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摘要：本文介绍了以STM32F103RBT6单片机为控制核心,照度均匀稳定可调LED台灯和一个数字照度表的设计方案。主要包括光源模块、单片机控制模块、照度检测模块、液晶显示模块等几个模块。光源为自制光源,光源亮度可连续变化,通过BH1750照度传感器采集光源,将采集的数据送入单片机进行分析,将分析结果通过1.44寸TFT液晶显示屏进行显示,包括光源的照度、电压、电流、效率。数字显示照度表的数显随台灯亮度实时变化,当亮度稳定时数显稳定,跳变在规定的范围内。
关键词：STM32单片机；照度可调；光照传感
Stable and Adjustable Design of Intelligent LED Desk Lamp Illumination
DU Lingyun,TANG Mingtao
(Yuncheng Vocational and Technical University,Yuncheng Shanxi 044000)
【Abstract】：This paper introduces the design scheme of an even and stable adjustable LED desk lamp and a digital illuminance meter with STM32F103RBT6 microcontroller as the control core.It mainly includes several modules such as light source module,single-chip control module,illumination detection module,and liquid crystal display module.The light source is a self-made light source,and the brightness of the light source can be continuously changed.The light source is collected by the BH1750 illuminance sensor,and the collected data is sent to the single-chip microcomputer for analysis.The analysis results are displayed through the 1.44 inch TFT LCD,including the illuminance,voltage,current and efficiency of the light source.The digital display of the digital display illuminance meter changes in real time with the brightness of the desk lamp.When the brightness is stable,the digital display is stable and thejump is within the specified range.
【Key words】：STM32 microcontroller;illuminance adjustable;light sensing
1整体设计
照度稳定可调LED台灯设计以STM32F103RBT6单片机为核心,采用BH1750照度传感器采集光源数据,并将相关信息实时传输给系统的控制处理模块[1]。并通过1.44寸TFT液晶显示屏显示将相关数据。光源部分通过电位器进行亮度调节。整个电路由多线路稳压电源进行供电。具体硬件电路示意图如图1所示。
2硬件电路设计
本系统主要由光源采集模块、控制模块、数据检测及显示模块组成,下面分别对这几个模块进行介绍。
2.1光源采集模块
2.1.1电源模块
电源部分将220V的交流电转化成的直流稳压电源,主要通过多线路直流稳压电源来完成。多线路稳压模块中的全桥和电容对交流电进行整流滤波,使其相对输出稳定的5V、12V、15V以及范围内可调。然后使用PT4115电源驱动芯片将其转换成稳定的恒流源。电源除了给LED台灯供电外,同时完成单片机系统灯的供电。
2.1.2 LED台灯模块
LED发光器件属于冷光源,高光效,低工作电压,低能耗,可控性好并且无辐射。LED使用寿命可达10万小时,可达到荧光灯使用寿命的10倍,是白炽灯的100倍。现今社会紧缺的能源、高昂的电价、环保的要求及LED的光效的提高,用LED灯替代白炽灯或荧光灯,环保无污染。
本设计LED光源采用6个LED灯并联的方式,使用LED灯的并联有两个目的：避免一个LED灯上加的电流过大而损坏灯；6个LED灯是为了确保光源的亮度。光源选用了6只5mm小功率高亮度的LED灯珠组成；每只LED的压降约为4.5V,电流约为20mA。由白光LED的正向特性曲线可知,当LED端电压大于导通电压时,较小的电压变化会导致工作电流的大幅度变化,从而影响LED的正常使用,固LED采用了直流方式。其采用电压输入8V,输出电流可达1.8A,转换效率高达97%,输出电流精度达±5%。具体电路如图2所示。
2.1.3灯光调节模块
