簡(jiǎn)易LED光電特性測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

1.引言

LED（Light-Emitting-Diode），即發(fā)光二極管，以其高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，成為新一代照明光源。各國(guó)政府均大力扶持白光LED的發(fā)展，美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家皆由政府成立專項(xiàng)積極推行[1]。隨著LED應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有了更高的要求，不僅要求其發(fā)光亮度和波長(zhǎng)等光特性具有一致性，對(duì)其正向工作電壓和電流等電特性也有嚴(yán)格的要求。因此，研究LED光電參數(shù)的測(cè)試儀器，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有著重要的意義。

專用的LED光電特性測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是光學(xué)特性測(cè)試要用到光譜儀、光度計(jì)等，雖然儀器有著精度高的特點(diǎn)，但仍然具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積較大，攜帶和使用很不方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到限制等缺點(diǎn)，因此這種儀器只能停留在大型分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用范圍難以擴(kuò)展。研制一種小體積、低價(jià)格，精度雖不很高，但能滿足一般性要求的LED光電測(cè)量?jī)x器成為目前儀器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)[2]。

雖然LED的光電特性參數(shù)很多，但對(duì)大多數(shù)用戶來說，主要是關(guān)心LED伏安特性及LED發(fā)光亮度與電流的關(guān)系，因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是完成這兩項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試，另外通過簡(jiǎn)單的軟硬件擴(kuò)展，還可測(cè)試得到LED的相關(guān)色溫、主波長(zhǎng)、光強(qiáng)分布等參數(shù)，用于LED的特性研究及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等應(yīng)用開發(fā)。

2.系統(tǒng)原理與組成

整個(gè)系統(tǒng)主要由STM32微處理器，光學(xué)測(cè)量模塊，恒流驅(qū)動(dòng)模塊，LCD液晶顯示模塊，按鍵控制模塊等組成，如圖1所示。

由按鍵或LCD上的觸摸屏控制STM32微處理器，內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生控制電壓，該電壓控制外部的恒流驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生LED工作所需的恒定電流加到待測(cè)LED上，LED上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)信號(hào)放大調(diào)整電路后被STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集，從而測(cè)得LED的伏安特性。另外，通過光學(xué)測(cè)量模塊測(cè)量LED發(fā)出的光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由STM32采集處理，從而測(cè)得LED的發(fā)光亮度等光學(xué)特性。

2.1 STM32微處理器

圖1 簡(jiǎn)易LED測(cè)試裝置系統(tǒng)框圖

微處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它控制恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出設(shè)定的電流，采集LED的電壓，測(cè)量光學(xué)測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制算法運(yùn)算，顯示控制等。為了保證系統(tǒng)的實(shí)用性和易擴(kuò)展性，本控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的“增強(qiáng)型”系列STM32F103RCT6，32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，16路12位的ADC和2路12位的DAC，3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN，在存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度方面滿足要求。在本設(shè)計(jì)中，采用STM32自身的ADC和DAC模塊，極大的降低了系統(tǒng)成本。

2.2 恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒流驅(qū)動(dòng)電路的核心是V/I轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示，Vin是STM32內(nèi)部D/A輸出的電壓，RL是負(fù)載，即待測(cè)的LED，Rs為電流取樣電阻，用于控制輸出電流的大小，U1是大功率運(yùn)算放大器。

由圖2可知，若電阻R1和R2比Rs和RL大得多，則在理想情況下可得到

由公式2可見，輸出電流與負(fù)載無關(guān)，在固定取樣電阻Rs的情況下，輸出電流與輸入控制電壓成正比。但在應(yīng)用中要注意，兩個(gè)輸入電阻R3和R4及兩個(gè)反饋電阻R1和R2必須嚴(yán)格匹配，否則會(huì)帶來較大誤差。Rs也要采用精密功率電阻。另外也可以在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)在軟件中做補(bǔ)償校準(zhǔn)以確保輸出電流精度。

圖2中的運(yùn)算放大器OPA548是一種高電壓、大電流型功率運(yùn)算放大器，具有優(yōu)良小信號(hào)放大性能，用其驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載非常理想。電源電壓(+VS～-VS)60V，可單電源或雙電源工作。輸入阻抗高，偏置電流小?？蛇B續(xù)輸出3A大電流(峰值電流高達(dá)5A)，而且內(nèi)部具有過溫和電流過載保護(hù)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行精密的限流設(shè)計(jì)

