基于單片機的照度穩定可調臺燈設計

曾文琦

（湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208）

1 引言

燈光照明是影響青少年視力的最重要的因素[11]。市面上的臺燈種類越來越多，許多臺燈是通過單一的觸摸方式或手動按鍵調節的方式實現臺燈的照明及照度，因而需要一款智能調光臺燈，使生活更加便捷[9]。為了改善傳統臺燈功能單一，與當前家電的智能化、人性化和低碳設計相悖的問題[10]，本文以LED臺燈為例，研究了家用臺燈的優化設計方案，通過硬件電路的構建以及相應軟件程序的編寫，實現智能臺燈的自動亮滅、智能調光、糾正坐姿等功能，操作和控制方式更加簡便，功能較為全面，使得臺燈更護眼、更節能、更加智能化[12]，并解決了傳統臺燈照明影響青少年的視力下降問題。

2 系統方案設計與論證

2.1 系統總體方案設計

本系統需要設計制作一種照度穩定可調的LED臺燈，需要滿足以下要求：LED臺燈照度穩定且連續可調，無頻閃，電源效率高；LED臺燈自動檢測環境光的強度變化，實時調節自身亮度，保持照度穩定。經過上述分析，照度穩定可調臺燈系統包含6個基本模塊，包括MCU主控、照度傳感器、按鍵輸入、TFT顯示器、恒流源及燈板，其總體設計框圖如圖1所示。

圖1 照度穩定可調臺燈整體方案框圖

系統以MCU主控為核心，按鍵、TFT顯示器構成人機交互接口，照度傳感器檢測環境照度，MCU根據用戶設置、采集環境照度，經過PID計算以后得出控制量，通過D/A轉化為模擬量，模擬量控制數控恒流源輸出恒定電流，達到照度可設置并可抗干擾的設計需求[1]。

2.2 主要模塊方案選擇和論證

2.2.1 主控芯片選型

方案一：采用STC89C52系列單片機。51系列單片機電路設計簡單，速度慢，且片內不帶D/A，容量有限。

方案二：采用STM32系列單片機。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核，增強型系列時鐘頻率達到72MHz，自帶D/A模擬量輸出；在需要復雜運算的環境中[4]，STM32具有較大優勢，能及時響應環境照度變化而及時調節輸出穩定照度。

考慮到系統對運算要求較高，而且需要有D/A模擬量輸出，使用STM32F103VCT6單片機符合設計需求。綜合以上兩種方案，選擇方案二。

2.2.2 電源模塊的論證與選擇

方案一：恒壓源模塊。

恒壓源在功率范圍內，輸出電壓保持恒定，不會因為負載的變化而發生變化。

方案二：恒流源模塊。

恒流源在輸出功率范圍內，輸出電流保持恒定的設備，負載變化時，輸出電流也不會發生變化[2]。

綜合以上兩種方案，考慮到系統要求調光臺燈輸入直流電壓Vi為10V～15V時，Vi變化不影響亮度，亮度從最亮到完全熄滅連續可調，無頻閃。因此采用方案二恒流源模塊。

2.2.3 照度檢測模塊的論證與選擇

方案一：采用光敏電阻。

光敏電阻，頻率響應(器件檢測變化很快的光信號的能力)很低。

方案二：采用照度傳感器BH1750。

BH1750引出了時鐘線和數據線，單片機通過I2C協議可以與BH1750模塊通訊，可以選擇BH1750的工作方式，也可以將BH1750寄存器的光照度數據提取出來。

綜合以上兩種方案，結合系統要求，選擇方案二照度傳感器。

3 理論分析與計算

要實現照度穩定，最重要的是實時動態調節，周期采集環境照度，再通過控制算法穩定輸出。雖然現在各種智能控制方法層出不窮，但是在工業控制領域，PID控制仍然占據了重要地位[6]，為了穩定光照，抵抗外界干擾，結合MCU方便處理數字信號的特點，本設計采用增量式PID控制方式穩定照度。

增量式PID控制，數字PID控制算法的一種基本形式，是通過對控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）進行PID控制的一種控制算法[7]，控制過程如圖2增量式PID控制概述圖。

圖2 增量式PID控制概述圖

PID根據輸入的偏差值，按照比例、積分、微分的函數關系進行運算，運算結果用以控制輸出[8]。

PID控制是自動控制原理中定義的一種控制方法，也稱為校正方法。PID控制主要是對系統偏差進行比例、積分、微分三種操作并線性組合成控制量，以減小系統誤差，提高系統響應速度和響應效果。

數字PID控制是把現場控制變量的模擬信號和對現場受控變量的輸出信號均轉換成了數字信號，PID的實現也是通過數字信號的設定來完成的。數字PID控制大多在DCS、PLC等計算機系統內完成。

數字PID控制的兩種基本形式是位置式PID控制和增量式PID控制，位置式PID控制是指在積分環節，對從0時刻到當前時刻的所有偏差進行積分，是非遞推式的全局積分。和位置式PID控制不同，增量式PID控制將當前時刻的控制量和上一時刻的控制量作差，以差值為新的控制量，是一種遞推式的算法，結合單片機特點設計選用增量數字PID控制算法穩定輸出，控制公式如下[8]：

根據增量PID控制公式，控制增量△u(n)的確定僅與最近3次的采樣值與設定值的差值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果，計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量。系統首先采集環境照度，再與用戶設置照度計算差值，經過PID控制公式得出控制增量，最后將控制增量累積到原有控制量上。

