恒照度自动调光台灯的设计_郑盛梅.pdf

光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光源与光电系统69恒照度自动调光台灯的设计*郑盛梅衢州职业技术学院 信息工程学院，浙江 衢州 324000摘要：文章设计了一款照度均匀、能够自适应调光实现恒照度的台灯。通过合理排布 LED 面光源上的 LED灯珠，并且优化面光源之间的距离，可以实现目标面内的均匀照明（最大照度和最小照度的差值与最大照度的比值 5%）。测试结果表明，当环境光缓慢变化时，目标区域中心点的照度变化幅值为 3.75%；当环境光快速变化时，目标区域中心点的照度变化幅值为 8.17%；当环境光逐渐增强直至台灯熄灭时，目标区域中心点的照度变化幅值为 8.49%。说明台灯可以在外界环境光快速或者缓慢变化时，自动调节 LED 灯珠的输出光强，保持目标面上的照度恒定不变。关键词：恒照度；自动调光；台灯；照明设计分类号：TM923.440引言近年来，我国中小学生的近视率持续走高，一方面，是因为手机、电脑等电子产品得到广泛使用。另一方面，是因为市场上的台灯品种繁多，质量参差不齐，有些光照太强，容易产生眩光；有些光照太弱，容易损坏视力；有些光照均匀度太差，使使用者眼睛不断地在强光和弱光之间来回调节，产生疲劳感。因此，设计一款照度均匀、不受环境光的干扰、自动将目标面照度调到最佳照度的台灯非常有意义1。1台灯照度均匀度的改进台灯照明区域内的照度均匀度是衡量台灯性能的一个重要指标，将台灯下方 0.5 m 处 A4 纸范围内设为照明目标区域，要实现均匀照明，需要合理规划多个面光源的空间布局。如果面光源的数量过多，会使驱动电源的设计和自动调光的策略变得复杂，因此决定用2 个面光源，即 2 个 LED 灯板来组成 1 个 LED 台灯2。首先需要确定面光源的尺寸。理论上，面光源越大，其下方的受照面尺寸越大，但是这会导致台灯结构的庞大与笨重，而且在台灯功率一定的情况下，灯板的面积越大，灯珠的间距越大，会造成灯板本身的出光不均匀。因此，综合考虑面光源的出光均匀度与灯具整体尺寸，确定单个面光源的尺寸为 25 cm2.5 cm3。面光源在空间的排布方式对被照面均匀度的影响非常大，需要利用专业的照明模拟软件 TracePro 仿真求得最佳排布位置。模拟参数如下：灯板尺寸为 25 cm2.5 cm，发出的光场为朗博形，被照面的尺寸为 210 mm297 mm（A4 纸的尺寸），被照面与灯板的垂直距离为0.5 m。2 个灯板放在 A4 纸长度方向的两端，关于中心点对称，灯板中心点到被照面中心点的距离为 d，当 d从 9 cm 以 3 cm 的间隔变化到 24 cm 时，记录被测面上的照度。照度的最大值为 Lmax，最小值为 Lmin，则均匀度 P 为（1）在决定灯板排布方式时，不仅要考虑均匀度 P，还要考虑平均照度 Lave，均匀度 P、平均照度 Lave与 d的关系如图 1 所示。由图 1 可知，随着 d 的增大，均匀度 P 减小，即均匀度有改进，但是平均照度 Lave减小。为了平衡均匀度与平均照度，选择均匀度 P=5%，此时 d=18 cm，2 个灯板之间的距离为 36 cm，这样可以得到最优的光照度。单个面光源的尺寸为 25 cm2.5 cm，上面一共排布 30 颗 LED 灯珠，在 A4 纸长度方向，LED 灯珠的间距为 25.4 mm，在宽度方向，LED 灯珠的间距为 8 mm。考虑到台灯的输入电压范围为 10 15 V，单颗 LED灯珠的驱动电压约为 3 V，因此选择 LED 灯珠的电路连接方式为 3 串 10 并，这样可以最大限度地减小损耗。2台灯恒照度的实现2.1 自动调光的原理LED 调光常用方法有 DC 调光、PWM（脉冲宽度文章编号：2096-9317（2023）01-0069-03*基金项目：衢州市 2021 年度指导性科技攻关项目（2021054）作者简介：郑盛梅，女，硕士，讲师，研究方向为 LED 照明灯具及光电子器件。光源与光电系统 2023 年 第 1 期 总第 176 期 光源与照明70调制）调光。DC 调光会引起 LED 温度的变化，导致输出光通量不稳定，因此选择 PWM 调光方案。将调光指令通过外部设备输入单片机，单片机通过调节 PWM波的占空比来调节 LED 台灯的亮度。当台灯的手动调光按钮没有动作时，台灯下方的待测面照度稳定不变，当环境中存在干扰光源时，待测面的照度会变化，这时台灯的使用体验不好。因此，需要设置自动调光功能，当环境光源引起被测面的照度变化时，台灯能够自动调节自身的亮度，使被测面的照度维持稳定。台灯自动控制最常用的算法是 PID 算法，“PID”中的“P”“I”“D”分别表示比例（Proportion）、积分（Integral）和微分（Differential），需要将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，用该控制量控制受控对象。