照度稳定可调LED灯 - 嘉立创EDA开源硬件平台

                                                   照度稳定可调LED台灯

1.前言

        看到电赛征集令，我赶紧报了名，因为课程设计比较顺利，紧接着开设这个项目，虽然时间比较赶，但是认认真真开始搞这个项目，这个题目是2021高职组国赛题，赛题中有某些指标好多人采用光敏方案，当时我的第一反应也是光敏来完成各项指标，但是后面想用上光照传感器如果开源之后有人想跟则一起做岂不是也要会用传感器，这让很多想做的小伙伴望而却步，这里我给我写程序的队友提了一个要求，这个题目全部用keil 写完，希望做到大部分人都可以跟着一起做完成各项指标，当时我队友有点不愿意，但是还是被我说服了，本作品只要有兴趣的都可以跟着一起做，我把技术细节和源代码全部开源，第一次开源没有什么经验，有不足的希望大家多多指教，互相学习。这里还要感谢一下嘉立创打样，前一天下午下单，第二天晚上准时达到，才让我作品顺利快速完成。

       我本人主要跟随老师在微电子技师班学习，具有丰厚的实践学习，与同学一起做过较多的项目设计，如探测仪，AD转换，音频功放等等。

2.团队介绍

队长：崔志峰

队员：陆广鑫 齐斌

指导教师：许连阁 杨一曼

辽宁机电职业技术学院《微电子卓越技师班》

技师班是面向微电子方向的专业导师制实训班。主要研究电路电子，仪表，游丝摆轮分档仪，开关电源逆变器等等，本次比赛获得国家二等奖。

3.项目分析

设计并制作一个照度稳定可调的 LED 台灯和一个数字显示照度表。调光台灯 由 LED 灯板和照度检测、调节电路构成，

1．基本要求

（1）数字显示照度表由电池供电，相对照度数字显示不少于 3 位半，不需照 度校准。数字显示照度表检测头置于调光台灯正下方 0.5 米处，调整台灯亮度，最 大照度时显示数字大于 1000；遮挡检测头达到最低照度时显示数字小于 100。台灯 亮度连续变化时，数显也随之连续变化。亮度稳定时，数显稳定，跳变不大于 10。 数字显示照度表和调光台灯间不能有信息交换。

（2）调光台灯输入电压 Vi：直流 10V～15V，Vi 变化不影响亮度。

（3）亮度从最亮到完全熄灭连续可调，无频闪（LED 灯板供电电压纹波小于 5%）。 （4）台灯供电电压为 12V 时, 电源效率（LED 灯板消耗功率与供电电源输出 功率之比）不低于 90%。 

2．发挥部分

（1）将台灯调整到最大亮度，在其下方 0.5 米距离处放置一张 A4 白纸，要求 白纸整个区域内亮度均匀稳定，各点照度差小于 5%。台灯的照度检测头可有多个， 位于 A4 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，最弱最强变化时长不小于 10 秒，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不大于 5%;当环境光突变 时，最弱最强变化时长不大于 2 秒，纸面中心照度突变变化不大于 10%。当环境光 增强直至台灯熄灭，纸面中心照度变化不大于 10%。

  看完以上要求，对题目有了基础的认识。稳定照度可调LED台灯装置，起初对这道题没有把握，但是在老师和队友的帮助下，我最终克服困难，下定决心做好这道题，在中午之前，我们就确认好题目了，然后就不断做测试，一开始，我们尝试了在台灯反光板上集中铺设LED灯管，然后使用自制手持照度仪采集光照均匀度和光照强度，发现光照不均匀，中间强四周弱。到第一天的时候，我们还没做好其他的机械架构，经过不断地尝试其他方案，做了个模型出来，最终发现在台灯反光板上四周以“8”的形式光照最好。之后，我就使用这个调试了一些小程序，初步对道题的认知，并且有一定的思维，坚信了做好这题的信心。

  最终确定了照度稳定可调 LED台灯是由单片机控制系统，LED灯驱动电路，照度调节电路，照度传感器和LCD1602液晶显示器等组成，可以完成台灯感光自动调节光照强度，稳定照明功能，并且应用硬件调节和单片机软件算法消除环境光电干扰，并根据环境光的变化自适应进行照度调节，使得台灯光照稳定。如下图的系统框图。

5.理论分析与计算

  照度稳定可调 LED台灯控制原理是通过自制数字照度传感器，感应环境的照度，并转换为数字量，通过IIC通讯输入给单片机，与设定照度一起进行PI运算，运算结果用于调节PWM输出占空比，从而改变LED的供电电流，改变亮度，实现自动稳定亮度的功能。

