智能LED台灯（精选7篇）
智能LED台灯 第1篇
书写台灯的光源一般有三大类:白炽灯、卤钨灯和荧光灯。据相关数据显示:白炽灯只有5%的电耗用于发光照明,其他全都转换成热能消耗掉了,夏天甚至会使人感到热。由于灯丝发光较集中,如果其功率稍大就会产生眩光,反之,又会造成照度不够;另一种普通荧光灯的台灯,由于供电方式的原因导致其亮度不可调整,在很多时候造成能源的浪费,同时,因为其供电电压频率为50Hz,属于低频率的频闪光,会使人眼的调节器官处于紧张的调节状态,导致视觉疲劳。本次设计正是针对这些不足而设计的采用LED发光技术的安全、节能、环保的台灯。
1 系统硬件结构框图
图1为本次设计系统硬件结构框图,控制核心采用美国Microchip公司生产PIC16877A芯片,该芯片具有IIC接口,内置PWM模块,且价格低廉,十分适合本次的设计;光强传感器采用TAOS公司推出的高速、低功耗、可编程灵活配置的TSL2560芯片,通过IIC总线协议与PIC16进行通讯,将当前环境下的光强值发给PIC16,由PIC16进行处理判断,以此来输出不同占空比的PWM的控制信号到后级灯光控制电路中,达到调整LED台灯的亮度的目的。温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线式数字型温度传感器DS18B20,它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强等特点,并且直接输出数字信号,可与微处理器直接相连,无需另加A/D转换器,十分方便;显示模块由一块2.4寸的TFT屏幕构成,用于显示当前温度及光照强度。
2 主要电路分析
2.1 人体红外感应电路
2.1.1 人体红外感应电路原理
人体辐射红外线波长为10μm,而热释电红外传感器只对此长度左右的红外辐射波敏感,因此当人体通过时,热释电红外传感器才会感应,从而可以避免其他物体触发传感器。本次使用的DB203热释电红外传感器的探头是由两个相互串联的热释电元构成,而且这两个热释电元的电极化方向相反,所以当人进入到探测区域内,由于两个热释电元接收到的热量不同,无法相互抵消,就输出了检测信号。而因为周围外在的环境对两个热释元件的辐射几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,所以当没有人进入到探测区域内时,探测器不会有信号输出。
2.1.2 人体红外感应电路设计
本次设计采用的人体红外感应电路主要由D203B热释电红外线传感器和信号处理芯片BISS0001组成。BISS0001电路如图2所示,BISS0001是由状态控制器、封锁时间定时器、运算放大器、电压比较器、延迟时间定时器、及参考电压源等构成的数混合专用集成电路。BISS0001中,VDD为工作电源的正端,本次使用5V直流电压供电,IB为内部运算放大器偏置电流设置端,通过一个1MΩ大小的电阻接入VSS地端。1IN+和1IN-是BISS0001第一级放大器的输入端,用来将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大[1],然后由C3耦合给第二级运算放大器(2IN+和2IN-)进行第二级放大,再经由内部两个电压比较器构成的双向鉴幅器处理后,检出有效触发信号去启动延迟时间定时器,信号经处理后从2脚输出。A管脚为可重复触发和不可重复触发控制端,当A=”1”时,允许重复触发,当A=“0”时,不可重复触发。本次设计采用可重复触发模式,所以直接接入5V电源。RR1和RC1是输出延迟时间Tx的调节端,值为Tx≈49152x R9C7;RR2和RC2是触发封锁时间Ti的调节端,值为Ti≈24x R10C6。
2.2 LED驱动电路
2.2.1 LED光源工作原理
LED是一个PN结二极管[3],只有对其施加足够的正向电压才能传导电流,正向电压为LED发光建立一个正常的工作状态,正向电流促使LED发光,发光强度与流过的电流成正比例。白光LED的额定电压:3.3V,额定电流20m A。由于LED的伏安曲线十分陡峭,当电压产生微小的变化时,电流会产生很大的变化,极易造成LED的烧毁,所以在驱动LED时,一般采用的是恒流源。
2.2.2 LED驱动电路设计
驱动电路采用专门驱动LED光源的恒流控制芯片BP2808,该芯片可以控制LED光源的纹波和峰值电流,可实现恒流控制、模拟调光和PWM调光[2]。本文采用PWM调光的控制。电路如图3所示,BP2808芯片中,LN为线电压补偿端,实际中采用R5、R6电阻降压经R7、C4前馈补偿。VCC为芯片的电源端,且内置了12.5V的稳压管。OUT为驱动的输出端,设计中与MOS管Q1连接,与R8、D8一起组成源极驱动电路,输出恒流与D9、L3的续流电路合并向8串8并64个LED光源恒流供电。R8、D8还有软化开关开通驱动变软,保持关断驱动,改善电磁干扰,提升效率的作用。而与LED光源并联的输出滤波电容C6用以减少LED光源上的电流纹波。芯片CS端为电流采样端,通过R9、R10两个采样电阻与地端相连,用于短路保护。同时,为了使整个电路的输出电流达到LED光源阵列组合的要求,电阻R9和R10的阻值也要随着LED数量的不同而改变。
