一種新型的智能臺燈調光控制系統

牛浩　劉存良

【摘??要】隨著生活水平的提高，人們對臺燈的需求趨于智能化與多功能化。本項目設計一種臺燈的智能調光系統，以STM32微處理器為基礎，采用基于Z源的BUCK斬波電路，為用戶提供多種照明狀態，并分為智能語音控制和人工控制兩種調光方式;利用NRF通信技術，對用戶的書寫姿勢進行糾正。文中給出了系統介紹方案，給出了硬件電路的設計方法。

【關鍵詞】Z源BUCK斬波;智能;NRF無線通訊

引言

隨著社會水平的發展，人們生活水平日益提高，對于臺燈的功能也有了更大的挑戰，更加的趨于個性化、功能的多樣性和環保節能，單一的光照顯然無法滿足用戶的需求，設計出一種多功能的智能臺燈有很大的意義。本文設計了以STM32微處理器為基礎的智能調光控制系統，根據使用場合的不同，提供不同的光照，并根據實際情況，分為智能控制和人工控制，當使用者出現不當的書寫姿勢，能夠進行警報提醒，賦予了臺燈更高的使用價值。

一、系統總體結構

智能臺燈控制系統組成如圖1所示，主要由STM32處理器、放大電路、調光電路、NRF無線通信、驅動電路、LCD警報模塊、LD3302語音識別、HC-SR501熱釋電阻、BH1750FVI光傳感器組成。系統采用了Z源斬波電路和紅外傳感器，實現對燈光照度，色溫和模式的調節;并利用STM32處理器對語音進行識別，實現語音智能控制。超聲測距與NRF無線通信的結合，對不當的書寫姿勢進行警報提醒。

圖1?智能調光控制系統結構圖

二、硬件電路設計

2.1驅動電路

多功能智能臺燈采用直接供電，把電源模塊分為兩級，第一級電源模塊為AC-DC開關電源模塊，可將輸入的220?V市電經AC/DC轉換，同時輸出12V和5V的直流電壓，第二級電源模塊為一款基于LM2596S芯片的調壓模塊，可將5V電平轉為3.3V輸出。

2.2熱釋電阻電路

熱釋電阻輸出接三極管B極，正極與C極相連，負極與三極管E極接地，根據需要，設置保護電阻。

2.3放大電路

來自STM32微處理器的接口電流較小，采用LM324的二級放大電路，一級放大約為50倍，二級放大約為100倍，達到下級調光電路所需的電壓值。

2.4調光電路及其原理

調光電路是基于Z源的BUCK斬波電路，L1和C1構成輸入濾波器，L4和C4構成輸出濾波器，用于濾去斬波產生的高頻諧波，帶有反向續流二級管的四個開關管IGBT1、IGBT2，、IGBT3：和IGBT4，構成開關控制電路：L2、C2、L3、C3構成主電路的Z源網絡。

輸入電壓為正時，IGBT1和IGBT3處于互補通斷狀態，IGBT2和IGBT4處于常通狀態;在輸入電壓為負時，則IGBT1和IGBT3處于常通狀態，IGBT2和IGBT4處于互補通斷狀態。設開關周期為T，IGBT1?的開關占空比為D，則在DT時間內，電流流過IGBT，和D給負載供電并且給Z源網絡中的電感充電，設輸入交流電壓為Ui，輸出電壓為UO，電感L2兩端的電壓可以表示為UL2，C2兩端電壓為Uc2則有以下關系式

（1）

故在（1-D）T時間內，根據Z源網絡的對稱性，得

（2）

在輸入電壓一個周期內，根據能量守恒，輸出功率與輸入功率在整個回路代數和為0，聯立（1）和（2）式，得輸出電壓Uo為

（3）

由表達式可得，電壓隨著占空比增大呈指數型增長，本項目取日常照明時的D=0.32。

電路具體連接如下圖2所示，其中輸入濾波電路的電感值與電容值分別為105uH和3uF，輸出濾波電路的電感值與電容值分別為2.3mH和13uF，Z源網絡的電感值與電容值分別為1mH和2.8uF。利用STM32微處理器調節IGBT的占空比即可得到不同的輸出電壓值，電路的設計簡單，工作穩定。

圖2調光主電路

三、軟件設計

根據用戶的實際使用情況，設定五種的工作色溫與亮度：閱讀、書寫、辦公、娛樂和日常照明。并根據實際情況，設置為智能語音調節和人工手動調節。當使用智能語音識別時，當用戶說出特定的指令時，LD3320芯片對其進行語音識別，轉化為頻譜，并與單片機的內部設定的詞條進行匹配，當吻合后，調節IGBT的占空比，調節電壓。

當用戶在書寫出現不正當的姿勢時，實時監測的超聲測距模塊會將數據發給NRF模塊，再由NRF發送給主機，分析后對用戶進行聲音警報，并在LCD液晶屏上閃爍相應詞句進行提醒。

結束語

總而言之，在生活水平日益增長的今天，用戶對臺燈的功能提出了更多的要求，社會上目前存在的臺燈多為傳統的單一照明臺燈，不能滿足用戶的需求，用戶對于多智能化與多功能化的呼聲越來越高。本系統的設計是為了滿足用戶的痛點，在傳統臺燈突出的缺點給予了創新的設計，能夠滿足用戶的基本需求，極大的提高了臺燈的使用價值。

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（作者單位：1、安徽科技學院電氣與電子工程學院;2、廣東移動佛山分公司）