恒照度自适应调光的LED驱动器设计

2015-03-29编辑:探路者 关键字:LED  驱动器设计
本文针对传统照明能效低、耗电量大等问题,设计了LED恒照度调光驱动器。系统使用恒流LED控制芯片NCL30160作为LED光源驱动电路,采用TSL2561光照度传感器采集室内光照度,通过处理器相应算法进行闭环控制,实现室内的恒照度调光。该算法实现了PWM波形平滑变化,避免因PWM突变造成闪光。同时,系统增加了人体运动控制,实现无人、有人时的不同调光方案,使设计进一步节能和智能化。

1 系统简介及工作原理

系统由PIC16F690单片机、TSL2561光照度传感器、LED光源和LED驱动电路4部分组成。由于LED的亮度与工作电流成正比,故调节工作电流即可调节LED的发光亮度。目前主要有调节正向电流和脉冲调制调光两种调光方法。由于脉宽调制调光具有不会产生任何色彩偏移、调光精度高、结合数字技术调光、调光范围宽、不闪烁等优点,故本文选用脉冲调制调光。

系统主要由TSL2561采集光照度反馈给PIC16F690处理芯片,经过PIC16F690进行相应的算法处理,输出随光照度规律变化的PWM波形,经过带有PWM接口的驱动电路驱动LED灯从而实现调光。系统框图如图1所示。

 

 

同时,在本系统中加入了人体运动控制以及按键控制,能够检测人体运动,实现在无人时自动关闭LED灯,进一步减少电能浪费;按键能够调节PWM波形的频率以及设定环境最大光照度,使系统更为人性化。

1.1 PIC16F690单片机

PIC16F690单片机具有高性能的RISC CPU、低功耗以及丰富的外设资源,能够满足本系统的硬件资源需求。由于该款单片机资源丰富,既满足系统需求,又不十分浪费资源,故降低了控制器成本。

1.2 TSL2561光照度传感器

TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片的应用能够提供最好的显示亮度并降低电源功耗。TSL2561具有以下几个特点:

①可编程配置许可的光强度上下阈值,当检测光照度超过阈值时能产生中断信号;

②数字输出符合标准的SMBus和I2C总线协议;

 

 

③可编程控制模拟增益和数字输出时间;

④超小封装和超低功耗;

⑤自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。

TSL2561的内部结构如图2所示。其内部有两个光敏二极管通道,即通道0和通道1,其中通道0对可见光和红外线都敏感,通道1仅对红外线敏感。流过光敏二极管的电流经过积分式A/D转换器转换为数字量,转换完后将数字量存入芯片内部的寄存器中。积分式A/D转换器将在一个积分周期完成后自动进行积分转换过程。TSL2561可以通过对其内部16个寄存器设定来控制,该16个寄存器可通过标准的SMBus或者I2C总线协议访问。

2 硬件设计

2.1 控制电路设计

控制电路主要由PIC16F690的最小系统组成,包括复位电路、输入按键电路、下载调试电路、供电电路、晶振电路以及相应的信号输入/输出接口。

由于本系统的研究重点在于调光算法,且系统属于小功率,故供电电路采用简单实用的阻容电路。芯片供电电压为3.3 V,采用ASM1117稳压芯片。

下载调试电路根据微芯公司提供的资料,采用微芯集成仿真器ICD3,接口电路根据官方资料设计。复位电路以及晶振电路按照常用电路设计。总体硬件框图如图3所示。

 

 

2.2 驱动电路设计

图4为基于恒流LED控制芯片NCL30160的LED驱动电路。NCL30160是安森美半导体推出的一款NFET迟滞降压、恒流LED驱动器。它将电流提升到了1.5 A,是新一代高能效的解决方案,损耗非常低,体积很小,可最大限度地减少空间和成本。通过利用仅55 mΩ的低导通阻抗内部MOSFET及以100%占空比工作的能力,能够提供能效高达98%的方案。最高1.4 MHz的高开关频率使设计人员可采用更小的外部元件,将电路板尺寸减至最小及成本降至最低。

 

 

根据NCL30160的数据手册及输出要求计算外围器件参数。系统采用5颗1 W的LED串联,恒定电流为350 mA。

R1=200 mV/ILED=200 mV/350 mA≈0.56 Ω (1)

式中,ILED为LED灯串电流。图4中的C5采用官方数据手册推荐的取值。电感L1及ROT由式(2)~(4)得到。式中,toff、ton、△I、RDS(oN)的取值参考数据手册;VIN在此处取为24 V,DCRL为电感电阻,此处取为0 Ω。

 

