功率型LED光通量的反饋控制系統設計

謝一菁

（漳州職業技術學院電子工程系，福建漳州，363000）

    摘 要：為實現LED光通量的反饋控制系統，本項目采用以STM32F103RBT6單片機為核心的最小系統、電源模塊、LED驅動控制電路模塊、光強度檢測模塊組成。該系統的是以PT4115作為驅動模塊，輸出電流恒定來驅動功率型LED。并采用兩個相同的驅動模塊，同時用頻率相同占空比不同可獨立調節的PWM來控制白光LED與黃光LED發光。采用BH1750FVI光強度測試模塊檢測LED發光量及在LCD12864液晶屏上顯示，并反饋到單片機系統，從而控制并調整PWM占空比以實現人機交互。

    關鍵詞：STM32F103RBT6；功率型LED；PT4115；BH1750FVI

中圖法分類號：TH741    文獻標識碼：A

1引言

目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%，大大降低照明用電是節省能源的重要途徑。LED 正以其固有的優越性吸引著世界的目光 ^[4]。在全球能源稀缺、綠色環保的要求不斷增強的情況下，LED技術的節能、綠色、壽命長、亮度高等眾多優勢下，LED變成人們日常生活的光源時日越來越近，這必將成為人類照明史上繼熒光燈、白熾燈后的照明新時代。

    LED也是城市改建、公地施工等建設項目中必不可少的光源，同時也是人們生活中的必備品，比如：照明燈、裝飾燈、庭院燈、壁燈、草坪燈、埋地燈、建筑物內緊急出口指示牌、交通信號燈、LED廣告牌等。LED在人們生活中的應用可謂是無孔不入，與人們的生活、生產息息相關。

2系統方案

    2.1方案論證及選擇

    2.1.1單片機模塊

采用STM32F103單片機作為系統的控制器。具有功耗低、中斷延遲時間短、調試成本低等眾多優點。它是專門為在微控制系統、汽車車身系統、工業控制系統和無線網絡等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域實現高系統性能而設計的，它大大簡化了編程的復雜性，集高性能、低功耗、低成本于一體，外部資源豐富，抗干擾能力相比于AT89C51強很多。用單片機做數據處理系統，實現了光通量測量的數字結果直接顯示，提高了測量的精度、速度,以及促進儀器的實用推廣。

    2.1.2 電源模塊

采用LM2576系列3A12V開關型降壓穩壓器作為系統的電源主控模塊^[5]。LM2576穩壓器是單片集成電路，具有降壓穩壓器（BUCK）的各種功能，能驅動3A的負載，有優異的線性和負載調整能力。穩壓器內部有一個固定頻率振蕩器和頻率補償器，使用很少的外部原件就可達到固定輸出電壓，使用方便簡單，效果穩定，帶載能力強。

    2.1.3 LED驅動電路模塊

采用PT4115作為功率型LED的驅動的主控芯片，PT4115是一款連續型電感電流導通模式的降壓恒流源。在線性范圍內，LED的發光強度與其驅動電流及正向壓降成正比，并隨著溫度而變化，這就需要恒定的電流來驅動LED ^[6]。可用于驅動一顆或多顆串聯的功率型LED，輸出電流可調（小于1.2A）。通過調節外部器件可驅動數十瓦的LED，并且可通過DIM引腳進行模擬調光和寬范圍的PWM調光^[7]。內部含有過溫保護功能，使用簡單方便，效果好。

    2.1.4 LED串并聯照明模塊

采用4個LED串聯照明模式，驅動電壓相比略大，但驅動芯片所提供的電壓遠超過四盞燈所需總電壓，驅動電流要求只需在400mA左右即可，驅動芯片不易發燙，功耗減少。

    2.1.5 光照強度檢測模塊

采用BH1750FVI光照度檢測模塊^[8]，模擬IIC進行傳感器與單片機間通訊，操作簡單可行，只需單片機內部3.3V供電即可無須另加電源，稍作調試即可在LCD12864液晶屏上顯示準確的照度值測量及系統的反饋。

    2.2系統框圖

圖1為系統框圖，采用的是STM32F103RBT6為主控芯片產生兩路頻率相同占空比不同的PWM分別驅動PT4115恒流模塊分別控制冷光LED、暖光LED，再利用BH1750FVI光強度檢測模塊來檢測混色光源再將數據反饋給單片機內部進行反饋調節。

3電路設計

    3.1單片機最小系統

    STM32F103最小系統如圖2所示，由STM32F103單片機、晶振電路、JTAG接口和復位電路組成。STM32F103增強型單片機基于高性能的ARM Cortex-M3（32位的RISC內核），內置32 KB Flash和10 KBSRAM、64個增強I/O端口、2個USART.STM32F103采用64引腳LQFP封裝，供電電壓為2.0~3.6 V，省電模式保證低功耗的要求，性價比高。單片機采用32.768kHz和8 MHz外部晶振，分別提供精準時鐘源和工作時鐘；復位電路設計成按鍵復位和上電自動復位相結合的方式。STM32F103芯片的應用，提高了整個系統的執行效率，增強了系統穩定性，降低了功耗和生產成本。

