CN105636265A - 一种新型led教室灯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型LED教室灯，属于电子技术领域，以STC89C52系列单片机为核心搭建控制系统，使用较大功率的12WLED灯作为照明输出方式，选择LCD12864液晶显示屏显示方案，同时用软件控制PWM波占空比来实现调光功能，操作可通过按键来完成；该系统由电源输入端1，变压器2，L298N电压转换模块3，12WLED灯4，LCD液晶显示器5，单片机控制系统6，GY30感光模块7和键盘8组成，具有自动调光、照明效果稳定等优点，可以使光照随时保持在最合适的状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种教学设备，特别涉及一种新型LED教室灯，属于电子技术领域。
背景技术
目前，随着多媒体教学的推广，教室中的电设备增多，但在功能上相互干扰的情况时有发生。比如光线，投影仪在屏幕上投射影像会因为教室光线的影像而显示不清楚。很多教室通过关灯和拉窗帘的方式解决这个问题，但这样黑板又看不清楚，教室里的照明条件难以通过人为调节达到要求。市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的照明灯也无法自动调节教室光照强度，并且普遍存在着低效率、高能耗等缺点，包括寿命已结束的含汞灯，一旦处理不当，将会对环境造成严重危害。如何克服上述缺点，提供一种新型LED教室灯可以实现自动调光的功能，将黑板和幕布光线稳定在合适的光照值内，让黑板和幕布同时看清，已成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种新型LED教室灯，根据GY30感光模块接受环境光强信号处理生成的当前光强数值，传给单片机进行控制和响应。该系统具有自动调光、照明效果稳定等优点，可以使光照随时保持在最合适的状态。本发明主要用于优化教学环境。其具体技术方案如下：
一种新型LED教室灯，由电源输入端，变压器，L298N电压转换模块，12WLED灯，LCD液晶显示器，单片机控制系统，GY30感光模块和键盘组成；所述变压器接上电源输入端，变压器将220V交流电转换为12V直流电，再经L298N电压转换模块转化得到5V直流电，给LED灯和单片机控制系统供电。
进一步的，所述的GY30感光模块内部自带A/D转换功能，包括光线强度采集模块和A/D转换模块，通过光敏电阻感受光强的模拟信号，经过内部光线强度采集电路转换直接生成光强的数值信息，通过串行通信方式将数字量信息传递给单片机；所述光线强度采集电路包括前级放大电路、减法器电路和后级放大电路，采集到的光线强度信号可以通过计算电流得出；其中前级放大电路包括放大器U1A、电容C1、C2、C3以及定值电阻R1、R3、R4、R5和光敏电阻R2；减法器电路包括放大器U1B、电容C4以及定值电阻R6、R7、R8、R10和滑动变阻器R9；后级放大电路包括放大器U2A、电容C5和定值电阻R11、R12、R13；最后，采集到的光强信号由放大器U2A的输出端1脚输出；通过计算光线强度采集电路的输出电流，电流大小将通过GY30感光模块内部的A/D转换，生成当前环境光强的数值量，并将光强数值以电信号的形式传送至单片机控制系统,其中，计算公式为:
,,,,,,,,,；
其中，为前级放大倍数，为输入电压，为前级放大电路的输出电压，为减法器电路的输出电压，为减法器的偏置电压，为后级放大倍数，为输出电压，a,b为光敏传感器的固定参数，x为光线强度，为输出电流，为系统设置光强，为初始LED灯的驱动电流强度，G为实际LED灯的驱动电流强度，为系统模拟常数,k是温度系数，T为LED灯的温度，t是LED灯在调光之前所工作的时间。
进一步的，在实现调光功能时使用PWM调光。
进一步的，所述的L298N电压转换模块，LCD液晶显示器，单片机控制系统和GY30感光模块集中安装在一个定制的小盒子中，方便地安装在所需调光的位置上。
