基于MCU控制的HB LED智能照明系統(tǒng)設(shè)計

賀 玲 ，吳建德，鄧 焰

（浙江大學(xué)電力電子研究所，浙江 杭州 310027）

在世界能源日趨緊張的今天，LED以其高效節(jié)能、長壽命、環(huán)保無污染、安全可靠的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于手機(jī)、PMP、DSC、PDA等的LCD背光和顯示屏、汽車車燈、室內(nèi)裝飾、景觀照明等領(lǐng)域。

LED技術(shù)日新月異，高亮度LED的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到130 lm/W[1]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了白熾燈(15 lm/W)和熒光燈(80 lm/W)，并且其壽命是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。可見，高亮度LED（HB LED）應(yīng)用于通用照明領(lǐng)域具有巨大的潛力和競爭優(yōu)勢，有取代傳統(tǒng)光源的趨勢。本文設(shè)計了一套基于單片機(jī)（MCU）控制的HB LED智能照明系統(tǒng)，可以根據(jù)環(huán)境的亮度自動開/關(guān)燈和調(diào)節(jié)其亮度值，避免了手動開關(guān)的繁瑣和忘記關(guān)燈造成的能源浪費(fèi)，并且具有LED溫度監(jiān)測和過熱保護(hù)功能[2]。與前級帶PFC功能的AC/DC變流器結(jié)合，可廣泛應(yīng)用于公共場所照明。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成

高亮度LED智能照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。220 V交流市電輸入，經(jīng)過濾波，由前級帶PFC功能的AC/DC變流器為整個系統(tǒng)供電，單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制中心，將來自溫度和光強(qiáng)度傳感器的信息經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換成控制信號傳遞給LED驅(qū)動器，從而控制LED模塊。由于帶PFC功能的AC/DC變流器已經(jīng)比較成熟[3]，故本系統(tǒng)將著重設(shè)計LED驅(qū)動、智能傳感器和單片機(jī)控制器部分，以下將一一進(jìn)行詳述。

圖1 HB LED智能照明系統(tǒng)的構(gòu)架

1.1 HB LED驅(qū)動設(shè)計

本系統(tǒng)采用6顆1 W的HB LED串聯(lián)作為燈負(fù)載，額定電流350 mA，22～30 V直流輸入。HB LED的驅(qū)動電源將直接影響到LED的白光質(zhì)量、光效和使用壽命。LED驅(qū)動方式可分為恒壓源驅(qū)動和恒流源驅(qū)動。若采用恒壓源驅(qū)動，LED正向?qū)ê螅饧与妷旱募?xì)小變動將引起正向電流的很大變化，可靠性差。為了保證LED的亮度恒定和防止其過流燒壞，恒流驅(qū)動是理想的方法。LED的調(diào)光方式分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。其中模擬調(diào)光是直接改變通過LED的最大電流，白光質(zhì)量差，易形成色偏，故而要采用PWM調(diào)光[4]。

基于以上考慮，選用National的LM3407作為LED驅(qū)動器，其本質(zhì)是一個浮地的Buck變流器，開關(guān)管內(nèi)置，可提供高達(dá)350 mA的恒流。硬件電路如圖2所示。R1是電流檢測電阻，用來設(shè)定LED負(fù)載電流，R2用來設(shè)定開關(guān)管的工作頻率，本系統(tǒng)采用350 mA電流、1 MHz開關(guān)頻率。D1采用快恢復(fù)肖特基二極管。DIM引腳用來輸入來自單片機(jī)控制器的PWM調(diào)光信號，通過改變PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)LED模塊的亮度[5]。由于人眼的視覺暫留作用，PWM調(diào)光信號的頻率不能小于100 Hz，否則就會產(chǎn)生人眼所能感覺得到的閃爍。這里選擇488 Hz的調(diào)光頻率。

圖2 LED驅(qū)動電路

1.2 光強(qiáng)度傳感器設(shè)計

光強(qiáng)度傳感器主要用來檢測周圍環(huán)境的光強(qiáng)度，并根據(jù)環(huán)境亮度來開/關(guān)LED燈或調(diào)節(jié)其亮度值。光敏元件主要有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等。光敏電阻線性度差，頻率響應(yīng)低；光敏三極管靈敏度高，但溫度特性和線性度差。系統(tǒng)采用集成光強(qiáng)度傳感器TSL2561T。

TSL2561T是TAOS推出的一款高速、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，具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口。內(nèi)部集成兩路光敏二極管，通道0對可見光和紅外線都敏感，通道1僅對紅外線敏感，兩路積分式ADC分別對兩個光敏二極管的電流積分，轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，保存到各路的數(shù)字寄存器中[6]。

本系統(tǒng)中該光強(qiáng)度傳感器TSL2561T用來檢測周圍環(huán)境亮度，傳遞給單片機(jī)控制器用以產(chǎn)生控制LED模塊亮度的PWM信號。二者的硬件連接電路如圖3所示。單片機(jī)控制器的I2C總線的數(shù)據(jù)線和時鐘線分別和傳感器TSL2561T的SDA和SCL引腳連接，外接上拉電阻。傳感器可編程設(shè)置允許的光強(qiáng)度上下閥值，當(dāng)實際光強(qiáng)超過閥值時INT引腳產(chǎn)生中斷信號，該引腳和MCU的外部中斷引腳INT0連接。

