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多路照明LED調(diào)光控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2011-10-20

中心議題:

  • 多路照明LED調(diào)光控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路
  • 多路照明LED調(diào)光電路的設(shè)計(jì)

解決方案:

  • 基于調(diào)節(jié)工作電流方式的多路控制設(shè)計(jì)
  • 基于脈寬調(diào)制方式的多路控制設(shè)計(jì)


目前,多路照明LED 正在被廣泛的應(yīng)用,但每個(gè)LED 都是配有一個(gè)單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)源,為了能夠控制多路LED 的配合工作,所以進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用的方法是:計(jì)算機(jī)給單片機(jī)發(fā)出調(diào)光信號(hào),調(diào)光電路中通過(guò)CD4067 來(lái)進(jìn)行多路選擇,單片機(jī)產(chǎn)生PWM 調(diào)節(jié)電流值,其中調(diào)光電路又采用了調(diào)解工作電流方式和脈寬調(diào)制方式兩種方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,闡述了多路調(diào)光控制的原理,論證了兩種調(diào)光方法的可行性,得出了整個(gè)電路輸入輸出關(guān)系,從而可以具體控制多路LED 的亮度。

1 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

圖1 為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架圖, 計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通信發(fā)送調(diào)光信號(hào), 單片機(jī)接收到信號(hào)之后, 經(jīng)過(guò)內(nèi)部運(yùn)算, 產(chǎn)生控制信號(hào)并發(fā)送給調(diào)光電路, 調(diào)光電路再把驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送到多路照明LED,實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制多路LED的亮度調(diào)節(jié)。其中多路調(diào)光電路的設(shè)計(jì)是本篇的關(guān)鍵,多路調(diào)光采用的是C 語(yǔ)言編程,先是在Proteus 中仿真,然后搭建實(shí)際電路。


圖1 系統(tǒng)框架圖

2 多路調(diào)光電路的設(shè)計(jì)

2.1 多路控制的設(shè)計(jì)
多路控制方法: 多路的控制是采用十六選一模擬開(kāi)關(guān)CD4067 來(lái)實(shí)現(xiàn)的,CD4067 的引腳如圖2 所示。當(dāng)需要調(diào)節(jié)某一支路的時(shí)候, 只要選通此支路進(jìn)行調(diào)節(jié)就行了, 此時(shí), 其它支路不受影響。試驗(yàn)中采用兩個(gè)CD4067,一個(gè)作為控制各個(gè)支路的傳輸路徑,另一個(gè)作為反饋信號(hào)的傳輸路徑。兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)選通一個(gè)支路,并且只能選通那一路。

2.2 調(diào)光電路設(shè)計(jì)
由于LED 的亮度與正向電流成正比,因此采用調(diào)節(jié)電流來(lái)改變亮度。通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)調(diào)節(jié)LED 亮度的方式有兩種: (1 ) 調(diào)節(jié)工作電流方式。(2 ) 脈寬調(diào)制(PWM)方式。
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2.2.1 調(diào)節(jié)工作電流方法
如圖2 所示,單片機(jī)給十六選一的芯片CD4067 送去PWM 信號(hào),CD4067 響應(yīng)單片機(jī)所發(fā)出的信號(hào),選通后面對(duì)應(yīng)的支路,把PWM 信號(hào)經(jīng)過(guò)RC 積分電路產(chǎn)生一個(gè)電壓作為場(chǎng)效應(yīng)管2SK1058 的柵極電壓,由于場(chǎng)效應(yīng)管2 S K 1 0 5 8 的電流是由柵極電壓控制的, 所以L(fǎng)ED 的電流是由單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 信號(hào)控制的。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出, 電路中增加了一個(gè)反饋電路, 這個(gè)反饋電路的給定值就是單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的給定電壓值。


圖2 調(diào)節(jié)工作電流方式的多路控制流程

2.2.2 脈寬調(diào)制方式
脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式:通過(guò)人眼不易察覺(jué)的頻率快速開(kāi)關(guān)LED,給人一種LED 總是亮的假象。開(kāi)關(guān)時(shí)間比率決定了流過(guò)LED 的平均電流,從而決定了其亮度。脈寬調(diào)制方式和調(diào)節(jié)工作電流方式的主要區(qū)別是,沒(méi)有采用RC 積分電路,采用IFR830 代替2SK1028,通過(guò)快速控制IFR830 的通斷,使得LED 電流是一個(gè)幅值恒定, 頻率很快的脈沖電流, 這樣LED 的平均電流決定了LED 的亮度,控制流程如圖3 所示。


圖3 脈寬調(diào)制方式的多路控制流程

3 實(shí)驗(yàn)分析

由于采用兩種調(diào)光方法, 所以實(shí)驗(yàn)方案按照基于兩種調(diào)光方法的多路控制來(lái)進(jìn)行。

3.1 基于調(diào)節(jié)工作電流方式的多路控制
由于CD4067 芯片可以帶動(dòng)十六個(gè)支路,做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候取代表性的三個(gè)支路進(jìn)行控制, 通過(guò)設(shè)置三個(gè)支路的電流值, 使這三個(gè)支路達(dá)到各自的亮度。但是由于不知道LED 電流值也DAC0832 輸入值之間的關(guān)系,所以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到它們之間的關(guān)系, 然后就可以對(duì)通信接口進(jìn)行編程, 使得計(jì)算機(jī)界面的輸入值能夠和LED 電流對(duì)應(yīng)上。


