照度穩(wěn)定可調(diào)的LED臺(tái)燈設(shè)計(jì)

陳敏敏，黃道燚，彭強(qiáng)

汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東汕尾，516600

0 引言

根據(jù)賽題要求，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)照度穩(wěn)定可調(diào)的LED臺(tái)燈和一個(gè)數(shù)字顯示照度表[1]。基本要求如下。

（1）數(shù)字顯示照度表由電池供電，相對照度數(shù)字顯示不少于3位半，無需照度校準(zhǔn)。數(shù)字顯示照度表的檢測頭置于調(diào)光臺(tái)燈正下方0.5米處，調(diào)整臺(tái)燈亮度，最大照度時(shí)顯示數(shù)字大于1000；遮擋檢測頭達(dá)到最低照度時(shí)顯示數(shù)字小于100。臺(tái)燈亮度連續(xù)變化時(shí)，數(shù)顯也隨之連續(xù)變化。亮度穩(wěn)定時(shí)，數(shù)顯穩(wěn)定，跳變不大于10。數(shù)字顯示照度表和調(diào)光臺(tái)燈間不能有信息交換。

（2）調(diào)光臺(tái)燈輸入電壓Vi：直流10～15V，Vi變化不影響亮度。

（3）亮度從最亮到完全熄滅連續(xù)可調(diào)，無頻閃（LED燈板供電電壓紋波小于5%)。

（4）臺(tái)燈供電電壓為12V時(shí)，電源效率不低于90%。

1 主控制器件的論證與選擇

1.1 控制器選用

方案一：用51單片機(jī)作為控制器。51單片機(jī)通用靈活、價(jià)格低、使用簡單方便，但運(yùn)行速度慢、存取量小，且缺少ADC、PWM等功能[2]。

方案二：用STM32單片機(jī)作為控制器。STM32單片機(jī)性能強(qiáng)大、外設(shè)豐富，但價(jià)格較高。

方案三：用Arduino單片機(jī)作為控制器。Arduino單片機(jī)運(yùn)算較快、價(jià)格便宜，同時(shí)具備本系統(tǒng)所需要的接口功能。

通過比較，選擇方案三。

1.2 控制技術(shù)方案選擇

方案一：可控硅調(diào)光相控原理，采用相位控制來實(shí)現(xiàn)調(diào)光，通過觸發(fā)信號(hào)控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制臺(tái)燈電路電壓具有響應(yīng)速度快、精度高的特點(diǎn)。但可控硅在輸入電壓和電流較小時(shí)容易造成頻閃，控制難度較大。

方案二：PWM調(diào)光原理，通過單片機(jī)輸出PWM控制方波的占空比，從而實(shí)現(xiàn)控制電壓的輸出大小，且Arduino自帶PWM輸出引腳，具有易編程、精度高、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。

綜合比較以上兩種方案，選擇方案二。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字顯示照度表電路

數(shù)字顯示照度表電路主要由照度傳感器、OLED屏、Arduino單片機(jī)、充電電池四個(gè)模塊組成，其中數(shù)字照度表為獨(dú)立電路，與后面其他電路無任何連接或通信。具體連接如圖1所示。

圖1 數(shù)字顯示照度表電路

2.2 電源供電電路

本裝置采用LM2596模塊對輸入的直流電源進(jìn)行穩(wěn)壓后，完成系統(tǒng)電源的供應(yīng)，可以提供5 V分別給單片機(jī)、照度傳感器和OLED屏等電路供電[3]。電源電路圖如圖2所示。

圖2 電源電路

2.3 主控芯片電路和用戶控制電路

主控芯片采用Arduino單片機(jī)模塊作為處理器[4]，主要完成整個(gè)系統(tǒng)的處理工作。用戶控制電路主要包括電位器旋鈕和功能切換按鈕電路。電位器旋鈕主要作為用戶的調(diào)光輸入，按鈕主要用于檢測用戶手動(dòng)控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)方式的切換操作，具體的電路如圖3所示。

圖3 主控芯片電路和用戶控制電路

2.4 燈光亮度調(diào)節(jié)電路

燈光亮度調(diào)節(jié)電路部分主要包括JG30燈光控制模塊。利用單片機(jī)的PWM功能，對控制燈光驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED臺(tái)燈亮度的目的。其中燈板有五片，將其在臺(tái)燈頂部構(gòu)成環(huán)形，使得臺(tái)燈底部受照均衡，五塊燈板采用并聯(lián)的方式，接法相同，其中一塊燈板的電路如圖4所示。

圖4 燈光亮度調(diào)節(jié)電路

2.5 燈光照度檢測電路

燈光照度檢測電路由四路GY30模塊組成，它們分布于檢測A4紙的四周，用于獲取臺(tái)燈底部各個(gè)位置的照度，主要用于自動(dòng)調(diào)節(jié)功能中應(yīng)用到的PID算法，作為反饋因子來使用[5]。其電路如圖5所示。

