孫 穎，侯艷波，張利利，林戰(zhàn)國(guó)

(1.空軍西安軍械廠，西安710611;2.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，杭州310018)

隨著近年來(lái)石油、煤炭、天然氣等不可再生資源的日漸枯竭和人類(lèi)對(duì)能源需求的日益增加，節(jié)能減排引起了人們的高度重視。LED作為一種新型照明光源技術(shù)已經(jīng)備受關(guān)注，各國(guó)也開(kāi)始出臺(tái)相關(guān)政策限制白熾燈，日光燈的生產(chǎn)銷(xiāo)售，轉(zhuǎn)而扶持LED［1］。LED光源具有很高的效能，消耗能量較同光效的白熾燈減少80%，又不含汞和玻璃，被公認(rèn)為綠色節(jié)能先鋒。此外，LED的發(fā)光亮度主要受正向電流影響，利用這一特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的調(diào)光，不僅可以調(diào)整燈光視覺(jué)效果，還能進(jìn)一步降低能耗20% ～50%。在學(xué)校教室、體育場(chǎng)館、路燈等照明場(chǎng)所，由于晝光影響，過(guò)亮的照明會(huì)造成電能浪費(fèi)，而有時(shí)過(guò)暗的照明又會(huì)引起視覺(jué)疲勞，影響人們正常的學(xué)習(xí)和工作，甚至引發(fā)安全事故［2］。由此可見(jiàn)，準(zhǔn)確的照度測(cè)量，適當(dāng)?shù)恼彰髁炼仍谏a(chǎn)生活中也非常重要［3］。本文設(shè)計(jì)的自調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器，可以測(cè)量照度數(shù)據(jù)后，根據(jù)算法調(diào)節(jié)LED發(fā)光亮度，在提供給人們一個(gè)舒適的視覺(jué)環(huán)境的同時(shí)，有效的降低了電力能源消耗。

1 驅(qū)動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)器組成框圖

整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的組成框圖如圖1所示(為了使圖示清晰明了，圖1中只列出了重要的信號(hào)線(xiàn))。BH1710為新型數(shù)字光強(qiáng)傳感器，采集到環(huán)境光強(qiáng)信息后通過(guò)I2C通信協(xié)議發(fā)送給AT89C2051為主要器件的控制中心，控制中心接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后依據(jù)數(shù)據(jù)改變MP2481的DIM腳的PWM輸入信號(hào)的占空比，進(jìn)而達(dá)到自動(dòng)調(diào)光的目的。

圖1 驅(qū)動(dòng)器組成框圖

1.2 控制中心電路

控制中心的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。AT89C2051單片機(jī)的P32引腳與P33引腳模擬I2C通信所需的SCL與SDA信號(hào)線(xiàn)，和BH1710傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，來(lái)獲取自調(diào)光所需要的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。由于BH1710的工作電壓為2.4 V～3.6 V，所以為了能和工作電壓為5 V的單片機(jī)正常通信，需要將SDA和SCL信號(hào)線(xiàn)接5.1 kΩ的上拉電阻，接至5 V電源上。P37引腳用于向MP2481芯片的DIM腳輸出PWM方波信號(hào)。MP2481芯片的DIM引腳所需的不同占空比PWM信號(hào)可由單片機(jī)內(nèi)部的16 bit定時(shí)器進(jìn)行精確控制產(chǎn)生。

單片機(jī)的第4引腳與第5引腳接外界石英晶體振蕩器。AT89C2051在Vcc=2.7 V～6 V時(shí)可支持0～12 MHz的晶振，在Vcc=4 V～6 V時(shí)可支持0～24 MHz的晶振。晶振兩端的兩個(gè)負(fù)載電容選取容值為(30±10)pF的電容較為合適。