灯光调节用电位器来完成。选择10k的电位器是为了对灯光的亮度进行调节,电位器选择太小,不能保证灯全灭,电位器选择太大,又不能保证电源效率,并且会出现灯光不稳定。经过多次调试,最终选择10K的电位器。为了降低电源损耗,给LED灯串接了一个2Ω的电阻。
2.2单片机控制模块
传统模拟控制系统,难以实现灯光稳定可调的变化,而且控制方案的修改也较复杂。STM32系列单片机编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种逻辑控制和算法；使用STM32F103RBT6芯片,不需要外扩存储器,可使系统整体结构更为简单。因此,本设计方案中采用了STM32F103RBT6作为控制系统[2]。
SIM32F103RB芯片使用了ARMCortexM332位的RYC内核,工作频率为72MHZ,内置高速存储器(20K字节的SRAM和128K字节的闪存),增强的I/O端口、连接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含3个通用16位定时器和1个PWM定时器、2个12位的模数转换器,还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SP1、1个USB、1个CAN、3个USART。
2.3数据检测采集模块
本设计数据采集模块使用了BH1750FVI照度传感器,采用16位高精度数字光强度传感器集成电路,分辨率高,实时性强,检测范围大,可以避免模数转换转换系统带来的误差,可在液晶显示屏上显示检测数值。
BH1750FVI照度传感器内部自带电压稳定电路,工作电压3.3~5V,引脚电平与3.3V/5V的嵌入式系统兼容,连接方便。支持IIC和串口两种接口,IIC直接与芯片连接,可以使用户方便的选择最佳连接方式。
BH1750FVI的内部组成电路有：运算放大器、光敏二极管、ADC采集、晶振等组成。进入光窗的光越强,光电流、电压就越大,所以通过电压的大小判断光照多少,但要注意电压和光强一一对应的,但不是成正比的。采集硬件电路如图3所示。
BH1750FVI照度传感器引脚说明(如表1所示)
2.4显示模块
显示模块主要显示光源的照度及其他相关信息。照度显示模块采用两种方案进行对比分析,一种为模拟指针显示,一种为数字显示。方案一中,自行设计了简易照度计,通过电流表显示光源的照度情况。照度计也称勒克斯计,是一种专门检测光源照度的仪表。就是测量物体被照亮的程度,大小为物体表面所得到的光通量与被照面积的比值。照度计通常是由硅光电池或硒光电池配合滤光片和微安表组成。照度计的原理图如图4所示。
光电池S一端接15V电源,而另外一端通过电阻R2接地。S与R2形成一个分压网络。741集成运算放大器同相输入端接在S与R2连接点处,而反向输入端通过电阻R3接地。开关K起换路作用,当按下K开关时,就形成了另外一个分压网络(R3和R4),产生一个加到运算放大器反相输入端的电压,如果有光线照射光电池,它的电阻将降低,根据理想集成运放分析依据(u+=u-,i+=i-=0)支路电流将增大,从而R2的端电压增大,同时集成运放的同相输入端电压增加。这使得集成运放输出电压也随光照强度变化。电流表的读数跟光电池接收的光照强度成正比。实验中光电池S应装在一个封闭的盒子里,盒子上开有小孔,电位器R5用来调节电路,以得到最明显的显示效果。
方案一中通过指针的偏向能显示出照度的强弱,但精度不够,而且不能显示具体数值,操作起来不方便。因此采取了第二种方案。采用1.44寸TFT液晶显示屏。TFT液晶显示屏具有高响应度、高亮度、高对比度等优点,也能充分显示设计所需的数据要求。
3软件系统设计
软件部分采用Keil C51编程实现模块化结构设计,主要由初始化程序、主程序、各个功能模块子程序等组成。程序流程图如图5所示。
通过初始化模块对时钟、模数转换、串口、中断进行初始化设置。照度传感器多次采集光照数据直至采集完成,单片机串口获取光照数据,再经过模数转换模块将光照数据转换成对应的电压、电流、功效等数据,然后在显示屏上显示各项数据。
4测试方案
4.1硬件测试
搭建电源模块、LED台灯模块、单片机模块、显示器及照度传感器模块的实际电路,将各个模块通过导线连接起来,用数字万用表对各电路的参数进行测量分析,记录相关数据以便检测调试。
4.2软件测试
使用Protel 99se绘制电路原理图,使用Proteus8.0软件进行仿真测试,再将测试结果与实际电路进行对比,记录相关数据,并对数据进行分析,再次调节电路。
4.3硬件软件关联
利用Keil开发环境编辑、修改程序,PA1口采集数据并进行模数转换,将转换结果在显示屏上进行显示(电压、电流、电源效率、照度),不断测试并检查数据,当发现数据出现异常时,调试程序并修改电路,直到得出预期的效果。
5结语
本次设计的照度可调LED台灯,实现了LED灯的从最亮到全熄灭连续可调的功能,照度传感器检测LED灯光源,STM32单片机对采集的光源数据进行分析和转换,最后通过显示屏显示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。对于光源照度的检测有很好的使用价值。
参考文献
[1]陈海松.单片机应用技能项目化教程[M].北京:电子工业出版社,2012.
[2]谭浩强.C语言程序设计[M].北京:清华大学出版社,2012.
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