    圖2  STM32F103單片機最小系統

    3.2電源單元電路

        3.2.1電路原理圖

        圖3是由LM2576為主控芯片輸入為12~24V，輸出固定為12V的電源部分。

    3.2.2工作原理

此電路采用的是LM2576固定輸出12V電壓的連接方式，輸入電壓范圍廣，保證輸出3A電流，52KHz固定頻率振蕩器，TTL管斷能力，具有低功耗待機模式，熱關斷及電流限制保護，只需四個外部器件即可。

如圖3，E2、E3為電解電容，起到濾波作用；D1為肖特基快恢復二極管；L1為儲能電感。

   3.2.3參數計算

由于本模塊輸入電壓可達36V，所以濾波電容要選擇容量大于36V的電解電容，本單元輸入濾波電容采用100μF/50V；二極管D1的額定電流值應大于最大負載電流的1.2倍，本單元采用FR307快恢復二極管。

    3.3 LED驅動單元電路

    3.3.1電路原理圖

 圖4是以PT4115為主控芯片的LED恒流驅動電路，R1為采樣電阻，決定了輸出電流的大小，3腳為PWM控制端。

    3.3.2工作原理

D1~D4為單相橋式整流電路，將交流變成直流，無論輸入是直流還是交流電壓，經過這個整流橋后的輸出為直流電，給驅動芯片PT4115提供穩定輸入電流，保證電路工作正常。

E1和C6為輸入濾波電容。R1為采樣電阻，控制PT4115輸出電流的大小，是決定恒流源的絕對精度。負載的電流大小與采樣電阻R1的阻值有關，常用下面公式計算^[9]：

                                       （3-1）

D5是續流二極管，系統工作于高頻脈沖狀態下，所以D5應選擇正向壓降小，快恢復的肖特基二極管。

L1為整流電感，是此電路的關鍵器件，其功能是將100KHz的脈沖電流變換成三角波電流，電感的大小會影響在工作電壓范圍內恒流源的穩定性。PT4115的最佳工作頻率在1MHz以下，電感大小的變化會影響其工作頻率，本系統的電感在68μH以上，這樣可以使系統工作頻率控制為1MHz以下。

DIM端，即PT4115的三腳，是本系統的調整部分，通過輸入一個PWM來控制LED，調節PWM的占空比從而使LED光強度及色溫等發生變化。

    3.3.3參數計算

DI~D4整流橋是由四個1N4007組成；由于本系統輸入電壓可達24V，所以E1采用1000μF/50V的電解電容，C6采用普通的瓷片電容即可；負載是4個串聯的1W LED，額定電流為350mA，則采樣電阻R1的大小為：

                                         （3-2）

此電路中的電感量應選用68μH~100μH，飽和電流大于800mA ，Q值大于50的磁路閉合電感器。

4軟件設計

    4.1軟件平臺與開發工具

系統所使用的單片機為STM32F103RBT6，采用的軟件開發平臺為keil4。

    4.2軟件功能

利用keil4軟件開發平臺實現，兩路頻率相同占空比獨立可調的PWM輸出，模擬IIC通訊實現BH1750FVI光強度傳感器檢測光照度。

   4.3程序流程圖   

    圖4為主程序流程圖，上電自動復位，讀取當前照度， 并實時根據當前環境光源的亮度刷新數據，顯示于液晶屏上，當有鍵按下的時候選擇工作模式，是自動調節亮度還是手動調節亮度。

    圖5為自動調節亮度流程圖，可設定的亮度值，根據反饋的照度值改變當前LED燈亮度；圖6為手動調節亮度流程圖，通過按鍵來改變PWM占空比，從而達到當前光通量的要求。

             圖5自動調節亮度流程圖            圖6手動調節亮度流程圖

5系統測試

   5.1測試儀器

表5-1儀器和設備

    5.2測試結果及分析

    將光源放入自制黑箱子內，BH1750FVI光強度測試模塊與照度計校正測試（注：黑箱子體積約為0.015cm³，光源放在箱子底部的正中央，將照度計與傳感器固定在同一水平面上，下表中的距離指的是光源與照度計和傳感器的距離）

 表5-2垂直于光源上方的光照傳感器與照度計的測試表

    分析：由圖7可看出照度計與光照度傳感器的誤差相對穩定在500LX左右，線性度較好。

綜上可得：可根據以上的圖表來對照度計所測量的照度值進行校正，可采取分段式的校正方法。

6 結論

本系統所研究的光通量反饋調節控制已基本實現。由單片機所產生的兩路頻率相同占空比獨立可調的PWM可驅動冷暖色LED，暖色變化比較不明顯。本設計采用的BH1750FVI傳感器模塊的測試效果比較理想，雖然存在一定的誤差但是其結果的線性度較好。可通過反饋調節PWM占空比從而實現LED光通量的變化。

參考文獻

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