一種均勻劃分LED燈亮度等級的實(shí)現(xiàn)方法

安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 苑香平

1 前言

眾所周知，人類照明史源遠(yuǎn)流長，見證著人類文明的發(fā)展與進(jìn)步。最初的篝火、油燈和蠟燭這3種照明方式效率極低，根本無法滿足人類的應(yīng)用需求。直到碳絲燈泡發(fā)明以后,人類才步入電氣照明的新時代,繼而又出現(xiàn)了汞燈、鈉燈、熒光燈和各系列金屬鹵化物燈等，不勝枚舉。然而，進(jìn)入21世紀(jì)以來，“綠色照明”的新理念使得高效、節(jié)能的LED燈呼之欲出，并迅速普及開來。當(dāng)然，人類不僅僅希望LED燈能夠發(fā)光，更多的是要有與環(huán)境相適配的光照強(qiáng)度，按此要求，性能優(yōu)良的調(diào)光方案將備受青睞。湊巧的是，在"藍(lán)橋杯"大賽電子類的試題當(dāng)中也出現(xiàn)了對LED燈進(jìn)行調(diào)光的要求,故借此機(jī)會給出相應(yīng)的解決方法。

本文提出一種對LED燈亮度等級進(jìn)行均勻劃分的實(shí)現(xiàn)方法。該方法基于“藍(lán)橋杯”大賽CT107D專用硬件平臺，通過對IAP-15F2K61S2單片機(jī)的內(nèi)部定時器加以設(shè)置，能夠?qū)⒚}沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)基本原理“軟化”，從而實(shí)現(xiàn)對LED燈4個均勻亮度等級的劃分。此套軟件控制程序可通過實(shí)際進(jìn)一步應(yīng)用于其他單片機(jī)開發(fā)平臺當(dāng)中，并驗(yàn)證其穩(wěn)定性。

2 CT107D綜合訓(xùn)練平臺

CT107D是北京國信長天科技有限公司為“藍(lán)橋杯”大賽設(shè)計(jì)的一款競賽專用平臺,所兼容單片機(jī)的類型較為豐富。該平臺載有8位LED燈指示模塊、8位8段共陽極數(shù)碼顯示模塊、4*4矩陣鍵盤、EEPROM芯片AT24C02和NE555信號發(fā)生器等眾多模塊資源，因此可利用由平臺上的部分資源所組成的微系統(tǒng)對LED燈進(jìn)行調(diào)光，其中的8位LED指示燈和IAP15F2K61S2單片機(jī)將會在下文著重介紹。

圖1 LED燈調(diào)光微系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.1 Block diagram of hardware composition of light dimming microsystem for LED lamp

如圖1所示，該系統(tǒng)的工作原理如下：在任一時刻，按下系統(tǒng)啟動功能按鍵，系統(tǒng)開始投入運(yùn)行。數(shù)碼顯示平臺記錄著LED燈當(dāng)前的狀態(tài),通過功能切換按鍵可連續(xù)產(chǎn)生4個均勻的亮度等級,并在LED燈指示平臺上得以觀測。最后，按下系統(tǒng)停止功能按鍵，系統(tǒng)立刻退出運(yùn)行，各部分資源將恢復(fù)初始狀態(tài)。由此，可得到如圖2所示的系統(tǒng)工作流程圖，繼而指導(dǎo)軟件控制程序的設(shè)計(jì)。

3 8位LED指示燈

LED燈（Light-Emitting Diode Light）即發(fā)光二極管，利用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光原理制成，可發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍(lán)等多種色光，而生活中應(yīng)用較廣泛的是白光LED燈。較傳統(tǒng)的白熾燈而言,白光LED燈因具有綠色、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)而占據(jù)了照明領(lǐng)域的絕大部分市場，正因如此，CT107D綜合訓(xùn)練平臺用它來作指示燈。

圖2 LED燈調(diào)光微系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Working flow chart of light modulation micro system for LED lamp

4 調(diào)光方案比較

4.1 方案一

采用阻值可變的電阻與LED燈串聯(lián)在電源回路當(dāng)中,這時只需通過電位器改變電路中的電流便可調(diào)節(jié)LED燈的亮度。該方案雖簡單易行，但功耗大，電路很不經(jīng)濟(jì)。

4.2 方案二

給LED燈安置專用的驅(qū)動芯片，只要改變電路中外接電阻的大小即可改變芯片驅(qū)動電流，從而調(diào)節(jié)LED燈的亮度。該方案比方案一效率高，功耗也大大減少，但成本較高。

4.3 方案三

利用專門的LED燈調(diào)光器，其工作原理是借助于采用模擬線性技術(shù)的恒流電源進(jìn)行調(diào)控或者將多個LED燈分組，用簡單的分組器進(jìn)行調(diào)控。該方案性能優(yōu)良，但制作工藝復(fù)雜，維護(hù)成本較高。

4.4 方案四

基于PWM波調(diào)制技術(shù)，通過改變矩形波脈沖的寬度即單位周期內(nèi)的占空比來改變電流的導(dǎo)通時間或LED燈連續(xù)點(diǎn)亮的時間，進(jìn)而改變LED燈的亮度。該方案效率較高，但改進(jìn)難度大，搞不好會燒驅(qū)動。

綜上所述，4種方案各有千秋。由于受到CT107D綜合訓(xùn)練平臺上已固化硬件電路的限制，可采用方案四（PWM波調(diào)制）進(jìn)行測試。

5 IAP15F2K61S2芯片

該芯片是宏晶公司最新的STC 15系列單片機(jī)，因具有兩組高速異步串行通信端口（可同時使用），只需一根優(yōu)質(zhì)的USB線即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。其內(nèi)置增強(qiáng)型8051CPU，集成有3個16位可編程定時器/計(jì)數(shù)器T0、T1和T2。對于T0和T1而言，通過配置SFR中TMOD的M0和M1位便可產(chǎn)生4種工作方式，而T2則固定為16位自動重裝初值方式，故可選用工作在不同方式下的任意一個定時器來對PWM波進(jìn)行調(diào)制。

6 PWM控制技術(shù)

脈沖寬度調(diào)制（PWM,Pulse Width Modulation）控制是一種基于面積等效原理，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需波形的實(shí)用技術(shù)。該技術(shù)側(cè)重于矩形波脈沖波形的3個基本要素即幅度（電壓等級）、周期和寬度（占空比），幅度通常固定，周期可通過定時中斷累積的變量最值來確定，而寬度則是通過變量實(shí)際值與參考值的比較差來調(diào)節(jié)的。因此，只要將變量最值累積過程劃分為4個等長的區(qū)間段，就可以形成4種占空比依次等幅遞增的PWM波，將其應(yīng)用在LED燈的控制上便可實(shí)現(xiàn)LED燈亮度的均勻調(diào)節(jié)，詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)過程可參見下文的軟件控制程序。

汲取方案四的核心思想，同時結(jié)合圖2所示的LED燈調(diào)光系統(tǒng)工作流程圖，不難設(shè)計(jì)出一套完整的軟件控制程序。下面通過部分程序來對LED燈的調(diào)光原理作一補(bǔ)充說明。

7 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的軟件控制程序可輕松劃分出LED燈的4個均勻亮度等級，能夠滿足賽題要求。此套控制程序已通過實(shí)際應(yīng)用于CT107D綜合訓(xùn)練平臺上，經(jīng)驗(yàn)證其工作穩(wěn)定，演示效果良好，并因此在“藍(lán)橋杯”大賽中取得了優(yōu)異的成績。相信隨著控制技術(shù)理論的不斷向前發(fā)展，LED燈的調(diào)光性能將會屢上新臺階。