基于單片機(jī)控制的LED路燈節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龍興明，周 靜， 廖瑞金

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 400047）

白光發(fā)光二極管（LED）是一種高效環(huán)保的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換光源，相對(duì)于傳統(tǒng)光源具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，基于白光LED的大功率照明技術(shù)已被列為國(guó)家目前發(fā)展的重要節(jié)能減排措施之一[1]。

大功率白光LED照明具有復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)特性，首先，不同的LED所需的工作電壓、驅(qū)動(dòng)電流不同；其次，即使在驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下，隨著工作時(shí)間的增加，工作環(huán)境溫度升高也會(huì)導(dǎo)致光通量有所降低?，F(xiàn)有白光LED路燈驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要包括阻容降壓以及基于脈寬調(diào)制（PWM）的開關(guān)恒壓恒流驅(qū)動(dòng)。這些驅(qū)動(dòng)技術(shù)使LED照明得到了初步的應(yīng)用，但是，當(dāng)溫度、濕度等復(fù)雜的外部環(huán)境條件以及工作時(shí)產(chǎn)生的熱量累積導(dǎo)致LED參數(shù)改變時(shí)，基于傳統(tǒng)阻容降壓和PWM開關(guān)恒壓恒流的簡(jiǎn)單穩(wěn)流驅(qū)動(dòng)不能隨LED參數(shù)的改變而作出適時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)效率降低，均流不穩(wěn)定等問題[2-5]。同時(shí)，LED光源的數(shù)值化可控特性的應(yīng)用需求也日益提高，傳統(tǒng)的LED驅(qū)動(dòng)策略極大的制約了LED在這方面的應(yīng)用。

因此，本文設(shè)計(jì)具有自適應(yīng)功能的智能LED驅(qū)動(dòng)電路，為L(zhǎng)ED照明提供適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?、?qū)動(dòng)電流，保證其輸出光強(qiáng)具有相對(duì)穩(wěn)定性；同時(shí)，利用微控制器的實(shí)時(shí)控制特性，提出一種LED節(jié)能控制方法。

1 LED驅(qū)動(dòng)特性

LED作為半導(dǎo)體冷光光源，它同白熾燈、鹵素?zé)?、汞燈具有明顯不同的驅(qū)動(dòng)特性。

1.1 電流-電壓特性

電流-電壓特性是LED的基本物理特性，它同一般PN結(jié)類似，具有死區(qū)電壓。當(dāng)輸出電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電流的增加，PN結(jié)電壓變動(dòng)不大。PN結(jié)標(biāo)稱工作電流的大小取決于LED規(guī)格，PN結(jié)的壓降大小除了與PN結(jié)電流和溫度有關(guān)外，它還取決于制造材料特性。比如：當(dāng)PN結(jié)溫度為25℃，電流為20 mA時(shí)，Φ52高亮白光PN結(jié)電壓約3.1 V，而Φ52高亮黃光LED的PN結(jié)電壓約2 V。

1.2 電流-光通量特性

電流-光通量特性是LED作為照明設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。LED輸出光通量的大小同PN結(jié)的電流大小有關(guān)，在規(guī)定電流范圍，輸出光通量同電流成正相關(guān)。不同的制造封裝廠家生產(chǎn)的相同規(guī)格的LED，它們的電流-光通量具有較大的區(qū)別。在20 mA條件下對(duì)幾個(gè)不同廠家封裝的子彈頭Φ52高亮白光LED樣品的光通量進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其光通量分別為4、3.54、3、2.5流明，有較大差別；另外，在電流不變的情況下，隨著工作時(shí)間的增加，光通量均有所降低。

1.3 溫度-光譜特性

光譜特性是LED光源顯色指數(shù)和色溫的重要依據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)[4]，在PN結(jié)電流不變條件下，隨著PN結(jié)溫度的升高，LED光源發(fā)出的波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，另一方面，在電流不變條件下，隨著溫度的升高輸出光通量降低。

2 LED智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 LED智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理

根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)特性的分析可見，（1）不同的LED所需的工作電壓、驅(qū)動(dòng)電流不同；（2）驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下，隨著工作時(shí)間的增加，光通量有所降低；（3）驅(qū)動(dòng)電流不變的情況下，隨著溫度的升高光通量降低。而LED作為一般照明必須保證其輸出光強(qiáng)對(duì)時(shí)間和溫度具有相對(duì)穩(wěn)定性。因此，所設(shè)計(jì)的路燈智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用具有自適應(yīng)功能的LED驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)LED陣列提供了適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷?、?qū)動(dòng)電流，并使其對(duì)工作溫度等外部條件變化引起的出光特性變化做出適應(yīng)調(diào)整，從而達(dá)到最佳的驅(qū)動(dòng)效果。