3 智能工作方式程序框图
程序采用C语言编写,通过Microchip的开发平台MPLAB IDE编译。程序框图如图4所示,程序开始后,对程序进行初始化。台灯处于休眠状态,当有人靠近台灯的时候,热释电红外传感器感应信号,并将信号传给单片机,开始采集光照强度[4],调整不同占空比,从而起到控制灯光明暗的效果。当人离开时,中断返回,台灯继续处于休眠状态。
4 结语
设计采用LED能提供安全优质的光环境,提升照明系统的光效,没有红外和紫外的成分,改善眩光,减少和消除光污染。并且利用光照强度控制原理,智能控制灯的发光度,一方面有效减少对资源的浪费,与当前社会”低碳”理念相符,另一方面也保护了我们的眼睛。当房间亮度不够时,且有人在附近时,台灯便会自动点亮,省去了黑暗中摸开关的麻烦。设计简单易行,实用性较强。
参考文献
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一款新型LED台灯的设计 第2篇
关键词： 抛物线光学特性； 旋转抛物反光镜； LED面光源； 辐照图
引言作为新一代节能光源，发光二极管（light emitting diodes，LED）以其低成本、寿命长、色温可选以及环保节能等优点[1]，越来越广泛的被应用于照明、显示等领域。调查指出，相对于普通台灯，使用无频闪LED台灯有助于减轻眼疲劳和其他用眼不良感觉，如眼睛干涩、胀痛和眼花等[2]。由于LED 高度窄角集中的光学特性而产生的极度不均匀照明将引起瞳孔频繁调焦，容易导致眼睛疲劳和不适等症状[3]。所以，目前解决这一问题的关键是对光源进行配光[47]。LED虽然市面有售配光较好的LED台灯，但其复杂的配光系统使得台灯价格偏贵（大部分都要几百元），所以普及率并不高。该文以非成像光学[811]为基础，利用旋转抛物反光镜的光学特性是有效改善LED光线分布状况的重要途径。旋转抛物反光镜与LED光源的相对位置，极大地影响目标平面的光照分布。该文从调节它们的相对位置入手，很好地解决了LED台灯的光照均匀性问题。由于其结构简单，设计与生产成本不高，效果明显，价格便宜，相信会对保护人们的视力起到一定的作用。图1抛物线的反光特性
抛物线的反光特性光源发出的光经反光镜的反射照射到目标面，传统抛物反光镜一般都是以一条抛物线为母线绕其中心轴旋转360°的旋转体。因此，研究抛物线的反光特性就可以推知旋转抛物反光镜的反光特性。抛物线的定义：到一条直线和一个定点的距离相等的动点的轨迹叫做抛物线。这条直线叫做这条抛物线的准线，这个定点就是抛物线的焦点[1213]。抛物线反光特性如图1所示，曲线POP′为抛物线，定点为O，准线为MM′，焦点为F。P为抛物线上任意一点，坐标值为（x0，y0），PT为过P点的抛物线的切线，PN为过P点的抛物线的法线，其中PM=PF。自点A、焦点F和点B发出的光线AP、FP、BP经抛物线的P点反射后分别沿PA′、PF′、PB′线射出。抛物线方程为：y2=4fx（1）准线方程为：
3旋转抛物反光镜光源模块配光从图3（c）可以看出，单个LED对垂直距离400 mm，在400 mm×400 mm接收面内光照较强，边缘光照减弱，没有达到在1000 mm×1000 mm接收面内光照均匀的标准。采用多个旋转抛物面反射器和LED光源组合方法是解决这个问题比较有效且成本较低的途径，而组合方式直接关系到台灯的外型设计。市售台灯的形状一般是圆形或长条形，而长条形的台灯以它占空小、小桌面放置方便等优势深受广大消费者喜爱。所以，从台灯外型考虑，LED光源组合设计在50 mm×20 mm左右的面内较为合适。从成本考虑，模块中LED光源组合的数量不宜太多，以8～12组为宜。在总体光通量与图3保持基本一致的情况下，利用Tracepro光学仿真软件，把8 lm，1 mm×1 mm LED面光源与旋转抛物反射镜按图3（a）的方式组合，再把10组这种配光组合按间距为50 mm，各光轴相互平行的形式排成图4（a）所示的模块，可以达到如图4（b）所示的效果。从图4（b）可以看出，在距光源为400 mm，大小为1 000 mm×1 000 mm接收面上，基本做到了均匀照明，光能利用率也达到了86%。
