基于STM32单片机的照度稳定可调LED台灯设计与实现①

2022-03-01刘永锋

建材技术与应用 2022年1期

□□ 刘永锋

(山西职业技术学院，山西太原 030006)

1 系统方案

1.1 总体设计

该设计任务来源于2021年全国大学生电子设计竞赛高职高专组K题“照度稳定可调LED台灯”。任务要求设计并制作1台照度稳定可调的LED台灯和1个数字显示照度表。调光台灯由LED灯板和照度检测、调节电路构成，设计逻辑如图1所示。首先对可调LED台灯进行模型分析及控制系统设计，从结构、电路、软件三方面进行设计、制作、调测，调测之后进行组装，根据调测结果对软硬件进行相应修正，从而完成设计任务。

图1 系统设计逻辑图

1.2 方案论证与选择

1.2.1主控模块方案论证与选择

主控模块在该系统中起核心控制作用，在照度检测电路中，多路光照度传感器采集数据后通过内部控制算法实现对LED灯板亮度的控制。

(1)AT89C51单片机。51单片机比较常见，但其片内资源较少，存储空间有限，速度偏低，处理效率不高，不是最优方案。

(2)STM32微控制器。STM32系列微控制器运行主频可达72 MHz以上，片内资源非常丰富，高达256KB以上的Flash以及32位处理性能，在复杂程序处理上表现优异。

通过上述比较，拟选用STM32微控制器。

1.2.2供电电路设计方案论证与选择

(1)采用12 V开关电源给LED台灯进行供电，缺点是降压时，电压突变过大，又不方便调节输出电压，降压后输出不稳定。

(2)采用10～15 V可调直流稳压电源，优点是电压输出稳定，使用方便，便于测量，而且电流低，输出电压可调，安全性高，对电路有短路保护的作用，符合要求。

直流稳压电源优点多，可以完美满足设计要求，同时符合用电安全准则，故采用该电源。

1.2.3LED灯板的论证与选择

LED灯板在系统中负责产生光源，要求有>1 000 lx的光亮度，亮度和散热等因素均需要考虑。

(1)大功率LED灯泡。该方案亮度可以实现，但是在其0.5 m下方各点处亮度不够均匀，同时其供电需求为220 V，存在一定安全隐患，亮度调节也不便。

(2)多颗高亮LED灯组成的灯板。该方案使用≮30颗高亮LED灯组成灯板，供电电压可以控制在12 V安全范围，可以通过调整灯板供电电压大小控制LED灯光的亮度，在灯板下方0.5 m范围内亮度均匀并可超过1 000 lx。

综合考虑，采用多颗高亮LED灯组成的灯板。

1.2.4电压控制电路的论证与选择

电压控制电路在系统中起调控LED灯板亮度变换功能，可以控制灯板从亮度最大到完全熄灭连续可调。

(1)MOS管电压控制方式简单，输入电阻高，噪声低，热稳定性好，但是容易被静电击穿，开关频率速度要求不能过快，散热性能一般。

(2)DRV8848是一款高效双路H桥电机驱动器，具有PWM控制端口，最大输出电流可达4 A，稳定性高，散热性好，可以快速稳定调整电源输出，从而能实现对LED灯板亮度的连续调节。

综合上述，选择DRV8848作为电路电压控制装置。

1.3 系统结构

系统电路主要由4部分组成，分别是电源模块、降压模块、信号采集模块及信号处理与显示电路模块。其中直流稳压电源为10～15 V可调式输出，电路电压降低到5 V、3.3 V以供单片机与显示屏使用，信号采集电路将光照度传感器所采集到的光照度信息发送给单片机处理，控制LED灯板执行预定光照度电压，显示屏实时显示光照度信息。如图2所示。

图2 系统结构图

2 理论分析与计算

按照台灯设计要求电源效率在90%以上，其计算方法为：电源效率=(Pout/Pin)×100%。该系统采用PID算法来控制照度。系统开始工作后，照度传感器不断采集当前LED灯照度值，并与设定需要维持照度比较，使得中心点照度稳定在LED可调节范围内。PID算法控制器由当前照度比例P、照度误差积分I和照度微分D组成。在系统中仅使用PD控制算法。

照度误差比例P：对LED灯进行比例调整，即对PWM占空比调整。比例越大，调节速度越快。过大可能造成LED灯在调节过程中出现屏闪。

照度误差微分D：微分作用反映LED灯照度的变化率，能预见偏差变化的趋势。因此，能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，减少调节时间，以应对环境光突变的状况。

3 电路与程序设计

3.1 电路设计原理

3.1.1数字电位器设计原理

(1)数字电位器如图3所示。亦称为数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器(模拟电位器)的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。数字电位器由数字输入控制，产生一个模拟量的输出。

图3 数字电位器原理图

(2)电源模块设计使用直流可调稳压电源0～30 V，可调性流畅，精度高，使用方便，输出稳定，内设有保护电路功能。

3.1.2降压电路

将开关电源的电压12 V降为5 V，如图4所示。

图4 降压电路

3.2 程序设计

数字显示照度表流程图如图5所示。

图5 数字显示照度表

照度稳定可调LED台灯主程序流程图，如图6所示。

图6 程序流程图

4 测试结果与分析

4.1 测试方法

(1)将台灯调整到最大亮度，在其下方0.5 m距离处放置一张A4白纸，用自制STM32的照度检测仪检测整张白纸内的照度，各找角度差<5%。台灯的照度检测头可有多个，位于A4纸纸面以外的任何位置。

(2)用另一调至最大亮度的LED灯板作为测试用环境干扰光源，改变距离实现干扰光强变化。当环境光缓慢变化时，最弱最强变化时长≮10 s，台灯能自动跟踪环境光的变化调节亮度，保持纸面中心照度变化≯5%;当环境光突变时，最弱最强变化时长≯2 s，纸面中心照度突变变化≯10%。当环境光增强直至台灯熄灭，纸面中心照度变化≯10%。

(3)用另一个调至最大光源的台灯作为干扰源，改变距离实现光强变化，干扰源缓慢变化时，台灯逐渐变暗，中心照度变化≯5%；当环境光突变时，纸面中心照度突变变化≯10%；环境光增强直至台灯熄灭，纸面中心照度变化≯10%。

4.2 测试结果分析

(1)数显照度表位于调光台灯正下方0.5 m处，调整台灯亮度所测得光照度数据见表1，最小照度<100 lx，最大照度>1 100 lx，连续变化时显示屏数据显示稳定，变化幅度在10以内，照度表与台灯之间无任何信息交互。