恒照度調(diào)光的LED驅(qū)動器設(shè)計(jì)＊

劉珊，宮杰，鮑建宇

（1.太原科技大學(xué)，太原030024；2.浙江大學(xué)）

引 言

在環(huán)保壓力日益增大和全球能源日益緊張的大環(huán)境下，節(jié)能減排成為目前世界經(jīng)濟(jì)的主要發(fā)展方向。LED光源作為一種新型的固體照明光源，具有發(fā)光效率高、能耗低、堅(jiān)固耐用、壽命長、安全性好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前照明行業(yè)的一個研究熱點(diǎn)。目前，照明能源消耗占人類總能源消耗的很大部分，而對LED調(diào)光能夠更進(jìn)一步有效地節(jié)能，大幅減少能源浪費(fèi)。因此，使用恒照度調(diào)光技術(shù)以減少不必要的照明浪費(fèi)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)簡介及工作原理

系統(tǒng)由PIC16F690單片機(jī)、TSL2561光照度傳感器、LED光源和LED驅(qū)動電路4部分組成。由于LED的亮度與工作電流成正比，故調(diào)節(jié)工作電流即可調(diào)節(jié)LED的發(fā)光亮度。目前主要有調(diào)節(jié)正向電流和脈沖調(diào)制調(diào)光兩種調(diào)光方法。由于脈寬調(diào)制調(diào)光具有不會產(chǎn)生任何色彩偏移、調(diào)光精度高、結(jié)合數(shù)字技術(shù)調(diào)光、調(diào)光范圍寬、不閃爍等優(yōu)點(diǎn)，故本文選用脈沖調(diào)制調(diào)光。

系統(tǒng)主要由TSL2561采集光照度反饋給PIC16F690處理芯片，經(jīng)過PIC16F690進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，輸出隨光照度規(guī)律變化的PWM波形，經(jīng)過帶有PWM接口的驅(qū)動電路驅(qū)動LED燈從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

同時，在本系統(tǒng)中加入了人體運(yùn)動控制以及按鍵控制，能夠檢測人體運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)在無人時自動關(guān)閉LED燈，進(jìn)一步減少電能浪費(fèi)；按鍵能夠調(diào)節(jié)PWM波形的頻率以及設(shè)定環(huán)境最大光照度，使系統(tǒng)更為人性化。

1.1 PIC16F690單片機(jī)

PIC16F690單片機(jī)具有高性能的RISC CPU、低功耗以及豐富的外設(shè)資源，能夠滿足本系統(tǒng)的硬件資源需求。

圖1 恒照度調(diào)光的LED驅(qū)動器系統(tǒng)框圖

由于該款單片機(jī)資源豐富，既滿足系統(tǒng)需求，又不十分浪費(fèi)資源，故降低了控制器成本。

1.2 TSL2561光照度傳感器

TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。該芯片的應(yīng)用能夠提供最好的顯示亮度并降低電源功耗。TSL2561具有以下幾個特點(diǎn)：

①可編程配置許可的光強(qiáng)度上下閾值，當(dāng)檢測光照度超過閾值時能產(chǎn)生中斷信號；

②數(shù)字輸出符合標(biāo)準(zhǔn)的SMBus和I2C總線協(xié)議；

③可編程控制模擬增益和數(shù)字輸出時間；

④超小封裝和超低功耗；

⑤自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動。

TSL2561的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。其內(nèi)部有兩個光敏二極管通道，即通道0和通道1，其中通道0對可見光和紅外線都敏感，通道1僅對紅外線敏感。流過光敏二極管的電流經(jīng)過積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，轉(zhuǎn)換完后將數(shù)字量存入芯片內(nèi)部的寄存器中。積分式A/D轉(zhuǎn)換器將在一個積分周期完成后自動進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換過程。TSL2561可以通過對其內(nèi)部16個寄存器設(shè)定來控制，該16個寄存器可通過標(biāo)準(zhǔn)的SMBus或者I2C總線協(xié)議訪問。

圖2 TSL2561內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由PIC16F690的最小系統(tǒng)組成，包括復(fù)位電路、輸入按鍵電路、下載調(diào)試電路、供電電路、晶振電路以及相應(yīng)的信號輸入/輸出接口。

由于本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在于調(diào)光算法，且系統(tǒng)屬于小功率，故供電電路采用簡單實(shí)用的阻容電路。芯片供電電壓為3.3 V，采用ASM1117穩(wěn)壓芯片。

下載調(diào)試電路根據(jù)微芯公司提供的資料，采用微芯集成仿真器ICD3，接口電路根據(jù)官方資料設(shè)計(jì)。復(fù)位電路以及晶振電路按照常用電路設(shè)計(jì)。總體硬件框圖如圖3所示。

圖3 總體硬件框圖

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

圖4為基于恒流LED控制芯片NCL30160的LED驅(qū)動電路。NCL30160是安森美半導(dǎo)體推出的一款NFET遲滯降壓、恒流LED驅(qū)動器。它將電流提升到了1.5 A，是新一代高能效的解決方案，損耗非常低，體積很小，可最大限度地減少空間和成本。通過利用僅55 mΩ的低導(dǎo)通阻抗內(nèi)部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能夠提供能效高達(dá)98%的方案。最高1.4 MHz的高開關(guān)頻率使設(shè)計(jì)人員可采用更小的外部元件，將電路板尺寸減至最小及成本降至最低。

圖4 驅(qū)動電路圖

根據(jù)NCL30160的數(shù)據(jù)手冊及輸出要求計(jì)算外圍器件參數(shù)。系統(tǒng)采用5顆1 W的LED串聯(lián)，恒定電流為350 m A。

