亮度稳定可调的LED 台灯系统的设计与实现

王 艳，陈乐珠，谭小龙，江 颖

（汕尾职业技术学院，广东 汕尾 516600）

0 引 言

随着科技的发展，智能化、人性化的家用电器已经走入人们的生活。作为生活学习的小伙伴，传统的台灯已经满足不了人们的个性化需求。这就需要对传统的台灯从功能、结构、性能等方面进行改进，以满足人们对台灯的功能多样化、智能化、个性化和环保性的需求[1-5]。智能化的台灯与传统的台灯相比，更节电环保，使用更便捷，亮度更均匀、更稳定[6-7]。本文设计了一个电源稳定、电源使用效率高、亮度连续可调的LED 台灯。使用者可以根据个人需要将台灯亮度调整到让自己舒适的照度，照度分布均匀，并保持稳定的照度而不受环境的影响。

1 LED 台灯的总体设计方案

本设计的硬件电路分为2 部分：一部分是可调LED 台灯系统，以STM32 芯片为主控器，使用编码电位器手动调节亮度，GY-30 光照度传感器与0.96 英寸OLED 显示屏检测和显示照度值，使用PWM 信号控制L298N 模块实现LED灯的亮度调整，STM32 对采集到的4 路亮度值进行处理，实现台灯照度的均匀分布和稳定；另一部分是数字显示照度表系统，采用开源的Arduino 控制器，编程更简单高效，采用照度传感器GY-30 模块，采集台灯照度值并在OLED 显示屏上显示，方便实时观测台灯亮度参数，并进行电路调整和测试。LED 台灯控制系统结构框图、数字显示照度表系统结构框图分别如图1 和图2 所示。

图1 LED 台灯控制系统结构框图

图2 数字照度表系统结构框图

2 LED 台灯硬件模块实现

2.1 核心控制器

核心控制器选用了ST 公司的内核为ARM Cortex-M3的STM32F103ZE 单片机。其封装为LQFP-144，工作电源电压为2.0 ～3.6 V。STM32F103ZE 最高工作频率可达72 MHz，内置了高速存储器，内部具有DAM、ADC、4个定时器、2个PWM定时器、13个通信接口（2 个I2C 接 口，5 个USART 接口，3 个SPI 接口，CAN 接口，USB2.0 全速接口和SDIO 接口）、多功能的双向IO 口等[8]。STM32F103ZET6 具有低功耗模式，有丰富的硬件资源，可以实现远程控制、信息采集和调整，更加便于进行LED 台灯的功能升级改造。

2.2 电源电路模块

采用DC-DC 开关降压转换芯片XL4015，输入电压为8 ～36 V，输出电压支持1.25 ～32 V 间任意可调，Vout=1.25×(1+R2/R1)。本设计输入10 ～15 V 的直流电源，经过降压转换芯片XL4015 稳定输出5 V 的直流电源，给系统各个器件供电。采用正向低压稳压器ASM1117-3.3 固定输出3.3 V 的直流电源给核心控制器STM32F103ZE 提供工作电源。LED1 和R3构成电源指示灯电路。电源电路原理如图3 所示。

图3 电源电路原理

2.3 驱动电路模块

LED 台灯使用了4 个相互独立的LED 灯板，采用恒压恒流桥式L298N 模块作为LED 灯板的驱动。本模块具有驱动能力强、发热低、抗干扰能力强的特点。L298 内部包含4 通道逻辑驱动电路，可以同时独立控制4 路LED 灯板。

STM32F103ZE 单片机输出连续可调的PWM 信号，控制L298N 输出连续可调的PWM 信号，从而实现LED 灯板的亮度连续可调。如图4 所示为LED 灯板的驱动电路。

2.4 显示电路模块

显示模块选择了厚度薄、视角广、反应速度快、耗能更低的0.96 寸OLED 显示模块。该显示模块采用SSD1306 为主芯片，像素为128*64，通信方式为接口简单的I2C 通信总线，模块自带有稳压芯片，支持3.3 ～5 V 宽电源电压供电[9]。如图5 所示为OLED 显示屏的接口电路。

