基于Arduino的大功率智能LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 遼寧·大連 116034）

0 引言

Arduino作為一種流行的開源硬件平臺(tái)已被眾多國內(nèi)外高校采用，歐美大學(xué)皆相當(dāng)流行應(yīng)用Arduino作為教學(xué)與科研的基礎(chǔ)技術(shù)。國內(nèi)大連理工大學(xué)基于Arduino設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程，培養(yǎng)了學(xué)生開發(fā)能力與創(chuàng)新能力。電子科技大學(xué)基于Arduino的電子類課程教學(xué)改革，促進(jìn)了學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)。上海大學(xué)提出基于Arduino開源硬件平臺(tái)的電子實(shí)習(xí)教學(xué)新方案。上海師范大學(xué)開設(shè)Arduino選修課，培養(yǎng)了學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新能力。上海電力學(xué)院Arduino的教學(xué)改革，對(duì)于高校實(shí)踐教學(xué)改革具有借鑒意義。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)面向光源與照明專業(yè)，將Arduino與LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，可快速搭建具有傳感、網(wǎng)絡(luò)功能的智能照明原型系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生智能照明的創(chuàng)新能力，進(jìn)行智能照明效果驗(yàn)證與體驗(yàn)，甚至照明控制方法研究，為將來從事智能照明行業(yè)打下基礎(chǔ)。

1 智能驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

1.1 擴(kuò)展板設(shè)計(jì)

圖1：擴(kuò)展板與Arduino的連接形式

我們采用Arduino UNO作為處理器，并為其研制了大功率LED驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板以實(shí)現(xiàn)智能驅(qū)動(dòng)器，如圖1所示。擴(kuò)展板包括按鍵輸入單元，LED指示單元和基于恒流驅(qū)動(dòng)器HV9910B的大功率LED驅(qū)動(dòng)單元。按鍵用于調(diào)節(jié)PWM調(diào)光信號(hào)占空比。LED指示單元由3顆草帽封裝的LED組成，用“亮/暗”狀態(tài)的組合顯示當(dāng)前PWM信號(hào)的占空比。

系統(tǒng)采用直流供電，正極由擴(kuò)展板經(jīng)插針連接Arduino的VIN插槽，負(fù)極經(jīng)另一插針連接Arduino的GND插槽。Arduino UNO的輸入電壓范圍7～12V，驅(qū)動(dòng)單元HV9910B的工作電壓范圍是8～450V。因此，智能驅(qū)動(dòng)器的輸入電壓范圍8～12V。數(shù)字引腳8～10用于驅(qū)動(dòng)指示單元的3顆小功率LED，“亮”與“暗”分別代表二進(jìn)制數(shù)1和0，它們的“亮/暗”組合可指示8個(gè)不同占空比的PWM信號(hào)。

圖2：是采用降壓變換方式（BUCK）設(shè)計(jì)的大功率LED驅(qū)動(dòng)單元。HV9910B可以輸出周期恒定與低電平時(shí)間恒定的兩種PWM開關(guān)信號(hào)驅(qū)動(dòng)降壓變換電路。作為降壓變換器且工作于連續(xù)電流模式時(shí)，當(dāng)輸出電壓UOUT大于輸入電壓UIN的50%時(shí)，也就是開關(guān)信號(hào)占空比大于0.5時(shí)，宜采用低電平時(shí)間恒定的開關(guān)信號(hào)，以免進(jìn)入次諧波振蕩。開關(guān)信號(hào)可通過振蕩電阻RT設(shè)置，RT一端接引腳8，另一端接地則是周期恒定的開關(guān)信號(hào)，另一端接引腳4則是低電平時(shí)間恒定的開關(guān)信號(hào)。通過在電路中引入跳線（圖2中的P3），本系統(tǒng)可在這兩種開關(guān)信號(hào)間切換，保證驅(qū)動(dòng)多顆大功率LED情況下的穩(wěn)定性。

1.2 關(guān)鍵元件確定

擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)指標(biāo)是：輸入電壓UIN范圍8～12V時(shí)，輸出電壓UOUT范圍為3.5～7V，輸出電流IO=350mA（即能驅(qū)動(dòng)1～2顆1W的白光LED），紋波電流為30%。由于最大輸出電壓7V與最小輸入電壓8V之比為0.9大于0.5，因此采用低電平時(shí)間恒定的PWM信號(hào)。需要確定的元件有檢流電阻R2，振蕩電阻R1或R3（由跳線決定），開關(guān)變換電路中的功率電感L1，場效應(yīng)晶體管Q1和二極管D1，如圖2所示。