4结论从抛物线的光学特性出发，证明了把光源放在中心轴的不同位置，反射光线的方向特征。说明了旋转抛物反射镜作为传统的反射镜，抛开光源放置的传统焦点位置，而把LED面光源放置在焦点与顶点之间的正确位置，得到了具有一定发散角的更加均匀的出光效果，免去了复杂的配光程序。考虑到台灯目标面1 000 mm×1 000 mm面积的光照均匀性，以及较为理想的长条形的台灯外形设计，采用2×5的LED光源模块组合进行配光，得到了符合台灯光照标准的较为均匀的照明，光能利用率达到了86%。参考文献：
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智能型防近视LED台灯 第3篇
目前, 市场上销售的调光台灯种类很多, 但多为手动式。这种手动式台灯是根据使用者的需要, 用手来转动调光旋钮, 改变台灯的亮度。这种台灯虽然可以节约电能, 但不具有防近视的功能。当前, 患近视症的中、小学生非常多, 而造成近视的原因有很多, 常见的有以下几种:①环境光线不充足是导致视力下降的原因之一。学生读书、写字时, 充足的光线是必不可少的, 灯光昏暗将会造成眼睛疲劳, 影响视力。选择较好的照明设备调整环境亮度, 可以减少近视的发生, 使学习效率更高。②近距离观看会引发近视。在灯下读书或做作业时, 如果坐姿不正确或距离光源较近, 久而久之, 视力便会下降, 促成近视眼。③长时间学习也会引发近视症。在长时间、近距离的学习状态下, 内外眼肌僵化, 导致水晶体度数增加 (假性近视和屈光性近视的原因) , 长年累月, 则导致眼轴增长, 发展为真性近视。④手机、电脑、i Pad等电子产品的使用也成了学生近视的一大杀手。有些学生玩游戏上瘾, 加重了近视。
1 设计目的和原理
鉴于当前越来越多的学生患近视症, 本文介绍了一种智能型防近视LED台灯, 其具有以下功能:①防近视的阅读功能。中、小学生在灯下看书或做作业时, 如果超过规定 (即调定) 的距离, 灯光便自动变暗, 而离开规定距离时, 灯光则自动变亮。这样, 就可防止学生不会距离灯太近。②防长时间阅读的功能。在学生阅读一段时间后 (约30 min) , 该台灯会发出信号 (音乐或光影变化) 提醒学生暂停阅读, 让眼睛获得适当休息。③节能环保功能。智能型防近视LED台灯采用高亮度LED灯作为台灯光源, 并采用PWM技术调光, 具有无段调光功能, 可从1%调至100%;可依照使用者的不同时间、不同需求调整亮度;无紫外线, 被照物不会变质, 也无红外线冷光源, 被照物不会发烫, 且使用寿命较长, 可达50 000 h;不含水银等重金属, 符合环保之绿色照明需求, 光线集中不闪烁。
2 工作原理
2.1 白光LED调光原理
白光LED亮度调整的方法可分为两种, 即类比调光和PWM调光。采用类比调光方法时, 只需将白光LED的电流降至最大值的一半, 就可使屏幕亮度降低50%.但该方法也存在一定的不足, 比如白光LED色移, 需要类比控制信号。PWM调光方法可在减少的电流占空周期内为白光LED提供完整的电流, 比如, 要将亮度减半, 只需在50%的占空周期内提供完整电流。PWM信号频率通常会超过100 Hz, 以确保脉冲电流不会被眼睛察觉。此外, PWM频率的最大值需视电源的启动和反应时间而定。
2.2 红外线测距原理
红外线测距电路包含红外发射电路和红外接收电路。通常, 红外线发射头LED和红外线接收头装配在一起构成一体化的传感器件, 灵敏度高、抗干扰性好, 可在强光下正常工作。当发射头前方有人阻挡时, 发射头发出的高频红外线信号将被人体反射一部分回来, 红外线接收头接收到这部分信号后, 经MCU读取判断学生的阅读距离是否过近。
3 设计方案
本文介绍的智能型防近视LED台灯, 其硬件部分主要分为LED照明设备、HT46R24控制电路和电源供应电路三大部分。LED照明设备包括灯具架、LED阵列, HT46R24控制电路包括MCU控制器电路、LED驱动电路, 电源供应电路包括LED电源DC24 V与DC5 V稳压电路。图1所示为电源供应电路。
4 结论
以单片机为核心的智能型防近视LED台灯不仅具有自动调光功能和防长时间阅读的功能, 还具有节能环保的功能, 它是台灯未来发展的必然趋势。
摘要：当前, 患近视症的中、小学生很多, 学生在灯下学习或做作业时, 由于距光源过近, 久而久之, 视力下降, 促成近视眼。市场上的调光灯不具有预防近视的功能, 因此介绍了一种智能型防近视LED台灯, 它是利用单片机设计而成, 能自动调节光的亮度。这种LED台灯不仅可以防止在灯下长时间学习造成眼睛近视, 还具有自动调光节电及延长灯泡使用寿命的功效。
关键词：智能型,单片机,防近视,LED台灯
参考文献
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[2]熊洁.一种基于单片机的LED台灯设计[J].科技信息, 2012 (32) .
