(西北民族大學(xué) 甘肅 蘭州 730124)

智能變色LED燈的發(fā)明研究

谷若蕓

(西北民族大學(xué)甘肅蘭州730124)

本文在總結(jié)了前人LED的基礎(chǔ)上，提出智能LED臺燈的設(shè)計原則和要求，利用STM32芯片實現(xiàn)智能LED臺燈系統(tǒng)的調(diào)光和調(diào)色，系統(tǒng)可實現(xiàn)亮度5%～100%的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)十種色彩調(diào)節(jié)，滿足人們的多樣化照明需求。

智能照明；設(shè)計原則；調(diào)節(jié)亮度；調(diào)節(jié)色彩

一、引言

在目前全球能源緊張的大背景下，節(jié)能減排成為當(dāng)前世界共同探討的關(guān)鍵話題。而我國目前的照明依舊是以低效率的白熾燈為主，能耗較大，由此可見照明節(jié)能影響深遠。

發(fā)光二極管是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件。它具有節(jié)約電能(同白熾燈相比節(jié)省80%，同熒光燈相比節(jié)省60%)、發(fā)光效能高(比白熾燈高20倍；比熒光燈高5倍)、壽命長(是白熾燈的50倍，熒光燈的6倍，理論上照明10萬～12萬小時)；污染小(LED替代全部熒光燈后每年可以減少8000萬噸CO2，65萬噸SO2，32萬噸NO2的排放；無紅外線和紫外線輻射；減少Hg的危險)和智能燈(小尺寸光源，色彩再現(xiàn)良好、瞬時點亮；可進行傳統(tǒng)光源無法進行的等級控制；具有分光光譜、色溫、偏振等特點)[1-5]。

近年來LED技術(shù)快速發(fā)展，照明系統(tǒng)功能不斷完善。隨著社會的發(fā)展人們對照明的要求越來越高，特別是在家居方面，傳統(tǒng)燈具已經(jīng)不能滿足人們對照明的需求，智能化照明成為發(fā)展的方向。本文旨在基于單片機設(shè)計一套高亮度、多色彩、低成本的調(diào)光調(diào)色照明系統(tǒng)，以滿足人們不同的照明需求。

二、智能 LED 臺燈設(shè)計原則及要求

(一)智能 LED 臺燈設(shè)計原則

臺燈是我們?nèi)粘Ｉ钪谢镜南到y(tǒng)，它的發(fā)展會給人們的生活帶來深刻的影響。智能化的LED 照明不僅能方便用戶的生活，，有益于人們的眼睛和身心健康而且還能為人們提供多姿多彩的工作和生活照明環(huán)境，給人們帶來美好的感受。

通過查閱相關(guān)文獻[6-8]，在設(shè)計智能LED 臺燈時應(yīng)遵循以下原則：

1.實用性。智能 LED 臺燈的設(shè)計應(yīng)以實用為核心，避免不必要的光源和設(shè)備，產(chǎn)品設(shè)計始終圍繞實用性開展。

2.舒適性和人性化。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對照明的要求已經(jīng)不僅僅停留在可視性的階段，而是開始更多地追求節(jié)能、環(huán)保、安全、美好的照明感受等滿足社會可持續(xù)發(fā)展和精神層面的要求。因此，一個好的臺燈應(yīng)該使人們可以根據(jù)具體的環(huán)境以及自己對環(huán)境和生活的不同理解，來選擇特定的照明效果，實現(xiàn)舒適性和人性化的照明控制，使照明兼具可視性和觀賞性，滿足人們的生理和心理要求，為人們的生活和工作建立一個合理、舒適的照明環(huán)境。

3.操作便利性。智能 LED 臺燈的設(shè)計要考慮到用戶并非專業(yè)人員，設(shè)計控制系統(tǒng)時要盡量使操作步驟簡單易學(xué)，控制界面最好能夠采用清晰易懂的日?；瘓D形，真正實現(xiàn)所見即所得。