2.3 光學(xué)測(cè)量模塊

圖2 恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖3 TCS3200顏色傳感器引腳和功能框圖

圖4 簡(jiǎn)易LED光電特性測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)中采用新型的顏色傳感器TCS3200進(jìn)行LED光學(xué)特性的測(cè)量，能夠同時(shí)測(cè)量LED發(fā)光中所含的三基色亮度。TCS3200是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS3200的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單。圖3是TCS3200的引腳和功能框圖。

當(dāng)入射光投射到TCS3200上時(shí)，通過光電二極管控制引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉(zhuǎn)換器后輸出不同頻率的方波(占空比是50%)，不同的顏色和光強(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。

因?yàn)镾TM32工作頻率較高，因此將S0和S1直接接高電位，使輸出比例因子為100%。S2和S3利用STM32的引腳進(jìn)行控制，顏色傳感器的輸出信號(hào)用STM32編程實(shí)現(xiàn)測(cè)頻。

3.測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理

STM32的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要包括液晶顯示，按鍵處理，DAC控制，ADC控制，顏色傳感器控制及計(jì)數(shù)測(cè)量，這些模塊都比較簡(jiǎn)單，在此不再贅述，下面主要介紹一下LED光學(xué)特性測(cè)量的數(shù)據(jù)運(yùn)算及處理程序。

物體顏色的定量度量是一個(gè)涉及觀察者的視覺生理、視覺心理、照明條件以及觀測(cè)條件等諸多因素的復(fù)雜問題。CIE（國(guó)際照明委員會(huì)）從1931年開始發(fā)布了一系列色度學(xué)系統(tǒng)，規(guī)定了一整套顏色測(cè)量的原理、數(shù)據(jù)和計(jì)算方法，形成了奠定現(xiàn)代色度學(xué)基礎(chǔ)的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)。

根據(jù)CIE的推薦，光源的色度可采用三刺激值X，Y，Z和色品坐標(biāo)表色系統(tǒng)表征。

可以用下述公式將RGB值轉(zhuǎn)為XYZ值[3]：

通過顏色傳感器TCS3200測(cè)量構(gòu)成光源色度的三基色的比例，得到R，G，B值，經(jīng)過計(jì)算就可以得到光源色度的三刺激值X，Y，Z和色品坐標(biāo)x，y，z。有了色品坐標(biāo)，就可以根據(jù)CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)得到光源的亮度，主波長(zhǎng)，色純度，相關(guān)色溫等參數(shù)值。式3中的Y值相應(yīng)于人眼中對(duì)亮度的響應(yīng)，可用于計(jì)算LED發(fā)光亮度。

從色品坐標(biāo)要得到相關(guān)色溫（CCT，Correlated Color Temperature）有很多種方法，其中近似公式法運(yùn)算簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，精度也可滿足一般要求，當(dāng)3000K＜CCT＜15000K時(shí)，采用如下公式[4]：

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用上述電路，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的LED光電特性測(cè)試裝置，并用一些紅、綠、黃、藍(lán)、白等各色LED進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4。圖4(a）為不同顏色LED的伏安特性曲線，圖4(b）為不同顏色LED的發(fā)光亮度與電流的關(guān)系。從圖中可以看出，LED電流隨電壓變化很快，而發(fā)光亮度與電流基本上是線性關(guān)系。這可以作為設(shè)計(jì)LED驅(qū)動(dòng)電路的參考依據(jù)。另外，用Keithley2612高精度源表對(duì)伏安特性進(jìn)行了校準(zhǔn)，用照度計(jì)對(duì)亮度測(cè)試進(jìn)行了校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過硬件調(diào)整和軟件補(bǔ)償，結(jié)果誤差可以控制在5%以內(nèi)，達(dá)到實(shí)用目標(biāo)。

5.結(jié)束語

本文利用STM32微處理器為核心，顏色傳感器為主要部件，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)易的LED光電特性裝置，用于測(cè)試LED的伏安特性，發(fā)光強(qiáng)度，相關(guān)色溫，主波長(zhǎng)等LED特性。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，智能，成本低廉，在某些LED的研究和應(yīng)用領(lǐng)域可以代替昂貴的光譜分析儀等專用設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試精度達(dá)到實(shí)用要求，本文方案可行。

[1]大谷義彥,夏晨.LED照明現(xiàn)狀與未來展望[J].中國(guó)照明電器,2007(06):20-24.

[2]楊睿.光源色度快速測(cè)量方法探討[J].光機(jī)電信息,2011,8(02):12-16.

[3]Sensing color with the TAOS TCS230,Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc.

[4]McCamy.Calvin S.Correlated color temperature as an explicit function of chromaticity coordinates[J].Color Research & Application,1991,17(2):142-144.