照度稳定可调 LED台灯

刘建兰 沈阳 吴治昊

( 南通职业大学 电子信息工程学院，江苏 南通 226007)

1 设计方案工作原理

1.1预期实现目标定位

本次题目的主要任务是设计一台照度稳定可调的LED台灯，要求最大照度时显示数字大于1000，最低照度时显示数字小于100，数值显示稳定，亮度连读可调，可从最亮直至熄灭，无频闪；台灯供电电压为12V，电源效率不低于90%；在台灯最大亮度的情况下，其距离50cm处放置一张A4纸，要求A4纸区域亮度均匀且稳定；用最大亮度的LED灯板作为干扰光源，改变距离，来实现灯的光强变化；当环境发生改变时，台灯能够自动检测环境的变化，来调节亮度。

1.2技术方案分析比较

（1）恒流调光方案论证与选择

方案一：基于相位控制的TRIAC传统白炽灯调光器，该调光器电路简单，体积较大，同时会产生100Hz或120Hz的闪烁，而且调光范围窄。。

方案二：采用降压型线性恒流驱动芯片SN3360，可以方便的进行LED开关、模拟调光和PWM调光，无频闪、成本低、体积小，调光无阶梯感。

方案比较：方案一和方案二都适用LED调光， 但方案二电路结构简单，易于实现，且效率很高，所以采用方案二。

1.3系统结构工作原理

（1）光照检测

如图1所示为本设计光照检测的系统框图，电源部分9V电池，降压模块MP2359组成，检测显示部分是光敏电阻GL5528，ADS1110，液晶驱动HT1216D与断码式LCD组成。

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降压模块MP2359

9V电池

3.3V电源

供电

（2）LED控制

如图2. 4个光敏电阻，键盘，cpu，LED驱动电路与LED灯组成。

图1光照检测模块框图

（2）LED控制模块

光照检测

键盘

光敏GL5528

ADC0

CPU

PWM

光敏GL5528

ADC1

SN3360 LED

驱动调节

LED

光敏GL5528

ADC2

光敏GL5528

ADC3

图2 LED控制模块框图

1.4功能指标实现方法

基本要求（1）实现方法：将数字显示照度表检测头置于调光台灯正下方50cm处，通过按键手动调整PWM占空比从而调整台灯亮度，当占空比达到26%时，LED亮度最大，记录此时照度表显示的数值；用手遮挡光敏电阻，让LED亮度最小，记录此时照度表显示的数值；通过按键手动从零开始调整PWM占空比，观看台灯亮度随占空比增大而变化的情况，同时观看照度表的数显也随之连续变化的情况；让PWM固定在一个合适的数值，使LED亮度稳定，查看数显是否稳定，如有跳变，记录跳变值的大小，是否跳变小于10。

基本要求（2）实现方法：给调光台灯输入直流电压，使其从10V缓慢增大到15V，观察LED亮度变化情况，同时观察数字显示照度表数值变化情况。

基本要求（3）实现方法：按键手动调整PWM占空比，使其从零连续增加，同时观察LED灯的亮度，是否从最亮到完全熄灭连续可调；将LED灯板输出电压通过10uF的极性电容接到地上，用示波器观察并记录输出电压的波动的峰峰值，计算电压纹波。

基本要求（4）实现方法：单独对LED恒流控制电路进行12V直流供电，测量LED 灯板输出电压和输出电流，计算出消耗功率，同时测量LED恒流控制电路的输入电压和输入电流，计算出供电电源输出功率，两者比值即为电源效率，看是否满足要求。

发挥部分（1）实现方法：将台灯调整到最大亮度，在其下方 50厘米处放置一张 A4 白纸，使白纸整个区域内亮度均匀稳定，观察A4 白纸四个角的照度数值。

发挥部分（2）实现方法：将作为环境干扰光源的另一块LED 灯板亮度调至最大亮度，改变距离实现干扰光强变化，当环境光缓慢变化时，记录从最弱到最强变化的时长，观察台灯能否自动跟踪环境光的变化来调节亮度；当环境光突变时，记录最弱最强变化时长及纸面中心照度突变变化数值；当环境光增强直至台灯熄灭，记录纸面中心照度变化数值。

2. 核心部件电路设计

2.1关键器件性能分析

（1）介绍SN3360

SN3360是一款DC/DC降压型电感电流连续模式LED驱动,适用于电源电压高于一颗或一串LED所需电压的应用场合，采用SOT89-5封装，芯片的输入电压范围为6V至40V，最大电流高达1.2A；内部是采用集成功率管，采用高位电流检测，可以通过外部电阻设置平均工作电流，输出电流还可以通过ADJ引脚加控制信号来设置，ADJ引脚可以接受的控制信号有直流电压或者PWM信号，或者将提供直流或是连续脉冲形式的输出电流；当ADJ引脚电压低于0.2V时芯片将关断，并进入低功耗模式，典型电路如图(3)。

图3 SN3360典型应用电路

（2）介绍ADS1110

ADS1110 是精密的连续自校准模/数A/D 转换器带有差分输入和高达16 位的分辨率封装为小型SOT23-6 片内2.048V 的基准电压提供范围为2.048V 的输入差分电压，ADS1110 使用可兼容的I2C串行接口在2.7V 至5.5V 的单电源下工作。其内部结构如图四，