3 软件设计

软件设计包括主程序设计、I2C总线通信程序设计、调光算法设计,以及运动控制和按键输入程序设计4部分,是实现系统智能化控制的核心。

3.1 主程序设计

图5为主程序流程图。主程序的作用是选择是否改变PWM频率及照度上限、无人模式和有人调光模式。恒照度算法在定时中断处理程序中实现。

 

 

3.2 调光算法设计

调光算法主要实现光照度信号的采集、数据处理运算并通过相应的算法实现实时跟踪补偿照度,从而实现平滑调光。TSL2561光照度传感器数字输出符合I2C总线标准协议,实现光照度采集必须实现TSL2561通信。I2C总线标准协议的读写方法主要有硬件实现和软件模拟,由于PIC16F690控制器没有自带的I2C总线接口,故本文采用软件模拟实现的方法。

采集进来的数据经过TSL2561标准规定的数据计算后获得光照度,将采集进来的室内光照度与设定的标准值比较,计算出LED需要补偿的照度值,并转化为处理器内PWM寄存器的值,记为当前PWM值。将前PWM寄存器值记为PWM原值。将PWM原值与当前PWM值不断比较递增或递减,使PWM输出以极小的步长跟踪当前PWM值,从而实现平滑调光。此算法还能解决启动跳变问题,使系统启动时PWM由零慢慢变化到当前PWM值。调光算法程序流程图如图6所示。

 

 

3.3 运动控制和按键输入程序设计

运动控制采用红外热电释人体运动传感器,能够检测室内是否有人,通过判断人体的活动情况选择相应的照明模式。若有人则选择调光模式,若无人则关闭LED灯,进一步节能。

按键输入主要有模式切换键及增减键,模式切换键主要用于切换改变频率或者改变光照度的最大设定值。考虑到单片机的硬件资源和合理的调光需求,时钟预分频比设定为4,频率变化范围为10~100 kHz,光照度最大设定值根据多次测量各时间段的光照度选取合适的调节范围,故光照度最大设定值范围为350~500。

4 实验结果

本实验使用TSL2561光照度传感器、控制电路、驱动电路。LED负载为5颗1 W的LED串联,恒定电流为350 mA。系统的工作状态可分为有人和无人,当传感器检测为无人时,PWM输出关闭,此时LED灯串熄灭;反之,则根据室内光照度自动调节LED灯串的亮度。由于实验条件限制,室内光照度改由遮光窗帘遮挡窗户强光来实现。如果系统数据和波形与理论分析一致,则说明系统设计正确。理论计算公式如下:

 

 

 

 

表1是在多云天气条件下测得的实验数据。系统根据不同的室内照度,调节PWM输出波形从而改变LED光亮度。由于室内照度计探头位置放置和TSL2561传感器有一定的偏差,故数据存在一定的误差。即在有人时,根据式(5)计算PWM占空比与示波器显示波形基本吻合;无人时,无论室内光照度值是多少,PWM占空比均为零,LED不照明。将实验数据与理论值进行比较,考虑一定误差的情况下,基本吻合。输出部分PWM波形如图7所示,分别为室内光照为22.82 lx和317.08 lx时的PWM波形。

结语

通过实验证明,系统按照程序设计,能够很好地进行恒照度控制;运动控制在无人时自动关闭,一旦检测到有人活动时,马上进行恒照度控制。同时系统设置了调节调光频率和最大光照度值,能够根据不同要求做适当的改变。恒照度自适应调光和人体运动控制有效实现了节能要求。

关键字:LED  驱动器设计

来源: 互联网 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/2015/0329/article_11955.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:实现LED路灯网络的智能监控
下一篇:基于单片机的大功率太阳能LED路灯设计与仿真

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

会行走的广告

这款产品,这款产品所应用的市场,以及这款产品对传统广告展示形式所带来的颠覆式创新变革,是很多人没有关注到,更没有预料到的,它却实实在在的正在发生中。 它是一款什么样的产品?它来自己哪里?它给广告展示形式带了什么样的一种全新体验?它凭什么能在短时间内迅速蹿红?下面就来为大家解读。 这款产品大的方向去讲的话,它只是一款不一样尺寸和功能的led显示屏而已,属于led显示屏众多应用产品系列其中的一个单品,我们给他取了一个很形象的名字——可穿戴led广告衣显示屏,简称led广告衣。它是由深圳科鑫光电自主独立研发的一款创新型、可穿戴人体广告显示屏设备。 下面就给大家来看一下科鑫光电led广告衣的庐山正面目,了解
发表于 2018-08-03
会行走的广告

购买电视这多么多“X”LED 你能分清吗?

