數(shù)控LED 恒流驅動實驗教學系統(tǒng)研制

朱 正，張夢琳，張 楊，史金輝，孫晶華

（哈爾濱工程大學 物理與光電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

LED（light emitting diode）本質上是一個PN 結，在正向偏置下能夠直接將電能轉化為光，從而發(fā)出各種顏色的光。LED 具有環(huán)保節(jié)能、使用壽命長、體積小、重量輕、顯色性高、色彩豐富、易于調光和調色、可控性大等諸多優(yōu)點，在照明領域得到了廣泛使用[1-3]。LED 在當今的大學光電專業(yè)綜合實驗的很多內容中都得到了應用，而根據(jù)LED 的光電特性，LED 輸出的光強大致與工作電流呈線性關系，因此在很多情況下為了能方便地調整其輸出光強，通常以恒流驅動的方式來驅動LED[4-9]。

根據(jù)光電綜合實驗課程教學的需要，為使學生加深對發(fā)光器件LED 工作原理與特性的理解，為后續(xù)實驗打好基礎，研制了數(shù)控LED 恒流驅動實驗教學系統(tǒng)。該實驗教學系統(tǒng)由上位機、數(shù)控LED 恒流驅動電路板、光譜儀及電源組成，使得操作者能夠掌握利用微控制器產(chǎn)生數(shù)控恒流源的方法，并靈活地調整LED的發(fā)光強度和開關狀態(tài)，也為將來實現(xiàn)光強動態(tài)調控的照明應用打下基礎。

1 實驗儀器

數(shù)控LED 恒流驅動實驗教學系統(tǒng)如圖1 所示。上位機運行串口調試助手軟件，向數(shù)控LED 恒流驅動電路板發(fā)送控制某種顏色LED 工作電流及開關狀態(tài)的指令，從而實現(xiàn)遠程數(shù)控的功能。數(shù)控LED 恒流驅動電路板接收發(fā)送過來的指令，并根據(jù)指令中的參數(shù)字節(jié)設置LED 的工作電流及其開關狀態(tài)。光譜儀選用USB650 型教學用光譜儀，波長測量下限為350 nm，測量上限為1 000 nm，可用于測量各種不同單色LED 及白光LED 的發(fā)射光譜。電源使用AC/DC 電源適配器用于將市電轉換為直流電源，輸出的直流電壓應該在6V 以上，一般可選用9V 的電源適配器。

圖1 數(shù)控LED 恒流驅動實驗教學系統(tǒng)實物圖

數(shù)控LED 恒流驅動電路板如圖2 所示。電路板上的DB9 串口接口通過一條串口線連接上位機的串口。圖2 下方2P 插針J5 的兩根針分別與測試鉤I+和I-相連，當用跳線帽將J5 的兩根針短路時，電路形成了通路，在某個LED 開關被打開時運放輸出的電流流過該LED，LED 發(fā)光。J5 的兩根針不插跳線帽時，調整萬用表的檔位使其處于直流電流測量檔位，然后將兩根表筆分別插到測試鉤I+和I-上，則表筆代替跳線帽形成通路，在某個LED 開關被打開時運放輸出的電流流過該LED，LED 發(fā)光，這時萬用表示數(shù)就是流過LED的電流值。LED 被點亮時的電壓可以通過紫色LED-D1上面的兩個測試鉤LED+和LED-測量出來。

圖2 數(shù)控LED 恒流驅動電路板實物圖

2 數(shù)控LED 恒流驅動電路板硬件電路設計

數(shù)控LED 恒流驅動電路使用Microchip 公司的16位微控制器PIC24FJ128GA410 作為控制核心，利用其片內集成的I/O 端口與MOS 管構成控制LED 燈電流通斷的開關，從而實現(xiàn)對不同顏色LED 的亮滅控制；利用微控制器芯片內部集成的數(shù)模轉換器（DAC）模塊輸出不同的電壓，再使用運算放大器將該電壓轉化為LED 的工作電流，從而實現(xiàn)對不同顏色LED 發(fā)光強度的精確控制。還可以在上位機上利用RS-232 串口給微控制器發(fā)送不同指令來控制不同顏色LED 的開關及工作電流。

圖3 數(shù)控LED 恒流驅動電路整體框圖

2.1 電源電路

實驗中使用9 V 的電源適配器為電路板供電，電源開關打開后，指示燈LED-D10 應該被點亮。輸入電壓被一片LM1117IMPX-ADJ 轉換為5 V，為LED 及運算放大器供電，然后被另一片LM1117IMPX-ADJ轉換為3.3 V。

數(shù)控LED 恒流驅動電路使用DAC 來輸出指定的電壓，利用運算放大器將該電壓轉換為LED 的工作電流。而且電路中還需要使用模數(shù)轉換器（ADC）來檢測LED 的實際工作電流。為了實現(xiàn)數(shù)字碼與模擬電壓之間的準確轉換，這兩種器件都需要一個高性能的參考源?？紤]到外部參考源具有更好的精度及溫度穩(wěn)定特性，在本設計中使用了TI 公司的REF3020AIDBZT來提供參考電壓[10]。