路燈智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖1所示，基于單片機(jī)控制的LED路燈智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括橋式整流電路、準(zhǔn)諧振跨周期DC/DC變換電路、電流/電壓檢測(cè)電路、光電隔離電路、LED照明模塊電路、微處理器以及環(huán)境光檢測(cè)電路和LED結(jié)溫檢測(cè)電路。其工作原理為：輸入的市電經(jīng)橋式整流電路整流后，通過準(zhǔn)諧振跨周期DC/DC變換電路實(shí)現(xiàn)多路輸出，電流/電壓檢測(cè)電路接在準(zhǔn)諧振跨周期DC/DC變換電路的輸出端，檢測(cè)到的相關(guān)信號(hào)經(jīng)光電隔離電路送入微處理器進(jìn)行處理，通過反饋用于控制準(zhǔn)諧振跨周期DC/DC變換電路，實(shí)現(xiàn)輸出穩(wěn)定；環(huán)境光檢測(cè)電路和結(jié)溫檢測(cè)電路分別檢測(cè)環(huán)境光的強(qiáng)度和LED模塊的工作溫度，并把檢測(cè)結(jié)果送入微處理器處理，用于實(shí)現(xiàn)LED照明模塊的智能節(jié)能控制。

圖1 LED智能驅(qū)動(dòng)控制器框圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

智能路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路圖如圖2所示。微處理器（uPC）選用STC12C5201AD單片機(jī)，它價(jià)格低（約4元RMB/PCS）、抗干擾能力強(qiáng)、內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換以及PWM發(fā)生器，滿足控制器中所需輸入、輸出通道要求。LED路燈采用4路LED照明模塊并聯(lián)構(gòu)成，其中每一路LED照明模塊與準(zhǔn)諧振跨周期DC/DC變換電路輸出端相連，同時(shí)通過驅(qū)動(dòng)控制電路與微處理器的P1.4～P1.7對(duì)應(yīng)控制端口相連接。P1.4～P1.7引腳作為L(zhǎng)ED照明模塊電路的PWM控制輸入端口，由微處理器控制其是否接通以及驅(qū)動(dòng)電流的大小。

圖2 LED路燈智能驅(qū)動(dòng)控制電路圖

單片機(jī)外圍電路包括時(shí)鐘電路、時(shí)鐘脈沖電路和紅外通信電路、RS232串口通訊電路；時(shí)鐘電路包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302S、晶振Y1和備用電源，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302S的SCLK引腳、I/O引腳、RST引腳分別與單片機(jī)STC12C5201AD的INT1引腳、T0引腳和T1引腳相連接，為L(zhǎng)ED模塊節(jié)能控制提供確定的時(shí)間信號(hào)；時(shí)鐘脈沖電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖；紅外通信電路由紅外通信模塊0388完成，接單片機(jī)的P3.2引腳，用于通過遙控裝置，實(shí)現(xiàn)LED路燈的調(diào)試和緊急開關(guān)照明電路以及微處理器系統(tǒng)的重啟動(dòng)；RS232串口通訊端子接在單片機(jī)的引腳P3.0和P3.1之間，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的串口通信，完成程序更新、下載等工作；

結(jié)溫檢測(cè)電路主要由熱敏電阻R3完成LED模塊工作溫度的檢測(cè)，并把檢測(cè)到的信號(hào)送入單片機(jī)的P1.0引腳，實(shí)現(xiàn)LED工作溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)。環(huán)境光檢測(cè)電路主要由光強(qiáng)檢測(cè)芯片APD9003構(gòu)成。光強(qiáng)檢測(cè)芯片APD9003的OUT端把檢測(cè)到的信號(hào)送入單片機(jī)的P1.1引腳，實(shí)現(xiàn)環(huán)境光強(qiáng)度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

照明系統(tǒng)中的LED照明模塊設(shè)置了智能和非智能兩種工作模式，非智能工作模式下，LED模塊采用固定驅(qū)動(dòng)，可按時(shí)開關(guān)路燈；而智能工作模式則是根據(jù)環(huán)境工作條件而采用自適應(yīng)節(jié)能驅(qū)動(dòng)控制。這兩的工作模式可通過電阻R8進(jìn)行設(shè)定，接在單片機(jī)STC12C5201AD的P1.2引腳上，通過高低電平實(shí)現(xiàn)LED非智能/智能工作模式的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的P3.7引腳連接有發(fā)光二極管D5，用于指示LED模塊的工作狀態(tài)。

3 節(jié)能控制方法

配合智能路燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中提出路燈節(jié)能控制的方法，該節(jié)能控制的流程如圖3所示。主要控制步驟如下：

（1）微處理器系統(tǒng)初始化，系統(tǒng)根據(jù)外部指令（紅外通訊或串口通訊）確定是否向各路LED照明模塊電路給電；

（2）確定給電后，系統(tǒng)進(jìn)入開機(jī)緩起動(dòng)狀態(tài)，判斷是否處于智能狀態(tài)，如果是，進(jìn)入步驟（3）；如果否，設(shè)定時(shí)間內(nèi)，各路給電強(qiáng)度從0逐漸加大到最大輸出值，開機(jī)緩啟動(dòng)完成后，各路輸出保持在最大功率輸出；