PID 算法的表达式如下：（2）式中：u 为 PID 控制器的输出信号；e 为目标值与测量值之差；k、k-1、k-2 为采样序号；T 为采样周期；KP为比例系数；KI为积分系数；KD为微分系数。差分方程的一般解法是迭代法，使用迭代法时只需要知道初值和通项公式就能计算出所有时刻的值，这可以通过计算机实现。有了 PID 算法的差分方程，就可以通过编程完成 PID 算法的计算。2.2 驱动模块的设计台灯驱动模块的电路图和实物图如图 2 所示。采用的 LED 驱动芯片是 PT4119E，这是常用的可调光芯片，支持 PWM 调光，输出电流可达 1 A，可以满足需求。单个 LED 灯珠的额定电流为 0.06 A，每个台灯的面光源有 10 路 LED 并联在一起，需要能输出 0.6 A 电流的驱动器。（a）电路图（b）实物图图 2台灯驱动模块电路图与实物图灯板到中心的距离 d/cm均匀度456789101112810121416182022657075808590951001052426平均照度平均照度 Lave/lx均匀度 P/%图 1均匀度 P、平均照度 Lave与 d 的关系光源与照明 总第 176 期 2023 年 1 月 光源与光电系统712.3 自动调光模块设计要确保台灯工作时，其目标区域内的照度保持恒定。将目标区域大小设置为 A4 纸的大小，要确保在有干扰光源时，A4 纸中心的照度保持不变。由于目标区域内有书本、手等遮光物体，因此探测器不能直接安放在目标区域内，只能在目标区域的周边放置探测器，测得干扰光源对 A4 纸周边照度的影响，用于推测干扰光源对 A4 纸中心照度的影响，然后决定 LED 应该自动变亮还是变暗。为了确认 A4 纸周边照度的变化与 A4 纸中心照度的变化强烈相关，在 A4 纸的 2 个长边的中心放置参考探测器，干扰光源足够长，可以同时覆盖 2 个参考探测器。测试干扰光源与 A4 纸的距离改变时，中心探测器、参考探测器 1、参考探测器 2 的读数，如图 3 所示。由图 3 可知，2 个参考探测器受到的干扰光是一致的，而且与 A4 纸的中心受到的干扰是一致的，这样只要保证参考探测器的读数是稳定的，A4 纸中心的照度就是稳定的。与被测面的距离/cm中心探测器参考探测器 1参考探测器 2050036404448525660641 0001 5002 0002 5003 5003 000照度/lx图 3中心探测器与参考探测器照度的关系台灯自动调光软件的流程如图 4 所示。3测试结果3.1 照度均匀度的测试结果在台灯下方距离 0.5 m 处放置 1 张 A4 白纸，将其等分为 33 的网格，然后将台灯的亮度调到最大，将数显照度表的探测头放在每一个网格内，测试其照度，读数分别为 2 935、2 896、2 920、2 965、3 026、2 901、2 932、2 903、2 974（单位为 lx）。计算可知最大值与最小值的差值为 130 lx（4.3%），实现了目标区域内的均匀照明。3.2 恒照度的测试结果台灯进入自动调光模式之后，进行如下测试：（1）干扰光源缓慢变化时（变化时间 10 s），测试中心点的照度变化范围。实际测试时，当干扰光源从远到近逐渐靠近时（变化时间 10 s），中心点的照度变化范围是 2 874 2 986 lx，变化的幅值是 3.75%。（2）干扰光源快速变化时（变化时间 2 s），测试中心点的照度变化范围。实际测试时，当干扰光源从远到近快速靠近时（变化时间 2 s），中心点的照度变化范围是 2 731 2 974 lx，变化的幅值是 8.17%。（3）当环境光增强直至台灯熄灭，测试中心点的照度变化范围。实际测试时，当干扰光源从远到近直至台灯熄灭时，中心点的照度变化范围是 2 758 3 014 lx，变化的幅值是 8.49%。4结束语文章设计了一个可以实现目标区域内（A4 纸范围内）恒照度的自动调光台灯，可以在目标区域内实现5%的照度均匀度。文章设计的台灯照度均匀，并且可以抵御环境光的干扰，自适应地调节自身的亮度，实现恒照度的照明，在保护视力和节约能源方面具有良好的应用前景。参考文献1 王聪,常新峰.基于51单片机的智能台灯的设计与实现J.物联网技术,2022,12(6):127-128,131.2 熊慧珺,杨宝林,刘世国.一款多用途灯具的研究和设计J.光源与照明,2021(2):32-33.3 吕晓磊.一种视力保护台灯设计J.江西电力职业技术学院学报,2021,34(5):11-13.读取目标值 a开启调光功能固定台灯的输出固定占空比启动 PID 算法NY读取目标值 ba=b?图 4自动调光软件流程图