进一步的，所述的变压器固定在L298N电压转换模块的表面。
进一步的，所述的12WLED灯与L298N电压转换模块之间用电线连接。
进一步的，所述的键盘固定在单片机控制系统的表面。
进一步的，所述的单片机控制系统选择以STC89C52系列单片机为核心搭建控制系统。
进一步的，所述的LCD液晶显示器是LCD12864带背光液晶显示器。
进一步的，所述的12WLED灯作为照明输出方式，功率较大。
本发明设计的一种新型LED教室灯具有自动调光、照明效果稳定等优点，可以使光照随时保持在最合适的状态，不仅可以用于教室内灯光的调节，而且可以用于日常生活中，家庭中有很多时候都需要使用稳定而节能的照明设备，本款设计就是比较好的选择。在生产中遇到需要动态光照的情况时，为了避免人工调节光照强度的不便，也可以使用本设计。因此，本发明的应用范围是比较广的。
附图说明
图1是本发明的新型LED教室灯系统结构图；
图2是该新型LED教室灯系统流程图；
图3是视觉评价指标与驱动器之间的关系示意图；
图4是光线强度采集电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明的新型LED教室灯，如图1所示，它包括电源输入端1，变压器2，L298N电压转换模块3，12WLED灯4，LCD液晶显示器5，单片机控制系统6，GY30感光模块7和键盘8。首先将变压器2接上电源输入端1，变压器2将220V交流电转换为12V直流电，再经L298N电压转换模块转化得到5V直流电，此时即可给LED灯和单片机控制系统。
所述L298N电压转换模块3、LCD液晶显示器5、单片机控制系统6和GY30感光模块7集中安装在一个定制的小盒子中，外观简约紧凑，可以方便地安装在所需调光的位置上。
所述电源输入端1与220V交流电相连。
所述变压器2固定在L298N电压转换模块3的表面。
所述12WLED灯4与L298N电压转换模块3之间用电线连接。
所述键盘8固定在单片机控制系统6的表面。
所述的单片机控制系统6是选择以STC89C52系列单片机为核心搭建控制系统，具备基础运算、比较和输入输出功能的最小单片机系统，完成全部的控制、处理任务。
所述的LCD液晶显示器5是LCD12864带背光液晶显示器，具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，可显示16×16点阵汉字，也可完成图形显示，低电压、低功耗。
所述的GY30感光模块内部自带A/D转换功能，包括光线强度采集模块和A/D转换模块，通过光敏电阻感受光强的模拟信号，经过内部光线强度采集电路转换直接生成光强的数值信息，通过串行通信方式将数字量信息传递给单片机。
所述的L298N电压转换模块3一方面可以放大电流，将单片机的控制信号转化为可以驱动LED的大功率电信号，另一方面是将工频交流电转化为低压直流电；
所述的12WLED灯作为照明输出方式，功率较大。
如图2所示，整个系统供电后开始工作，单片机控制系统先初始化加载特定参数并对LCD液晶显示器5与GY30感光模块7进行初始化。LCD液晶显示器5显示信息“WELCOME！”系统待命。此时使用者可通过键盘8的五个按键中的MODE键选择所需工作模式，模式１呼吸灯、模式2手动调光、模式3自动调光。在手动调光时，通过UP键与DOWN键可改变选择光强的等级，按下OK键确认，单片机开始执行，输出控制信号给功放电路以驱动LED灯。在自动调光时，所述的GY30感光模块完成初始化，并检测出当前光照强度，经过内部的A/D转换，生成当前环境光强的数值量，并将光强数值以电信号的形式传送至单片机控制系统，单片机控制系统对信号进行处理后一方面传至LCD液晶显示器，由LCD液晶显示器显示光强数值；另一方面，单片机控制系统将处理后生成的控制信号发送给驱动板进行功率放大，变为12V的LED灯驱动信号，最后输出到LED灯，驱动LED照明和亮度变化。
