照度穩定可調LED照明燈設計
——基于STM32F103C8T6單片機

孟凡軍

(淮南職業技術學院， 安徽 淮南 232001)

1 國內外研究現狀

圖1 智能照明方案

經過這些年的長足發展，智能照明控制系統已為大眾所接受，形成了穩定、廣闊的市場。在當今數字智能化時代，一大批智能化照明產品為廣大受眾所認可，智能照明控制系統逐漸占據廣大的市場份額，在諸多領域都有應用，如智能建筑、智能家居、智能電力等。對國家節能減排政策實施的起到了舉足輕重的作用，同時帶來了巨大效益。鑒于目前國內隧道存在一些問題，如光線普遍較弱或者隧道內外光線亮度差距過大等。而這些問題的存在，勢必會產生一定的安全隱患。而智能照明控制系統的應用，使得這些問題迎刃而解。系統不僅可以提供舒適的照明亮度，還能根據外部環境，實時自動控制照明亮度，從而確保隧道內部燈光強度始終適中，不會受到外界光強的影響，進而確保隧道內駕駛的安全性。綜上所述，研究照度穩定可調的智能照明燈具有很大的發展空間，照度穩定可調的智能照明燈產品為適應用戶的實際需求，必將產生更多種類的個性化產品，引領市場發展潮流，成為國家節能減排道路上的生力軍。

2 原理分析及方案論證

2.1 照度穩定可調LED臺燈

智能LED照明燈工作原理主要從以下兩個方面介紹。第一，智能LED照明燈主要是以STM32單片機為控制核心，利用光敏傳感器將外界的光信號轉換為電信號，再將電信號傳送到單片機的ADC模數轉換輸入端進行轉換，根據外界光的強度實時調節LED照明燈的亮度。第二，LED照明燈采用PWM脈寬調節方式，它也是以STM32單片機為核心，利用旋轉編碼器進行調節燈光亮度，當編碼器旋轉的時候，編碼器的數值傳入單片機中進行轉換，單片機輸出后通過電壓調節電路dc/dc對LED照明燈光照強度進行控制。

2.2 照度顯示表

照度顯示表是利用光敏傳感器感知外界的光，并將光信號轉換為電信號傳入單片機中進行轉換，單片機輸出端接入OLED液晶顯示屏的輸入端口，從而在OLED中進行數字顯示。

2.3 顯示部分

顯示部分主要采用OLED液晶顯示屏進行顯示，它是LCD技術和LED技術的升級，沿用LED自發光技術，并改變LCD背光發光技術，不僅具有高清晰度分辨率，而且具有柔軟的拼接特征。不但能顯示數字，而且還能顯示字符、漢字等，顯示效果較好。

2.4 傳感器部分

系統傳感器部分采用光電轉換半導體器件——光敏二極管，相比于工藝復雜、分辨率低且轉換精度不足的光敏電阻器，光敏二極管具有諸多優點，如靈敏度高、高頻性能好，可靠性好、體積小、使用方便等。

2.5 控制部分

由于80C51單片機是一款八位單片機，其閃存(FLASH)只有8K,且無法內置DAC電路,必須通過外圍電路實現，并且輸入輸出接口太少。由于處理的數據多，輸入輸出接口使用多，51單片機實現這些功能比較困難且效率很低。而STM32單片機，STM32F1系列是意法半導體(ST)公司出品，屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片已Cortex-M3作為內核，具有功耗低、輸入輸出接口多，運算速度快等優點，同時芯片內置ADC電路，可以很好地完成復雜運算任務。鑒于STM32單片機的相比于51單片機的諸多優勢，本系統采用STM32單片機作為控制核心，以其優越的性能，確保了智能LED照明燈穩定、高效地運行[1]。

3 電路設計

3.1 系統硬件電路設計

該照度可調的LED照明燈，以STM32F103C8T6單片機為主控芯片，由電源電路、LED恒流驅動系統、光照檢測系統、液晶顯示系統、蜂鳴系統以及數字顯示照度表組成。確保智能照明燈穩定運行，方便快捷。系統結構框圖如圖2所示。

