所有的led都可以调光【基于单片机的自动调光LED驱动方案】

　　摘要：鉴于LED应用市场新提出来的调光要求，结合LED的驱动特性，选择了最适宜保证LED显色性的PWM占空比控制方式，通过采用LED的恒流驱动IC与51系列单片机，设计了一种能实现照明区域内光线照度恒定的低成本的智能照明驱动方案。
　　关键词：LED　调光　PWM　恒流驱动　51单片机
　　中图分类号：TP391.9　　　　　文献标识码：A　　　　　文章编号：1007-3973(2012)011-090-02
　　1 前言
　　随着LED应用技术的不断发展，其高效节能、绿色环保、超寿命等优点已经得到了广泛的认可，如在LCD背光显示、仪器仪表、舞台照明、特种照明等领域已经有不可替代的优势，国家发改委正大力地实行LED取代白炽灯的计划,《行动计划》分阶段目标提出：今年6月1日起，停止进口与销售功率在100瓦及以上白炽灯；明年6月1日起，停止进口与销售功率在60瓦及以上白炽灯；2015年1月1日起，停止进口与销售功率在15瓦及以上白炽灯。同时在某些城市实行的低保户、残疾人家庭以及中小学生中开展节能灯“以旧换新”，即一只白炽灯换购一只节能灯，对中小学生实行免费换购，由政府给予补贴等一系列相关政策的出台都极大地刺激了LED的市场。然而随着市场应用的不断深入的同时，LED在通用照明领域也体现出来了它的不足。这其中包括目前LED不能像传统白炽灯那样能具备方便的调光方式。本文基于这样的市场需求，开发了一种能感知环境照度强弱并能自动调节LED平均电流的实现方案。
　　2 LED调光方式简介
　　一般情况下，基于开关模式的LED电源主要有线性调光和PWM调光方式两种。其中线性调光方法的优点是简单易实现，成本低廉。缺点是调光范围小（一般小于10：1），但LED在不同的电流值下色温会产生变化，这对于色温要求高的场合来说是不能胜任的。
　　PWM调光方式则可以实现在很大范围内的调光比（一般大于1000：1），并且PWM方式并没有改变LED导通时的电流值，而只是改变了其一段时间内的平均电流，因此LED的色温不受影响。其常见的实现方式就是在恒流IC的PWM输入端输入特定占空比的PWM波形来实现IC的使能控制（并不改变恒流IC已设定的恒流值），为了不使的LED出现调光过程中闪烁，这个使能的频率一般大于100HZ，同时又要远低于恒流IC的工作频率。
　　本设计中选择PWM调光方式，并且通过占空比自动可变方式，以实现LED的自动调光。
　　3 工作原理
　　(1)本文中的恒流IC为PT4207，这是华润矽威公司推出的一款可以用于市电输入的非隔离高频降压LED驱动芯片。通过采用特殊的恒流控制方式，可以实现系统低成本，高效率，恒流精度高的方案。它内置350mA的MOS管并提供外置MOS管引脚，能方便实现不同电流要求的系统。其外置PWM输入端口可方便的引入模拟调光或数字调光。
　　(2)本系统主电路包括EMI抑制电路和LED恒流驱动电路，其中EMI抑制电路采用经典的应用方案，包括X电容XC1、XC2，差模电感L3/L4，共模电感L1，以及压敏电阻R14和负温度系数热敏电阻RT1，该电路能有效的抑制来自电网的串模干扰和共模干扰，同时也能避免电源本身向外部发出的噪声干扰，以免影响同一电磁环境下的其他电子设备的正常工作，使之能符合高标准的EMC要求。
　　(3)恒流控制电路具体可参见：http://wenku.baidu.com/view/a1d9172558fb770bf78a559d.html（华润矽威的技术文档）。由C1、C2、D2、D3、D4组成的二阶填谷电路可以有效的改善谐波失真，聚丙烯电容C7（图中未画出，并接在二阶填谷电路之后）能有效的滤除高频毛刺。R3是芯片的启动电阻，上电时通过内部钳位电路给芯片供电。该方案的恒流控制方式同样式采用电流峰值控制模式，通过外部电阻R2可设定峰值电流（常使用多个高精度电阻并联以获得更高的精度），由高压功率电感Q1、快恢复二极管、功率低感、采样电阻组成的自举式BUCK电路给LED供电。其中功率电感L1的选择应为磁路闭合的磁芯，以便在金属灯罩环境下能稳定的使用。
　　(4)恒照度控制电路图如图1所示。其电源部分采用阻容降压形式，可有效的减少电路的体积，并具有较高的稳定性。单片机U4采用STC公司的89C52系列，其外围电路由手动/自动复位电路，12MHZ振荡电路，模数转换电路，照度采集电路组成。其中光敏电阻采用高暗阻（大于1M）、低亮阻（低于1K）的高灵敏光敏电阻，其将采集得到的环境照度模拟信号经过模数转换器转换成数字信号，该信号送至单片机后，内部程序经过亮度分析，仲裁合适的照度输出，并通过设定的I/O口输出对应占空比的PWM波形对恒流IC的DIM引脚进行控制。模数转换器采用ADC0832CCN，他是一款带SPI接口的双输入通道的8位精度A/D转换芯片。它具有四种工作模式：模式0——差分输入，CH0>CH1，模式1——CH00，模式3——CH1>0。应为光敏电阻具有很高的电压调整范围，本方案采用的是模式3。
　　4 调试及性能分析
　　本设计中鉴于恒流驱动部分为较成熟的方案，只要元件选取合适，焊接正确，硬件部分无需调试。
　　需要注意的是软件调试部分。其程序流程图如图2所示。要想系统对光照强度有较好灵敏度及调整率，就要对光敏电阻的阻值、光阻特性曲线及限流保护电阻的阻值进行校准确的计算，这样才能准确的得到不同光照强度下光敏电阻的分压值。
　　在确定好不同光照强度下的光敏电阻上的电压后，我们还需要知道经ADC0832转换后的值。因为ADC0832是8位精度的模数转换器，所以最大的计数值为255，本设计中其输入的参考端电压是5V（光敏电阻的采样电压也必须在0~5V之间），因此采样输入5V电压对应ADC0832输出串行数据11111111即十进制255。所以采样电压UI与模数转换器输出值N对应关系为：N=UI/5*255。
　　5 小结
　　本设计中恒照度控制模块与恒电流主电路相对独立，对其他具有PWM调光控制引脚的系统具有通用型，并且具有低成本优势。尤其对目前比较成熟的LED驱动方案来说，适配此恒照度控制方案，在很大程度上提升了 LED灯具的附加值和智能性。在某些需要长时间照明的地方，比如：写字楼，会议厅，学校，商场等，通过安装这种具有自动调光功能的LED驱动电源将会显著改善照明系统的节能效果。
　　参考文献：
　　[1]　沙占友.LED照明驱动电源优化设计[M].北京:中国电力出版社,2010.
　　[2]　陈涛.单片机应用级C51程序设计[M].北京:机械工业出版社,2010.

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