2.2 LED 控制電路

LED 控制電路由三部分組成：基于運算放大器AD8591 的電壓電流轉換電路、基于MOS 管的LED開關控制電路和8 顆LED。其中AD8591 可以工作在單電源模式下，而且其輸出具有軌到軌的特性，輸出電流高達150 mA，滿足實驗中LED 工作電流范圍，因此用于緩沖來自DAC 輸出的電壓信號，同時將該電壓經(jīng)過運放電路轉換為確定數(shù)值的電流為LED 提供工作電流[11-12]。

電路板上一共有8 種不同顏色的LED，包括紫色、藍色、綠色、黃綠色、黃色、橙色、紅色等7 種單色LED 和一顆白光LED，該白光LED 為藍光芯片和YAG熒光粉方案的熒光粉轉換的暖光LED。這8 種LED封裝類型都為5050，該型封裝有6 個引腳，相對的兩個引腳對應一個PN 結，因此5050 封裝的LED 相當于里面有3 顆單個LED 并聯(lián)。每顆LED 通過MOS管BSS138LT1 進行開關控制，8 個MOS 管Q1-Q8 的柵極分別接到微控制器端口E 的RE0—RE7，當屬于端口E 的某根IO 被設置為數(shù)字輸出狀態(tài)，而且其輸出電平被置為高電平時，該開關被打開，對應LED 被點亮。但是應該保證在進行實驗時同一時刻只點亮一顆LED。通過調整微控制器DAC 輸出的電壓可以調整流過LED 的電流值，運算放大器的輸出端和模擬地之間接有10 Ω的電阻，因此通過DAC 輸出端電壓設置的LED 工作電流值為100VDAC/V mA，實驗中LED的工作電流值可以設定為0～110 mA。

LED 控制電路的原理圖如圖4 所示，AD8591 的引腳2 是該芯片負電源輸入引腳，本電路中被連接到模擬地，模數(shù)轉換器的輸出電壓被接到同相輸入端引腳3 上，利用運算放大器的虛短原理，DAC 輸出的電壓信號經(jīng)過運算放大器轉變?yōu)長ED 的工作電流。

圖4 LED 控制電路原理圖

2.3 數(shù)模轉換模塊

PIC24FJ128GA410 具有一個內置的10 位DAC，通過1 個16 位DAC 控制寄存器來控制DAC 的工作模式，通過改變DAC 數(shù)據(jù)寄存器中的10 位二進制數(shù)即可改變其輸出電壓。

在使用該微控制器片內集成的DAC 模塊時，要對芯片DACOUT 引腳對應的IO 端口寄存器進行合理設置，使其工作在模擬輸出的模式。另外為了獲得更好的性能，DAC 模塊的參考源使用電壓參考芯片REF3020 提供的穩(wěn)定的2.048 V 外部電壓。

加州鱸苗種標粗階段，對溶解氧要求較高，電力設備應該配備到位，增氧設備必不可少，每口魚塘可以配備2臺1.5kW的葉輪式增氧機，魚種標粗魚塘一般不建議使用投料機，飼喂操作應該定點投喂，人工撒料操作，撒的面要寬、廣，以免個體差異過大，魚苗成活率低。

DAC 的輸出電壓可以由式（1）得到：

式中：VDACREF為2.048 V，DACDAT 為輸入給DAC數(shù)據(jù)寄存器DACDAT 的10 位2 進制數(shù)。一旦DACOE配置為1，電壓將輸出到引腳DACOUT。圖5 為DAC模塊的工作框圖。

圖5 DAC 模塊的工作框圖

2.4 串口模塊

2.4.1 串口電平轉換電路

在數(shù)控LED 恒流驅動實驗教學系統(tǒng)中，可以根據(jù)計算好的參數(shù)通過上位機運行串口調試助手軟件來向數(shù)控LED 恒流驅動電路板發(fā)送控制指令，兩者之間可以通過串口線直接連接，但是由于上位機上的串口信號為RS-232 電平標準，而恒流驅動電路板上微控制器UART 接口為TTL 電平，因此需要電平轉換芯片來實現(xiàn)電平之間的轉換[13]。本系統(tǒng)中的電平轉換電路使用MAX3232ESE 來實現(xiàn)，其電路連接如圖6 所示。其中上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)由R1IN 接收，在將其轉換成TTL 電平信號后，再通過R1OT 傳遞給微控制器；與此同時T1IN 會接收來自微控制器的TTL 電平數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)MAX3232ESE 轉換后從T1OT 發(fā)送給上位機。

圖6 串口電平轉換電路圖

2.4.2 串口控制命令

為使用上位機將控制指令發(fā)給微控制器來實現(xiàn)LED 的工作控制，一共設計了3 條控制指令：串口測試指令、輸出電壓設置指令和選燈指令。這三條指令具有相同的指令長度，都由6 個字節(jié)組成，采用16進制來表示。串口通信采用9 600 波特率、N-8-1 格式。

