常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系 項(xiàng)瑩瑩

一種凌空觸控室內(nèi)LED情景照明燈設(shè)計(jì)

常州輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系 項(xiàng)瑩瑩

針對(duì)家居情景照明功能需求，建立了凌空觸控PWM恒流驅(qū)動(dòng)RGB LED的控制系統(tǒng)。觸控部分選用Cypress的帶智能感應(yīng)的電容型觸摸芯片CY8CMBR3106s，全彩驅(qū)動(dòng)芯片選用DM413，可以實(shí)現(xiàn)8192級(jí)（14位）灰度調(diào)節(jié)，討論了凌空觸控及PWM調(diào)光、調(diào)色的具體實(shí)現(xiàn)。

大功率電源管理；DM413驅(qū)動(dòng)電路；凌空觸控技術(shù)；PWM調(diào)光調(diào)色

0 引言

情景照明的歷史并不長(zhǎng)，是飛利浦公司于2007年提出的概念。情景照明強(qiáng)調(diào)以燈光來營(yíng)造家居氣氛，使用者只需觸摸按鈕，就能改變燈光的顏色、對(duì)比度、方向和亮度等，讓燈光與家庭成員的心情、情感與精神狀態(tài)相映襯。隨著節(jié)能照明、氣候危機(jī)等觀念的深入人心，普通家庭在選擇照明燈具時(shí)也會(huì)更多考慮節(jié)能的需求。因此，節(jié)能與趨于多元化、變動(dòng)化的家居照明正在成為席卷全球的新趨勢(shì)。LED家居照明比傳統(tǒng)照明方式可以節(jié)省80%以上的能源，并且具備發(fā)熱量低、使用壽命更長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。此外，由于LED是芯片點(diǎn)狀發(fā)光，能夠達(dá)到接近于無限的變色效果，因而可以展現(xiàn)照明設(shè)計(jì)師對(duì)居室照明的奇思妙想。如今情景照明已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)用途，相信隨著LED技術(shù)的進(jìn)一步普及，情景照明亦將走入千家萬戶。

1 室內(nèi)LED情景照明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

本文提出的室內(nèi)LED情景照明燈主要由電源模塊、主控制器、3通道LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊、反饋控制、RGB LED燈、CY8CMBR3106s觸控模塊等部分組成。硬件電路如圖1所示。

圖1 室內(nèi)LED情景照明燈原理框圖

電源模塊包括AC/DC電源模塊（成品）、電源管理模塊和DC電源模塊，為系統(tǒng)和LED提供能源。微控制器STM8S2XX是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制核心，接收用戶通過CY8CMBR3106S觸控模塊發(fā)過來的調(diào)光、調(diào)色、調(diào)亮等指令，根據(jù)接收的指令，合理的進(jìn)行LED亮度、灰度和顏色調(diào)節(jié)，此外，系統(tǒng)在LED端與RGB驅(qū)動(dòng)模塊之間還配有反饋控制，從而實(shí)現(xiàn)精確的照明光線調(diào)節(jié)。

2 電源管理模塊的具體實(shí)現(xiàn)

在電子電氣系統(tǒng)中，電源系統(tǒng)是關(guān)鍵模塊之一，電源性能的好壞，直接影響系統(tǒng)與設(shè)備的工作質(zhì)量和效率。本設(shè)計(jì)對(duì)電源模塊的要求較高，不僅要給控制部分供電，還需給大功率RGB_LED供電，綜合考慮各指標(biāo)，設(shè)計(jì)選用的是Techcode（美國(guó)泰德半導(dǎo)體）公司的TD1410大電流、高性能電源芯片，該芯片典型應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 電源管理模塊原理圖

3 高亮RGB LED調(diào)光、調(diào)色的具體實(shí)現(xiàn)

在LED照明系統(tǒng)中，LED的調(diào)光、調(diào)色是整個(gè)系統(tǒng)的核心。如何增強(qiáng)LED發(fā)光管亮度細(xì)微調(diào)整能力，以及通過

圖3 RGB LED調(diào)光、調(diào)色控制原理

圖4 CY8CMBR3106s觸控控制原理

這種亮度細(xì)微調(diào)整能力，配合混色算法實(shí)現(xiàn)無極調(diào)色是LED情景照明的關(guān)鍵問題。該部分系統(tǒng)包括3通道恒流驅(qū)動(dòng)DM413（可編程PWM輸出），以及帶反饋的功率放大部分（以驅(qū)動(dòng)1W RGB LED）。該部分控制原理如圖3所示。