ADS1110 可每秒采样15 30 60 或240 次以进行转换片内可编程的增益放大器PGA 提供高达8 倍的增益并且允许以高分辨率对较小的信号进行测量，在单周期转换方式中ADS1110 在一次转换之后自动掉电在空闲期间极大地减少了电流消耗。

图4.ADS1110内部结构图 图5.ADS1110引脚显示

2.2电路结构工作机理

2.2.1光照度检测电路

（1）电源部分

3.3V电源电路原理：变压器输出电压经过直流到直流降压转换器MP2359后，输出3.3V的直流电压用于给光照度检测模块供电，包括CPU、液晶驱动电路、ADC模数转换电路。

5V电源电路原理：变压器输出电压经过桥式整流、滤波、稳压后输出稳定5V直流电压用于LED控制控制模块供电，包括按键电路、CPU、恒流源电路和光敏电阻检测电路。

图6 3.3V电源电路图

图7 5V电源电路图

（2）光照度检测

工作原理：光敏电阻的阻值根据光照强度变化而变化，光照变暗电阻增大，光照变强电阻变小。ADS1110是具有16 位分辨率的高精度模数转换器(ADC)，能够实现单端对地电和差分对输入电压的测量,测量范围是0-6V。

图8 光照度检测电路原理图

2.2.2 LED控制电路

工作原理：SN3360是一款高效率DC/DC LED驱动芯片，最大电流高达1.2A。SN3360为降压恒流芯片， 即输入电压势必要高于输出电压且还必须留有一定余量，否则系统无法进入开关状态导致无法恒流。其中电容C1采用必须要大于100uF的极性电容才能有效的滤除尖峰保护板上的电路；芯片 Vin 端输入小电容C3（ 0.1uF）用于稳定芯片地线，其并非只是输入电源滤波电容，因此该电容是保证系统正常稳定工作所必须的，且必须紧靠芯片（即电容两端到芯片连接线要尽量短）以增强滤除地线高频跳动的效果，从而保证芯片有最佳工作表现；电流检测电阻（R4）要紧靠芯片，即电阻两端到芯片的连线要尽量短；D5 续流二极管两端的走线要尽量短，防止线上寄生电感因高频感应导致 LX 端上的电压过冲尖峰过高影响系统稳定性或对IC造成损坏。

图8 LED恒流控制电路图

3 系统软件设计分析

3.1系统总体工作流程

（1）光照度检测系统:

我们使用GL5528光敏电阻对光进行采集，ADS1110对采集到的数据进行模数转换，再进行软件计算把数据传给断码式LCD显示出来，就是我们做的第一块板子——光照检测板。

图9 光照度检测系统程序流程图

（2）LED控制系统:

按键1让PWM脉宽增加，按键2让PWM脉宽减小，按键3就是自动追光。LED控制系统我们为了功能的丰富性我们使用单片机内部ADC，四路通道快速转换GL5528光敏电阻对光采集的数据，四个光敏电阻分别在灯台的四个边中间检测周围的光强，来达到控制4颗LED的发光。

图10 LED控制系统流程图

4 竞赛工作环境条件

4.1设计分析软件环境

Keil MDK，AltiumDesigner20.0等软件。

4.2仪器设备硬件平台

数字万用表、24V电源稳压电源、数字示波器、函数信号发生器等设备。

4.3配套加工安装条件

电烙铁、热风枪、剥线钳、电动螺丝刀等工具。

5 作品成效总结分析

5.1系统测试性能指标

基本要求（1）性能指标测试：照度表显示的数值范围为0-1200；通过按键手动从零开始调整PWM占空比，台灯亮度随占空比增大而变亮，同时照度表的数显也随之连续增大；当LED亮度稳定，此时照度表数显数值的跳变值小于5。

基本要求（1）的所有指标满足要求。

基本要求（2）性能指标测试：给调光台灯输入直流电压，使其从10V缓慢增大到15V，肉眼看到 LED亮度没有变化。当电压从10V增大到15V，数字显示照度表数值变化不到20。

基本要求（2）的所有指标满足要求。

基本要求（3）性能指标测试：按键手动调整PWM占空比，使其从零连续增加，同时观察LED灯的亮从最亮到完全熄灭连续可调；用示波器观察并记录输出电压的波动的峰峰值，计算电压纹波小于3%。

基本要求（3）的所有指标满足要求。

基本要求（4）性能指标测试：单独对LED恒流控制电路进行12V直流供电，测量LED 灯板输出电压和输出电流，计算出消耗功率，同时测量LED恒流控制电路的输入电压和输入电流，计算出供电电源输出功率，两者比值为94.5%。

基本要求（3）的所有指标满足要求。

发挥部分（1）、（2）性能指标测试结果满足要求。

基金项目：南通市科技项目：基于物联网智慧农业精准监测与智能控制系统研究（项目编号JC2021147）；江苏省高校自然科学研究面上项目（项目编号21KJB520041）；江苏省大学生创新训练计划项目（项目编号202111052009Y）

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