姚強，孫勤良

（湖州職業(yè)技術(shù)學院 機電與汽車工程學院，浙江湖州，313000）

0 引言

目前浙江湖州正在打造“全國綠色智造名城”，各行各業(yè)都在向綠色智造轉(zhuǎn)型升級，因此傳統(tǒng)智能型臺燈也將逐漸被綠色智能型臺燈所替代。例如張鈺琛等人[1]基于Arduino設計了一款智能語音控制臺燈，通過語音控制臺燈的開啟、關(guān)閉、閃爍和燈頭抬高功能；安章順等人[2]基于微信小程序開發(fā)了一款智能臺燈，實現(xiàn)利用手機無線操控室內(nèi)臺燈的亮滅，同時可以有效控制臺燈的各種顏色和亮滅的混合；陳雪嬌等人[3]基于樹莓派設計的智能臺燈，可通過觸摸屏控制LED臺燈包括開關(guān)、亮度及顏色變化。上述智能臺燈都是主要從用戶使用便捷角度出發(fā)設計了諸多功能，未貫徹綠色智造的理念。本文主要從照度穩(wěn)定和連續(xù)調(diào)光角度出發(fā)進行臺燈設計，該設計不僅具有節(jié)能環(huán)保的特點，而且對人的視力保護和身心健康也具有重要意義，符合智能制造的綠色評價指標體系[4]，對環(huán)境和用戶的影響都是積極的。

1 系統(tǒng)方案設計

在充分考慮節(jié)能的前提下，選用了由低功耗單片機STM32F103C8T6單片機、PWM控制模塊、OLED顯示模塊、BH1750照度傳感器、獨立按鍵和LED燈板組成的設計方案。應用STM32單片機定時器的比較模式生成PWM控制信號，該信號施加在PWM可控電流源模塊上，控制該模塊驅(qū)動LED臺燈，通過最小二乘直線擬合算法[5]粗調(diào)PWM的占空比，再經(jīng)過一個步距為2的占空比微調(diào)，對光照度形成精確的閉環(huán)控制，實現(xiàn)對LED臺燈照度的連續(xù)穩(wěn)定調(diào)節(jié)，系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控芯片選擇及引腳分配

該設計采用STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，STM32F103C8T6是一款32位微控制器，該單片機采用ARM Cortex-M內(nèi)核，最高時鐘頻率可達72MHZ，封裝體積小，價格與家族其他芯片相比較低、相比8位單片機性能更優(yōu)，所以考慮用此芯片作為主控芯片。主控芯片引腳功能分配如表1所示。

表1 主控芯片引腳功能分配表

2.2 顯示模塊設計

LED臺燈顯示模塊通過一塊0.96寸OLED來實現(xiàn)，OLED是利用多層有機隔膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電致發(fā)光的器材，它性價比高，價格便宜。通過SPI總線和單片機進行信號傳輸，接口只需五個I/O即可驅(qū)動，速度更快，模塊本體輕薄，功耗低，發(fā)光效率高，滿足項目設計對顯示技術(shù)的需求[6]，如圖2所示。

圖2 OLED引腳接線圖

2.3 PWM可控電流源模塊設計

該模塊采用德州儀器TPS92200D1作為恒流源控制芯片，它具有4～30V的寬電壓輸入范圍，連續(xù)工作電流為1.5A，開關(guān)頻率支持1MHz，最大占空比可達99%，支持數(shù)字輸入的PWM調(diào)光和模擬輸入的模擬調(diào)光。采用了多種保護措施，包括LED開路和短路保護，傳感電阻器開路負載和接地短路保護，為保護LED免受過流損壞，當檢測到過流時，驅(qū)動器將會被關(guān)閉并鎖存。STM32的定時器工作在輸出比較模式，通過在軟件中修改比較參數(shù)實現(xiàn)PWM占空比可調(diào)。PWM可控電流源模塊電路設計圖如圖3所示，其中PB5為單片機的PWM輸出引腳。

圖3 PWM可控電流源模塊設計

2.4 光照度檢測模塊設計

光照度傳感器采用BH1750，這是一款數(shù)字型照度傳感器集成芯片，BH1750引出了時鐘線和數(shù)據(jù)線，單片機通過IIC協(xié)議可以與BH1750模塊通訊，單片機的PB6連接IIC外設的時鐘線，PB7連接IIC外設的信號線[6]，如圖4所示。

圖4 BH1750照度傳感器引腳接線圖

2.5 按鍵模塊設計

按鍵連接的單片機引腳采用上拉輸入模式，當按鍵斷開時，單片機引腳（PA0、PA1）處于高電平狀態(tài)，按鍵按下時輸入低電平，按鍵可以設定LED臺燈的光照度，其中KEY1和KEY2分別為增加和減小光照度，如圖5所示。

圖5 獨立按鍵引腳接線圖

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件組成及其功能介紹

軟件設計包含初始化程序、OLED顯示程序、BH1750照度檢測程序、PWM控制程序、按鍵檢測程序和照度調(diào)節(jié)程序。初始化程序主要完成OLED驅(qū)動模塊、BH1750模塊、按鍵模塊、和定時器模塊的初始化工作；OLED顯示程序主要是完成STM32單片機通過SPI總線和OLED通信，定時刷新OLED，顯示當前照度值（Current_lx）和設定照度值（Set_lx）；BH1750照度檢測程序完成STM32 單片機和BH1750傳感器通過IIC通信，獲取臺燈正下方的實際照度值；PWM控制程序的功能是完成生成占空比可調(diào)的PWM，利用STM32定時器的比較模式，通過TIM_SetCompare2函數(shù)更新PWM的占空比[7]；按鍵模塊的功能是完成照度值的設定任務，按鍵狀態(tài)在主程序中采用查詢方式獲??；照度調(diào)節(jié)程序的功能是完成LED燈照度的控制功能。系統(tǒng)的軟件控制流程圖如圖6所示。