4 硬件電路設計

4.1 數控恒流源電路設計

恒流源分線性與開關型，線性恒流源精度較好，但是不能輸出較大電流，關鍵是效率不高[3]。為了滿足效率高效率的需求，本設計選用開關電源管理芯片LM2596設計恒流源，針對系統要求當調光臺輸入電壓在10～15V變化時LED臺燈亮度穩定，故設計選用如圖3所示的恒流源電路，保證在輸入電壓變化時，流過臺燈LED的電流值保持較好的穩定性。

LM2596系列是德州儀器（TI）生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，它內含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準穩壓器（1.23v），并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等[5]。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路，引入運算放大器形成電流反饋便可設計成恒流源，電路如圖3所示。

圖3 數控恒流源電路圖

本電路設計兩條反饋線，R1是固定反饋，當負載電阻過大或者斷開時讓電路有一個最大輸出電壓。使用運算放大器LM358構成第二條電流反饋線，通過R5功率電阻對電流進行采樣，經過第一級運放后采樣電壓被放大10倍，0～1A電流對應第一級運放輸出0～3.3V電壓，第二級運放是比較反饋，將采樣的電壓值與MCU主控D/A輸出的電壓進行比較，再反饋到LM2596的基準端，達到穩定電流目的，實現電流源設計。MCU主控D/A輸出0～3.3V電壓對應輸出0～1.0A電流。

4.2 照度檢測電路設計

照度檢測模塊需要實時采集臺燈與環境光的綜合照度，需要在多點采集照度，因此要多個照度傳感器模塊同時采集。因此，本系統傳感采集模塊選用數字型光強度傳感器集成電路BH1750FVI采集照度，數字接口，IIC通信協議，方便將信號傳遞給MCU，模塊設計雙接口（CN1、CN2），可以將多個模塊用串聯的方式接入MCU主控，通過R1、R2硬件設置模塊地址，設計電路如圖4所示。

圖4 照度采集模塊電路圖

4.3 MCU主控電路設計

MCU主控采用STM32F103VET6單片機，電路包含單片機最小系統、調試接口、電源電路、TFT顯示電路、按鍵電路、I2C接口、D/A接口及串口。關鍵接口電路設計如下：

人機交互接口電路如圖5，輸出使用TFT 2.8寸彩色顯示屏，分辨率為320*240，使用單片機內部FSMC接口直接驅動，硬件直驅可以有效使用單片機內部資源，驅動程序簡單，訪問速度快；輸入使用5個按鍵，電路使用簡單的獨立按鍵接法。

圖5 人機交互接口電路

照度采集及控制輸出電路如圖6，STM32F103VET6單片機片內自帶兩路I2C及D/A外設，接口電路設計相對簡單，采用對插接口直接引出，接口包含電源及通訊I/O，兩路外設全部引出。照度采集模塊使用I2C通信，與CN4、CN5接口對接，數控恒流源用D/A控制，與CN3接口對接。

圖6 照度采集及控制輸出電路

5 軟件設計

5.1 系統軟件設計

本系統核心軟件分兩部分：一是增量式數字PID設計，完成照度控制；二是人機交互設計，完成用戶信息輸入與信息輸出。STM32系列單片機系統啟動及外設驅動可以使用STM32CUBEMX軟件配置如圖7，同時選配FreeRTOS嵌入式操作系統，建立兩個線程，一個處理人機交互，一個處理照度控制。

圖7 系統啟動及外設驅動配置圖

5.2 處理人機交互軟件設計

系統正常運行過程中屏幕顯示信息包括：實時照度、設置照度與工作模式；按下“確定”鍵可以切換工作模式，“上”“下”鍵可以設置照度值，設置完畢后通過“啟動”鍵開始調節照度，實現的核心代碼如下：

5.3 照度PID控制軟件設計

系統分為兩個工作模式，即手動調節和自動調節模式。手動調節模式用于進行臺燈照度的手動調節，自動調節模式用來實現臺燈隨環境光變化自動調整自身亮度，以提供穩定顯示效果。照度穩定可調臺燈模塊軟件設計流程見圖8。

圖8 照度穩定模塊軟件設計流程圖

增量PID實現代碼如下：

6 測試方案與測試結果

6.1 測試方案

測試時，根據功能要求逐一測試結果。

6.2 測試結果

數字顯示照度表檢測頭置于調光臺燈正下方0.5米處，調整臺燈亮度，照度數字顯示不少于3位半，最大照度時顯示數字大于1000，遮擋檢測頭達到最低照度時顯示數字小于100。臺燈亮度連續變化時，數顯也隨之連續變化。亮度穩定時，數顯穩定，跳變不大于10。測試結果如表1，表2所示。調節調光臺燈輸入電壓Vi直流10V～15V時，Vi變化不影響亮度，測試結果如表3所示。

表1 測試結果

表2 測試結果

實現了亮度從最亮到完全熄滅連續可調，無頻閃（LED燈板供電電壓紋波小于5%）。臺燈供電電壓為12V時，電源效率（LED燈板消耗功率與供電電源輸出功率之比）不低于90%。

6.3 結果分析

通過多次測試，照度穩定可調，完全達到了設計要求的全部各項性能指標，滿足系統設計要求。

7 結語

經過測試可以得到，設計的照度穩定可調的LED臺燈，實現了臺燈照度穩定且連續可調，無頻閃，電源效率高。LED臺燈自動跟蹤環境光的強度變化，實時調節自身亮度，保持照度穩定。最終照度穩定完全達到了要求的全部各項性能指標，性能穩定、動作流暢。