串口測試指令是用于測試串口的不帶參數(shù)的固定指令，指令格式如表1 所示，當上位機發(fā)送串口測試指令時，數(shù)控 LED 恒流驅動電路將向上位機返回0xAA+0x01 兩字節(jié)，表明串口通信正常。

表1 串口測試指令

輸出電壓設置指令用于設置數(shù)模轉換器的輸出電壓，該指令的具體形式如表2 所示，利用式（1）將需要輸出的電壓數(shù)值轉換為輸入給DAC 數(shù)據(jù)寄存器的10 位2 進制數(shù)，然后將設置輸出電壓指令第3 字節(jié)（參數(shù)1）寫入該2 進制數(shù)高2 位，第4 字節(jié)（參數(shù)2）寫入該2 進制數(shù)低8 位。

表2 輸出電壓設置指令

選燈指令用于控制某個LED 的點亮及熄滅，指令格式如表3 所示，根據(jù)想要點亮的LED 將該燈對應的8 位二進制狀態(tài)碼寫入第4 字節(jié)（參數(shù)2）即可，該字節(jié)同時最多只能有1 位為1。

表3 選燈指令

3 實驗教學內容

數(shù)控LED 恒流驅動電路實驗教學系統(tǒng)可以滿足本科生光電綜合實驗課程的需要，幫助學生加深對發(fā)光器件LED 工作原理與特性的理解，為后續(xù)相關專業(yè)實驗的順利進行打好基礎，并掌握利用微控制器產(chǎn)生數(shù)控恒流源的方法。在實驗教學中可以開設以下內容。

（1）利用恒流驅動的方法測量LED 的伏安特性曲線。數(shù)控LED 恒流驅動電路實驗教學系統(tǒng)中可以任意選擇某一顏色LED，通過串口發(fā)送設置輸出電壓的指令將該LED 的工作電流從0 mA 開始以5 mA 為步進值，一直設置到110 mA，學生可以測試不同工作電流下LED 兩端的電壓值，并記入設計的表格中，再根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)繪制該顏色LED 的伏安特性曲線。本文選擇了紫色和紅色兩種單色LED 進行了測試，得到伏安特性曲線分別如圖7 和8 所示，可以看出兩種單色LED 的伏安特性曲線都與理論是相符的，還可以看出紫色LED 的開啟電壓大約為3 V，而紅色LED 的開啟電壓大約為1.8 V。

圖7 紫色LED 的伏安特性曲線

圖8 紅色LED 的伏安特性曲線

（2）觀察并測量不同顏色LED 的發(fā)光光譜。在數(shù)控LED 恒流驅動電路實驗教學系統(tǒng)中利用串口發(fā)送選燈指令可以控制LED 的點亮與熄滅，學生可以每次點亮一顆LED，然后利用USB650 光譜儀觀察并測量其發(fā)光光譜。本文選擇了紫色LED 進行了測試，測得光譜分布曲線如圖9 所示。

圖9 紫色LED 的光譜分布曲線

從圖9 中可以看出紫色LED 發(fā)光光譜的中心波長為415 nm，表征光譜純度的參數(shù)光譜半寬度為20 nm。依次點亮7 顆單色LED，測得它們的光譜特性如表4所示。

表4 單色LED 光譜特性測量

在該實驗系統(tǒng)中，也可以對白光LED 的光譜進行測量，測量結果如圖10 所示，可以看出其光譜分布曲線與單色LED 的完全不同，在非常寬的波長范圍內都有能量存在，而且在藍光部分能量較少，在紅光附近能量要多出很多，因此該LED 發(fā)出的白光為暖色調的白光。

圖10 白光LED 的光譜分布曲線

（3）編寫C 語言程序實現(xiàn)LED1 從暗到亮，LED2從暗到亮，……，LED8 從暗到亮的連續(xù)循環(huán)過程。這讓學生既鍛煉了編程能力，也更深刻地理解了利用微控制器實現(xiàn)對LED 工作電流的精確控制方法。

4 結語

本文研制了數(shù)控LED 恒流驅動電路實驗教學系統(tǒng)，可用于光電綜合實驗課程的教學，利用該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對不同顏色LED 的開關控制，同時可以通過對LED 實時工作電流的調控來調整LED 的光強。不同顏色LED 的開關狀態(tài)及工作電流的改變都可由上位機通過RS-232 串口給微控制器發(fā)送指令來實現(xiàn)。利用該系統(tǒng)可以測量不同顏色LED 的伏安特性曲線和光譜分布曲線，還可通過C 語言編程使學生掌握利用微控制器產(chǎn)生數(shù)控恒流源的方法，并靈活地調整LED光源的發(fā)光強度與狀態(tài)，同時加深了對發(fā)光器件LED工作原理與特性的理解，為后續(xù)專業(yè)相關實驗的順利進行打好基礎。