圖2 控制中心電路

1.3 BH1710典型應(yīng)用電路

光傳感器BH1710FVC的典型應(yīng)用電路如圖3所示。應(yīng)用AMS1117 3.3 V穩(wěn)壓芯片將5 V電壓穩(wěn)壓至3.3 V為BH1710提供工作電壓。ADDR接至GND，DVI經(jīng) 1 μF 電容接 GND，SCL 與 SDA 經(jīng)過(guò)1 kΩ的限流電阻接AT89C2051單片機(jī)的P32與P33腳。BH1710傳感器內(nèi)置16 bit AD轉(zhuǎn)換器，直接輸出數(shù)字量值，支持I2C通信協(xié)議，應(yīng)用電路無(wú)需更多外圍器件，較為簡(jiǎn)單易用。

圖3 BH1710典型應(yīng)用電路

1.4 MP2481驅(qū)動(dòng)電路

MP2481是一款支持4.5 V～36 V寬電壓的白光LED驅(qū)動(dòng)芯片，最大可輸出1.2 A的電流，具有1.4 MHz的固定頻率，支持模擬調(diào)光和PWM兩種調(diào)光方式［4］。此外，它還具有過(guò)壓保護(hù)、開(kāi)路保護(hù)、熱停機(jī)保護(hù)以及峰值電流限制功能。它的典型應(yīng)用電路如圖4所示。一般輸入電容C1取4.7 μF，Cbs一般取10 nF。D1為一個(gè)肖特基二極管。濾波電容C2取2.2 μF。R1與R2以及Rs、L1的參數(shù)則需要我們應(yīng)用芯片手冊(cè)提供的公式及信息，根據(jù)實(shí)際電路設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算得出具體值。例如我們要驅(qū)動(dòng)3 W的(4 V/680 mA)LED燈珠，共六串兩并，即需要設(shè)計(jì)輸出25 V電壓，1.2 A的LED驅(qū)動(dòng)器，則根據(jù)所選圖4所示電路結(jié)構(gòu)及式(1)～式(4)計(jì)算器件參數(shù)如下:

其中:L為要計(jì)算的電感量(μH);Vout為MP2481輸出電壓(V);Vin為MP2481輸入電壓V;ΔIL為電感的紋波電流(A);fsw為MP2481的工作頻率(Hz)。將Vin=5 V，Vout=25 V，ΔIL=0.24 A，fsw=1.4 MHz代入式(1)，可以得到L1的取值為18.6 μH。芯片手冊(cè)的建議取值范圍為3.3 μH至22 μH。

其中:Rs為電流取樣電阻(Ω);ILED為流過(guò)LED負(fù)載的電流(A)。

圖4 MP2481驅(qū)動(dòng)電路

在計(jì)算Rs的時(shí)候，我們要以電流達(dá)到峰值的情況來(lái)計(jì)算，而不是以正常工作的LED電流來(lái)計(jì)算。峰值電流按式(3)來(lái)計(jì)算:

其中:IL(MAX)為要計(jì)算的峰值電流;ILOAD為正常工作時(shí)的負(fù)載電流;ΔIL為電感紋波電流。將ILOAD=680 mA，ΔIL=240 mA 代入式(3)，得到IL(MAX)=0.8 A，再將此值代入式(2)可以得到取樣電阻的值Rs=0.25 Ω。

其中:Vo為驅(qū)動(dòng)器正常輸出電壓(V);R1，R2為分壓電阻(Ω)。

電阻R1與R2組成的分壓電路，將R2的分壓接到芯片第OVP引腳上。R1和R2的取值決定了過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)。一般過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)設(shè)置為正常輸出的1.3倍～1.5倍。我們?cè)O(shè)計(jì)的電路正常輸出為25 V，取1.3倍即32.5 V為過(guò)壓保護(hù)點(diǎn)。芯片的OVP引腳電壓超過(guò)1.23 V時(shí)會(huì)觸發(fā)芯片進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)。因此，我們可以根據(jù)式(4)得到R1和R2的取值。將Vo=25 V代入上面公式，可以得到R2/(R1+R2)=0.037 84，我們將R2取值10 kΩ，則得到R1的值約為254 kΩ。

2 驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)