智能LED台灯 第4篇
随着科技的进步和发展，国家和社会越来越关注环境问题，对能耗的控制提出了越来越高的要求。LED作为一种绿色环保且发光效率极高的器件被广泛应用于日常照明中。然而，目前市售的LED台灯控制器，大多都由电源开关、亮度调节旋钮和LED驱动器组成，只具有简单的LED台灯开启与关闭，手动亮度调节以及LED驱动恒流恒压控制功能，功能单一，能耗控制不精确，无法实现智能节能，用户体验较差[4]。
为了克服现有LED台灯控制器的以上缺点，基于LED驱动器芯片大多数具有PWM(脉宽调制)控制输入，而基于ARM Cortex M0的半导体微控制器(MCU)具有丰富的片内外设和低功耗特点[1]，正好能够产生和控制一定频率的PWM输出。本设计提供了一种基于MCU、超声波测距及光线强度传感器的解决方案。以NXP的LPC1114作为核心控制器件，通过超声波测距传感器和环境光线传感器自动检测用户是否离开以决定LED台灯开启与关闭以及自动感应环境光线强度从而自动调节LED台灯亮度两方面来保证智能节能的效果。另外，本控制器的用户使用视野光强和自动开启/关闭距离均可通过按键进行设置，从而使本LED台灯的设计和使用更加人性化。
系统框图
整个智能节能LED台灯控制器由LED台灯本身的220V-AC交流输入，经台灯的电源AC-DC模块之后获得的LED驱动器工作电压9V[4]，经LDO电源转换芯片AMS1117-5.0和AMS1117-3.3转换得到5V和3.3V电压，分别给LED驱动电路、超声波传感器、LCD1602液晶显示屏和LPC1114及环境光线强度传感器供电。
LPC1114的ADC通过采集环境光线传感器输出的环境光线强度，据此改变PWM占空比，PWM的输出经后级的LED驱动电路滤波放大后自动控制LED亮度;超声波测距传感器实时测量用户到lED台灯的距离，从而为LPC1114智能控制LED台灯的开启/关闭提供可靠依据。用户设置按键用于完成用户对LED台灯使用距离和光强的自定义设置，同时将用户设置的LED台灯使用距离及亮度实时地显示在LCD1602液晶显示屏上，从而使得整个设计更加易用和人性化[3]。
整个智能节能LED台灯控制器硬件系统框图设计如图1(图中虚线部分为LED台灯自身功能模块，非本设计内容)。
技术原理
超声波测距
本系统中使用的到超声波收发模块URF04如图2所示。
该超声波测距传感器由一个超声波发射探头、一个超声波接收探头及74HC04非门构成的迟滞比较器电路组成，管脚定义如为：VCC—工作电压5V;TRIG—超声波发射触发输入端口;ECHO—测距响应输出端口;GND—地;OUT—不用。只要在TRIG端口向URF04输出一个持续时间10ms以上的高电平，该模块就会自动发送一串个频率为40kHz的方波并自动检测是否有信号返回。当有信号返回时就通过ECHO输出一个高电平给MCU，高电平的持续时间就是超声波从发射到接收的传播时间。这个时间可以通过LCP1114内部的定时器输入捕捉中断来计算。而超声波在空气中的传播速度为340m/s，从而可以获得障碍物到LED台灯的距离计算公式如下：
其中t为定时器计算出的时间，单位为秒。
环境光线传感器测环境光强
本设计中使用的光线传感器模块如图3所示。
其核心元器件是一个可见光光敏电阻和弱信号放大电路。光敏电阻是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器：入射光强，电阻减小;入射光弱，电阻增大。因而，可以将环境光线强度转换成模拟电压输出。输出电压范围是0.5V～VCC-0.5V。LPC1114通过内部10位精度的模数转换器的一路输入进行采样、转换得到环境光线强度所对应的数字量，此数值的大小与光线强弱成反比，即，光线越强，AD转换值越小;光线越弱，AD转换值越大。
PWM波形输出驱动LED
利用PWM波的平均输出功率正比于其占空比，LPC1114输出的PWM波如图4所示。
一个周期T内的有效电平时间为Ton，即。由功率计算公式：
其中R在一定情况下是固定的，所以PWM波输出功率就与Uvalue2成正比。所以改变占空比可以改变PWM输出功率，即LED输入功率，LED的亮度也随之变化。这里由于大多数LED驱动器将输入PWM的频率限定在10k Hz以内[4]，所以本设计中将LPC1114的PWM输出频率设置为5 kHz，而PWM的输入时钟频率为5MHz，所以PWM输出占空比的调节精度为1/1000。
系统软硬件设计
硬件设计
超声波测距传感器采用LDO输出的5V电压供电，需利用8050 NPN型三极管和电阻分压实现其与LPC1114的电平匹配;由于LPC1114的I/O口的驱动电流最大不超过10mA，对于LED驱动器这样的电流型负载来说，驱动能力较弱，不能满足系统设计要求，所以，我们在后继设计了一个下滤波和隔离电路，以增强系统的负载驱动能力[3]。
图5中MOS管IRF630起隔离作用，C15、C16以及R31、R32构成二阶低通滤波电路，将LPC1114输出的PWM方波信号转换为与其占空比成比例的直流信号，之后由放大器LM358构成的跟随电路进一步隔离，减小输出阻抗，增强驱动能力。
进行电路图及PCB设计时须考虑超声波测距传感器，光线传感器、用户设置按键、LCD1602液晶显示屏的摆放位置以及LPC114的ADC模拟电源地与系统数字地的隔离处理[2]，保证超声波传感器的发射和接收探头面向用户以正确探测用户到LED台灯的使用距离;光线传感器位于LED台灯光线可照射区域以正常采集LED台灯照明视野内的光线强度;LCD1602液晶显示屏位于LED台灯控制器的正前方以方便用户查看当前设置信息。