PI控制过程说明: r(t)为给定照度值，y(t)是通过数字照度传感器检测的LED台灯照度值，两值相减得到偏差信号值e(t)，该值通过自适应PI调节器进行PI运算后输出值为u(t)，该信号为时间占空比信号，使LED台灯照度稳定可调。即当偏差e(t)≠0时，通过自适应PI调节器进行PI运算，根据该值大小，控制电流变化。为了使控制稳定，当偏差|e(t)|≤7时，增加死区控制，此时的PI控制输出u(t)为0 。通过工程整定法确定比例系数和积分系数，通过这样不断的调节控制，使LED台灯照度达到稳定。

6.各原理图电路分析

PWM可控电流源是结合开关电源芯片、单片机PWM功能和软件程序设定调光策略，使LED驱动电路可以动态调节。PWM可控电流源设计采用德州仪器开关电源驱动芯片TPS5433，该芯片工作频率可达2.7MHz，工作电流仅为110uA。该设计具有高效率，低功耗的优点。PWM可控电流源电路如图4所示。

采用LCD1602作为液晶显示器，可显示2×16字符，它的特点是体积小、重量轻、功耗低、显示质量高和无电磁辐，且接口采用数字式，与单片机之间的连接简单方便。系统设计始终将节能环保放在首要位置，故选择LCD1602液晶显示器。在手持的数字显示照度表和照度控制系统中均采用LCD1602作为显示器件。LCD1602液晶显示如图5所示。

  数字照度传感器通过IIC接口与单片机连接，利用IIC通讯协议实时读取环境光线照度并通过液晶显示器件LCD1602显示，显示数值范围0~65535lux，本装置采用三节1.5V干电池供电。数字显示照度表的硬件电路图如图6所示。

7.电路pcb设计分析

看到之前学哥的经验总结，我们也发现电源电路pcb布线非常关键，要关注大功率下正常运转和做好电源与控制器的隔离,我在设计pcb的时候特别注意这些问题。

首先是电源电路的大电流回路必须要粗并且互相不会感染这里我用立创的时候用到描绘形状的功能，并且让大电流回路导线开窗处理，为后续覆铜。因为时间和成本问题，只有一部分的板子是工业制版，大部分的板子都是手工按图接制的，大功率电源电路一般不覆铜，但是为了防止EMI干扰，在信号控制区域采用覆铜处理并且做好隔离采用边框裁切来隔离高压和信号。

为了方便灯管电压，电流的读取，我们在板子上焊接出线，直接用万用表读取。同时为了去除干扰等不良因素还运用放大电路进行了过度。制板时过于粗糙，但使用正常。

9.程序设计

主要由照度采样程序、PI调节器程序、PWM控制程序组成。

PI运算程序

err = lum -gd;                  //给定值

if((err <7)&&(err > -7))err=0; //死区控制

err /=2.0f;                     //积分常数

kp = err * 0.1f;               //比例系数

pi = pi + kp +err;               //积分运算

if(pi<100.0f) pi=100.0f;        //下限幅9.0%

if(pi>1100.0f) pi =1100.0f;    //上限幅99.45%

4.2 PWM控制占空比程序如下：

Void UpdatePwm(u16 pwm_value_DC,u16 pwm_value_f)

{ 

P_SW2 |= 0x80;

   PWMB_CCR5H = (u8)(pwm_value_DC >> 8); //设置占空比时间

   PWMB_CCR5L = (u8)(pwm_value_DC);

   PWMB_ARRH =   (u8)(pwm_value_f >> 8); //设置周期时间

   PWMB_ARRL =   (u8)(pwm_value_f);

程序框图如下图所示

9.实物展示

终于照度稳定可调 LED台灯装置制作成功，具有自主检测照度，通过PI调节和PWM占空比调制来控制LED驱动电路的输出电流，使LED台灯光照可调且稳定等功能。采集处理了各项任务数据，出色的完成了所有测试任务，另自制手持数字显示照度表，能够对光照进行测试。经过实验测试结果发现该照度稳定可调LED 台灯装置具有效率高、低功耗、操作简单等优点。

10.总结

经过这次的竞赛，我们熟知这次比赛，懂得一个产品的制作过程不易，需要自己的设计和技术方面的支撑及团队的合作，才能发挥最大的实力，心理素质也是非常重要、遇到问题知道冷静应对，不能逃避，接着是我们学了很多东西，也收获了许多知识，知道了各种传感器和台灯的制作原理。在制作装置上虽然制作过程中存在着一些不足，但是应用起来应该还是很好的。在经过这次比赛后，老师的抛砖引玉让我铭记在心，让我懂得调试程序的重要性，加强学习对应的基础知识，平时要多认识一些模块和基本电路。我们付出最大的努力，锻炼了自己，认识了自己的能力，觉得自己还有不足，接下来我们将不断的继续努力，认真学习，未来路很长，我们不会停留，会更加奋力走向前方。

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