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        一種基于LED照明技術(shù)的裝置設(shè)計*

        2018-07-02 07:30:18何曉波曹一鳴翁紀(jì)釗蔡俊濤
        山西電子技術(shù) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:恒流光源單片機(jī)

        何曉波,曹一鳴,翁紀(jì)釗,蔡俊濤

        (廣州市光機(jī)電技術(shù)研究院 廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實驗室,廣東 廣州 510663)

        0 引言

        LED作為一種新型光源,具有能耗低、光效高等特點,在照明行業(yè)已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)光源,隨著LED工藝的不斷升級,半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展,LED在檢測儀器的應(yīng)用也越來越普遍,對LED光照度的檢測精度也有了更高的要求,本文主要結(jié)合數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù),提出并設(shè)計了基于LED光源光強(qiáng)信號的數(shù)據(jù)采集裝置,應(yīng)用于LED光源的光度檢測光源性能分析。還可通過對溶液等介質(zhì)透光度的檢測,對比分析食品的農(nóng)藥殘留成分比例。該裝置具有全自動檢測功能,檢測效率及數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等特點。

        1 系統(tǒng)方案

        1.1 LED光源驅(qū)動

        TM1810是一種單通道LED恒流驅(qū)動電路,采用高壓CMOS工藝,輸出端口耐壓能達(dá)到24 V以上,可以串聯(lián)LED燈實現(xiàn)恒流照明控制。芯片具有性能可靠、外圍電路少、控制精度高等特點[1]。TM1810應(yīng)用原理圖如圖1所示。

        圖1 LED驅(qū)動TM1810應(yīng)用電路

        如圖1所示,在工作電壓為12 V的狀態(tài)下,為了有效地控制8個LED燈,需要使用兩塊TM1810芯片,通過參考廠家的芯片數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn),為了使電路可靠地工作在恒流狀態(tài)下,TM1810輸出端電壓應(yīng)高于2.5 V,即芯片的2、3管腳之間的電壓須大于2.5 V。實際使用過程中,12 V直流電源加載在LED燈串聯(lián)后加在TM1810輸出端2腳上的電壓建議保持在3.0 V左右。為了避免芯片長時間處于高壓狀態(tài)下,芯片功耗增大導(dǎo)致發(fā)熱從而造成芯片壽命縮短甚至損壞,芯片持續(xù)工作在額定恒流狀態(tài)下時,其輸出端引腳電壓應(yīng)控制在8.0 V以內(nèi)為宜。所以應(yīng)根據(jù)實際使用情況合理配置電路參數(shù)。如果電源電壓較高或串接的LED 數(shù)量較少,TM1810輸出端引腳電壓偏高時,應(yīng)該在LED燈珠和芯片之間串聯(lián)一個分壓電阻降低輸出端工作電壓。本電路為了方便控制LED燈珠的通斷,調(diào)光等,還采用了S9013作為電路開關(guān)。可以在S9013基級輸入PWM信號來控制TM1810的導(dǎo)通和截止從而實現(xiàn)照明控制,使芯片及LED燈工作在周期性通斷狀態(tài)。

        1.2 光電檢測與光電轉(zhuǎn)換

        LED照明燈發(fā)出的光通過硅光電池PD采集后轉(zhuǎn)換成電信號,硅光電池是一種可以把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件,半導(dǎo)體PN結(jié)在受到光照的條件下會產(chǎn)生電流信號,通過把與光照強(qiáng)度成正比的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,可以準(zhǔn)確掌握光強(qiáng)的變化,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和反饋控制,電路前級部分的前置放大由高精度儀器運(yùn)算放大器實現(xiàn),即將硅光電池PD輸出的μA級電流信號放大后轉(zhuǎn)換成電壓信號供后級控制電路放大分析,電路的放大倍數(shù)可以通過改變反饋電阻的阻值來設(shè)置。硅光電池應(yīng)用參考電路如圖2所示。

        圖2 光電轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路原理圖

        1.3 數(shù)據(jù)采集

        數(shù)據(jù)采集模塊由STC12C5A60單片機(jī)組成,這個系列的單片機(jī)內(nèi)置8通道10位高速A/D轉(zhuǎn)換器接口,轉(zhuǎn)換速度可達(dá)到250 kHz,為電壓輸入型AD,使用方便,可靠性高,采集數(shù)據(jù)可以通過單片機(jī)直接分析處理,減少硬件之間信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)損失,避免干擾,突出了模塊數(shù)據(jù)處理的實時性能。

        2 系統(tǒng)方案設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)總架構(gòu)

        系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示,首先被檢測樣品(試劑)在LED光源的照射下光照強(qiáng)度相對減弱,光電檢測裝置捕捉到光強(qiáng)的微弱變化,將這一變化轉(zhuǎn)換成電信號后再由AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號便于CPU分析處理,上位機(jī)的分析軟件對裝置傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析,裝置可以實時檢測及發(fā)送數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)等,具有通訊速率高、實時性好、精度高等特點。

        圖3 系統(tǒng)框架圖

        2.2 電源電路設(shè)計

        系統(tǒng)電源部分如圖4所示,供電電源采用了LDO芯片AMS1117,12 V電源輸入5 V電源輸出,具有效率高、低能耗、紋波小、抗干擾能力強(qiáng)、封裝面積小、外圍器件少等特點,非常適用于本系統(tǒng)。

        圖4 電源電路圖

        2.3 主控電路設(shè)計

        系統(tǒng)主控電路如圖5所示,系統(tǒng)的控制電路由STC系列單片機(jī)完成,具有較高的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),穩(wěn)定性好,單片機(jī)負(fù)責(zé)各路LED的開啟關(guān)閉,光電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換,數(shù)據(jù)分析傳送、處理等功能。與上位機(jī)進(jìn)行通信,接收上位機(jī)指令等。

        圖5 單片機(jī)控制電路

        3 結(jié)論

        本文主要闡述使用光電接收模塊、LED恒流驅(qū)動芯片等組成的LED光度檢測裝置,對系統(tǒng)的硬件設(shè)計做了詳盡介紹,將檢測數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)等智能設(shè)備,終端檢測設(shè)備與計算機(jī)結(jié)合實現(xiàn)智能化和網(wǎng)絡(luò)化,方便訪問,分析和存儲,實現(xiàn)遠(yuǎn)程化與智能化相融合。系統(tǒng)還具有擴(kuò)展性好、體積小、便捷性好、兼容好、易于升級等特點,今后將系統(tǒng)進(jìn)行升級,設(shè)計出多種應(yīng)用場景的檢測裝置,可以應(yīng)用于照明檢測、食品藥品檢測、家居生活方面,市場前景可觀。

        [1] STC12C5A60S系列單片機(jī)指南[OL].2012. www.stcmcu.com.

        [2] TM1810數(shù)據(jù)手冊[OL].2017. www.titanmec.com.

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