基于MSP430單片機(jī)的LED調(diào)光系統(tǒng)研究

譚家杰，譚家騰，杜社會

（1.衡陽師范學(xué)院 物理與電子信息科學(xué)系，湖南 衡陽 421002；2.衡陽衡儀電氣有限公司，湖南 衡陽 421008）

0 引 言

大功率LED作為第四代照明光源具有壽命長、體積小、節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)，是全球公認(rèn)新一代環(huán)保科技型光源。根據(jù)LED的伏安特性，現(xiàn)在LED照明的主要驅(qū)動(dòng)方式采用恒流驅(qū)動(dòng)。為了更好發(fā)揮LED照明節(jié)能的優(yōu)勢，驅(qū)動(dòng)器中加入調(diào)光功能是大勢所趨［1］。另外，調(diào)光能降低LED功耗，減少發(fā)熱從而延長LED的使用壽命［2］。目前LED的調(diào)光方式主要有：模擬調(diào)光、PWM（Pulse Width Modulation，PWM）調(diào)光、可控硅調(diào)光［3－7］。脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)光就是使用開關(guān)電路以足夠高的頻率工作，改變設(shè)置PWM周期和占空比以達(dá)到輸出光的改變。模擬調(diào)光稱線性調(diào)光，它是利用直流電壓信號使LED驅(qū)動(dòng)器輸出電流連續(xù)地變化，從而實(shí)現(xiàn)對LED的線性調(diào)光。優(yōu)點(diǎn)為電路簡單，缺點(diǎn)為調(diào)光范圍窄，功率損耗大［8］。數(shù)字調(diào)光會引入潛在的電磁干擾，為了降低可聽到噪聲和輻射，高端照明系統(tǒng)的調(diào)光頻率一般要求數(shù)兆赫茲，較高的調(diào)光頻率將減少驅(qū)動(dòng)的調(diào)光范圍［1］?？煽毓枵{(diào)光是利用現(xiàn)有的日光燈可控硅調(diào)光器技術(shù)，通過改變可控硅的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)輸出功率來實(shí)現(xiàn)調(diào)光。但是缺點(diǎn)更嚴(yán)重：會使LED產(chǎn)生100Hz頻閃；負(fù)載過熱，其會嚴(yán)重降低驅(qū)動(dòng)器效率降低及功率因數(shù)劣化［5］。

本研究設(shè)計(jì)一種可進(jìn)行PWM調(diào)光的LED恒流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，對驅(qū)動(dòng)器的各個(gè)組成部分進(jìn)行了詳細(xì)分析，并且進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。用MSP430G2452單片機(jī)作為控制器，用分立元件完成電流控制LED調(diào)光。系統(tǒng)具有功率因數(shù)高、調(diào)光無閃爍、調(diào)光輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

1 LED調(diào)光機(jī)理

1.1 LED的伏安特性

大功率LED屬于低電壓、大電流器件，研究LED的驅(qū)動(dòng)電路，必需先研究其伏安特性。以LUMILEDS公司LUXEON K2型為例，其伏安特性如圖1所示。由圖中電壓與電流關(guān)系可知，LED驅(qū)動(dòng)電壓為3.44伏時(shí)，對應(yīng)正向工作電流為350mA。驅(qū)動(dòng)電壓變?yōu)?.5V，工作電流為500 mA；當(dāng)電壓為3.6V，工作電流為700mmA。由此可知，電壓增加0.1V，通過LED的電流增加近200mA。相對于1 W 350mA的大功率LED，其相對變化率達(dá)到電壓變化2 A／V，即LED的電流增加安培級。也就是說電壓變化微小變化，會使電流變化很大。如果采用恒壓源，對電源的要求很苛刻。如果電壓源輸出電壓存在誤差，流過LED的電流增加很大，使LED的溫度升高，會導(dǎo)致器件的使用壽命減少，輸出光衰變大。所以，大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)采用恒流源。大功率LED發(fā)光強(qiáng)度隨正向工作電流近似成線性比例關(guān)系。當(dāng)工作電流超過額定大小時(shí)，其相對發(fā)光強(qiáng)度增大最終趨于飽和。正向工作電流的提高會導(dǎo)致器件溫度升高，從而導(dǎo)致LED發(fā)光強(qiáng)度和壽命的下降，這也是大功率LED必須采用恒流驅(qū)動(dòng)的重要原因之一［9］。