圖5 燈光照度檢測電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：數(shù)字顯示照度表程序設(shè)計(jì)和臺(tái)燈程序設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)字顯示照度表控制芯片程序設(shè)計(jì)

數(shù)字顯示照度表控制芯片Arduino單片機(jī)的程序流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)字顯示照度表控制芯片程序設(shè)計(jì)流程

程序的設(shè)計(jì)包括：（1）初始化工作，包括OLED初始化、IIC通信初始化等；（2）驅(qū)動(dòng)讀取照度值；（3）把照度值進(jìn)行數(shù)值處理轉(zhuǎn)化，使其照度值顯示范圍處于0～1100之間，轉(zhuǎn)化為字符串顯示到OLED屏[6]。

3.2 臺(tái)燈控制芯片程序設(shè)計(jì)

臺(tái)燈控制芯片Arduino的程序流程圖如圖7所示。

圖7 臺(tái)燈控制芯片Arduino程序流程

臺(tái)燈的總體程序設(shè)計(jì)如下。

（1）初始化工作：包括照度傳感器、ADC、PWM等的初始化工作[7]。

（2）按鈕狀態(tài)掃描：根據(jù)用戶對臺(tái)燈按鈕的操作，分別執(zhí)行手動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種處理方式。

（3）手動(dòng)控制：讀取電位器的輸出電壓值，根據(jù)電壓值調(diào)節(jié)PWM占空比，控制燈光驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度，實(shí)現(xiàn)燈光照度隨電位器轉(zhuǎn)動(dòng)而改變[8

]。（4）自動(dòng)調(diào)節(jié)：讀取臺(tái)燈底部各傳感器的值，對該值進(jìn)行處理后，作為PID算法的反饋因子，控制PWM的數(shù)值為控制輸出，調(diào)節(jié)燈光照度，使得各傳感器的照度恒定[9]。

4 測試結(jié)果及分析

（1）基本要求1：

經(jīng)測試，旋鈕均勻旋轉(zhuǎn)時(shí)，亮度照度表的數(shù)字顯示均勻增加，符合題目要求。將旋鈕旋轉(zhuǎn)到任意若干個(gè)位置時(shí)，本系統(tǒng)所采用的照度值非標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)照度值，而是一個(gè)由光感模塊感應(yīng)轉(zhuǎn)換的相對數(shù)值，下面統(tǒng)一用照度值來描述這個(gè)相對數(shù)值[10]，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 臺(tái)燈照度穩(wěn)定性測試

按照上面的數(shù)據(jù)分析，數(shù)顯穩(wěn)定，跳變小于10，最小值和最大值符合題目要求。

（2）基本要求2：

調(diào)節(jié)輸入電壓Vi，任選兩個(gè)旋鈕位置，進(jìn)行光照值測試。測試結(jié)果如表2所示。

表2 輸入電壓干擾測試

按照上面的數(shù)據(jù)分析，可以得出電壓變化時(shí)，照度基本穩(wěn)定，符合題目要求。

（3）基本要求3：按照表1測試分析，亮度連續(xù)可調(diào)；經(jīng)觀察測試，臺(tái)燈無頻閃。

（4）基本要求4：按照電源效率比計(jì)算式子[11]

系統(tǒng)輸入功率為：Pi=Vi×Ii=12×0.60=7.2W

燈板消耗功率為：P=Vo×Io=5×1.23=6.15 W

電源效率為：P/Pi = 85.4%

（5）功能優(yōu)化部分：

臺(tái)燈調(diào)至最大照度，均勻選取A4紙上五個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如表3所示。經(jīng)計(jì)算，（1662-1646）/1546=2.7%＜5%，符合題目要求。

表3 燈下位置照度均衡測試

使用另外一個(gè)臺(tái)燈調(diào)至最大亮度作為干擾源，當(dāng)干擾源處于被測臺(tái)燈的隨機(jī)距離位置時(shí)，測得紙面中心點(diǎn)的照度值如表4所示。經(jīng)測試取最大值與最小值進(jìn)行計(jì)算，（680-600）/600=13% ＞ 5%,比題目要求偏大。

表4 抗干擾源測試

將臺(tái)燈放置在實(shí)驗(yàn)室的不同位置，各點(diǎn)的環(huán)境光線不同，經(jīng)測試，在不同環(huán)境下，測得的光照度如表5所示。其中，位置D的環(huán)境亮度太高，臺(tái)燈已處于熄滅狀態(tài),但照度值仍然達(dá)到了1100。其他環(huán)境光線偏暗的位置，照度值均勻正常。

表5 環(huán)境干擾測試

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了以Arduino為控制器、照度穩(wěn)定可調(diào)、可數(shù)顯照度值的LED臺(tái)燈，實(shí)現(xiàn)了亮度穩(wěn)定、無頻閃、電源效率高、抗干擾效果好的要求，且可隨環(huán)境光線強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度，能準(zhǔn)確顯示照度值、成本低、操控簡單，具有推廣價(jià)值。