照度穩(wěn)定的LED工作臺設計

李志明，李春鵬

（南京鐵道職業(yè)技術學院，江蘇南京，210031）

1 系統(tǒng)目標要求

本工作臺能夠?qū)崿F(xiàn)在不同光強下快速響應并穩(wěn)定校準自身亮度的功能，使工作臺大部分區(qū)域保持穩(wěn)定照度和均勻度。系統(tǒng)通過鍵盤下達指令，單片機通過光照傳感器獲取當前點的照度，隨即使用PID 算法進行PWΜ 調(diào)光，使得燈光快速進行變化以響應環(huán)境要求，保持指定范圍光照均勻穩(wěn)定。本裝置能在環(huán)境光快速變化時急速響應（光照度變化±10%），在環(huán)境光緩慢變化時精確校準（±5%）。系統(tǒng)要求主要有兩個方面，一方面是光照的均勻性，一方面是光照穩(wěn)定性，即光照抗干擾能力。以下文章主要從這兩方面進行闡述。

2 光照的均勻性設計

首先進行不控制的均勻性設計，目的是在不進行任何控制的情況下，使光照度較為均勻照射在工作臺上。發(fā)光二極管（LED，LightEmittingDiode）作為第四代照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、體積小、抗震性好及高顯色性等優(yōu)點[1]，目前已廣泛應用于特種照明領域，比如飛機場跑道警戒燈、手術臺無影燈等等。本文就LED 光源單點光源、環(huán)形陣列光源、方形陣列光源光學特性進行仿真模擬、比較分析。

■2.1 單點LED 光源光學特性與建模

單點LED 光源光強分布特性有如下公式[3]：

其中，θ是發(fā)光角度，I0是發(fā)光角角θ=0 時的光強。m 是由制造工藝確定，光源生產(chǎn)廠家出廠給定該參數(shù)。LED光源理論上可近似為點光源，其光場照度為：

其中，r為光源到工作臺之間的距離。將（2）式轉(zhuǎn)換為直角坐標系：

式中，(X,Y)為LED 光源在工作臺平面上的投影坐標，z為LED 光源到工作臺之間的垂直距離。m為光源特性參數(shù)，由生產(chǎn)廠家給定。仿真工作臺為1m2，高度為0.5m，圖1是單點LED 光源放置在工作臺中心點處的照度分布登高曲線和三維曲面圖。

圖1 單點LED 光源照度分布圖

可以看到，光強隨著離中心距離越遠越弱，這跟日常生活經(jīng)驗一致。很明顯，單點光源不能很好地控制工作臺上的光強均勻度。下面就進行環(huán)形和方形LED 點陣的光強的仿真。依據(jù)國際照明協(xié)會規(guī)定，也就是本工作臺指標要求：

根據(jù)式（4）計算得到光斑半徑R，根據(jù)簡單的幾何知識可得發(fā)光角度α：

R為光斑半徑，h為光源到工作臺得垂直高度，rN環(huán)形陣列得最大半徑或者為方形邊長一半。該公式可以計算光強均勻度得范圍大小。

■2.2 環(huán)形和方形LED 點陣的光學特性與建模

目前常見得LED 點陣為環(huán)形或者方形，下面就環(huán)形和方形分別進行光學特性仿真一邊選擇更利于工作臺的LED點陣結(jié)構。對于環(huán)形結(jié)構，光強公式[4]如下:

其中，M是環(huán)形陣列的環(huán)數(shù)，ri是第i環(huán)半徑，Ni是第i環(huán)的LED 光源數(shù)。為了簡單觀察比對比，我們假定工作臺中心為原點，環(huán)形半徑為0.25m，點光源分別放置在極坐標（0.25，0°），（0.25，90°），（0.25，180°），（0.25，270°）。仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 環(huán)形陣列LED 光源照度分布圖

