基于STM32的LED台灯照度控制系统设计

姚强，孙勤良

（湖州职业技术学院 机电与汽车工程学院，浙江湖州，313000）

0 引言

目前浙江湖州正在打造“全国绿色智造名城”，各行各业都在向绿色智造转型升级，因此传统智能型台灯也将逐渐被绿色智能型台灯所替代。例如张钰琛等人[1]基于Arduino设计了一款智能语音控制台灯，通过语音控制台灯的开启、关闭、闪烁和灯头抬高功能；安章顺等人[2]基于微信小程序开发了一款智能台灯，实现利用手机无线操控室内台灯的亮灭，同时可以有效控制台灯的各种颜色和亮灭的混合；陈雪娇等人[3]基于树莓派设计的智能台灯，可通过触摸屏控制LED台灯包括开关、亮度及颜色变化。上述智能台灯都是主要从用户使用便捷角度出发设计了诸多功能，未贯彻绿色智造的理念。本文主要从照度稳定和连续调光角度出发进行台灯设计，该设计不仅具有节能环保的特点，而且对人的视力保护和身心健康也具有重要意义，符合智能制造的绿色评价指标体系[4]，对环境和用户的影响都是积极的。

1 系统方案设计

在充分考虑节能的前提下，选用了由低功耗单片机STM32F103C8T6单片机、PWM控制模块、OLED显示模块、BH1750照度传感器、独立按键和LED灯板组成的设计方案。应用STM32单片机定时器的比较模式生成PWM控制信号，该信号施加在PWM可控电流源模块上，控制该模块驱动LED台灯，通过最小二乘直线拟合算法[5]粗调PWM的占空比，再经过一个步距为2的占空比微调，对光照度形成精确的闭环控制，实现对LED台灯照度的连续稳定调节，系统方案如图1所示。

图1 系统设计框图

2 控制系统硬件设计

2.1 主控芯片选择及引脚分配

该设计采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，STM32F103C8T6是一款32位微控制器，该单片机采用ARM Cortex-M内核，最高时钟频率可达72MHZ，封装体积小，价格与家族其他芯片相比较低、相比8位单片机性能更优，所以考虑用此芯片作为主控芯片。主控芯片引脚功能分配如表1所示。

表1 主控芯片引脚功能分配表

2.2 显示模块设计

LED台灯显示模块通过一块0.96寸OLED来实现，OLED是利用多层有机隔膜结构产生电致发光的器材，它性价比高，价格便宜。通过SPI总线和单片机进行信号传输，接口只需五个I/O即可驱动，速度更快，模块本体轻薄，功耗低，发光效率高，满足项目设计对显示技术的需求[6]，如图2所示。

图2 OLED引脚接线图

2.3 PWM可控电流源模块设计

该模块采用德州仪器TPS92200D1作为恒流源控制芯片，它具有4～30V的宽电压输入范围，连续工作电流为1.5A，开关频率支持1MHz，最大占空比可达99%，支持数字输入的PWM调光和模拟输入的模拟调光。采用了多种保护措施，包括LED开路和短路保护，传感电阻器开路负载和接地短路保护，为保护LED免受过流损坏，当检测到过流时，驱动器将会被关闭并锁存。STM32的定时器工作在输出比较模式，通过在软件中修改比较参数实现PWM占空比可调。PWM可控电流源模块电路设计图如图3所示，其中PB5为单片机的PWM输出引脚。

图3 PWM可控电流源模块设计

2.4 光照度检测模块设计

光照度传感器采用BH1750，这是一款数字型照度传感器集成芯片，BH1750引出了时钟线和数据线，单片机通过IIC协议可以与BH1750模块通讯，单片机的PB6连接IIC外设的时钟线，PB7连接IIC外设的信号线[6]，如图4所示。

图4 BH1750照度传感器引脚接线图

2.5 按键模块设计

按键连接的单片机引脚采用上拉输入模式，当按键断开时，单片机引脚（PA0、PA1）处于高电平状态，按键按下时输入低电平，按键可以设定LED台灯的光照度，其中KEY1和KEY2分别为增加和减小光照度，如图5所示。