DM413是3通道恒流全彩LED驅(qū)動(dòng)芯片，并且自帶可編程PWM灰度發(fā)生器，默認(rèn)是256級(jí)（8位）灰度調(diào)節(jié)，最高可以實(shí)現(xiàn)8192級(jí)（13位）灰度調(diào)節(jié)，調(diào)色效果細(xì)膩，輕松實(shí)現(xiàn)色彩斑斕的情景照明調(diào)光調(diào)色需求。但是DM413的輸出電流只有5～100mA，對(duì)于終端3顆1WRGB LED的驅(qū)動(dòng)需求，驅(qū)動(dòng)能力不足，配以DD311進(jìn)行功率放大。DD311最大輸出電流高達(dá)1A，且輸出端能承受36V的電壓，支持多顆大功率LED的串接應(yīng)用，此外，通過微調(diào)DD311偏壓能夠?qū)崿F(xiàn)LED間亮度不一的校正或多顆LED整體亮度調(diào)整。

4 觸控模塊

CY8CMBR3106s是Cypress公司高性能、低功耗的CapSense ExpressTM控制器，具有外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。CY8CMBR3106s支持多達(dá)11個(gè)電容式感應(yīng)按鍵輸入，其中包括2個(gè)接近傳感器，實(shí)現(xiàn)30cm以內(nèi)的凌空觸控，最大10段滑條輸入。微控制器可以通過I2C接口直接配置其寄存器，而不需要固件開發(fā)或器件編程，自帶的 SmartSenseTM自動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)可以連續(xù)補(bǔ)償由系統(tǒng)、生產(chǎn)過程和環(huán)境的變化引起的影響，自動(dòng)配置電容按鍵參數(shù)，以得到最優(yōu)化性能。

CY8CMBR3106s觸控控制電路如圖4所示。微控制器STM8S2XX通過I2C接口與CY8CMBR3106s通訊，完成觸控式人機(jī)交互。每個(gè)電容式觸控輸入引腳串接一560Ω電阻，以提高抗干擾能力。管腳1和2是接近傳感器輸入引腳，本設(shè)計(jì)選擇PS0作為凌空觸控控制輸入，實(shí)現(xiàn)燈的點(diǎn)亮與熄滅。10段滑條輸入分成兩部分，5段線性滑條輸入，5段圓形滑條輸入，分別控制LED的亮度和灰度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)RGB LED的無極調(diào)光和調(diào)色。

5 系統(tǒng)軟件

DM413與系統(tǒng)單片機(jī)的通訊接口簡(jiǎn)單，單片機(jī)經(jīng)DM413的鎖存控制線（STB引腳）、串行通訊數(shù)據(jù)線（DAI引腳）和時(shí)鐘信號(hào)線（CKI引腳）發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)指令調(diào)節(jié)R、G、B輸出端的電流及PWM的占空比，PWM輸出接DD311的使能端，實(shí)現(xiàn)PWM占空比灰度調(diào)節(jié)。PWM調(diào)光、調(diào)色流程圖如圖5所示。

圖5 PWM信號(hào)波形圖

6 結(jié)束語

本文在理解家居情景照明功能需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以DM413 RGB LED驅(qū)動(dòng)模塊為硬件基礎(chǔ)，采用PWM調(diào)光、調(diào)色技術(shù)和凌空觸控相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)隔空開關(guān)控制，高靈敏度的觸摸感應(yīng)無極調(diào)光、調(diào)色系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行中，該照明系統(tǒng)效果良好，能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的色彩和亮度調(diào)節(jié)。

[1]倪凱凱,沈海平,江磊,林澤文,朱雪菘,劉木清．LED光譜色溫可調(diào)照明系統(tǒng)及其優(yōu)化算法研究[J]．照明工程學(xué)報(bào),2015,26(2):42-46．

[2]王文廠,楊小平．大功率LED照明控制器的研究[D]．哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文,2009．

[3]CY8CMBR3xxx設(shè)計(jì)指南[Z]．賽普拉斯半導(dǎo)體公司,2014,文檔編號(hào):001-91599版本．

[4]嚴(yán)飛,王瑞光．LED顯示屏灰度控制關(guān)鍵技術(shù)[D]．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文,2013．

[5]萬睿,李志敏．LED全彩大屏幕關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究[D]．重慶大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文,2008．

項(xiàng)瑩瑩（1982—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)長(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)，嵌入式系統(tǒng)及智能控制等方面。

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃（201413101015Y）。