圖1 大功率LED的伏安特性

1.2 調(diào)光方法

大功率LED照明，人們都希望能夠調(diào)節(jié)其亮度以適合不同環(huán)境的照明。LED發(fā)射的光子數(shù)與流過PN結(jié)的電流成正比，也就是LED的亮度與正向流過它的電流成正比，因此可以調(diào)節(jié)正向流過的電流來調(diào)節(jié)輸出光［10］。若能控制單位時(shí)間內(nèi)流過LED電流的平均值的大小就能夠?qū)崿F(xiàn)控制LED的照度以達(dá)到調(diào)光的目的［11］。PWM調(diào)光主要是用開關(guān)LED改變正向電流導(dǎo)通時(shí)間，來達(dá)到調(diào)整LED的亮度目的。通過LED的平均電流與PWM波形的占空比成正比，其大小可由式（1）決定［9］。

IPWM為通過LED的平均電流，D為PWM信號的占空比，ILED為LED的額定電流。由于改變流經(jīng)LED的電流可以改變照射面的照度，而PWM信號的占空比可以由0%變化為100%，采用PWM方法調(diào)光很容易實(shí)現(xiàn)多級調(diào)光。PWM控制LED照明具有調(diào)節(jié)范圍寬，顏色性好，克服色偏現(xiàn)象；能提供更大的調(diào)節(jié)范圍，并無閃爍現(xiàn)象［8］。

調(diào)光實(shí)現(xiàn)方案利用MSP430G2452產(chǎn)生PWM信號，PWM信號控制增強(qiáng)型NMOS管，控制系統(tǒng)的開關(guān)。將LED電流反饋至控制回路，以達(dá)到恒流目的。

2 調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

圖2 調(diào)光系統(tǒng)模塊

LED調(diào)光系統(tǒng)由單片機(jī)調(diào)光模塊、LED驅(qū)動(dòng)模塊、LED燈具、OLED顯示模塊、手動(dòng)調(diào)節(jié)模塊組成，設(shè)計(jì)的調(diào)光系統(tǒng)模塊如圖1所示。

單片機(jī)調(diào)光模塊采用德州儀器的MSP430G2452低功耗單片機(jī)作為主控制器，其作用是產(chǎn)生PWM信號。驅(qū)動(dòng)控制器則是將PWM信號轉(zhuǎn)化為開關(guān)狀態(tài)以達(dá)到開關(guān)LED的目的，這里由分立元件組成。

照明燈具是由3個(gè)臺灣晶元公司35mil的1W白光LED串聯(lián)組成，其電流參數(shù)為350mA，且系統(tǒng)輸入電壓為12伏。

顯示模塊采用0.96英寸OLED，它屬于串行接口，通過單片機(jī)P2.2－P2.5I／O口相連接，用于顯示PWM信號的占空比。分別采用輕觸按鈕P1.0、P1.1口，產(chǎn)生下降沿中斷，從而調(diào)節(jié)占空比，一個(gè)為增加占空比，另一個(gè)則減少占空比。制作的調(diào)光系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 LED調(diào)光系統(tǒng)實(shí)物

系統(tǒng)調(diào)光分20級，按照增加、減少方向調(diào)節(jié)，步進(jìn)為5%。系統(tǒng)的時(shí)鐘盡量高，以保證在調(diào)光過程中LED無閃爍現(xiàn)象。制作出的調(diào)光控制器實(shí)物見圖3。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊

LED驅(qū)動(dòng)模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，采用低端采樣控制通過LED的電流，其實(shí)質(zhì)就是采樣LED的電流誤差反饋控制。即對RSNS兩端電壓進(jìn)行采樣VRSNS，當(dāng)采樣電壓經(jīng)集成運(yùn)放A2同相放大后得到Vf，并與固定電壓進(jìn)行比較來控制電流I0恒定，其工作原理如圖4所示。