图5 独立按键引脚接线图

3 控制系统软件设计

3.1 系统软件组成及其功能介绍

软件设计包含初始化程序、OLED显示程序、BH1750照度检测程序、PWM控制程序、按键检测程序和照度调节程序。初始化程序主要完成OLED驱动模块、BH1750模块、按键模块、和定时器模块的初始化工作；OLED显示程序主要是完成STM32单片机通过SPI总线和OLED通信，定时刷新OLED，显示当前照度值（Current_lx）和设定照度值（Set_lx）；BH1750照度检测程序完成STM32 单片机和BH1750传感器通过IIC通信，获取台灯正下方的实际照度值；PWM控制程序的功能是完成生成占空比可调的PWM，利用STM32定时器的比较模式，通过TIM_SetCompare2函数更新PWM的占空比[7]；按键模块的功能是完成照度值的设定任务，按键状态在主程序中采用查询方式获取；照度调节程序的功能是完成LED灯照度的控制功能。系统的软件控制流程图如图6所示。

图6 软件控制流程图

3.2 照度控制算法

LED台灯的光照度近似与控制信号PWM的占空比呈线性关系，PWM占空比越高，LED台灯的光照度越高。如手动设定台灯光照度值，根据线性关系可以求解得到占空比的值，利用STM32定时器的比较模式，通过TIM_SetCompare2函数更新PWM的占空比，从而实现台灯照度的调节，所以快速和准确调节PWM占空比成为照度控制的关键技术问题。STM32的定时器TIM3的PWM输出模式可产生一个由TIM3_ARR确定频率，TIM3_CCRx确定占空比的信号，PWM占空比和CCRx的关系如1式所示。

CCRx寄存器的值即为TIM_SetCompare2的参数Compare2的值，故可采用线性拟合的方法得到光照度与CCRx的函数关系。首先采集7组光照度ix和Compare2iy数据，数据如表2所示；然后利用Python3和最小二乘法对x，y进行线性拟合[8]得到的函数图像如图7所示，最后求解出光照度x与Compare2值y的函数关系如（2）式所示。

表2 无干扰源下的台灯实测光照度与TIM3参数Compare2的关系表

图7 台灯实测光照度与TIM3参数Compare2的函数关系图

照度调节算法主要由粗调和微调两部分完成。按照光照度和Compare2的值的线性关系可得到(3)式，其中Set_lx为设定光照度值，Current_lx为实测光照度值。

粗调部分根据(4)式来完成

利用粗调算法反推出参数Compare2的粗大值，实现快速让光照度调整到设定光照度值附近，然后用步进的方式在主循环中进行微调，最终实现光照度调节的目的，因为采用的是闭环控制，如若环境中有干扰光源存在，该系统依然可以实现较好的控制。该算法相对于单纯使用微调算法，调整速度更快，满足对实时性要求较高的场合。

4 系统测试方案及结果

为测试台灯的设计效果，设计了相应的测试方案，LED台灯样机如图8所示。分别从台灯照度的连续性、稳定性、抗干扰性和节能性四方面进行测试，测试结果如表3所示。

表3 LED台灯测试结果

图8 LED台灯样机

连续性：台灯从亮度最高直至熄灭，整个过程中，台灯有无频闪。

稳定性：将台灯调整到固定的照度值，观察10s内台灯照度值的波动范围。

抗干扰性：将台灯调整到最大照度值，加入环境干扰光源，干扰源的光照度与台灯光照度相近。干扰源的扰动分为两种情况：干扰源调至照度最大，10s之内从台灯上方逐渐靠近台灯，直至台灯熄灭，在此过程观察台灯照度值的波动；干扰源在2s之内突然加入，观察台灯照度的波动。从上述测试结果可以看出，该台灯的照度稳定性已经可以完全达到日常使用的需求。

节能性：台灯供电电压为12V 时，LED 灯板消耗功率与供电电源输出功率之比。

5 结语

本文基于STM32F103C8T6芯片设计了一款符合绿色智造性指标的LED台灯，该台灯主要分为硬件设计和软件设计。首先硬件设计包含主控芯片、OLED照度显示、BH1750照度检测和PWM控制；然后软件设计主要包含各个硬件模块的驱动程序设计和LED台灯照度调节算法设计及实现，其中照度调节算法分为粗调和微调两部分，粗调算法采用线性拟合的方法得到比例系数，应用比例系数乘以设定照度和实测照度之间的差值就可以得到PWM占空比的调整值，微调算法采用步距为2进行调整PWM占空比，步距为2是综合考虑LED台灯性能的影响因素，经过实验最终确定的。微调算法步距过大，LED台灯照度波动比较大，稳定性差；微调算法步距过小，照度调整到稳定的时间变长；最后通过设计的测试方案，从照度连续性、稳定性、抗干扰性和节能性四个方面验证了LED台灯照度是稳定且连续可调的，可以满足用户的日常使用需求，未来还将该台灯的设计理念应用于《绿色智造技术应用》课程中的项目化教学中[9]，有利于帮助学生树立绿色智造意识。