在实现调光功能时，所使用的主要技术是PWM调光。因为LED灯在交流状态下工作会损坏，更适合直流恒压工作，在调节亮度时，实际上是在向灯频繁的发送周期性、等电压的点亮信号，使LED灯点亮极短时间，通过高频地点亮，借助人的视觉暂留效应，反映到肉眼中即为特定亮度的稳定照明。通过改变每周期内，点亮信号的个数，即占空比，来改变频闪灯所发出的光强度。
在灯工作时，随时可以通过长按MODE键来切换成其他的模式，也可以通过按RESET键熄灭LED灯，让其重新待命。在断开电源后，系统彻底停止工作。
在选择时（用按键改变模式和亮度级别），LCD显示MODExxS/LEVELxxS,xx表示模式号与亮度级别号，“/”表示分别在第一行与第二行，S表示正在选择状态；在确认后的模式1时，LCD显示MODE01/JNUNI；在模式2下显示MODE02/LEVELxx；在模式3下显示MODE03/xxxxxhx，xxxxx表示光强信息，范围从0至65536。
由于频闪指数越高，人眼的舒适程度越高；波动深度越大，人眼的视觉疲劳程度逐渐增加。因此，本发明选取了频率为100Hz、波动深度为30%的光源作为LED教室灯，保证了使用者的用眼健康。
本发明综合了多种视觉评价指标，设计出一款够提高视觉舒适度的新型LED教室灯，由于不同环境下对照明质量的侧重各有不同，本发明可根据当前环境照度，自动调节到所需要的最合适的光照，视觉评价指标与驱动器之间的关系如图3所示。
在自动调光时，所述的GY30感光模块完成初始化，并检测出当前光照强度，经过内部的A/D转换，生成当前环境光强的数值量，并将光强数值以电信号的形式传送至单片机控制系统，单片机控制系统对信号进行处理后一方面传至LCD液晶显示器5，由LCD液晶显示器5显示光强数值；另一方面，单片机控制系统将处理后生成的控制信号发送给驱动板进行功率放大，变为12V的LED灯驱动信号，最后输出到LED灯，驱动LED照明和亮度变化。
如图4所示，本发明光线强度采集电路中电容C1是+5V电源退耦电容，光敏电阻R2的一端与电阻R1和电阻R3连接，另一端接地；电阻R1的另一端接+5V电源，电阻R3的另一端接运放U1A的2脚；电容C2与电阻R2并联；电阻R4的一端接运放U1A的3脚，另一端接地；电阻R5一端接运放U1A的2脚，另一端接运放U1A的输出端1脚；以上一部分电路为前级放大电路。
。
其中，为前级放大倍数，为输入电压，为前级放大电路的输出电压。
前级放大电路经电阻R6与减法器电路中的运放U1B的正极5脚连接；电容C3的一端与运放U1A的输出端1脚连接，另一端接地；电阻R7的一端与运放U1B的正极5脚连接，另一端接地；电阻R8一端接+5V电源，另一端接滑动变阻器R9，同时滑动变阻器R9的另一端接地；电阻R10一端接滑动变阻器R9的调节端，另一端接运放U1B的输出端7脚；以上一部分构成减法器电路，用于消除电路中存在的暗电流。
。
其中，为减法器电路的输出电压，为减法器的偏置电压。
减法器电路经R11与后级放大电路中的运放U2A的正极3脚连接；电容C4的一端接运放U1B的输出端7脚，另一端接地；电阻R12一端接运放U2A的2脚，另一端接地；电阻R13一端接运放U2A的2脚，另一端接运放U2A的输出端1脚；电容C5的一端接运放U2A的1脚，另一端接地；最后，由运放U2A的输出端1脚输出光强信号。
。
其中，为后级放大倍数，为输出电压。
由于光线强度会直接改变光敏电阻R2的阻值，因此会改变所电路中的电流，但是电流改变量过于微小，也必须通过放大电路进行放大。采集到的光线强度信号可以通过计算电流得出：
a,b为光敏传感器的固定参数，x为光线强度，为输出电流，输出电流大小将通过GY30感光模块内部的A/D转换，生成当前环境光强的数值量，并将光强数值以电信号的形式传送至单片机控制系统，若光线强度为，则信号经GY30感光模块输出的光强度为：
其中，为系统设置光强，为初始LED灯的驱动电流强度，G为实际LED灯的驱动电流强度，为系统模拟常数,k是温度系数，T为LED灯的温度，t是LED灯在调光之前所工作的时间。
单片机控制系统接收到GY30感光模块传来的光强信号进行处理后通过LCD液晶显示器显示光强数值并将处理后生成的控制信号发送给驱动板进行功率放大，变为12V的LED灯驱动信号，最后输出到LED灯，驱动LED照明，并通过调节占空比实现其亮度变化。