圖4 驅(qū)動(dòng)波形

在計(jì)算機(jī)操作界面上,對(duì)第一路的DAC0832 輸入為100, 第二路為200, 第三路的電流值為255,測(cè)得對(duì)應(yīng)支路LED 的電流值為54mA、106mA、134mA,對(duì)應(yīng)2SK1058 的驅(qū)動(dòng)波形分別圖4 所示。
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可以看出,隨著DAC0832 輸入的增大,PWM 的占空比越來(lái)越大, 對(duì)應(yīng)的LED 電流值也在不斷增大。為了得到它們之間關(guān)系, 通過(guò)不斷改變程序的方法, 來(lái)測(cè)試多個(gè)DAC0832 的輸入和關(guān)鍵點(diǎn)電壓值(考慮到0~100之間為非線(xiàn)性區(qū), 所以從100 開(kāi)始取值) ,測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1 所示。


表1 測(cè)量得到N-I 數(shù)據(jù)

繪出N 和I 之間的近似關(guān)系曲線(xiàn), 如圖5 所示。從圖中可以看出,DAC0832 的輸入和LED 電流值是基本上成正比例關(guān)系的, 可以近似得到他們之間的關(guān)系:Y=0.53X+1.09,其中Y 表示LED 的電流值,單位為mA,X 表示DAC0832 的輸入N.根據(jù)這個(gè)關(guān)系,我們可以設(shè)定程序, 使得在計(jì)算機(jī)操作界面上輸入值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的DAC0832 值,這樣就能夠控制LED 的電流,在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)LED 燈的亮度。


圖5 N-I 曲線(xiàn)

3.2 基于脈寬調(diào)制方式的多路控制
同樣,考慮到CD4067 是十六選一開(kāi)關(guān),沒(méi)必要對(duì)十六路進(jìn)行控制, 擬定采用三個(gè)支路來(lái)代表整個(gè)電路的控制過(guò)程。由于控制方式的不同,那么決定LED 亮度的也不一樣,基于脈沖控制的方式是由LED 的平均電流來(lái)決定亮度的。通過(guò)編程,設(shè)定PWM 波的頻率為1KHZ,第一路的占空比為0.2, 第二路為0.4, 第三路的電流值為0.6,通過(guò)測(cè)量與LED 串聯(lián)在一起的5 歐姆電阻上的電壓,就能夠得到LED 的電流波形,從而可以看出LED的平均電流。波形分別如圖6 所示:


圖6 驅(qū)動(dòng)波形和限流電阻上電壓波形

圖中,1 通道是PWM 波形,2 通道是5 歐姆電阻電壓波形, 可以看出, LED 的電流幅值IM 為0.65/5=130mA 是不變的,并且LED 電流的占空比和PWM 驅(qū)動(dòng)波形的占空比是一樣的, 所以得出公式:LED 平均電流I= D*IM,其中IM=130mA.所以可以通過(guò)在計(jì)算機(jī)操作界面設(shè)定占空比來(lái), 傳送給單片機(jī)信號(hào), 單片機(jī)相應(yīng)并且控制LED 的亮度。

3.3 兩種方法的比較
通過(guò)這兩種方法都能夠?qū)崿F(xiàn)多路控制, 并且能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?不同點(diǎn)是兩種方法的輸入控制量不同,不過(guò), 通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn), 在不停的調(diào)節(jié)過(guò)程中,前者電路中LED 電流出現(xiàn)色衰現(xiàn)象,而后者中LED 依然發(fā)出對(duì)應(yīng)電流的白光, 所以第二種方法可以得到廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次試驗(yàn)采用計(jì)算機(jī)操作界面控制調(diào)光電路、單片機(jī)輸出PWM 的方法,并且結(jié)合芯片CD4067,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多路LED 電流值大小的控制,其中采用了兩種調(diào)光方法。根據(jù)這個(gè)結(jié)論,可以應(yīng)用到很多處多路LED 控制的場(chǎng)合, 如手術(shù)燈、家用照明燈、大型室外燈光設(shè)計(jì)等。

當(dāng)然,單片機(jī)結(jié)合CD4067 能夠控制多路的LED 電流,但是也存在著一些缺點(diǎn)和需要改進(jìn)的地方, 由于多路照明LED 工作起來(lái)功率比較大,可以在本文的電路基礎(chǔ)上增加部分元器件,達(dá)到減少損耗的目的;由于沒(méi)有基準(zhǔn)電壓脈沖幅度,單片機(jī)直接產(chǎn)生的PWM 波就不是很恒定,限制了PWM 波的使用范圍。

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