软件设计
PWM波形输出
LPC1114每隔10毫秒启动内部模数转换器(ADC)采集一次环境光线传感器输出电压，并查表转换，得到当前LED台灯的实时亮度，据此与用户设置得LED台灯使用亮度进行比较，当环境光线强度小于用户设置值时，增大LPC1114的PWM输出占空比，调亮LED台灯;反正当环境光线强度大于用户设置值时，减小LPC1114的PWM输出占空比，调暗LED台灯，直至环境光线强度等于用户设置值。
环境光线强度对PWM输出占空比的调整程序流程图如图6所示。
光强AD转换
由于环境光线传感器是采集光敏电阻的输出电流，其大小与光线强度成反比，其比例为非线性关系，因此我们结合所采用的光线传感器的使用手册和大量的实验数据，采用C语言的全局常数数组定义了一个ADC采样值大小与对应光线强度的查找表，该数组总共300个元素，对应光强从0到300流明，从而实现ADC采样值到环境光线强度的快速转换。
只要将ADC的输出值与该数组成员进行二分法快速对比，与其大小相差在±2LSB之内，即取该查找表数组成员的索引号作为当前环境光强大小。
整体流程
整个智能节能LED台灯控制器的软件工作流程为：
第1步，进行系统初始化，主要完成对LPC1114输入输出控制管脚、内部模数转换器(ADC)、定时器的初始化，液晶显示器LCD1602的初始化以及对LED台灯使用距离X0和使用亮度Y0赋系统默认值;
第2步，读取LED台灯使用距离X0和使用亮度Y0并在液晶显示器上显示;
第3步，读取超声波测距传感器测得的当前用户到LED台灯的实际距离X;
第4步，比较用户设置的LED台灯使用距离X0和当前用户到LED台灯的实际距离X：若X>X0，则转到第5步执行，否则转至第6步;
第5步，关闭LED台灯，LPC1114进入睡眠低功耗模式，然后返回第2步继续循环;
第6步，读取环境光纤传感器采集的当前LED台灯视野内的光强Y;
第7步，比较用户设置的LED台灯使用亮度Y0和当前LED台灯视野内的光强Y：若Y=Y0，则返回第2步;否则转至第8步执行;
第8步，根据环境光线强度调节LPC1114的PWM输出占空比，然后返回第2步继续循环。
用户设置的LED台灯使用距离X0和使用亮度Y0在按键中断处理程序得到更新。详细软件设计流程图如图7所示。
图7中X0表示LED台灯使用距离用户设置值，X表示用户当前到LED台灯的实时距离;Y0表示LED台灯光强(亮度)用户设置值，Y表示当前实时的LED台灯视野内的环境光线强度。图7中左侧流程为main()函数循环，右侧流程为按键中断务函数。
总结
本智能节能LED台灯控制器与市售LED台灯--雅格YG3984联合安装测试，在中午使用比原LED台灯节能40～65%;在早上或下午使用，比原LED台灯节能20～43%;取得了明显的节能效果。成功实现了人走灯灭和根据环境光线强度自动调节LED台灯亮度两大特色节能功效，且能够对LED台灯的使用距离和使用亮度进行个性设置，并在LCD1602液晶显示屏上实时显示，操作简便友好。在全球注重环境保护，提倡绿色节能的大趋势下，本设计具有巨大的市场应用前景和经济效益。
摘要：本设计采用NXP基于ARM Cortex M0的MCU--LPC1114作为核心控制器,利用其丰富的片内外设,通过环境光线传感器和超声波测距传感器实时采集环境光线强度和用户到LED台灯的使用距离,并与通过用户按键设置的LED台灯使用距离和亮度进行对比,从而调节LPC1114的PWM输出占空比,驱动LED台灯驱动器,在保证LED台灯使用视野亮度恒定的情况下,实现人走灯灭和根据环境光线强度智能调节LED台灯亮度两大功能,实现智能节能效果。本设计是一个高效、低成本且有良好用户体验的解决方案。
关键词：LPC1114,LED台灯,智能节能,控制器
参考文献
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LED台灯制作步步高 第5篇
相对传统光源,LED有着传统光源不可比拟的优势,如节能环保,长寿命,抗振,应用灵活等,它几乎综合了各种传统光源的优点,适用于各种传统光源的应用领域。因而近年LED照明发展的很快,进入了现代生活的每一个角落。
市电是220V的交流电,目前LED使用的是直流电,所以不能像白炽灯一样直接把LED接在市电线路上,而要有一定的驱动电路,LED照明比较常见的驱动方式有表1所示的三种。
采用开关电源驱动聚光型LED是比较好的选择。笔者利用手机充电器和一些白光LED等电子元件,制作了一个实用的聚光台灯。本文介绍了它的详细制作过程和后来进行的一系列的改进。
串联限流电阻型
制作材料
1.手机充电器一个,输出电压为5V,最大输出电流为500mA,如图1所示。随着数码产品的普及,这种充电器,估计每家都有好几个。
2.直径5mm的聚光型高亮度白光LED,24颗,这种发光二极管正常发光时两脚间的电压为3.1～3.4伏,电流20mA左右(见图2)。由于本制作使用的电源最大输出电流为500mA,如果LED并联使用的话,这个电源能够驱动25颗,此处选择24颗。如果不是制作聚光型台灯,而是日常使用的普通台灯,则应选用散光型LED。
