照度稳定可调LED台灯设计

朱娟娟

(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

0 引言

LED光源因其光线质量好、节能环保、易于控制、体积小、设计灵活等诸多优势，在照明、装饰、交通、显示等各个领域广泛应用。而LED台灯作为我们日常生活和学习的必备品，随着人们对照明要求的不断提高，其功能品质也在不断提升，因此对LED台灯的节能、舒适、无频闪、亮度可调等的设计要求更高。

本文提出了一种照度稳定可调的LED台灯设计方案，台灯有两种工作模式，使用者可通过开关来选择手动/自动调光模式。手动调节方式下，可使用旋钮来调节台灯的亮度，实现 LED 台灯从最亮到完全熄灭连续可调，在日常生活中可增强台灯的实用性。自动调节方式下，台灯内置照度传感器,以单片机为控制核心，可实现LED台灯自动追踪环境光照强度变化，进而自动调节台灯亮度，保证台灯照射固定区域亮度变化不大且稳定在设定值范围内，这样可实现照度稳定，为使用者提供恒定舒适的照明环境，使人的眼睛一直处于舒适状态，且更加节能[2]。

1 照度稳定可调LED台灯整体设计方案

照度稳定可调LED台灯由驱动电路(功率放大电路)、单片机、控制回路、照度检测器(照度传感器)、LED灯板等部分组成(如图1所示)。台灯有两种工作模式，使用者可通过开关来选择手动或自动调光模式。

图1 照度稳定可调LED台灯系统框图

整个控制系统以单片机为核心，手动方式下，可使用旋钮来调节台灯的亮度，采用可调恒流源控制电路，由恒流源供电，灯的亮度只与电流大小有关，当供电电压改变时，不影响灯的亮度，实现 LED 台灯从最亮到完全熄灭连续可调，在日常生活中可增强台灯的实用性。自动调节方式下，台灯内置照度传感器,将照度信号作为反馈信号，采用PID调制构成照度负反馈闭环控制系统(如图2所示)，调节输出的电压值进而控制LED台灯的亮度。可实现LED台灯自动追踪环境光照强度变化，依此自动调节台灯亮度，保证台灯照射固定区域亮度变化不大且稳定在设定值范围内，这样可实现照度稳定，使人的眼睛一直处于舒适状态，且更加节能。

同时，为实现照度均匀效果，在设计LED台灯时，结合聚光灯罩大小，将LED灯珠合理分布于中心位置。另外，LED灯珠在发光的同时，其散热量也是很大的，如不能及时散热，将会影响台灯的正常工作及使用寿命，因此在设计时，在灯板上加装了散热片，并且保证每个灯珠都有一定的散热面积[3]。

图2 照度稳定可调LED台灯自动调节方框图

为了提高电源效率，本设计从两个方面入手：一是选用开关电源模块，因为电源模块有线性电源和开关电源两种，线性电源的效率约为40%，开关电源的效率可以达到 80%左右。二是通过恒流源来控制LED灯板的亮度时，电源的无功功率(发热)主要消耗在驱动电路，所以需要根据LED灯板的输出功率来选择与之功率匹配的驱动功率管。

2 硬件电路设计

此设计以51单片机为核心，由照度传感器、10 V～15 V 可调电源、LED 灯板、电位器模块、集成运算放大器、TL431、8050等组成。采用TL431产生一个基准电压(2.5 V)，经过集成运放A1跟随，与可调电位器，构成一个0～2.5 V的可调信号源；集成运放A2和A3构成一个恒流源；LM358与电容、电阻构成一个数/模转换器。将开关打到A处为手动调节模式，将开关打到B处为自动调节模式(如图3所示)，采用8050设计驱动电路(如图4所示)。

图3 控制电路图

图4 驱动电路图

3 程序设计

随着外界环境光照强弱变化，台灯自动追踪环境光照强度，使台灯照射固定区域亮度变化不大且稳定在设定值范围内，采用PID调制构成照度负反馈闭环控制系统[4]。通过实验的方式采集台灯的照度当前值，例如维持在1200 lx，采集多组数据，在excel中进行数据分析，得到电压与照度的关系(如图5所示)。依据实验数据，进行PID参数整定，重复多次，最后确定一组较合适的PID参数值。根据KP、KI、KD的数值得到PID公式，将设定值与当前照度值进行比较，取其偏差值来进行照度负反馈闭环控制，编写程序，实现控制要求，程序流程图如图 6所示。

图5 电压与照度关系

图6 台灯自动调整亮度控制流程图

4 测试数据及结果

设计中采用万用表、直流稳压电源、照度表、A4纸、LED台灯、与设计台灯同等亮度的LED灯板(用于改变环境光照强度)等仪器进行测试。

首先，将照度表检测头置于台灯正下方0.5 m处，调节台灯输入电压(10 V～15 V)，当改变输入电压时，用照度表检测照度值，测试照度值见表1。结果显示，改变输入电压时不影响台灯亮度，可实现照度稳定。

表1 电压与照度关系表

其次，将台灯调至最大亮度，在其下方0.5 m处放置一张A4白纸，用照度表检测白纸四个角及中间若干区域的亮度，经测试，整张A4纸区域内照度稳定均匀无频闪。

最后，用制作的调至最大亮度的另一个LED灯板作为环境干扰光源，通过改变其与固定照射区域的距离来实现周围环境光强变化。当干扰光源快速靠近A4纸时，LED台灯快速熄灭；当将干扰光源缓慢靠近 A4 纸时，LED台灯亮度逐渐变暗直至熄灭；将干扰光源缓慢远离，台灯又重新亮起，且逐渐变亮。在整个过程中使用照度计测量A4纸区域内的亮度。经测试，照度值基本稳定，实现了台灯照射固定区域亮度变化稳定且在设定值范围内，为使用者提供了一个恒定舒适的照明环境，使人的眼睛一直处于舒适状态，且更加节能。

5 结论

本设计以单片机为控制核心，采用照度传感器获取反馈信号，设计了一款可自动追踪环境光照强度，随着外界环境光照强弱变化，自动调节亮度的LED台灯。该台灯可在实现照射固定区域亮度稳定，节能的同时，为使用者提供良好的照明条件，带来更加舒适的体验。台灯结构简单、调节方式灵活、无频闪、抗干扰能力强，后续可继续增加用时提醒、报警、语音控制等功能[5]。