由于BH1710光強(qiáng)傳感器內(nèi)置16 bit AD，直接輸出數(shù)字信號(hào)，并且支持I2C通信協(xié)議，這使得驅(qū)動(dòng)器的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)變得十分容易。只需要AT89C2051單片機(jī)的P32與P33引腳模擬I2C通信中SCL與SDA的時(shí)序，從傳感器中讀取其輸出的數(shù)字信號(hào)即可。然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，判斷，然后通過(guò)一定的算法來(lái)修改單片機(jī)定時(shí)器的中斷頻率，從而改變P37引腳的PWM信號(hào)的占空比，使LED驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光［4］。驅(qū)動(dòng)器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

2.1 BH1710傳感器的數(shù)據(jù)讀取

BH1710為數(shù)字型傳感器，器件設(shè)計(jì)有高、中、低3種精度模式，其中高精度模式下分辨率可達(dá)1 lx，中精度模式分辨率為4 lx，低精度模式分辨率為16 lx。可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合通過(guò)向傳感器發(fā)送指令碼的方式進(jìn)行模式選擇。器件還支持連續(xù)和單次兩種讀取模式。單次讀取時(shí)，每讀完一次數(shù)據(jù)后傳感器進(jìn)入睡眠模式，直到接收到下一次讀取命令才被喚醒，這樣可降低器件功耗。傳感器的I2C通信格式定義如表1、表2所示。

表1 傳感器寫(xiě)入格式

表2 傳感器讀出格式

讀取的精度越高，所需的測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)。高精度模式測(cè)量間隔需大于120 ms，中精度模式測(cè)量間隔需大于16 ms，低精度模式測(cè)量間隔需大于2.9 ms。

2.2 BH1710傳感器的數(shù)據(jù)處理

通過(guò)I2C協(xié)議連續(xù)讀取兩個(gè)字節(jié)，共16 bit數(shù)據(jù)。測(cè)量范圍為1 lx～655 35 lx。將讀取的數(shù)據(jù)根據(jù)式(5)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)后除以1.2則得到比較精確的光強(qiáng)值。

其中:bit(x)—第x位二進(jìn)制位;2x—第x二進(jìn)制位的十進(jìn)制值。

3 實(shí)際應(yīng)用

通常，晴天室內(nèi)的照度為100 lx～1 000 lx，陰天室內(nèi)的照度為10 lx～50 lx。人視覺(jué)較為舒適的室內(nèi)桌面照度約為300 lx～500 lx。我們?cè)O(shè)定室內(nèi)照度值為380 lx，室內(nèi)照度超過(guò)380 lx時(shí)，無(wú)需燈管補(bǔ)嘗，使PWM信號(hào)占空比為0%;當(dāng)室內(nèi)照度低于30 lx時(shí)，使PWM信號(hào)占空比為100%。調(diào)節(jié)定時(shí)器的TH與TL的初值，使這個(gè)照度范圍內(nèi)占空比近線(xiàn)性漸變［5-6］。則占空比與室內(nèi)照度有如下關(guān)系，如式(6):

其中:P(x)為PWM信號(hào)占空比;x為實(shí)際讀取的光照強(qiáng)度。程序限定占空比大于1時(shí)取100%，小于0時(shí)取0%。此函數(shù)的理論圖形如圖6所示。實(shí)際應(yīng)用中，為克服傳感器讀數(shù)小范圍頻繁波動(dòng)產(chǎn)生的抖動(dòng)問(wèn)題，將采取分段調(diào)節(jié)的方法［7-9］，其輸出關(guān)系如圖6所示(其中:P(lx)是光強(qiáng)和占空比的理論計(jì)算圖形，y(lx)是光強(qiáng)和占空比的實(shí)際輸出圖形)。

圖6 光強(qiáng)值與PWM占空比關(guān)系

圖7為光照強(qiáng)度為135 lx時(shí)，用示波器觀察到的單片機(jī)P37引腳的輸出情況。

圖7 光強(qiáng)130 lx時(shí)的PWM波形

4 結(jié)論

節(jié)能減排是國(guó)家大力倡導(dǎo)的，舒適的照明環(huán)境是人們所追求的。由圖6和圖7可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于MP2481和BH1710的自調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器，(1)能夠?qū)崿F(xiàn)自調(diào)光功能;(2)可以提供一個(gè)舒適的照度環(huán)境;(3)能夠有效的節(jié)能省電。

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