3.限流电阻,电源输出5V电压,而LED正常发光时两脚间的电压为3.1～3.4V,必然要串联一个电阻分掉部分电压。电路图如图3所示,由中学所学的欧姆定律可以分析出,其中Uo为电源输出电压5V,ULED为LED工作电压,设定为3.2V,ILED为单个LED工作电流,设定为20mA,代入得R=3.6Ω。由焦耳定律可得,限流电阻消耗的功率PR=(n×ILED)2×R≈0.8W,由于笔者无1W电阻,所以用两个1/2W、6.8Ω的电阻并联在一起作为限流电阻。
4.其它:万能板(10cm×15cm)一块,坏台灯外壳一个,导线若干。
制作过程
至此聚光型LED台灯制作完成。由于涉及220V市电,在通电前要仔细检查各部分电路的连接,确认无误后方可通电。灯泡亮度较高,实测总电流为440mA,达到预期的目的,符合设计要求。
3.2V电压直接驱动型
由上面的计算可知,LED消耗的功率约为1.3W,而限流电阻消耗的功率达到0.8W,整个电路的效率比较低。作为一个电子制作者来说,这种制作是不完美的。怎样提高整个电路的效率呢?其中一种方法是改装电源,让它直接输出3.2V电压来驱动LED。要改装电源,必先了解其工作原理。
我所使用的充电器电路图与图4类似,是一种利用间歇振荡器构成的自激振荡开关电源,该电源不同于一般的脉宽调制开关电源,其特殊之处是通过抑制自激振荡的过程来稳定输出电压,鉴于编幅限制,本文只对其稳压过程进行说明。
接通电源时,开关管VT16正常工作,经过几个振荡周期的充电,C32电压升高到5V以上,此时稳压管VDZ击穿,光耦IC1里的发光二极管发光,光耦IC1次级导通,使VT17导通,VT16截止,停止振荡,此时由C32向负载供电;供电过程中,电容C32输出电压减小,当低于5V时,光耦IC1里的发光二极管截止,光耦IC1次级截止,使VT17截止,VT16正常振荡,向C32充电直到5V以上,通过振荡-抑制过程,保持了输出电压的稳定。如果不对自激振荡过程进行抑制(如拆除VDZ),实际测量空载输出电压达16V。这种稳压方法一般应用在输出电流小于500mA的开关电源中。
电路分析
如果把3.9V的稳压管换成2.0V的稳压管,由于光耦里的发光二极管发光时两脚之间的电压为1.1V,则可以输出3.1V的恒定电压。
经替换后,测量其输出电压为3.0V,输出总电流为0.21mA,LED亮度显得稍暗一些。可换用稳压稍高的稳压二极管,或让2.0V的稳压管与正向导通电压低的肖特基二极管串联使用。
制作过程
恒流源驱动型
如果是普通的小白炽灯,3.2V和3.0V分别驱动,亮度很难区分出来,为什么驱动LED亮度变化那么明显呢?这要从发光二极管的特性曲线来分析。如图5所示是某种绿光二极管的UI曲线。
从图中可以看出,当这种发光二极管电压大于3.0V时,即使电压发生微小的变化,电流都会发生很大的改变。由于各种原因,如输入电压、温度变化,稳压电源输出电压会发生变化,通过LED的电流可能发生很大的变化,从而影响LED照明的性能。因此,电子工程师设计LED照明电路,并不是采用恒定电压来驱动LED,而是采用恒定不变的电流来驱动LED,即采用恒流源驱动方式。应用这样的驱动方式,即使电流由于各种原因,发生一些变化,电压的变化很小,不会影响LED的亮度。
经过修改,此电源也可实现恒定电流驱动的方式。替换方法如图6所示。
电路分析
对电路分析可知,当LED总电流大于0.4A时,光耦发光二级管两端的电压U=l总×R=1.1V,光耦里的发光二极管发光,开关管停振。LED由C32供电,C32两端的电压降低,电流减小,当电流降到0.4A以下时,光耦发光二级管两端的电压小于1.1V,光耦里的发光二极管不发光,开关管正常工作,给电容器补充电量。由此实现开关电路的间歇性振荡,使电流稳定在0.4A左右。
修改连接好电路,仔细检查后通电,LED正常发光,实际测量,流过LED的总电流为0.41A,符合要求。至此,我们充当了一回电子工程师,设计出了实用的恒流源驱动的LED灯。
制作过程
调光型
使用环境不同,对照明亮度的要求不同,调光型的台灯有很多的好处。对电源电路按图7所示进行改进,则可做成调光型的LED台灯。
电路分析
用欧姆定律分析该电路可知,如果电位器阻值调到最大10k,当光耦电压为1.1V时开关管停止振荡,此时VCC为4.7V;如果电位器阻值最小10k,当光耦电压为1.1V,VCC为2.1V,从而调整电位器,可实现LED驱动电压的调整,从而控制其亮度。如果调光过程中,总电流大于0.5A,则UR通过二极管VD加载到光耦上,使输出电压不再升高,实现了最大电流的控制。
实测调整过程中的最大电流为0.49A,最小电流小于0.01A,能够很好地起到调光的作用。
到这里,我们己经制成了一个理想的LED台灯,焊接贴片元件在晚上也可以进行了。有时还可以把它当“探照灯”使用,照到家里十米远处的一个无灯无插座的角落里。
制作过程
制作过程中,有以下几点要特别注意:
1.安全第一,由于涉及到220V的高压电,制作过程中要注意安全,测试过程中,要仔细检查后再通电。
2.设计过程中,总电流不能超过原充电器的额定值,否则,应重新选择电源,或者设计制作电源。
新型多功能控制LED台灯 第6篇
关键词：LED台灯,红外线控制,光敏电阻,微调电阻
0 前言
