基于STC15W408AS的RGB調(diào)光電路設(shè)計(jì)

梁東云，何建強(qiáng)，吳曉云

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

LED光源是一種新型的照明光源，具有發(fā)光效率高、能耗低、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)、安全性好、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前照明行業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。為了得到一個(gè)舒適的家居環(huán)境，調(diào)節(jié)光源的顏色和亮度成為一種趨勢(shì)，LED調(diào)光既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光源的需求[1-2]，也能有效地節(jié)能，大幅減少能源浪費(fèi)。對(duì)于LED光源來(lái)說(shuō)，在調(diào)光技術(shù)上也比其他熒光燈、節(jié)能燈、高壓鈉燈等更容易實(shí)現(xiàn)[3-4]，本設(shè)計(jì)就是在各種類型的LED燈具中加上調(diào)光的功能，實(shí)現(xiàn)亮度的調(diào)節(jié)。

1 設(shè)計(jì)思路

在物理光中RGB三原色可以用不同亮度級(jí)別來(lái)量化，RGB各有256級(jí)亮度，用數(shù)字0，1，2，…，255表達(dá)。每種光對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)光電路，通過(guò)按不同的鍵改變不同燈發(fā)光，改變供電電壓大小控制燈光亮度[5-6]。本設(shè)計(jì)由STC15W408AS芯片、LED驅(qū)動(dòng)電路，顯示電路三部分組成。目前調(diào)節(jié)LED主要有兩種方法，一種是電流調(diào)節(jié)法，另一種是脈沖調(diào)制法，電流調(diào)節(jié)法是通過(guò)調(diào)節(jié)工作電流的大小調(diào)節(jié)LED的發(fā)光亮度[7]。脈寬調(diào)制是通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)，本設(shè)計(jì)選用脈沖調(diào)制調(diào)光，通過(guò)PWM脈寬調(diào)制來(lái)改變脈沖寬度控制輸出電壓，改變周期控制輸出頻率。輸出頻率的變化可通過(guò)改變脈沖的調(diào)制周期來(lái)實(shí)現(xiàn)[8]。PWM輸出控制器控制電源，電源控制紅、黃、綠三種光線的光源，從而實(shí)現(xiàn)三種色光量級(jí)的變化。脈沖調(diào)制調(diào)光具有不產(chǎn)生任何色彩偏移、調(diào)光精度高、調(diào)光范圍寬、不閃爍等優(yōu)點(diǎn)[9]。系統(tǒng)主要由STC15W408AS芯片采集光照度反饋給處理芯片，經(jīng)過(guò)STC15W408AS芯片進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，輸出隨光照度規(guī)律變化的PWM波形，經(jīng)過(guò)帶有PWM接口的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)LED燈從而實(shí)現(xiàn)調(diào)光[10]。

2 整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC15W408AS芯片作為控制芯片，電路由四部分組成。

時(shí)鐘電路：基于STC15W408AS芯片的LED調(diào)光控制器設(shè)計(jì)產(chǎn)生STC15W408AS工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)[11]。

復(fù)位電路：STC15W408AS芯片內(nèi)部自帶復(fù)位電路，可以在STC15W408AS開(kāi)通電源時(shí)、斷電后、發(fā)生故障時(shí)復(fù)位[12]。

顯示電路：9個(gè)LED7段數(shù)碼管，數(shù)碼管顯示出調(diào)節(jié)的燈光亮度等級(jí)。

LED驅(qū)動(dòng)電路：用于驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。圖1為設(shè)計(jì)框圖。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片STC15W408AS

STC15W408AS芯片自帶硬件PWM模塊、ADC模塊和比較器模塊，工作頻率最高能達(dá)35 MHz，工作溫度范圍為-40℃～85℃，封裝類型為SOP貼片封裝，管腳數(shù)為20，STC15W408AS芯片上有普通定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T0/T2）；三路CCP/PCA/PWM（可再實(shí)現(xiàn)三個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器使用）、本設(shè)計(jì)使用它的PWM（脈寬調(diào)制）功能。