圖2：大功率LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

式(1)計(jì)算檢流電阻。HV9910B屬于峰值電流控制器，檢流電阻由峰值電流確定。由于IO=ILED，紋波電流30%，根據(jù)平均電流與紋波電流的關(guān)系，1.15ILED為峰值電流。將0.35A的ILED代入式(1)，得到RCS=R2=0.62。

式(2)計(jì)算振蕩電阻。若PWM信號(hào)是周期恒定的，則式中的tosc為信號(hào)的周期。若PWM信號(hào)是低電平時(shí)間恒定的，則式中的即為低電平時(shí)間。對(duì)于低壓輸入的情況，采用低電平時(shí)間恒定的PWM信號(hào)時(shí)，推薦低電平時(shí)間為5 s，對(duì)應(yīng)的RT=R1=100K。

圖3：降壓電路PWM信號(hào)與電感電流的關(guān)系

式(3)計(jì)算功率電感，其中UL是電感電壓是電感電流的增量，是與對(duì)應(yīng)的時(shí)間增量。在PWM信號(hào)的TOFF時(shí)段Q截止時(shí)計(jì)算電感更方便，此時(shí)場效應(yīng)管Q截止，二極管D導(dǎo)通，電感電壓UL等于輸出電壓UOUT。由圖3可知在=TOFF期間電感電流的減小量是紋波電流。若要驅(qū)動(dòng)兩顆1W的LED，將UL=UOUT=7V=TOFF=0.5 s，=0.35×0.3=0.1A代入式(3)得到功率電感L=333 H，可以認(rèn)為它是滿足要求的理論最小電感值，采用比它大的電感可以減小紋波電流。

2 效率測試

效率等于輸出功率與輸入功率之比。對(duì)于直流供電，功率等于電壓與電流之積。分別測量出輸入電壓與電流，輸出電壓與電流后計(jì)算得到輸入功率與輸出功率從而得到效率。

圖4：輸入電壓與效率關(guān)系曲線

如圖4所示：擴(kuò)展板的輸入電壓在8～12V范圍內(nèi)，測得驅(qū)動(dòng)1顆1W大功率LED的最大效率為80%，驅(qū)動(dòng)2顆1W大功率LED的最大效率為88%。擴(kuò)展板驅(qū)動(dòng)2顆1W大功率LED的效率高于驅(qū)動(dòng)1W大功率LED的效率。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1）大功率LED調(diào)光實(shí)驗(yàn)。編程通過按鍵改變Arduino數(shù)字引腳3輸出的調(diào)光信號(hào)占空比，實(shí)現(xiàn)大功率LED的調(diào)光。在按鍵作用下，8種占空比按照0%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%的順序循環(huán)改變，并與3顆小功率LED的“亮/暗”組合對(duì)應(yīng)。測量不同占空比下大功率LED的工作電流，繪制占空比與工作電流曲線，直觀認(rèn)識(shí)LED工作電流與調(diào)光占空比的關(guān)系。

（2）不調(diào)光時(shí)用示波器觀察HV9910的GATE引腳輸出的開關(guān)信號(hào)，記錄信號(hào)周期，高電平與低電平的保持時(shí)間，并與理論值進(jìn)行比較。調(diào)光時(shí)用示波器觀察GATE引腳輸出的開關(guān)信號(hào)，記錄輸出信號(hào)隨調(diào)光信號(hào)變化的情況。分別說明調(diào)光時(shí)的開關(guān)信號(hào)，不調(diào)光時(shí)的開關(guān)信號(hào)和調(diào)光信號(hào)之間的邏輯運(yùn)算關(guān)系。

（3）照度控制實(shí)驗(yàn)。I2C接口的GY-30照度傳感器模塊配合智能LED驅(qū)動(dòng)器，構(gòu)成智能照明控制系統(tǒng)，以O(shè)N/OFF控制策略，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的照度控制，即當(dāng)日光照度低于閾值時(shí)開燈照明，日光照度高于閾值時(shí)關(guān)燈節(jié)能。

4 結(jié)論

本文研制的大功率智能LED驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可用于光源與照明專業(yè)的綜合實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，幫助學(xué)生深入理解LED驅(qū)動(dòng)的工作原理，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，為將來從事相關(guān)工作打下基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將Arduino技術(shù)與照明控制相關(guān)技術(shù)結(jié)合，降低了編程難度，使得學(xué)生更專注于系統(tǒng)性能測試與照度控制的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。