對于方形結(jié)構，光強公式[4]如下：

其中，假定N為偶數(shù)，d為點光源之間距離，Ni是第i環(huán)的LED 光源數(shù)。為了跟環(huán)形結(jié)構光強比較，方形結(jié)構LED 燈陣也假定4 個LED 點光源。同樣，設置工作臺中心為原點，4 個LED 點陣分別放置在（0.25，0.25）、（-0.25，-0.25）、（-0.25，0.25）、（0.25，-0.25）。仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 方形陣列LED 光源照度分布圖

在相同的LED 光源，即參數(shù)m，I0 一致，高度一定的情況下，很明顯，方形結(jié)構的光斑半徑比環(huán)形結(jié)構更大，照射范圍更廣，但是中心照度較小。

筆者為了選擇合適的點陣，在其他條件都不變的情況下繼續(xù)增大LED 的點陣數(shù)目，分別8 點和16 點LED 點陣光源照度分布如圖4 所示。

圖4 方形陣列8 點和16 點LED 點陣光源照度分布圖

可以看出，在1m×1m 的工作臺上，8 點均勻分布的LED 點陣，照度均勻性更好，并且接近于圓形點陣分布。16點陣由于過密，光源照度均勻度出現(xiàn)了嚴重分區(qū)現(xiàn)象，當然可以通過調(diào)整m的值進行控制。事實上，隨著LED點數(shù)增加，方陣的光斑會趨于圓形[4]。并且，有研究表明LED 方形陣列光斑的照度均勻度隨目標距離、隨m 值以及隨燈芯間距的變化規(guī)律都是非線性增大或者減小[4]。這里不再重復。

由上根據(jù)照度均勻性要求，LED 點陣方形結(jié)構的照度均勻度比環(huán)形結(jié)構更好一些，因此系統(tǒng)設計選擇光斑范圍更大的8 點陣的方形結(jié)構。在確定了基本LED 點陣結(jié)構之后，為了控制干擾光源對工作臺的干擾系統(tǒng)使用了傳統(tǒng)的PID控制。現(xiàn)在簡要介紹PID 原理和在本系統(tǒng)中的使用。

3 PID 控制及應用

系統(tǒng)控制干擾對工作臺光照均勻度的影響不能得到一個精確的數(shù)學模型，對控制結(jié)構和參數(shù)目前也沒有深入研究，因此系統(tǒng)使用了PID 控制技術，是系統(tǒng)能根據(jù)外部光源的干擾而實時控制LED 燈陣，保持系統(tǒng)的照度均勻性。

系統(tǒng)總體控制如圖5 所示，由被控制對象光照均勻度和PID 控制器組成。

圖5 PID 控制系統(tǒng)原理框圖

PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值rin(t)與實際輸出值yout(t)構成控制偏差，即：

PID 的控制規(guī)律為：

或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)的形式為：

式中，Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)計算公式如下：

簡單說來，PID 控制各校正環(huán)節(jié)的作用有詳細書籍介紹，這里僅僅給出基本結(jié)論，比例環(huán)節(jié)能快速減少誤差，但是不能消除靜態(tài)偏差，容易引起系統(tǒng)震蕩。因此需要引入積分環(huán)節(jié)消除靜態(tài)偏差。微分環(huán)節(jié)主要是減小振蕩克服偏差。

調(diào)整PID 參數(shù)的方法有很多，這里僅僅筆者經(jīng)驗方法。首先切除積分和微分的影響，即只用比例進行調(diào)整，不斷調(diào)整比例系數(shù)至系統(tǒng)平穩(wěn)震蕩4 到5 個估算周期。估算出周期值T，此時取值比例系數(shù)Kp=1.7T，Ki=0.5T，Kd=0.125T。多數(shù)情況下，此時系統(tǒng)應該比較穩(wěn)定，如果還沒有達到理想狀態(tài)，在此基礎上微調(diào)參數(shù)即可。