假設(shè)流過LED的電流為I0，從采樣小電阻RSNS兩端電壓，A2端同相輸入的電壓為：

得到A2的反饋電壓其大小如式（3）。

將反饋電壓Vf與VRef比較，通過開關(guān)MOS管控制驅(qū)動(dòng)電路的電流。當(dāng)Vf＜VRef，MOS管N1導(dǎo)通，維持LED燈導(dǎo)通；反之，N1關(guān)閉。當(dāng)MOS管N1導(dǎo)通，通過LED電流則由 MOS管N2控制。計(jì)算出R1、R2、R3、RSNS和固定VRef便可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光，其中RSNS為小于1歐姆，且其決定了系統(tǒng)的控制精度，可用1%的小電阻。

圖4 LED驅(qū)動(dòng)模塊

2.3 軟件模塊

軟件設(shè)計(jì)思路需考慮系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，調(diào)光系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)感覺LED輸出不適，便手動(dòng)調(diào)節(jié)輸出光大小，因此調(diào)節(jié)占空比大小的優(yōu)先級最高，可考慮用外部中斷方式，用中斷處理函數(shù)及時(shí)修正占空比值；顯示模塊應(yīng)及時(shí)顯示占空比的狀態(tài)，可以將其寫成一個(gè)模塊文件單獨(dú)作為一個(gè)文件以便代碼重用，可以將顯示函數(shù)放在while（1）里面持續(xù)顯示。PWM信號選擇的端口很有技巧，MSP430G2452很有特色，它可以產(chǎn)生PWM信號且無需CPU的參與，可以節(jié)約系統(tǒng)資源。選擇TIMER＿A，確定PWM信號輸出端口為P1.2。軟件模塊主要有：系統(tǒng)初始化、LED調(diào)光、OLED輸出。

初始化應(yīng)該完成四個(gè)步驟設(shè)置：

（1）設(shè)置IO口。OLED端口設(shè)置，將P2.2－P2.5設(shè)置成輸出模式；PWM（P1.2）端口設(shè)置為輸出；調(diào)光按鈕設(shè)置成輸入，選擇第二功能并設(shè)置上升沿中斷模式。

（2）為了減少控制器的尺寸，選擇內(nèi)部基礎(chǔ)時(shí)鐘DCO作為系統(tǒng)主頻；選擇系統(tǒng)時(shí)鐘作為定時(shí)器TIMER＿A的時(shí)鐘且不分頻。

（3）將TIMER＿A清零，選擇定時(shí)器為增加模式；將PWM模式設(shè)為復(fù)位／置位；TACCR0＝999；TACCR1＝499。

（4）對OLED進(jìn)行初始化，開中斷總開關(guān)。

LED調(diào)光在外部中斷服務(wù)程序中完成，其部分代碼如下：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 占空比與電流關(guān)系

采用UT33D數(shù)字萬用表和UTD2102CEL示波器對系統(tǒng)的占空比與電流關(guān)系進(jìn)行了測量。測量時(shí)，將數(shù)字表通過杜邦線串接入電路，改變不同的占空比，測量對應(yīng)電流值，按照增、減方向分別測三次取平均值。將測量的數(shù)據(jù)用matlab軟件繪圖得到圖5。其結(jié)果表明：占空比與LED電流成良好的線性關(guān)系。

圖5 占空比與輸出電流關(guān)系

3.2 占空比與照度關(guān)系

用TES1330A照度計(jì)分別對LED燈具在不同占空比的情況下測量照度，同樣按照占空比增、減方向分別測量三次，得到如圖6所示結(jié)果。LED燈具輸出的最大照度為1677Lux，最小值為0.05Lux。圖6結(jié)果表明占空比與照度近似成線性關(guān)系。

圖6 占空比與輸出照度關(guān)系

4 結(jié) 論

系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低，設(shè)計(jì)方便。電路的效率高；PWM調(diào)節(jié)范圍很寬，調(diào)制線性更好。按照此方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能充分發(fā)揮LED的節(jié)能優(yōu)勢。缺點(diǎn)是電路缺乏過熱保護(hù)模塊。因此，下一步的改進(jìn)著重于自適應(yīng)照明方面。系統(tǒng)利用單片機(jī)技術(shù)和電源技術(shù)相結(jié)合，將LED驅(qū)動(dòng)的電流通過電阻反饋，達(dá)到了預(yù)先期望。該調(diào)光技術(shù)能提高照明系統(tǒng)的性能，既照明領(lǐng)域的節(jié)能、環(huán)保具有一定意義，也具有一定實(shí)用性。

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