日前全球资源短缺的忧虑再度升温。且不说全球的资源紧缺到什么程度,以作者所在地区的情况为例,我们地区很多县区的农村从国庆节之前就开始实行了“限电”制度,即给农村送一天电,然后就停一天电(约从早8点到晚7点)。另外从新闻了解到,曾有一段时间煤炭都不够用来发电了,有的地区甚至用石油发电,所以石油的价格也涨得特快。
又比如水资源短缺,据2010年12月4日新华网报道:“截至目前,黄淮、江淮冬麦区作物受旱面积5799万亩(其中重旱627万亩,干枯30万亩),北方部分山丘区有177万人、155万头大牲畜因旱发生饮水困难。”
所以节约资源是我们未来所面临的主要问题,也要求我们时时处处都要节约资源。而事实上人们浪费资源的情况比比皆是。偌大一个教室、偌大一个教学楼灯火通明,里面却一个学生都没有,而上面的风扇在不厌其烦的转着。分析其原因有二,人们太“懒惰”了,二是节约资源太“不容易”了。事实上第二点也是一个主要原因。比方说,如果我们所使用的照明灯、风扇、空调等等,在没有人的时候它们会自动停止,那么节约资源就“容易”多了。正是基于第二点原因,我们以台灯为实验对象,设计了一种新型多功能控制LED台灯。该设计的创新点有二:1)用LED灯代替普通的台灯灯管,这样既节省了资源又延长了台灯的使用寿命;其二、多功能控制不仅适合于控制台灯,还适合于控制风扇、空调等用电设备,设计思想是一样的。
1 功能特点
本设计的功能特点有以下几点:
(1)红外线控制。本设计采用红外自动控制。当我们需要光照,可又控制不方便或者不愿意控制人工开关时,我们的自动控制系统就起到重要作用了。当我们来到该台灯的自动控制范围(0~1.2m)时,就会自动激活红外开关,灯自动点亮;人一旦离开,红外线会自动关闭电源。达到既节省电能又省去了反复控制开关的动作,更加人性化。另外,该产品在红外线的基础上与普通开关和光电开关合理配合使用,如接近该产品而不需要光照(如白天),光电开关会自动切断电路,为保障电路断开亦可断开普通开关,使得红外线不能触发电路,故灯不会亮。
(2)光线强度的自动调节和人工调节。此台灯在设计时加入了光线调节功能,并且有两种调节方式:利用光敏电阻在光线强弱变化时自动调节和利用微型可调电阻实现人工调节。两调节方式在电路中巧妙配合使用,实现了任一变化都可调节光线强弱的功能。另外,微型可调电阻还可调节光线最强的亮度,以适应人在暗、亮的变化环境,保护眼睛,且安装于外围,调节方便。
(3)节能环保。此台灯在设计时使用LED灯,LED是冷光源,灯内没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、光衰等,使用寿命达6万到10万小时,可大大降低灯具的维护费用,避免换灯之苦。LED的光谱中没有紫外线和红外线,既没有热量,也没有辐射,不含汞、铅等对人体有害的元素。工作电压低,可安全触摸。除此之外,重要的一点还在于节能,因为LED功率是很低的,在设计中用了100个LED灯,满载功率才3W,远低于普通台灯的功率。
2 电路图设计
本设计利用了红外线接近原理,红外线发出低高电位,从而触发三极管基极,使三极管处于饱区和及截止区,以便于控制电路的导通与断开。并且带有工作指示灯,可方便看出红外线的工作状态。红外线工作原理图如图1所示。
为了方便自动控制,我们加长了自动控制的控制导线,其方式如图2所示。
开关封装图如图3所示.
利用光敏电阻对光线不同阻值不同的原理,串在电路中,分担流经LED的的电流,以控制LED的功率。光敏电阻安装在外围,便于对光线的采集,达到光线自动控制的目的。利用微调电阻阻值变化灵敏的特点,顺时针或逆时针转动可以调节光线的亮度,安装于外围,调节方便。
智能LED台灯 第7篇
关键词：LED光源,台灯,环境监测,有害气体,PM2.5
1 智能化台灯的设计目标
在这个“谈霾色变”的时代, 给学生一个安全舒适的学习环境是万千家长的心声。空气净化器走进了千家万户, 但它到底有没有实际效果, 许多家长心里还是带着一个问号。台灯作为学生在房间里学习必不可缺的用具, 该设计提出的安全舒适学习用智能化LED台灯, 将从光源设计本身、环境参数监测与报警功能、学习注意力监测功能等方面为学生提供一种全方位的安全保障, 同时也通过语音识别与触摸屏等方式提供十分友好的交互方式, 使台灯成为学生学习的真正好伙伴。
2 智能化台灯的设计特点
该具有环境质量与学习状态监测功能的LED台灯。
(1) 采用阵列分布的LED光源, 可有效保护学生学习的视力:传统的日光灯使用的是交流电, 每秒会产生100~200次频闪, 而在该发明中采用宽色温无频闪的LED光源, 使用恒流工作方式, 把交流电直接转换为直流电, 有效减少LED光衰, 启动快, 无闪烁, 保护学生眼睛。
(2) 具有温湿度监测与显示功能:可实时监测房间温度、湿度并显示在LCD液晶屏上, 当温度或湿度超过一定阈值, 会发出报警提示语音, 提醒学生需要增减衣物, 或者提醒学生需要开窗通风或喝水。
(3) 具有室内有害气体监测功能:有害气体检测包含对甲醛、一氧化碳、甲烷、酒精等对人体有害的有机气体的综合检测。室内气体环境由于受家庭装修、炒菜油烟、天然气使用和开窗通风时的外界环境影响, 气体成分复杂且浓度变动较大, 而该设计可对有害气体进行综合监测, 实时提醒家长关注室内空气质量, 确实保证学生健康的呼吸环境。
(4) 具有PM2.5颗粒参数监测功能:PM2.5等可吸入颗粒物日益成为生活中较受关注的问题, 而天气预报软件发布的报告仅为室外可吸入颗粒物的平均值, 并不能成为室内PM2.5的参考。该设计中的PM2.5模块可实时检测室内可吸入颗粒物浓度, 当可吸入颗粒物达到一定浓度值, 将发出报警信号, 提醒学生或家长注意室内卫生, 保证学生干净健康的学习环境。
