智能变色LED灯的发明研究

(西北民族大学 甘肃 兰州 730124)

智能变色LED灯的发明研究

谷若芸

(西北民族大学甘肃兰州730124)

本文在总结了前人LED的基础上，提出智能LED台灯的设计原则和要求，利用STM32芯片实现智能LED台灯系统的调光和调色，系统可实现亮度5%～100%的调节，实现十种色彩调节，满足人们的多样化照明需求。

智能照明；设计原则；调节亮度；调节色彩

一、引言

在目前全球能源紧张的大背景下，节能减排成为当前世界共同探讨的关键话题。而我国目前的照明依旧是以低效率的白炽灯为主，能耗较大，由此可见照明节能影响深远。

发光二极管是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。它具有节约电能(同白炽灯相比节省80%，同荧光灯相比节省60%)、发光效能高(比白炽灯高20倍；比荧光灯高5倍)、寿命长(是白炽灯的50倍，荧光灯的6倍，理论上照明10万～12万小时)；污染小(LED替代全部荧光灯后每年可以减少8000万吨CO2，65万吨SO2，32万吨NO2的排放；无红外线和紫外线辐射；减少Hg的危险)和智能灯(小尺寸光源，色彩再现良好、瞬时点亮；可进行传统光源无法进行的等级控制；具有分光光谱、色温、偏振等特点)[1-5]。

近年来LED技术快速发展，照明系统功能不断完善。随着社会的发展人们对照明的要求越来越高，特别是在家居方面，传统灯具已经不能满足人们对照明的需求，智能化照明成为发展的方向。本文旨在基于单片机设计一套高亮度、多色彩、低成本的调光调色照明系统，以满足人们不同的照明需求。

二、智能 LED 台灯设计原则及要求

(一)智能 LED 台灯设计原则

台灯是我们日常生活中基本的系统，它的发展会给人们的生活带来深刻的影响。智能化的LED 照明不仅能方便用户的生活，，有益于人们的眼睛和身心健康而且还能为人们提供多姿多彩的工作和生活照明环境，给人们带来美好的感受。

通过查阅相关文献[6-8]，在设计智能LED 台灯时应遵循以下原则：

1.实用性。智能 LED 台灯的设计应以实用为核心，避免不必要的光源和设备，产品设计始终围绕实用性开展。

2.舒适性和人性化。随着社会经济的发展，人们对照明的要求已经不仅仅停留在可视性的阶段，而是开始更多地追求节能、环保、安全、美好的照明感受等满足社会可持续发展和精神层面的要求。因此，一个好的台灯应该使人们可以根据具体的环境以及自己对环境和生活的不同理解，来选择特定的照明效果，实现舒适性和人性化的照明控制，使照明兼具可视性和观赏性，满足人们的生理和心理要求，为人们的生活和工作建立一个合理、舒适的照明环境。

3.操作便利性。智能 LED 台灯的设计要考虑到用户并非专业人员，设计控制系统时要尽量使操作步骤简单易学，控制界面最好能够采用清晰易懂的日常化图形，真正实现所见即所得。

(二)智能 LED 台灯设计要求

LED以其环保、节能、寿命长已经得到广泛的应用，分析当今LED市场可知，LED光源将不会是未来照明行业的发展重心，智能LED照明才是照明市场的“明星”。智能LED台灯设计要求以LED光源为基础，充分利用LED 调光技术，实现对智能LED台灯的控制，使之能更好地为人类服务，通过查阅相关文献[9-11]，具体要求为：1)既能满足智能化的日常照明需要，又能提供人性化的景观照明需求；2)日常照明 LED 灯具能控制点亮、熄灭及调节亮度；3)景观照明 LED 灯具能控制点亮、熄灭及运行指定的色彩方案；4)对LED灯具实现分组控制；5)LED灯具亮度和颜色切换时，不能产生视觉上的不适；6)上位机的控制界面应该直观易懂、操作步骤简单易学。

三、系统简介及工作原理

(一)系统简介

本文设计的系统可以实现LED光源色彩、亮度等参数的调节功能。系统设计五个按键控制设备发出的控制信号，并根据处理结果驱动相应的电路实现照明调节。图1为智能变色LED台灯电路图。

图1 智能变色LED台灯电路图

(二)工作原理

首先光照射到LED灯系统的感光元件上，软件系统会对光照进行检测并在显示屏上显示相应的数值。根据环境亮度调节LED灯光亮度。本系统设计了五个按键对LED灯光颜色和亮度进行调节，分别为电源开关键、灯光色彩调节键、亮度加键、亮度减键和复位键。

当周围光强信号较高时，LED灯关闭；当周围光强度信号一般时，控制器打开LED灯；光强信号较低时在增加LED灯亮度，光强信号最小时，增加LED灯亮度至最大。同时本系统LED灯光具有十种色彩，可在不同环境和用户需要的情况下进行调节。根据光强情况调节亮度和色彩，达到最大限度的节约电能和却不影响正常照明的目标。

(三)创新点

工作电压低，能耗低的LED灯构成照明设备，相对于普通的灯具，我们的LED灯有以下优点：

1)亮度调节：根据外界的光线强度，自动识别白天黑夜，控制开关是否工作，并且可通过单片机控制LED灯的驱动电路来调节其亮度，达到节能的效果；

2)发光效率高：消耗的能量较同光效的白炽灯较少80%，较荧光灯减少50%；

3)实用性强：利用单片机进行控制可靠性高；控制功能强，具有丰富的控制指令；体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化；

(四)小结

本文提出LED台灯设计的3点原则和6点要求，基于单片机的智能变色LED台灯以STM32F103RB芯片作为主控芯片，设置了电源开关键、灯光色彩调节键、亮度加键、亮度减键和复位键五种功能键，实现了LED灯光的亮度调节和色彩调节，满足人们的多样化照明需求。

[1]胡子牛,张伟,肖雅金,尹辉.一种基于单片机的智能LED照明灯设计[J/OL].电脑知识与技术,2017,13(02):220-222.

[2]曹文越.基于单片机的LED智能照明系统[J].电子世界,2017,(05):184-185+190.

[3]李圆圆.基于单片机的高功率因数智能调光LED驱动器的设计[D].天津工业大学,2016.

由西北民族大学电气工程学院“双E”项目资助