一種凌空觸控室內(nèi)LED情景照明燈設計

常州輕工職業(yè)技術學院電子電氣工程系 項瑩瑩

一種凌空觸控室內(nèi)LED情景照明燈設計

常州輕工職業(yè)技術學院電子電氣工程系 項瑩瑩

針對家居情景照明功能需求，建立了凌空觸控PWM恒流驅(qū)動RGB LED的控制系統(tǒng)。觸控部分選用Cypress的帶智能感應的電容型觸摸芯片CY8CMBR3106s，全彩驅(qū)動芯片選用DM413，可以實現(xiàn)8192級（14位）灰度調(diào)節(jié)，討論了凌空觸控及PWM調(diào)光、調(diào)色的具體實現(xiàn)。

大功率電源管理；DM413驅(qū)動電路；凌空觸控技術；PWM調(diào)光調(diào)色

0 引言

情景照明的歷史并不長，是飛利浦公司于2007年提出的概念。情景照明強調(diào)以燈光來營造家居氣氛，使用者只需觸摸按鈕，就能改變燈光的顏色、對比度、方向和亮度等，讓燈光與家庭成員的心情、情感與精神狀態(tài)相映襯。隨著節(jié)能照明、氣候危機等觀念的深入人心，普通家庭在選擇照明燈具時也會更多考慮節(jié)能的需求。因此，節(jié)能與趨于多元化、變動化的家居照明正在成為席卷全球的新趨勢。LED家居照明比傳統(tǒng)照明方式可以節(jié)省80%以上的能源，并且具備發(fā)熱量低、使用壽命更長的優(yōu)點。此外，由于LED是芯片點狀發(fā)光，能夠達到接近于無限的變色效果，因而可以展現(xiàn)照明設計師對居室照明的奇思妙想。如今情景照明已被廣泛應用于商業(yè)用途，相信隨著LED技術的進一步普及，情景照明亦將走入千家萬戶。

1 室內(nèi)LED情景照明驅(qū)動系統(tǒng)

本文提出的室內(nèi)LED情景照明燈主要由電源模塊、主控制器、3通道LED恒流驅(qū)動模塊、反饋控制、RGB LED燈、CY8CMBR3106s觸控模塊等部分組成。硬件電路如圖1所示。

圖1 室內(nèi)LED情景照明燈原理框圖

電源模塊包括AC/DC電源模塊（成品）、電源管理模塊和DC電源模塊，為系統(tǒng)和LED提供能源。微控制器STM8S2XX是驅(qū)動系統(tǒng)的控制核心，接收用戶通過CY8CMBR3106S觸控模塊發(fā)過來的調(diào)光、調(diào)色、調(diào)亮等指令，根據(jù)接收的指令，合理的進行LED亮度、灰度和顏色調(diào)節(jié)，此外，系統(tǒng)在LED端與RGB驅(qū)動模塊之間還配有反饋控制，從而實現(xiàn)精確的照明光線調(diào)節(jié)。

2 電源管理模塊的具體實現(xiàn)

在電子電氣系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)是關鍵模塊之一，電源性能的好壞，直接影響系統(tǒng)與設備的工作質(zhì)量和效率。本設計對電源模塊的要求較高，不僅要給控制部分供電，還需給大功率RGB_LED供電，綜合考慮各指標，設計選用的是Techcode（美國泰德半導體）公司的TD1410大電流、高性能電源芯片，該芯片典型應用電路如圖2所示。

圖2 電源管理模塊原理圖

3 高亮RGB LED調(diào)光、調(diào)色的具體實現(xiàn)

在LED照明系統(tǒng)中，LED的調(diào)光、調(diào)色是整個系統(tǒng)的核心。如何增強LED發(fā)光管亮度細微調(diào)整能力，以及通過

圖3 RGB LED調(diào)光、調(diào)色控制原理

圖4 CY8CMBR3106s觸控控制原理

這種亮度細微調(diào)整能力，配合混色算法實現(xiàn)無極調(diào)色是LED情景照明的關鍵問題。該部分系統(tǒng)包括3通道恒流驅(qū)動DM413（可編程PWM輸出），以及帶反饋的功率放大部分（以驅(qū)動1W RGB LED）。該部分控制原理如圖3所示。