式中，ILED為LED燈串電流。圖4中的C5采用官方數(shù)據(jù)手冊推薦的取值。電感L1及ROT由式（2）～（4）得到。式中，toff、ton、ΔI、RDS（on）的取值參考數(shù)據(jù)手冊；VIN在此處取為24 V，DCRL為電感電阻，此處取為0Ω。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、I2C總線通信程序設(shè)計(jì)、調(diào)光算法設(shè)計(jì)，以及運(yùn)動控制和按鍵輸入程序設(shè)計(jì)4部分，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化控制的核心。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

圖5為主程序流程圖。主程序的作用是選擇是否改變PWM頻率及照度上限、無人模式和有人調(diào)光模式。恒照度算法在定時中斷處理程序中實(shí)現(xiàn)。

圖5 主程序流程圖

3.2 調(diào)光算法設(shè)計(jì)

調(diào)光算法主要實(shí)現(xiàn)光照度信號的采集、數(shù)據(jù)處理運(yùn)算并通過相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤補(bǔ)償照度，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光。TSL2561光照度傳感器數(shù)字輸出符合I2C總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)光照度采集必須實(shí)現(xiàn)TSL2561通信。I2C總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的讀寫方法主要有硬件實(shí)現(xiàn)和軟件模擬，由于PIC16F690控制器沒有自帶的I2C總線接口，故本文采用軟件模擬實(shí)現(xiàn)的方法。

采集進(jìn)來的數(shù)據(jù)經(jīng)過TSL2561標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)計(jì)算后獲得光照度，將采集進(jìn)來的室內(nèi)光照度與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值比較，計(jì)算出LED需要補(bǔ)償?shù)恼斩戎?，并轉(zhuǎn)化為處理器內(nèi)PWM寄存器的值，記為當(dāng)前PWM值。將前PWM寄存器值記為PWM原值。將PWM原值與當(dāng)前PWM值不斷比較遞增或遞減，使PWM輸出以極小的步長跟蹤當(dāng)前PWM值，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光。此算法還能解決啟動跳變問題，使系統(tǒng)啟動時PWM由零慢慢變化到當(dāng)前PWM值。調(diào)光算法程序流程圖如圖6所示。

圖6 調(diào)光程序流程圖

3.3 運(yùn)動控制和按鍵輸入程序設(shè)計(jì)

運(yùn)動控制采用紅外熱電釋人體運(yùn)動傳感器，能夠檢測室內(nèi)是否有人，通過判斷人體的活動情況選擇相應(yīng)的照明模式。若有人則選擇調(diào)光模式，若無人則關(guān)閉LED燈，進(jìn)一步節(jié)能。

按鍵輸入主要有模式切換鍵及增減鍵，模式切換鍵主要用于切換改變頻率或者改變光照度的最大設(shè)定值。考慮到單片機(jī)的硬件資源和合理的調(diào)光需求，時鐘預(yù)分頻比設(shè)定為4，頻率變化范圍為10～100 k Hz，光照度最大設(shè)定值根據(jù)多次測量各時間段的光照度選取合適的調(diào)節(jié)范圍，故光照度最大設(shè)定值范圍為350～500。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)使用TSL2561光照度傳感器、控制電路、驅(qū)動電路。LED負(fù)載為5顆1 W的LED串聯(lián)，恒定電流為350 m A。系統(tǒng)的工作狀態(tài)可分為有人和無人，當(dāng)傳感器檢測為無人時，PWM輸出關(guān)閉，此時LED燈串熄滅；反之，則根據(jù)室內(nèi)光照度自動調(diào)節(jié)LED燈串的亮度。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，室內(nèi)光照度改由遮光窗簾遮擋窗戶強(qiáng)光來實(shí)現(xiàn)。如果系統(tǒng)數(shù)據(jù)和波形與理論分析一致，則說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確。理論計(jì)算公式如下：

式中，LUXF為反饋回來的光照度值。

表1是在多云天氣條件下測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)根據(jù)不同的室內(nèi)照度，調(diào)節(jié)PWM輸出波形從而改變LED光亮度。由于室內(nèi)照度計(jì)探頭位置放置和TSL2561傳感器有一定的偏差，故數(shù)據(jù)存在一定的誤差。即在有人時，根據(jù)式（5）計(jì)算PWM占空比與示波器顯示波形基本吻合；無人時，無論室內(nèi)光照度值是多少，PWM占空比均為零，LED不照明。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行比較，考慮一定誤差的情況下，基本吻合。輸出部分PWM波形如圖7所示，分別為室內(nèi)光照為22.82 lx和317.08 lx時的PWM波形。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖7 部分PWM波形

結(jié) 語

通過實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)按照程序設(shè)計(jì)，能夠很好地進(jìn)行恒照度控制；運(yùn)動控制在無人時自動關(guān)閉，一旦檢測到有人活動時，馬上進(jìn)行恒照度控制。同時系統(tǒng)設(shè)置了調(diào)節(jié)調(diào)光頻率和最大光照度值，能夠根據(jù)不同要求做適當(dāng)?shù)母淖?。恒照度自適應(yīng)調(diào)光和人體運(yùn)動控制有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能要求。

[1]陳晶.基于單片機(jī)的教室燈光自動控制器的研究[D].福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2007.

[2]朱虹.LED照明驅(qū)動及自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)研究[D].上海：上海大學(xué)，2008.

[3]Ondrej Krejcar，Robert Frischer.Smart intelligent control of current source for high power LED diodes[J].Microeletr-onics Journal，2013，44（4）：202-207.

[4]張昊程.LED調(diào)光方案及其驅(qū)動器設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.