3.2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片74HC59

74HC595是硅結(jié)構(gòu)的CMOS移位寄存器，兼容低電壓TTL電路，74HC595具有8位移位寄存器和一個(gè)存儲(chǔ)器，三態(tài)輸出功能。移位器和存儲(chǔ)器是分別的時(shí)鐘。輸出端口外圍可控制三態(tài)輸出，也能串行控制下一級(jí)級(jí)聯(lián)芯片。它的特點(diǎn)是高速移位時(shí)鐘頻率Fmax＞25 MHz，標(biāo)準(zhǔn)串行接口，CMOS串行輸出，可用于多個(gè)設(shè)備的級(jí)聯(lián)，低功耗[13-14]。74HC595管腳圖如圖2所示，管腳說(shuō)明如表1。

圖2 74HC595管腳圖

表1 74HC595管腳說(shuō)明

3.3 LED顯示

經(jīng)過(guò)STC15W408AS處理后的RGB調(diào)光結(jié)果電路圖如圖3所示。

圖3 調(diào)光電路

3.4 穩(wěn)壓電路

本設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路采用LM317模塊，LM317可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，滿足輸出電壓范圍（1.2～37）V時(shí)，電流大于1.5 A的要求；設(shè)置兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)；LM317線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器效果好；LM317內(nèi)置有過(guò)載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路；該模塊具有調(diào)壓范圍廣、穩(wěn)壓性能好、噪音低、波紋抑制比高等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)三端可調(diào)穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路

4 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC公司生產(chǎn)的STC15W408AS單片機(jī)，該芯片STC15W408AS自帶PWM控制器，只要從滑動(dòng)變阻器中采集到變化的電壓信號(hào)，將信號(hào)送入芯片STC15W408AS，STC15W408AS芯片將數(shù)據(jù)處理后送入PWM控制器，STC15W408AS芯片會(huì)輸出三路波形送與三個(gè)燈，燈會(huì)顯示亮度的變化，同時(shí)在數(shù)碼管上顯示出三路燈亮度的不同等級(jí)。工作流程圖如圖5。

5 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)理想實(shí)現(xiàn)了RGB三路調(diào)光設(shè)計(jì)，數(shù)碼管顯示燈光的亮度等級(jí)，調(diào)光方便、準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是燈光在亮度等級(jí)超過(guò)100時(shí)，亮度的變化不太明顯，有待改進(jìn)。實(shí)物測(cè)試結(jié)果如下：黃色燈代替藍(lán)色燈，不影響實(shí)驗(yàn)效果。實(shí)驗(yàn)效果如演示圖6。

當(dāng)(RGB)=255，255，255 時(shí)，三盞燈都亮，見(jiàn)圖 6（a）。當(dāng)(RGB)=255，0，255 時(shí)，綠燈滅，其他兩盞燈亮，見(jiàn)圖 6（b）。當(dāng)(RGB)=0，0，255 時(shí)，紅燈、綠燈滅，黃燈亮，見(jiàn)圖 6（c）。當(dāng)(RGB)=0，0，0 時(shí)，全滅，見(jiàn)圖 6（d）。當(dāng)(RGB)=0，106，0 時(shí)，綠燈亮，亮度減弱，紅燈、黃燈滅，見(jiàn)圖 6（e）。當(dāng)(RGB)=52，106，0時(shí)，紅燈亮度更弱、綠燈亮度不變，黃燈滅，見(jiàn)圖 6（f）。

圖5 軟件工作流程圖

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)STC15W408AS的RGB調(diào)光設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了燈光的變換和亮度的變化，測(cè)試結(jié)果較理想。但是本設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)只是實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)的三路調(diào)光設(shè)計(jì)，沒(méi)有將三路調(diào)光應(yīng)用于一個(gè)LED燈，實(shí)現(xiàn)燈光的混合，沒(méi)有很直觀地實(shí)現(xiàn)LED白光源的設(shè)計(jì)，將進(jìn)一步探討三種色光混合。

圖6 RGB三路調(diào)光設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)演示圖