DM413是3通道恒流全彩LED驅(qū)動芯片，并且自帶可編程PWM灰度發(fā)生器，默認是256級（8位）灰度調(diào)節(jié)，最高可以實現(xiàn)8192級（13位）灰度調(diào)節(jié)，調(diào)色效果細膩，輕松實現(xiàn)色彩斑斕的情景照明調(diào)光調(diào)色需求。但是DM413的輸出電流只有5～100mA，對于終端3顆1WRGB LED的驅(qū)動需求，驅(qū)動能力不足，配以DD311進行功率放大。DD311最大輸出電流高達1A，且輸出端能承受36V的電壓，支持多顆大功率LED的串接應用，此外，通過微調(diào)DD311偏壓能夠?qū)崿F(xiàn)LED間亮度不一的校正或多顆LED整體亮度調(diào)整。

4 觸控模塊

CY8CMBR3106s是Cypress公司高性能、低功耗的CapSense ExpressTM控制器，具有外圍電路設計簡單，功能強大等特點。CY8CMBR3106s支持多達11個電容式感應按鍵輸入，其中包括2個接近傳感器，實現(xiàn)30cm以內(nèi)的凌空觸控，最大10段滑條輸入。微控制器可以通過I2C接口直接配置其寄存器，而不需要固件開發(fā)或器件編程，自帶的 SmartSenseTM自動調(diào)試系統(tǒng)可以連續(xù)補償由系統(tǒng)、生產(chǎn)過程和環(huán)境的變化引起的影響，自動配置電容按鍵參數(shù)，以得到最優(yōu)化性能。

CY8CMBR3106s觸控控制電路如圖4所示。微控制器STM8S2XX通過I2C接口與CY8CMBR3106s通訊，完成觸控式人機交互。每個電容式觸控輸入引腳串接一560Ω電阻，以提高抗干擾能力。管腳1和2是接近傳感器輸入引腳，本設計選擇PS0作為凌空觸控控制輸入，實現(xiàn)燈的點亮與熄滅。10段滑條輸入分成兩部分，5段線性滑條輸入，5段圓形滑條輸入，分別控制LED的亮度和灰度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)RGB LED的無極調(diào)光和調(diào)色。

5 系統(tǒng)軟件

DM413與系統(tǒng)單片機的通訊接口簡單，單片機經(jīng)DM413的鎖存控制線（STB引腳）、串行通訊數(shù)據(jù)線（DAI引腳）和時鐘信號線（CKI引腳）發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù)，驅(qū)動芯片根據(jù)指令調(diào)節(jié)R、G、B輸出端的電流及PWM的占空比，PWM輸出接DD311的使能端，實現(xiàn)PWM占空比灰度調(diào)節(jié)。PWM調(diào)光、調(diào)色流程圖如圖5所示。

圖5 PWM信號波形圖

6 結(jié)束語

本文在理解家居情景照明功能需求的基礎上，設計了以DM413 RGB LED驅(qū)動模塊為硬件基礎，采用PWM調(diào)光、調(diào)色技術和凌空觸控相結(jié)合，實現(xiàn)了一個隔空開關控制，高靈敏度的觸摸感應無極調(diào)光、調(diào)色系統(tǒng)。在實際運行中，該照明系統(tǒng)效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的色彩和亮度調(diào)節(jié)。

[1]倪凱凱,沈海平,江磊,林澤文,朱雪菘,劉木清．LED光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)及其優(yōu)化算法研究[J]．照明工程學報,2015,26(2):42-46．

[2]王文廠,楊小平．大功率LED照明控制器的研究[D]．哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文,2009．

[3]CY8CMBR3xxx設計指南[Z]．賽普拉斯半導體公司,2014,文檔編號:001-91599版本．

[4]嚴飛,王瑞光．LED顯示屏灰度控制關鍵技術[D]．中國科學院大學工學博士學位論文,2013．

[5]萬睿,李志敏．LED全彩大屏幕關鍵技術的應用研究[D]．重慶大學工學碩士學位論文,2008．

項瑩瑩（1982—），女，碩士，工程師，主要研究方向為LED驅(qū)動，嵌入式系統(tǒng)及智能控制等方面。

江蘇省大學生創(chuàng)新計劃（201413101015Y）。