（3）系統(tǒng)通過環(huán)境光檢測(cè)電路，獲取外部環(huán)境光強(qiáng)值，結(jié)合該值，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)向各路LED照明模塊電路給電，給電強(qiáng)度呈線性變化。直至給電強(qiáng)度達(dá)到與外部環(huán)境光強(qiáng)值相對(duì)應(yīng)的數(shù)值；當(dāng)達(dá)到設(shè)定的最低外部光強(qiáng)后，系統(tǒng)進(jìn)入全功率輸出狀態(tài)；

（4）在全功率輸出狀態(tài)，系統(tǒng)檢測(cè)LED照明光源溫度，根據(jù)不同的光源溫度，系統(tǒng)通過PWM占空比調(diào)整，自動(dòng)選擇0.6～1倍的全功率輸出；

（5）經(jīng)過設(shè)定時(shí)間的全功率輸出態(tài)后，由系統(tǒng)自身的定時(shí)器時(shí)間系統(tǒng)，每隔固定時(shí)間，實(shí)現(xiàn)恒定光強(qiáng)轉(zhuǎn)換，即在部分LED照明模塊電路的照明光強(qiáng)逐漸增加的同時(shí)，其余部分的照明光強(qiáng)同步減小，該種轉(zhuǎn)換在兩組LED照明模塊電路之間交替進(jìn)行;

（6）經(jīng)過設(shè)定時(shí)間的兩組LED照明模塊電路交替工作后，各路輸出進(jìn)行逆開機(jī)過程，系統(tǒng)結(jié)束向LED照明模塊電路給電。

本節(jié)能控制方法具有以下顯著的特點(diǎn)：

（1）具有智能和非智能兩種工作模式。通過設(shè)置電阻R8＝0實(shí)現(xiàn)非智能模式，默認(rèn)為智能模式。非智能工作狀態(tài)下，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)（用戶定制），各路輸出強(qiáng)度從0逐漸加大到最大輸出值；智能工作狀態(tài)下，通過高性能環(huán)境光檢測(cè)電路獲取開機(jī)時(shí)的外部光強(qiáng)，結(jié)合環(huán)境光強(qiáng)，各路輸出在定制時(shí)間內(nèi)從0逐漸加大到適當(dāng)輸出值；

（2）全功率輸出態(tài)。在非智能工作狀態(tài)下，開機(jī)緩啟動(dòng)完成后，各路輸出保持在最大功率輸出；在智能工作狀態(tài)下，當(dāng)檢測(cè)到的外部光強(qiáng)減小到設(shè)定值后，系統(tǒng)進(jìn)入最大功率輸出，同時(shí)檢測(cè)LED光源溫度，如果工作溫度超過45度（可定制），則0.9倍（可定制）全功率輸出，如果超過50度（可定制），則0.8倍（可定制）全功率輸出。

（3）燈頭交替工作。在交通量低的時(shí)間段，采取燈頭交替工作模式，根據(jù)高精度時(shí)間系統(tǒng)，每隔固定時(shí)間間隔交替轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中采用恒定光強(qiáng)轉(zhuǎn)換方式，即：其中兩路LED輸出逐漸增加的同時(shí)，另外兩路同步減小。這樣可以減小惡劣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行所帶來的LED光衰和老化問題，提高路燈的出光效率，同時(shí)延長(zhǎng)路燈的使用壽命。

4 結(jié)論

本文提出的路燈節(jié)能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)充分考慮外部光照、工作溫度等外部條件變化所引起的LED出光特性變化，通過相應(yīng)的傳感器及微控制器系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)，充分體現(xiàn)出LED路燈照明系統(tǒng)的自適應(yīng)性；同時(shí)，通過采用“緩啟動(dòng)”、“交通流量統(tǒng)計(jì)時(shí)間”以及“基于恒定照度的模塊間交替法”，使路燈達(dá)到最佳的利用效果，并且節(jié)約了能源，優(yōu)化了LED路燈系統(tǒng)的照明效率。

[1]LONG X,LIAO R,ZHOU J.Development of street lighting system-based novel high-brightness LED modules[J].IET Optoelectronics,2009,3(1):40-46.

[2]鄧宏貴,梅衛(wèi)平,曹文暉,等.基于PWM的LED顯示屏像素亮度控制方法[J].光電子技術(shù)，2010,30（2）：131-134.

[3]楊曉光,寇臣銳,汪友華.太陽(yáng)能LED照明路燈充電器的研制[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2010,31(1):67-71.

[4]呂運(yùn)朋,李宏超,籍曉曄,等.基于STC單片機(jī)的智能LED路燈控制器設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2010,34(5):496-508.

[5]LONG Xing-ming,ZHOU Jing.An intelligent driver for light emitting diode street lighting[C]//Automation Congress,2008.Hawaii:WAC,2008:1-5.