照度稳定可调的LED台灯设计

陈敏敏，黄道燚，彭强

汕尾职业技术学院，广东汕尾，516600

0 引言

根据赛题要求，设计并制作一个照度稳定可调的LED台灯和一个数字显示照度表[1]。基本要求如下。

（1）数字显示照度表由电池供电，相对照度数字显示不少于3位半，无需照度校准。数字显示照度表的检测头置于调光台灯正下方0.5米处，调整台灯亮度，最大照度时显示数字大于1000；遮挡检测头达到最低照度时显示数字小于100。台灯亮度连续变化时，数显也随之连续变化。亮度稳定时，数显稳定，跳变不大于10。数字显示照度表和调光台灯间不能有信息交换。

（2）调光台灯输入电压Vi：直流10～15V，Vi变化不影响亮度。

（3）亮度从最亮到完全熄灭连续可调，无频闪（LED灯板供电电压纹波小于5%)。

（4）台灯供电电压为12V时，电源效率不低于90%。

1 主控制器件的论证与选择

1.1 控制器选用

方案一：用51单片机作为控制器。51单片机通用灵活、价格低、使用简单方便，但运行速度慢、存取量小，且缺少ADC、PWM等功能[2]。

方案二：用STM32单片机作为控制器。STM32单片机性能强大、外设丰富，但价格较高。

方案三：用Arduino单片机作为控制器。Arduino单片机运算较快、价格便宜，同时具备本系统所需要的接口功能。

通过比较，选择方案三。

1.2 控制技术方案选择

方案一：可控硅调光相控原理，采用相位控制来实现调光，通过触发信号控制可控硅的导通角，从而控制台灯电路电压具有响应速度快、精度高的特点。但可控硅在输入电压和电流较小时容易造成频闪，控制难度较大。

方案二：PWM调光原理，通过单片机输出PWM控制方波的占空比，从而实现控制电压的输出大小，且Arduino自带PWM输出引脚，具有易编程、精度高、响应速度快的特点。

综合比较以上两种方案，选择方案二。

2 硬件电路设计

2.1 数字显示照度表电路

数字显示照度表电路主要由照度传感器、OLED屏、Arduino单片机、充电电池四个模块组成，其中数字照度表为独立电路，与后面其他电路无任何连接或通信。具体连接如图1所示。

图1 数字显示照度表电路

2.2 电源供电电路

本装置采用LM2596模块对输入的直流电源进行稳压后，完成系统电源的供应，可以提供5 V分别给单片机、照度传感器和OLED屏等电路供电[3]。电源电路图如图2所示。

图2 电源电路

2.3 主控芯片电路和用户控制电路

主控芯片采用Arduino单片机模块作为处理器[4]，主要完成整个系统的处理工作。用户控制电路主要包括电位器旋钮和功能切换按钮电路。电位器旋钮主要作为用户的调光输入，按钮主要用于检测用户手动控制和自动调节方式的切换操作，具体的电路如图3所示。

图3 主控芯片电路和用户控制电路

2.4 灯光亮度调节电路

灯光亮度调节电路部分主要包括JG30灯光控制模块。利用单片机的PWM功能，对控制灯光驱动模块进行调节控制，从而达到调节LED台灯亮度的目的。其中灯板有五片，将其在台灯顶部构成环形，使得台灯底部受照均衡，五块灯板采用并联的方式，接法相同，其中一块灯板的电路如图4所示。

图4 灯光亮度调节电路

2.5 灯光照度检测电路

灯光照度检测电路由四路GY30模块组成，它们分布于检测A4纸的四周，用于获取台灯底部各个位置的照度，主要用于自动调节功能中应用到的PID算法，作为反馈因子来使用[5]。其电路如图5所示。

图5 灯光照度检测电路

3 系统软件设计分析

系统软件设计包括两个部分：数字显示照度表程序设计和台灯程序设计。

3.1 数字显示照度表控制芯片程序设计

数字显示照度表控制芯片Arduino单片机的程序流程图如图6所示。

图6 数字显示照度表控制芯片程序设计流程

程序的设计包括：（1）初始化工作，包括OLED初始化、IIC通信初始化等；（2）驱动读取照度值；（3）把照度值进行数值处理转化，使其照度值显示范围处于0～1100之间，转化为字符串显示到OLED屏[6]。

3.2 台灯控制芯片程序设计

台灯控制芯片Arduino的程序流程图如图7所示。

图7 台灯控制芯片Arduino程序流程

台灯的总体程序设计如下。

（1）初始化工作：包括照度传感器、ADC、PWM等的初始化工作[7]。

（2）按钮状态扫描：根据用户对台灯按钮的操作，分别执行手动控制、自动调节两种处理方式。

（3）手动控制：读取电位器的输出电压值，根据电压值调节PWM占空比，控制灯光驱动模块调节台灯亮度，实现灯光照度随电位器转动而改变[8

]。（4）自动调节：读取台灯底部各传感器的值，对该值进行处理后，作为PID算法的反馈因子，控制PWM的数值为控制输出，调节灯光照度，使得各传感器的照度恒定[9]。

4 测试结果及分析

（1）基本要求1：

经测试，旋钮均匀旋转时，亮度照度表的数字显示均匀增加，符合题目要求。将旋钮旋转到任意若干个位置时，本系统所采用的照度值非标准的光学照度值，而是一个由光感模块感应转换的相对数值，下面统一用照度值来描述这个相对数值[10]，测试数据如表1所示。

表1 台灯照度稳定性测试

按照上面的数据分析，数显稳定，跳变小于10，最小值和最大值符合题目要求。

（2）基本要求2：

调节输入电压Vi，任选两个旋钮位置，进行光照值测试。测试结果如表2所示。

表2 输入电压干扰测试

按照上面的数据分析，可以得出电压变化时，照度基本稳定，符合题目要求。

（3）基本要求3：按照表1测试分析，亮度连续可调；经观察测试，台灯无频闪。

（4）基本要求4：按照电源效率比计算式子[11]

系统输入功率为：Pi=Vi×Ii=12×0.60=7.2W

灯板消耗功率为：P=Vo×Io=5×1.23=6.15 W

电源效率为：P/Pi = 85.4%

（5）功能优化部分：

台灯调至最大照度，均匀选取A4纸上五个点的数据，如表3所示。经计算，（1662-1646）/1546=2.7%＜5%，符合题目要求。

表3 灯下位置照度均衡测试

使用另外一个台灯调至最大亮度作为干扰源，当干扰源处于被测台灯的随机距离位置时，测得纸面中心点的照度值如表4所示。经测试取最大值与最小值进行计算，（680-600）/600=13% ＞ 5%,比题目要求偏大。

表4 抗干扰源测试

将台灯放置在实验室的不同位置，各点的环境光线不同，经测试，在不同环境下，测得的光照度如表5所示。其中，位置D的环境亮度太高，台灯已处于熄灭状态,但照度值仍然达到了1100。其他环境光线偏暗的位置，照度值均匀正常。

表5 环境干扰测试

5 结语

本文设计了以Arduino为控制器、照度稳定可调、可数显照度值的LED台灯，实现了亮度稳定、无频闪、电源效率高、抗干扰效果好的要求，且可随环境光线强度自动调节亮度，能准确显示照度值、成本低、操控简单，具有推广价值。