朱娟娟

(山西職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

0 引言

LED光源因其光線質量好、節(jié)能環(huán)保、易于控制、體積小、設計靈活等諸多優(yōu)勢，在照明、裝飾、交通、顯示等各個領域廣泛應用。而LED臺燈作為我們?nèi)粘Ｉ詈蛯W習的必備品，隨著人們對照明要求的不斷提高，其功能品質也在不斷提升，因此對LED臺燈的節(jié)能、舒適、無頻閃、亮度可調等的設計要求更高。

本文提出了一種照度穩(wěn)定可調的LED臺燈設計方案，臺燈有兩種工作模式，使用者可通過開關來選擇手動/自動調光模式。手動調節(jié)方式下，可使用旋鈕來調節(jié)臺燈的亮度，實現(xiàn) LED 臺燈從最亮到完全熄滅連續(xù)可調，在日常生活中可增強臺燈的實用性。自動調節(jié)方式下，臺燈內(nèi)置照度傳感器,以單片機為控制核心，可實現(xiàn)LED臺燈自動追蹤環(huán)境光照強度變化，進而自動調節(jié)臺燈亮度，保證臺燈照射固定區(qū)域亮度變化不大且穩(wěn)定在設定值范圍內(nèi)，這樣可實現(xiàn)照度穩(wěn)定，為使用者提供恒定舒適的照明環(huán)境，使人的眼睛一直處于舒適狀態(tài)，且更加節(jié)能[2]。

1 照度穩(wěn)定可調LED臺燈整體設計方案

照度穩(wěn)定可調LED臺燈由驅動電路(功率放大電路)、單片機、控制回路、照度檢測器(照度傳感器)、LED燈板等部分組成(如圖1所示)。臺燈有兩種工作模式，使用者可通過開關來選擇手動或自動調光模式。

圖1 照度穩(wěn)定可調LED臺燈系統(tǒng)框圖

整個控制系統(tǒng)以單片機為核心，手動方式下，可使用旋鈕來調節(jié)臺燈的亮度，采用可調恒流源控制電路，由恒流源供電，燈的亮度只與電流大小有關，當供電電壓改變時，不影響燈的亮度，實現(xiàn) LED 臺燈從最亮到完全熄滅連續(xù)可調，在日常生活中可增強臺燈的實用性。自動調節(jié)方式下，臺燈內(nèi)置照度傳感器,將照度信號作為反饋信號，采用PID調制構成照度負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)(如圖2所示)，調節(jié)輸出的電壓值進而控制LED臺燈的亮度?？蓪崿F(xiàn)LED臺燈自動追蹤環(huán)境光照強度變化，依此自動調節(jié)臺燈亮度，保證臺燈照射固定區(qū)域亮度變化不大且穩(wěn)定在設定值范圍內(nèi)，這樣可實現(xiàn)照度穩(wěn)定，使人的眼睛一直處于舒適狀態(tài)，且更加節(jié)能。

同時，為實現(xiàn)照度均勻效果，在設計LED臺燈時，結合聚光燈罩大小，將LED燈珠合理分布于中心位置。另外，LED燈珠在發(fā)光的同時，其散熱量也是很大的，如不能及時散熱，將會影響臺燈的正常工作及使用壽命，因此在設計時，在燈板上加裝了散熱片，并且保證每個燈珠都有一定的散熱面積[3]。

圖2 照度穩(wěn)定可調LED臺燈自動調節(jié)方框圖

為了提高電源效率，本設計從兩個方面入手：一是選用開關電源模塊，因為電源模塊有線性電源和開關電源兩種，線性電源的效率約為40%，開關電源的效率可以達到 80%左右。二是通過恒流源來控制LED燈板的亮度時，電源的無功功率(發(fā)熱)主要消耗在驅動電路，所以需要根據(jù)LED燈板的輸出功率來選擇與之功率匹配的驅動功率管。