2.4 3組患者的宮腔粘連評分及再次宮腔粘連比較 輕度粘連組的宮腔粘連評分最低(P<0.05)，再次宮腔粘連例數最少(P<0.05)，重度粘連組的宮腔粘連評分最高(P<0.05)，再次宮腔粘連例數最多(P<0.05)。見表4。

圖2 系統結構框圖

3.1.1 單片機主控系統

本設計主控系統采用STM32F103C8T6單片機為主控芯片，該芯片總共有40引腳。其中第1-第4引腳為 PA0-PA3，接OPWM1-OPWM4口用于PWM脈寬控制，實時調節照明燈光照強度；第5、第6引腳為PA4、PA5，第21、第22引腳為PB0、PB1，分別接ADC12模數轉換電路，用于采集光強電信號以及旋轉編碼器電信號，并在內部進行實時轉換；第38、第39引腳為PB8、PB9，接OLED數據接口，用于控制OLED液晶顯示屏進行顯示；第26引腳為PB5，接蜂鳴器引腳，對蜂鳴系統運行進行控制[2]。主控系統電路如圖3 所示。

圖3 單片機主控系統電路

3.1.2 恒流驅動系統

本系統中智能照明燈光源由高度為5 mm的小功率LED燈珠組成，各燈珠之間采用并聯方式連接，每只LED燈珠的工作壓降和電流分別為3.1 V和20 mA。根據LED的正向伏安特性可知，當LED端電壓超過正向導通電壓后，較小的電壓波動都會導致工作電流的劇烈變化，從而影響LED的正常使用，所以LED宜采用高性能的PT4115 恒流芯片所驅動的恒流驅動方式[3]。PT4115芯片自身內部過溫保護功能，而且外部可擴展過問保護功能，對LED提供雙重保護，基于此，該芯片以其優越的性能確保照明燈穩定運行。LED恒流驅動電路如圖4 所示。

圖4 LED 恒流驅動系統電路

3.1.3 PWM脈寬電路

本設計采用PWM脈寬調制對智能照明燈光強度進行調節，PWM脈寬調制是通過控制輸入脈沖信號的占空比，實時控制LED光強度變化的過程。其基本原理是在保持LED正向導通電流恒定前提下，通過控制電流導通和關斷的時間占比，同時利用人眼的視覺殘留效應，當LED光強度變化頻率大于120Hz時，人眼看到只是LED光照的平均亮度，無法識別LED的閃爍。PWM調光的優勢是當LED正向導通的電流恒定時，LED的色度就不會像模擬調光時產生變化。可以簡單來說就是利用PWM脈寬信號對照明燈光強弱進行控制，利用旋轉編碼器旋轉，向左無限減小，直到臺燈熄滅為止，向右臺燈無限增大，亮度越大，但達到一定值就不可以增大，會把燈珠燒壞。PWM調光電路如圖5所示。

圖 5 PWM 調光電路圖

3.1.4 ADC模數轉換電路

由光敏二極管感知光照變化，將光照強度變化轉換為對應的數字信號送給單片機的PA4-PA5和PB0-PB1，經ADC模數轉換電路進行轉換。簡單來說就是將光敏二極管所采集的光信號經ADC模塊轉換為電信號傳輸到單片機中，單片機內部進行轉換并傳送，將電信號輸送至照明燈，從而實現根據外部的燈光強度對照明燈光強度進行實時控制，確保光強穩定可調。ADC模數轉換電路如圖6所示。

圖6 ADC轉換電路圖

3.1.5 OLED液晶顯示系統

顯示系統采用OLED液晶顯示屏。該液晶顯示屏具有體積小、能耗低、操作簡單等特點，能同時顯示兩行，且每行顯示16個字符，適合于本設計所需數字、英文字母以及特殊符號的顯示要求。通過單片機控制OLED 液晶實現信息顯示。簡單來說液晶顯示的效果比LED數碼顯示的要更好，通過簡單地對比就可得到結論，OLED液晶顯示屏顯示出的數字等都比LED數碼顯示的要全面，更通透，顯示的效果更好。液晶系統顯示電路如圖7所示。