(二)智能 LED 臺燈設(shè)計要求

LED以其環(huán)保、節(jié)能、壽命長已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，分析當(dāng)今LED市場可知，LED光源將不會是未來照明行業(yè)的發(fā)展重心，智能LED照明才是照明市場的“明星”。智能LED臺燈設(shè)計要求以LED光源為基礎(chǔ)，充分利用LED 調(diào)光技術(shù)，實現(xiàn)對智能LED臺燈的控制，使之能更好地為人類服務(wù)，通過查閱相關(guān)文獻[9-11]，具體要求為：1)既能滿足智能化的日常照明需要，又能提供人性化的景觀照明需求；2)日常照明 LED 燈具能控制點亮、熄滅及調(diào)節(jié)亮度；3)景觀照明 LED 燈具能控制點亮、熄滅及運行指定的色彩方案；4)對LED燈具實現(xiàn)分組控制；5)LED燈具亮度和顏色切換時，不能產(chǎn)生視覺上的不適；6)上位機的控制界面應(yīng)該直觀易懂、操作步驟簡單易學(xué)。

三、系統(tǒng)簡介及工作原理

(一)系統(tǒng)簡介

本文設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)LED光源色彩、亮度等參數(shù)的調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)設(shè)計五個按鍵控制設(shè)備發(fā)出的控制信號，并根據(jù)處理結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)的電路實現(xiàn)照明調(diào)節(jié)。圖1為智能變色LED臺燈電路圖。

圖1 智能變色LED臺燈電路圖

(二)工作原理

首先光照射到LED燈系統(tǒng)的感光元件上，軟件系統(tǒng)會對光照進行檢測并在顯示屏上顯示相應(yīng)的數(shù)值。根據(jù)環(huán)境亮度調(diào)節(jié)LED燈光亮度。本系統(tǒng)設(shè)計了五個按鍵對LED燈光顏色和亮度進行調(diào)節(jié)，分別為電源開關(guān)鍵、燈光色彩調(diào)節(jié)鍵、亮度加鍵、亮度減鍵和復(fù)位鍵。

當(dāng)周圍光強信號較高時，LED燈關(guān)閉；當(dāng)周圍光強度信號一般時，控制器打開LED燈；光強信號較低時在增加LED燈亮度，光強信號最小時，增加LED燈亮度至最大。同時本系統(tǒng)LED燈光具有十種色彩，可在不同環(huán)境和用戶需要的情況下進行調(diào)節(jié)。根據(jù)光強情況調(diào)節(jié)亮度和色彩，達到最大限度的節(jié)約電能和卻不影響正常照明的目標(biāo)。

(三)創(chuàng)新點

工作電壓低，能耗低的LED燈構(gòu)成照明設(shè)備，相對于普通的燈具，我們的LED燈有以下優(yōu)點：

1)亮度調(diào)節(jié)：根據(jù)外界的光線強度，自動識別白天黑夜，控制開關(guān)是否工作，并且可通過單片機控制LED燈的驅(qū)動電路來調(diào)節(jié)其亮度，達到節(jié)能的效果；

2)發(fā)光效率高：消耗的能量較同光效的白熾燈較少80%，較熒光燈減少50%；

3)實用性強：利用單片機進行控制可靠性高；控制功能強，具有豐富的控制指令；體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化；

(四)小結(jié)

本文提出LED臺燈設(shè)計的3點原則和6點要求，基于單片機的智能變色LED臺燈以STM32F103RB芯片作為主控芯片，設(shè)置了電源開關(guān)鍵、燈光色彩調(diào)節(jié)鍵、亮度加鍵、亮度減鍵和復(fù)位鍵五種功能鍵，實現(xiàn)了LED燈光的亮度調(diào)節(jié)和色彩調(diào)節(jié)，滿足人們的多樣化照明需求。

[1]胡子牛,張偉,肖雅金,尹輝.一種基于單片機的智能LED照明燈設(shè)計[J/OL].電腦知識與技術(shù),2017,13(02):220-222.

[2]曹文越.基于單片機的LED智能照明系統(tǒng)[J].電子世界,2017,(05):184-185+190.

[3]李圓圓.基于單片機的高功率因數(shù)智能調(diào)光LED驅(qū)動器的設(shè)計[D].天津工業(yè)大學(xué),2016.

由西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院“雙E”項目資助