(5) 学生学习注意力状态提醒功能:该设计配套有脑电监测头戴设备, 脑电检测头戴可实时检测学生的脑电波, 并分析数据将注意力值实时发送至台灯端的控制芯片。台灯端不仅可以显示学生的注意力值, 还能在学生注意力不集中时进行温和提醒, 使学生能专注学习, 提高学习效率。
(6) 采用触摸屏与语音控制双重交互方式:传统声控开关只是声音幅值检测, 并没有语音识别开关功能。该设计使用特定语音的开关与调节, 只需喊出“开灯”“关灯”“调亮”“调暗”, 便可方便地控制台灯。对学生来说, 不仅有趣味性, 而且更加方便和实用。
(7) 闹钟提醒功能:通过台灯液晶屏可设置两个闹钟:一个为起床闹钟;另一个为睡觉闹钟。通过触摸屏可进行闹钟时间设置和开关控制。在指定时间为学生用语音提供闹钟功能。
3 智能化台灯的设计方案
根据设计特点进行分析设计, 安全舒适学习用智能化LED台灯模块框图, 主要包括以下功能模块。
(1) 处理器模块:考虑到系统的扩展性、实时性、数据处理能力以及低成本性的要求, 该处理器模块采用是ST公司推出的STM32F103VET6芯片。该芯片以ARM 32位的Cortex-M3为内核, 可提供最高72 MHz的工作频率。片上集成并行LCD接口、I2C、SPI、USART、ADC和SDIO等丰富的控制接口, 因此, 可以满足该系统的功能需求。
(2) 电源模块:电源模块的设计对系统运行的稳定性至关重要。系统的供电电路主要包括三路, 分别是12 V、5 V和3.3 V。三路电压分别通过电源转换芯片得到。电源经过整流、滤波和稳压, 最终提供系统稳定的供电电压。
(3) LED驱动电路:采用GPIO接口对LED光源进行控制, 并可通过PWM波形占空比调节来实现台灯亮度的调节。
(4) LCD触摸屏:采用武汉中显的串口触摸屏, 可直接通过UART接口发送指令, 进行LCD显示与触摸输入交互。
(5) 温湿度传感器:该设计的温湿度传感器采用SHT10数字温湿度传感器, 实现对空气温度和湿度的采集, 并将采集的数据用两线制串行接口发送给MCU。SHT10是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器, 具有超低功耗和长期稳定性的特点。
(6) PM2.5监测模块:PM2.5模块采用DSM501A传感器, 实现对可吸入颗粒物的实时采集, 并将采集信号发送给MCU。PM2.5模块可调节灵敏度, 可设置检测颗粒物直径1 um和2.5 um, 室内香烟、灰尘、霉菌、花粉、孢子均可被检测到。
(7) 有害气体监测模块:TGS2600传感器芯片, 可检测甲醛、酒精、一氧化碳、甲烷等有机气体综合浓度。
(8) FLASH模块:FLASH模块可通过STM32芯片自带的SPI接口进行通讯, 主要存储音乐MP3与语音提醒MP3文件。
(9) 语音识别与输出模块:语音识别与输出模块采用了识别/输出一体化模块LD3320芯片, 该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路, 包括ADC、DAC、麦克风接口、声音输出接口等。该芯片不需要外接任何芯片如FLASH、RAM等, 可直接集成在现有的产品中, 实现语音识别/声控/人机对话等功能。
(10) 蓝牙通讯模块:设计所使用的蓝牙模块采用HM10主从一体式蓝牙4.0芯片, 该模块具有集成度高、稳定性好、功耗低、外围电路少等优点, 完全满足该系统的需求。
4 智能化台灯的测试方案
(1) 该设计的测试分为硬件测试、软件测试、软硬件联调测试与整体机器总体测试四个步骤。必须要按序进行。一旦发现问题将进行问题反馈与修正, 重新提交测试。
(2) 硬件测试主要包括各硬件模块的功能测试, 首先是电源模块测试;其次是处理器模块测试, 接下去就是各个硬件模块的单独测试, 确保各硬件组成部分的芯片与连接的完好。
(3) 软件测试主要指应用软件的测试, 按照设计功能要求进行完整的功能性测试, 确保各个功能均可正常运行。软件测试分模块进行测试, LED模块、LCD触摸屏模块、温湿度传感器模块、有害气体监测模块、PM2.5监测模块、语音模块、FLASH模块、蓝牙模块等单独测试, 每个模块测试通过后, 再整合模块进行测试。单独测试通过后, 整合测试往往会出现问题, 原因是各个模块会有相互影响的因素, 如:中断嵌套、任务抢占、任务栈内存溢出。因此, 需要进行中断优先级调整、任务优先级调整、任务栈大小调整。
(4) 软硬件联调测试包括正常工作状态下的测试与异常工作状态下的测试, 在此过程中, 要增加一些容错性处理。要考虑到学生的操作习惯、错误操作, 模拟出多种可能出错的状况, 进行全面测试, 针对不同情况增加软件上的处理。
5 结语
在该设计中, 除了电路设计之外, 美观大方的工业化设计造型是决定发明设计是否可以真正成为产品的关键。考虑到产品的受众定位, 设计性价比要尽可能高。在设计过程中, 为将来的产品化定型要考虑系列化, 高端用户可能包括全部功能, 中端用户只包括一部分功能, 因此, 在该设计过程中充分考虑到了模块化设计思想。
参考文献
[1]樊钰.基于单电极脑电采集设备的Android音乐播放器设计[D].杭州:浙江大学, 2013.