圖7 液晶系統電路圖

3.1.6 蜂鳴系統

蜂鳴系統是由單片機PB5口控制PNP三極管9012的通斷實現對蜂鳴器聲音的控制，主要用于產生按鍵提示音。系統設計時通過延遲函數實現蜂鳴報警聲短音控制，短音“滴”用于按鍵提示音，當調節旋轉編碼器的時候，蜂鳴器會發出“滴”的聲音，這是對照明燈燈光強弱的提示音。蜂鳴系統電路如圖8所示。

圖8 蜂鳴系統電路圖

3.2 系統軟件設計

該系統控制程序主要由系統初始化程序、蜂鳴程序、光敏傳感器芯片處理程序、液晶顯示程序、以及PWM 脈寬調制等程序構成。

3.2.1 系統主程序

系統主程序主要包括系統初始化程序(包括 I/O口初始化、液晶OLED 的初始化)、按鍵檢測和處理程序、蜂鳴數據的讀取與處理程序、光照數據的讀取與處理程序、液晶OLED顯示程序、PWM調制處理程序等，實現更為方便的效果。系統主程序框圖如圖9所示。

圖9 系統主程序框圖

3.2.2 定時器中斷程序

本系統通過定時器T0產生調節 LED 燈光亮度的PWM信號，定時器采用13位計數器定時(工作方式0)，最多裝載數值為8 192個。通過計算公式可實現400 μS的定時中斷。為產生4 ms的系統周期，需要中斷累計達到10次，通過調節每個周期內單片機 PA口輸出的占空比來產生 PWM 脈沖信號，以控制恒流驅動芯片實現LED 燈的亮度調節[4]。簡單來說就是利用了PWM脈寬的調節對LED臺燈進行燈光強弱的控制，脈寬的大小決定臺燈燈光的強弱，就是旋轉編碼器調節的電信號傳入單片機進行對臺燈的燈光控制。定時器生成PWM流程如圖10所示。

圖10 定時器生成PWM 流程

4 系統調試

4.1 調試儀器

為驗證智能照明燈的運行效果，主要采用萬用表、直流電源、干擾燈板以及照度計等工具設備對照明燈進行測試，確保智能照明燈照度穩定、可靠地運行。調試儀器如圖11所示。

圖11 調試儀器

4.2 調試過程及結果

第一，調光臺輸入10-15 V直流電源，電壓變化不影響亮度。運用直流電源給智能照明燈供電，用萬用表測量輸入電壓，調節電壓到10 V后，打開調光臺，將照度計放在智能照明燈正下方，此時可得出檢測光的數值，隨后調節直流電源，當輸入電壓達到15 V時，再次檢測照度計的數值。測試結果發現輸入電壓為10 V和15 V時，照度計檢測到的光強數值幾乎不變，說明電源電壓的波動不影響智能照明燈光照強度。第二，亮度從最弱到最強完全可調。打開智能照明燈PWM脈寬調節系統，可實時顯示智能照明燈光照強度，調節旋轉編碼器，可實現對光照強度值從0到3 000的線性調節。第三，環境光照緩慢變化時，中心亮度變化不大于5 %。利用干擾板模擬光照強度的變化，將干擾板緩慢靠近智能照明燈，通過照度計檢測智能照明燈光強數值，光強數值變化不大于2.4 %。第四，環境光照突變時，中心亮度變化不大于10 %。將干擾板抬升到距離照明燈0.5 m的高度，最后突然下降到智能照明燈底板位置，觀察照度計檢測的光強數值，光強數值較之前變化為5 %。第五，環境光增強直至照明燈熄滅，中心亮度變化不大于10 %。將干擾板由遠及近緩慢靠近照明燈，檢測并記錄照度計顯示光強數值，經計算照明燈中心亮度變化不大于6 %。第六，均勻度變化不超過5 %。照明燈有4個方位，分別位于正方形板的四個角，利用照度計對4個方位的光強數值分別進行檢測并記錄，4個方位光強數值變化不超過5 %，光照均勻度符合要求。

5 結語

本設計以STM32F103C8T6單片機為控制核心，實現對LED臺燈照度的穩定可調的，同時系統兼具照度顯示、光照檢測等多項功能。實驗證明，基于STM32F103C8T6的照度穩定可調的LED照明燈功能豐富，運行穩定高效，能夠滿足家庭實際應用需求。