4 系統(tǒng)整體設計

■4.1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)主要由STΜ32F103ZET6 單片機系統(tǒng)板、電源模塊、LTC3780 穩(wěn)壓電源模塊、ULN2003 驅(qū)動器、4×4矩陣鍵盤、LCD 顯示屏、BH1750FVI 光照傳感器、LED 燈帶等部分組成。使用者矩陣鍵盤發(fā)出自動調(diào)試信號，通過BH1750FVI 光照傳感器檢測環(huán)境光變化并向單片機發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機開始運算，通過PID 算法得出結(jié)果并以PWΜ 形式輸出電壓控制LED 點陣光照，最終使得工作臺光照按照指令進行工作。

圖6 系統(tǒng)框架圖

■4.2 硬件設計

控制單元選用當前流行的STΜ32F103ZET6，這款單片機具有72ΜHzCPU 的速度和高達1ΜB 的閃存，具有豐富的外圍設備如CAN 總線接口、USB 全速接口、串口、I2C總線、DΜA 控制器、多個12 位AD 轉(zhuǎn)換器和DA 轉(zhuǎn)換器等等，能滿足各種應用場景。STΜ32 系列ARΜ Cortex-Μ3 32位閃存微控制器工作時具有低功率、低電壓，并結(jié)合了實時功能的極佳性能。能實時采集光照傳感器的照度變化，并能快速通過PID 調(diào)整工作臺點陣光源的亮度。因為系統(tǒng)設計接口較多，因此對電源要求也很高，要求穩(wěn)定輸出3.3V、5V 和6V 電壓，系統(tǒng)設計電源模塊如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)電源設計模塊

光照傳感器：采用BH1750FVI 芯片，工作電壓3～5V，傳感器內(nèi)置16bitAD 轉(zhuǎn)換器，直接數(shù)字輸出，省略復雜的計算，省略標定，不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1LUX 的高精度測定。

■4.3 核心電路設計

BH1750FVI 芯片核心電路設計，光照從PD 進入傳感器，經(jīng)過運放放大，到ADC，最后經(jīng)I2C 總線傳送給控制器。

圖8 BH1750FVI 電路圖

■4.4 系統(tǒng)總體工作流程

系統(tǒng)上電后開始工作，ΜCU 通過鍵盤掃描獲取用戶輸入指令。用戶輸入手工調(diào)整亮度指令時，系統(tǒng)通過獲取可調(diào)旋鈕的電壓來控制LED 點陣亮度。如果用戶開啟系統(tǒng)抗干擾模式，則系統(tǒng)實時通過工作臺上的光照傳感器獲取當前強光的來源和方向，通過PID 控制LED 點陣的亮度來調(diào)整工作臺的光照均勻度。以達到工作臺照度均勻的要求。

5 作品成效總結(jié)分析

■5.1 系統(tǒng)測試性能指標

表1 數(shù)據(jù)是當環(huán)境光緩慢變化，系統(tǒng)自動校準時。紙面中心照度變化小于5%。當環(huán)境光突變，系統(tǒng)自動校準時。紙面中心照度變化為小于10%。當環(huán)境光增強至工作臺熄滅，紙面中心照度變化小于10%，符合系統(tǒng)要求。

圖9 系統(tǒng)總體工作流程

表1 光照均勻測試數(shù)據(jù)

■5.2 創(chuàng)新特色總結(jié)展望

本設計使用BH1750FVI 光照傳感器進行數(shù)據(jù)采集，用STΜ32F103ZET6 進行數(shù)據(jù)處理并使用六路PID 算法及PWΜ 控制LED 燈珠光照程度；系統(tǒng)機械結(jié)構搭建合理，充分保證了系統(tǒng)總體結(jié)構的穩(wěn)定，具備較好的抗干擾能力，實現(xiàn)了較快的校準速度及較高的精準度。

本設計控制光照均勻度應用在各個特殊領域，如手術臺無影燈，機場跑道的警戒燈，用于治療嬰兒黃疸LED 治療箱等等。后期在結(jié)構穩(wěn)定性、光學原理、機械結(jié)構燈方面進行深入研究，爭取更好作品應用于生活生產(chǎn)的各個領域。