最近几年电视显示技术发展越来越快,各种新鲜概念也是如洪水般地袭来,LED、OLED、ULED、QLED,最让人头疼的莫过于这些各式各样的LED概念了,商家的描述也是让消费者摸不着头脑,今天笔者带各位一起辨别这些“X”LED,让你成为一个“懂屏帝”。  “X”LED概念解释  LED  LED在我们生活中非常常见,各种舞台的大屏幕使用的就LED,LED用中文来讲就是发光二极管,有朋友可能会问,LED电视不是液晶电视吗?怎么变成了发光二极管呢?  LED电视采用液晶面板作为显示介质和发光二极管作为背光模组,当光线通过液晶层时,控制液晶分子做不同程度的偏转,就能呈现不同的明暗程度。然后再通过一层彩色的滤光片,让白色的光线带有色彩,最后
发表于 2018-08-02
购买电视这多么多“X”LED 你能分清吗?

80后执掌创维电视 OLED技术能让这家公司翻盘吗?

创维想让彩电行业从营销驱动重回技术驱动。  30年历史的创维迎来了新鲜血液。  7月31日,创维在发布OLED电视的同时,新上任的创维-RGB董事长王志国也正式亮相。这是创维电视几十年以来的首位80后董事长。  据介绍,创维-RGB是创维集团彩电事业本部的经营主体,创维集团CEO刘棠枝将不再兼任创维-RGB董事长。王志国出生于1980年,2009年加入创维集团,主持研发酷开智能电视操作系统。目前担任创维集团CTO、创维-RGB董事长兼全球研发中心总经理、深圳市酷开网络科技有限公司CEO。  “智能电视生态模式已经成立,以后将不再仅仅依赖硬件进行盈利”,刘棠枝如此解释王志国上任的原因,此外他也表示,人事变动能让他腾出更多的时间聚焦
发表于 2018-08-02
80后执掌创维电视 OLED技术能让这家公司翻盘吗?

LED将成为众多领域里的香饽饽

我们大多数人都希望自己的努力能得到回报,而还有些人可能更希望不劳而获。这两种情况很少同时发生,但LED照明却有可能实现此。众所周知,LED功耗低,这意味着从几乎任何其他形式的照明转向LED都将省钱,而无任何代价。它的‘附加’特点是,因为您用更少的能量来点亮您的家或办公室,也会对环境有所帮助。从消费者的角度来看,LED提供了有益于环境和省钱的回报,如果您从另一个角度看,这就像不劳而获(不包括初始支出)。但真的这么简单吗?理论上应该是,但现实情况是您节省的可能会有所不同,这取决于您的LED将交流转换成直流有多高能效。这不是消费者通常会查看的东西,我们可以认为,市场还不成熟,不太关注于此。但实际上,这只是在给未来制造问题。当然,立法
发表于 2018-08-02
LED将成为众多领域里的香饽饽

LED芯片格局已成型 厂商有何战略布局?

近几年,包括三安光电、华灿光电、德豪润达等在内的本土芯片厂商通过扩产、整合持续扩大市场份额,大陆LED芯片集中度正在不断提高。随着国内芯片大厂陆续扩产,海外企业与国内二三线芯片厂逐步收缩产能,LED芯片行业新格局逐渐形成:产业向大陆聚集、产能向龙头聚集。目前,我国LED芯片格局已经基本成型,市场话语权主要掌握在几大龙头厂商手中。然而,他们有何布局呢?我们一起来看看吧!三安光电众所周知,如今的三安光电已不再是一家纯粹的LED芯片企业,而是集衬底材料、LED芯片和化合物半导体于一体的“巨无霸”。三安光电董事会秘书李雪炭表示,公司LED业务有很多新的产品在逐步拓展,另外集成电路业务是未来公司的重点发展方向,业务正在上量阶段。目前LED
发表于 2018-08-01

LG Innotek起诉美国UV美甲烘干机企业侵犯其UV LED专利

LG Innotek 于美国当地时间25日向加利福尼亚北部联邦地方法院及加利福尼亚中部联邦地方法院提起诉讼,指控 Evergreat 侵犯其 UV LED 专利技术。这是 LG Innotek 首次对 UV LED 产品提起专利诉讼。 UV 美甲烘干机用于手部指甲和脚部指甲涂抹指甲油后,通过照射紫外线快速烘干的设备。利用了紫外线与特殊物质发生化学反应的特点。UV LED 作为高性能和高安全性的光源被广泛使用。 Evergreat 公司是位于美国加州的制造企业。在市场中以 “Melodysusie”品牌驰名。 本次诉讼指控 Evergreat 公司销售的10种型号的 UV
发表于 2018-07-30

小广播

颜工专栏

LED专区

现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2018 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved