮度可调LED光源工作原理框图

主要工作原理如下：废旧手机锂电池给整个系统提供电源，由于其电压只有3.7V～4.5V，而系统的整个核心部件STM32处理芯片的工作电压为5V，因此需要采用开关稳压器CS5171/3进行升压。该器件功能较强，可实现电源的升压、降压、反相，且外电路也不复杂，它的输入电压范围为2.7V～30V，输出电压为1.2V～40V可调，可满足STM32芯片工作电压要求，其实际电路应用如图3所示[5]。

图3 CS5171/3升压电路图

光敏电阻的阻值随着光照强度的增加而减小，本设计将光敏电阻与保护电阻以串联的方式连接，其中保护电阻端接5V电源，光敏电阻端接地，在两者之间用导线连接STM32芯片带有ADC功能的引脚，则STM32芯片就可以准确读取光敏电阻两端的分压值，进而算出电流值及光敏电阻相应的阻值，最后计算出环境的光照强度；当STM32芯片计算出光照强度后，就会调整LED输出引脚输出的方波占空比，达到调整输出光亮度的目的，控制电路如图4所示。

图4 亮度自动控制电路图

2.3 LED自动调光程序设计

3 实验结果

从废物利用、节能环保的角度出发，我们以触手可及的药盒子为外包装材料，废旧锂电池、光敏电阻及USB接口粘在盒子正面，侧面是两个led灯珠，盒子内部是升压电路及STM32开发板。制作出的实物如图5，图6所示。

图5 装置外部结构图

图6 装置内部结构图

在无光照及有光照条件下两个LED灯珠的照明效果分别如图7，图8所示。

图7 无光照条件下的照明效果图

图8 有光照条件下的照明效果图

在无光照环境下，LED灯发出的亮度最大，可用于照明；在有光照条件下，LED灯微亮，表明系统在正常工作。实验结果表明，系统能实现自动调光且效果较好，达到了设计要求。

4 结论

本文以节能环保为出发点，首先设计了一款以废旧锂电池为电源的简易的低压直流驱动LED便携式光源，该光源可实现照明需求，但不能根据环境光照的变化自动调光，存在一定的缺陷；因此，我们又设计了一款以STM32芯片为核心的自动光亮度控制装置。实验结果表明，该装置可根据环境光照度的变化，自动调节LED的发光亮度以达到最佳的照明效果。本设计既符合节能环保、绿色照明的时代发展规律，又紧密结合普通大众的日常生活需求，成本低廉，可操作性强，后期可考虑在校园开展“废旧电池，照亮绿色校园”活动，并在外形设计方面进行改进，使之能够更方便地运用于各种场合，开发出更多相关的照明产品，使成果更为完善。

[1]郭磊.白光LED驱动器芯片设计技术研究[D].西安电子科技大学,2007.1.

[2]李祥.带过温保护功能的低功耗LED恒流驱动电路设计[D].湘潭：湘潭大学,2014.6.

[3]李军伟.LED的驱动电路的研究[D].大连：大连理工大学,2007.6.

[4]张昊程.LED调光方案及其驱动器设计[D].西安：西安电子科技大学,2012.1.

[5] Semiconductor Components Industries, LLC, 2004.

The Design of a Brightness Controled LED Portable Light Based On Spent Lithium Batteries

JI Zi-juan, SHU Sheng, YANG Li, YU Zhan, SUN Xiao-feng

(School of Physical and Mechanical and Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

Due to the accelerated development of communication technology and equipment renewal, a large number of spent lithium batteries are produced and they will cause environmental pollution if discarded directly. If the voltage request of the electrical equipment is not too high, the spent lithium batteries can still be used and be charged, and the performance is superior to the ordinary dry cells. From the perspective of energy conservation and environmental protection, this paper designed a brightness controlled LED portable light based on spent lithium batteries. The device’s basic module is composed of the spent phone lithium batteries, energy-saving LED lights and its driving circuit. For the realization of the adjustable brightness, photosensitive resistance and STM32 processing chip are attached. The experimental result shows that the design of the portable light can be adjusted brightness automatically under the different illumination condition, and has stable performance. The device’s volume is small and cost is low, and has good practical value.

spent lithium batteries; LED; portable light; brightness control

2016-06-28

湖北第二师范学院2015年大学生科研创新项目计划(参与制)

吉紫娟(1981-)，女，江苏常熟人，讲师，工学硕士，研究方向为光电技术、光学设计。

TN2

A

1674-344X(2016)08-0040-05