一种新型的智能台灯调光控制系统

牛浩　刘存良

【摘  要】随着生活水平的提高，人们对台灯的需求趋于智能化与多功能化。本项目设计一种台灯的智能调光系统，以STM32微处理器为基础，采用基于Z源的BUCK斩波电路，为用户提供多种照明状态，并分为智能语音控制和人工控制两种调光方式;利用NRF通信技术，对用户的书写姿势进行纠正。文中给出了系统介绍方案，给出了硬件电路的设计方法。

【关键词】Z源BUCK斩波;智能;NRF无线通讯

引言

随着社会水平的发展，人们生活水平日益提高，对于台灯的功能也有了更大的挑战，更加的趋于个性化、功能的多样性和环保节能，单一的光照显然无法满足用户的需求，设计出一种多功能的智能台灯有很大的意义。本文设计了以STM32微处理器为基础的智能调光控制系统，根据使用场合的不同，提供不同的光照，并根据实际情况，分为智能控制和人工控制，当使用者出现不当的书写姿势，能够进行警报提醒，赋予了台灯更高的使用价值。

一、系统总体结构

智能台灯控制系统组成如图1所示，主要由STM32处理器、放大电路、调光电路、NRF无线通信、驱动电路、LCD警报模块、LD3302语音识别、HC-SR501热释电阻、BH1750FVI光传感器组成。系统采用了Z源斩波电路和红外传感器，实现对灯光照度，色温和模式的调节;并利用STM32处理器对语音进行识别，实现语音智能控制。超声测距与NRF无线通信的结合，对不当的书写姿势进行警报提醒。

图1 智能调光控制系统结构图

二、硬件电路设计

2.1驱动电路

多功能智能台灯采用直接供电，把电源模块分为两级，第一级电源模块为AC-DC开关电源模块，可将输入的220 V市电经AC/DC转换，同时输出12V和5V的直流电壓，第二级电源模块为一款基于LM2596S芯片的调压模块，可将5V电平转为3.3V输出。

2.2热释电阻电路

热释电阻输出接三极管B极，正极与C极相连，负极与三极管E极接地，根据需要，设置保护电阻。

2.3放大电路

来自STM32微处理器的接口电流较小，采用LM324的二级放大电路，一级放大约为50倍，二级放大约为100倍，达到下级调光电路所需的电压值。

2.4调光电路及其原理

调光电路是基于Z源的BUCK斩波电路，L1和C1构成输入滤波器，L4和C4构成输出滤波器，用于滤去斩波产生的高频谐波，带有反向续流二级管的四个开关管IGBT1、IGBT2，、IGBT3：和IGBT4，构成开关控制电路：L2、C2、L3、C3构成主电路的Z源网络。

输入电压为正时，IGBT1和IGBT3处于互补通断状态，IGBT2和IGBT4处于常通状态;在输入电压为负时，则IGBT1和IGBT3处于常通状态，IGBT2和IGBT4处于互补通断状态。设开关周期为T，IGBT1 的开关占空比为D，则在DT时间内，电流流过IGBT，和D给负载供电并且给Z源网络中的电感充电，设输入交流电压为Ui，输出电压为UO，电感L2两端的电压可以表示为UL2，C2两端电压为Uc2则有以下关系式

（1）

故在（1-D）T时间内，根据Z源网络的对称性，得

（2）

在输入电压一个周期内，根据能量守恒，输出功率与输入功率在整个回路代数和为0，联立（1）和（2）式，得输出电压Uo为

（3）

由表达式可得，电压随着占空比增大呈指数型增长，本项目取日常照明时的D=0.32。

电路具体连接如下图2所示，其中输入滤波电路的电感值与电容值分别为105uH和3uF，输出滤波电路的电感值与电容值分别为2.3mH和13uF，Z源网络的电感值与电容值分别为1mH和2.8uF。利用STM32微处理器调节IGBT的占空比即可得到不同的输出电压值，电路的设计简单，工作稳定。

图2调光主电路

三、软件设计

根据用户的实际使用情况，设定五种的工作色温与亮度：阅读、书写、办公、娱乐和日常照明。并根据实际情况，设置为智能语音调节和人工手动调节。当使用智能語音识别时，当用户说出特定的指令时，LD3320芯片对其进行语音识别，转化为频谱，并与单片机的内部设定的词条进行匹配，当吻合后，调节IGBT的占空比，调节电压。

当用户在书写出现不正当的姿势时，实时监测的超声测距模块会将数据发给NRF模块，再由NRF发送给主机，分析后对用户进行声音警报，并在LCD液晶屏上闪烁相应词句进行提醒。

结束语

总而言之，在生活水平日益增长的今天，用户对台灯的功能提出了更多的要求，社会上目前存在的台灯多为传统的单一照明台灯，不能满足用户的需求，用户对于多智能化与多功能化的呼声越来越高。本系统的设计是为了满足用户的痛点，在传统台灯突出的缺点给予了创新的设计，能够满足用户的基本需求，极大的提高了台灯的使用价值。

参考文献：

[1]刘晓胜、张迪、宋其涛、徐殿国.一种适用于可变电阻感负载的交流调压器   2007.10

[2]毕丽君.一种基于热释电传感器P7187的人体测温仪的设计 2007.03

[3]陈喜春.基于LD3320语音识别专用芯片实现的语音控制   2011.11

（作者单位：1、安徽科技学院电气与电子工程学院;2、广东移动佛山分公司）