MCU需嚴(yán)格按照I2C總線協(xié)議對TSL2561T進(jìn)行設(shè)置和訪問，支持高達(dá)400 kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。其中MCU作為主機(jī)，傳感器作為從機(jī)，時序是兩者成功通信的關(guān)鍵。首先要對光強(qiáng)度傳感器TSL2561T的寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，主要包括TSL2561T工作使能、增益和積分時間、中斷門限等設(shè)置。TSL2561T內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換完成后，MCU就可以通過對TSL2561T數(shù)據(jù)寄存器的讀操作獲取該值，再經(jīng)過實驗化運(yùn)算公式就可以得到環(huán)境亮度值。這主要通過軟件來完成，軟件流程如圖4所示。

圖3 光強(qiáng)度傳感器和MCU硬件連接電路

圖4 光強(qiáng)度傳感器軟件設(shè)計流程

限于篇幅，只給出MCU向TSL2561T寫一個字節(jié)的程序，讀程序類似。

使用TSL2561T實現(xiàn)光強(qiáng)度的實時監(jiān)控，精度高、成本低、體積小；由于采用數(shù)字信號輸出，抗干擾能力強(qiáng)。

1.3 溫度傳感器

HB LED的工作電流大，但基于目前的半導(dǎo)體制造技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換效率只有15%～20%，大部分電能轉(zhuǎn)換成熱量，需要通過熱傳導(dǎo)方式散發(fā)出去，而不能像白熾燈一樣輻射散熱。因此LED的穩(wěn)定性很容易受自身散熱和環(huán)境溫度影響。如果LED工作溫度超過其承載溫度，將會使LED發(fā)光效率快速降低，產(chǎn)生明顯光衰，甚至?xí)ED造成永久性破壞[7]。本系統(tǒng)對LED溫度的監(jiān)測和控制就是要保證LED不會過熱。

溫度檢測芯片主要分為模擬和數(shù)字兩大類。這里選用精確度高、低功耗、應(yīng)用簡便的模擬芯片LM35。最大測溫范圍－55～150℃，測溫精度0.5℃。硬件電路圖如圖5所示。LM35的輸出是一個和溫度成正比的電壓值(10 mV/℃),接到MCU控制器的一個I/O口，通過MCU內(nèi)部的ADC將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，隨時監(jiān)測控制LED模塊的溫度。R5、C3對LM35的輸出起低通濾波作用。

圖5 溫度傳感器LM35

1.4 MCU控制器

MCU控制器主要用來接收來自光強(qiáng)度傳感器TSL2561T和溫度傳感器LM35的信息，經(jīng)過處理產(chǎn)生PWM調(diào)光信號，傳遞給LED驅(qū)動器調(diào)節(jié)LED亮度值。這里選用ATEMEL公司的一款采用RISC指令的8位單片機(jī)ATmega16。AT-mega16是一款高速、低功耗、片內(nèi)資源豐富的單片機(jī)[8]。整個控制流程如下圖所示：MCU實時監(jiān)控LED模塊的溫度，一旦過熱便啟動過熱保護(hù)；否則根據(jù)檢測到的環(huán)境亮度產(chǎn)生PWM信號，傳給LED驅(qū)動器LM3407，使LED的亮度隨環(huán)境需要而變化。

圖6 MCU控制流程圖

本系統(tǒng)中ATmega16采用8 MHz時鐘頻率，利用定時/計數(shù)器T/C0溢出觸發(fā)ADC，定時獲得來自LM35的LED溫度值。T/C0工作在普通模式，1024分頻，即每隔33 ms觸發(fā)一次ADC獲取LED溫度值。然后與所設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，決定下一步的動作。過熱，則保護(hù)；沒有過熱，則將所獲取的環(huán)境亮度值轉(zhuǎn)化成0～255之間的數(shù)字量，作為T/C2的比較匹配值，T/C2工作在快速PWM模式，64分頻，產(chǎn)生488 Hz的PWM調(diào)光信號，能夠?qū)崿F(xiàn)LED 256級灰度調(diào)光。

2 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)實驗樣機(jī)的工作參數(shù)如下：LED驅(qū)動電路開光頻率 fSW=1 MHz，LED驅(qū)動電流 350 mA，LED調(diào)光頻率 fPWM=488 Hz。實驗表明，系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)行，可實現(xiàn)智能調(diào)光，且白光質(zhì)量好，沒有閃爍。長時間運(yùn)行，節(jié)能效果明顯。圖7給出LED半載即50%調(diào)光占空比時的調(diào)光波形，包括PWM調(diào)光占空比和LED的電流波形。可見穩(wěn)態(tài)電流恒流特性好，瞬態(tài)響應(yīng)快。

圖7 50%調(diào)光占空比時的調(diào)光波形

3 結(jié)論

本文設(shè)計并實現(xiàn)了基于MCU控制的HB LED智能照明系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)照明，系統(tǒng)附加了光強(qiáng)度和溫度傳感功能，LED的亮度可隨環(huán)境需要實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，并且可以實現(xiàn)對LED的過熱保護(hù)功能，白光質(zhì)量柔和，視覺效果優(yōu)于傳統(tǒng)的照明光源。本系統(tǒng)具有高效節(jié)能、環(huán)保、智能等優(yōu)點(diǎn)，是公共場所照明的理想選擇。

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