Claims (10)
1.一种新型LED教室灯，由电源输入端（1），变压器（2），L298N电压转换模块（3），12WLED灯（4），LCD液晶显示器（5），单片机控制系统（6），GY30感光模块（7）和键盘（8）组成；其特征在于：所述变压器（2）接上电源输入端（1），变压器（2）将220V交流电转换为12V直流电，再经L298N电压转换模块（3）转化得到5V直流电，给LED灯和单片机控制系统供电。
2.如权利要求2的新型LED教室灯，其特征在于：所述的GY30感光模块内部自带A/D转换功能，包括光线强度采集模块和A/D转换模块，通过光敏电阻感受光强的模拟信号，经过内部光线强度采集电路转换直接生成光强的数值信息，通过串行通信方式将数字量信息传递给单片机；所述光线强度采集电路包括前级放大电路、减法器电路和后级放大电路，采集到的光线强度信号可以通过计算电流得出；其中前级放大电路包括放大器U1A、电容C1、C2、C3以及定值电阻R1、R3、R4、R5和光敏电阻R2；减法器电路包括放大器U1B、电容C4以及定值电阻R6、R7、R8、R10和滑动变阻器R9；后级放大电路包括放大器U2A、电容C5和定值电阻R11、R12、R13；最后，采集到的光强信号由放大器U2A的输出端1脚输出；通过计算光线强度采集电路的输出电流，电流大小将通过GY30感光模块内部的A/D转换，生成当前环境光强的数值量，并将光强数值以电信号的形式传送至单片机控制系统,其中，计算公式为:
,,,,,,,,,；
其中，为前级放大倍数，为输入电压，为前级放大电路的输出电压，为减法器电路的输出电压，为减法器的偏置电压，为后级放大倍数，为输出电压，a,b为光敏传感器的固定参数，x为光线强度，为输出电流，为系统设置光强，为初始LED灯的驱动电流强度，G为实际LED灯的驱动电流强度，为系统模拟常数,k是温度系数，T为LED灯的温度，t是LED灯在调光之前所工作的时间。
3.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：在实现调光功能时使用PWM调光。
4.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：所述的L298N电压转换模块（3），LCD液晶显示器（5），单片机控制系统（6）和GY30感光模块（7）集中安装在一个定制的小盒子中，方便地安装在所需调光的位置上。
5.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：所述的变压器（2）固定在L298N电压转换模块（3）的表面。
6.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：所述的12WLED灯（4）与L298N电压转换模块（3）之间用电线连接。
7.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：所述的键盘（8）固定在单片机控制系统（6）的表面。
8.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：所述的单片机控制系统（6）选择以STC89C52系列单片机为核心搭建控制系统。
9.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：所述的LCD液晶显示器（5）是LCD12864带背光液晶显示器。
10.根据权利要求1所述的新型LED教室灯，其特征在于：所述的12WLED灯作为照明输出方式，功率较大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP03 | Change of name, title or address | ||
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