2.5 光照度检测电路模块

使用BH1750FVI 芯片，型号为GY-302 光照度传感器模块。该模块电源电压为3 ～5 V，内置有16 bit 的AD 转换器，直接输出数字信号，省去了繁琐的计算和标定，软件程序更加简单。与单片机之间采用异步的I2C 通信，通信接口简单。其电路原理如图6 所示。AD0 引脚为地址引脚，可以接电源或者接地，接地时地址为0x46，接电源时地址为0xB8。本设计中采用接地的方式，地址为0x46。

图6 光照度检测电路模块

2.6 亮度调整电路模块

LED 台灯亮度调整模块采用数字旋转编码器模块。数字旋转编码器模块是一种将旋转位移转换为数字脉冲信号的传感器，旋转一圈产生20 个脉冲。其具有稳定性高、转动计数不受限制、抗干扰性强、使用寿命长等特点。电路如图7 所示，S1、S2 为编码数字脉冲信号输出端，KEY 为按键状态输出端。当按键按下时KEY 输出低电平，按键释放时KEY 输出高电平。利用旋转编码器的正反转来实现LED台灯亮度的增加和减小，旋转编码器上的按键实现手动控制亮度和自动控制亮度的状态切换。

图7 亮度控制电路模块

3 LED 台灯的软件设计

3.1 程序设计

程序设计分为2 部分：LED 台灯系统程序和数字显示照度表系统程序，均使用C 语言编写程序。LED 台灯系统主程序流程如图8 所示。

图8 可调LED 台灯系统程序流程

3.2 PID 自动控制算法

本 设 计 中， 采 用 了PID（Proportion Integration Differentiation）算法来实现LED台灯照度的稳定和均匀分布。PID 控制算法是应用非常广泛的控制算法，PID 就是指比例、积分、微分控制[10]。其控制流程如图9 所示。

图9 PID 算法控制流程

PID 算法公式为：

4 LED 台灯系统的检测

4.1 电源电压对亮度的影响

将台灯亮度调整到最亮时，改变输入直流电源电压Vi，使Vi在10 ～15 V 之间变化，用照度表检测台灯中心点亮度值，台灯中心点亮度稳定，不受电源电压的影响。

4.2 电源效率测试

当台灯电源电压为12 V 时，电源效率测试结果如下：

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

（2）供电电源输出功率：P=12 V×1.58 A=18.96 W；

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

台灯系统的电源效率可达90%，电源的效率较高。

4.3 台灯亮度检测

（1）检测台灯照度值

调节数字旋转编码器，使台灯分别达到最亮和最暗，用数字照度表检测台灯正下方的照度值。经过多次检测，最大照度值显示的数字均大于1 000 lx，最小照度值小于100 lx。

（2）检测台灯照度是否分布均匀

将台灯调整到最大亮度，在其下方0.5 m 距离处放置一张 A4 白纸，在位于A4 纸面四个角的位置安装照度检测模块。照度表检测A4 纸中心位置的亮度。测试结果见表1 所列。对检测结果进行观察和计算，台灯中心亮度最高，其他各点照度值与中心照度值差均小于5%，所以在整个A4 纸区域内LED 台灯亮度分布均匀。

表1 多点位置测试照度值 lx

（3）检测台灯照度的稳定性

在干扰光源缓慢地由最弱变为最强的过程中，检测A4纸中心照度值，台灯系统能跟随干扰光源的变化自动调节台灯亮度，保持纸面照度值稳定。经过多次检测，纸面中心位置的照度值变化小于5%。当环境光突增直至台灯熄灭时，经多次检测，纸面中心照度值变化小于10%。当环境光突减直至环境光源熄灭时，经多次检测，纸面中心照度值变化小于10%。

5 结 语

本文设计了一款电源稳定、电源使用效率高、亮度连续可调的LED 台灯。经多次检测、数据计算与分析，设计的本款LED 台灯电源稳定，输入电压的变化对台灯照度值没有影响，电源的效率为90%，电源效率较高。LED 台灯照度值检测的显示数据精确度较高。台灯中心点照度值与周围测试点照度值差在5%以内，在整个A4 纸区域内LED 台灯照度分布均匀。本LED 台灯系统能跟踪干扰光源的变化自动调节台灯亮度，台灯具有比较稳定的照度。系统设计合理，具有良好的稳定性、可靠性和环保性。