圖6 軟件控制流程圖

3.2 照度控制算法

LED臺燈的光照度近似與控制信號PWM的占空比呈線性關(guān)系，PWM占空比越高，LED臺燈的光照度越高。如手動設定臺燈光照度值，根據(jù)線性關(guān)系可以求解得到占空比的值，利用STM32定時器的比較模式，通過TIM_SetCompare2函數(shù)更新PWM的占空比，從而實現(xiàn)臺燈照度的調(diào)節(jié)，所以快速和準確調(diào)節(jié)PWM占空比成為照度控制的關(guān)鍵技術(shù)問題。STM32的定時器TIM3的PWM輸出模式可產(chǎn)生一個由TIM3_ARR確定頻率，TIM3_CCRx確定占空比的信號，PWM占空比和CCRx的關(guān)系如1式所示。

CCRx寄存器的值即為TIM_SetCompare2的參數(shù)Compare2的值，故可采用線性擬合的方法得到光照度與CCRx的函數(shù)關(guān)系。首先采集7組光照度ix和Compare2iy數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如表2所示；然后利用Python3和最小二乘法對x，y進行線性擬合[8]得到的函數(shù)圖像如圖7所示，最后求解出光照度x與Compare2值y的函數(shù)關(guān)系如（2）式所示。

表2 無干擾源下的臺燈實測光照度與TIM3參數(shù)Compare2的關(guān)系表

圖7 臺燈實測光照度與TIM3參數(shù)Compare2的函數(shù)關(guān)系圖

照度調(diào)節(jié)算法主要由粗調(diào)和微調(diào)兩部分完成。按照光照度和Compare2的值的線性關(guān)系可得到(3)式，其中Set_lx為設定光照度值，Current_lx為實測光照度值。

粗調(diào)部分根據(jù)(4)式來完成

利用粗調(diào)算法反推出參數(shù)Compare2的粗大值，實現(xiàn)快速讓光照度調(diào)整到設定光照度值附近，然后用步進的方式在主循環(huán)中進行微調(diào)，最終實現(xiàn)光照度調(diào)節(jié)的目的，因為采用的是閉環(huán)控制，如若環(huán)境中有干擾光源存在，該系統(tǒng)依然可以實現(xiàn)較好的控制。該算法相對于單純使用微調(diào)算法，調(diào)整速度更快，滿足對實時性要求較高的場合。

4 系統(tǒng)測試方案及結(jié)果

為測試臺燈的設計效果，設計了相應的測試方案，LED臺燈樣機如圖8所示。分別從臺燈照度的連續(xù)性、穩(wěn)定性、抗干擾性和節(jié)能性四方面進行測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 LED臺燈測試結(jié)果

圖8 LED臺燈樣機

連續(xù)性：臺燈從亮度最高直至熄滅，整個過程中，臺燈有無頻閃。

穩(wěn)定性：將臺燈調(diào)整到固定的照度值，觀察10s內(nèi)臺燈照度值的波動范圍。

抗干擾性：將臺燈調(diào)整到最大照度值，加入環(huán)境干擾光源，干擾源的光照度與臺燈光照度相近。干擾源的擾動分為兩種情況：干擾源調(diào)至照度最大，10s之內(nèi)從臺燈上方逐漸靠近臺燈，直至臺燈熄滅，在此過程觀察臺燈照度值的波動；干擾源在2s之內(nèi)突然加入，觀察臺燈照度的波動。從上述測試結(jié)果可以看出，該臺燈的照度穩(wěn)定性已經(jīng)可以完全達到日常使用的需求。

節(jié)能性：臺燈供電電壓為12V 時，LED 燈板消耗功率與供電電源輸出功率之比。

5 結(jié)語

本文基于STM32F103C8T6芯片設計了一款符合綠色智造性指標的LED臺燈，該臺燈主要分為硬件設計和軟件設計。首先硬件設計包含主控芯片、OLED照度顯示、BH1750照度檢測和PWM控制；然后軟件設計主要包含各個硬件模塊的驅(qū)動程序設計和LED臺燈照度調(diào)節(jié)算法設計及實現(xiàn)，其中照度調(diào)節(jié)算法分為粗調(diào)和微調(diào)兩部分，粗調(diào)算法采用線性擬合的方法得到比例系數(shù)，應用比例系數(shù)乘以設定照度和實測照度之間的差值就可以得到PWM占空比的調(diào)整值，微調(diào)算法采用步距為2進行調(diào)整PWM占空比，步距為2是綜合考慮LED臺燈性能的影響因素，經(jīng)過實驗最終確定的。微調(diào)算法步距過大，LED臺燈照度波動比較大，穩(wěn)定性差；微調(diào)算法步距過小，照度調(diào)整到穩(wěn)定的時間變長；最后通過設計的測試方案，從照度連續(xù)性、穩(wěn)定性、抗干擾性和節(jié)能性四個方面驗證了LED臺燈照度是穩(wěn)定且連續(xù)可調(diào)的，可以滿足用戶的日常使用需求，未來還將該臺燈的設計理念應用于《綠色智造技術(shù)應用》課程中的項目化教學中[9]，有利于幫助學生樹立綠色智造意識。