2 硬件電路設計

此設計以51單片機為核心，由照度傳感器、10 V～15 V 可調電源、LED 燈板、電位器模塊、集成運算放大器、TL431、8050等組成。采用TL431產(chǎn)生一個基準電壓(2.5 V)，經(jīng)過集成運放A1跟隨，與可調電位器，構成一個0～2.5 V的可調信號源；集成運放A2和A3構成一個恒流源；LM358與電容、電阻構成一個數(shù)/模轉換器。將開關打到A處為手動調節(jié)模式，將開關打到B處為自動調節(jié)模式(如圖3所示)，采用8050設計驅動電路(如圖4所示)。

圖3 控制電路圖

圖4 驅動電路圖

3 程序設計

隨著外界環(huán)境光照強弱變化，臺燈自動追蹤環(huán)境光照強度，使臺燈照射固定區(qū)域亮度變化不大且穩(wěn)定在設定值范圍內(nèi)，采用PID調制構成照度負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)[4]。通過實驗的方式采集臺燈的照度當前值，例如維持在1200 lx，采集多組數(shù)據(jù)，在excel中進行數(shù)據(jù)分析，得到電壓與照度的關系(如圖5所示)。依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，進行PID參數(shù)整定，重復多次，最后確定一組較合適的PID參數(shù)值。根據(jù)KP、KI、KD的數(shù)值得到PID公式，將設定值與當前照度值進行比較，取其偏差值來進行照度負反饋閉環(huán)控制，編寫程序，實現(xiàn)控制要求，程序流程圖如圖 6所示。

圖5 電壓與照度關系

圖6 臺燈自動調整亮度控制流程圖

4 測試數(shù)據(jù)及結果

設計中采用萬用表、直流穩(wěn)壓電源、照度表、A4紙、LED臺燈、與設計臺燈同等亮度的LED燈板(用于改變環(huán)境光照強度)等儀器進行測試。

首先，將照度表檢測頭置于臺燈正下方0.5 m處，調節(jié)臺燈輸入電壓(10 V～15 V)，當改變輸入電壓時，用照度表檢測照度值，測試照度值見表1。結果顯示，改變輸入電壓時不影響臺燈亮度，可實現(xiàn)照度穩(wěn)定。

表1 電壓與照度關系表

其次，將臺燈調至最大亮度，在其下方0.5 m處放置一張A4白紙，用照度表檢測白紙四個角及中間若干區(qū)域的亮度，經(jīng)測試，整張A4紙區(qū)域內(nèi)照度穩(wěn)定均勻無頻閃。

最后，用制作的調至最大亮度的另一個LED燈板作為環(huán)境干擾光源，通過改變其與固定照射區(qū)域的距離來實現(xiàn)周圍環(huán)境光強變化。當干擾光源快速靠近A4紙時，LED臺燈快速熄滅；當將干擾光源緩慢靠近 A4 紙時，LED臺燈亮度逐漸變暗直至熄滅；將干擾光源緩慢遠離，臺燈又重新亮起，且逐漸變亮。在整個過程中使用照度計測量A4紙區(qū)域內(nèi)的亮度。經(jīng)測試，照度值基本穩(wěn)定，實現(xiàn)了臺燈照射固定區(qū)域亮度變化穩(wěn)定且在設定值范圍內(nèi)，為使用者提供了一個恒定舒適的照明環(huán)境，使人的眼睛一直處于舒適狀態(tài)，且更加節(jié)能。

5 結論

本設計以單片機為控制核心，采用照度傳感器獲取反饋信號，設計了一款可自動追蹤環(huán)境光照強度，隨著外界環(huán)境光照強弱變化，自動調節(jié)亮度的LED臺燈。該臺燈可在實現(xiàn)照射固定區(qū)域亮度穩(wěn)定，節(jié)能的同時，為使用者提供良好的照明條件，帶來更加舒適的體驗。臺燈結構簡單、調節(jié)方式靈活、無頻閃、抗干擾能力強，后續(xù)可繼續(xù)增加用時提醒、報警、語音控制等功能[5]。