朱 正，張夢(mèng)琳，張 楊，史金輝，孫晶華

（哈爾濱工程大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

LED（light emitting diode）本質(zhì)上是一個(gè)PN 結(jié)，在正向偏置下能夠直接將電能轉(zhuǎn)化為光，從而發(fā)出各種顏色的光。LED 具有環(huán)保節(jié)能、使用壽命長、體積小、重量輕、顯色性高、色彩豐富、易于調(diào)光和調(diào)色、可控性大等諸多優(yōu)點(diǎn)，在照明領(lǐng)域得到了廣泛使用[1-3]。LED 在當(dāng)今的大學(xué)光電專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的很多內(nèi)容中都得到了應(yīng)用，而根據(jù)LED 的光電特性，LED 輸出的光強(qiáng)大致與工作電流呈線性關(guān)系，因此在很多情況下為了能方便地調(diào)整其輸出光強(qiáng)，通常以恒流驅(qū)動(dòng)的方式來驅(qū)動(dòng)LED[4-9]。

根據(jù)光電綜合實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的需要，為使學(xué)生加深對(duì)發(fā)光器件LED 工作原理與特性的理解，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)打好基礎(chǔ)，研制了數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)由上位機(jī)、數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路板、光譜儀及電源組成，使得操作者能夠掌握利用微控制器產(chǎn)生數(shù)控恒流源的方法，并靈活地調(diào)整LED的發(fā)光強(qiáng)度和開關(guān)狀態(tài)，也為將來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)動(dòng)態(tài)調(diào)控的照明應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)儀器

數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)如圖1 所示。上位機(jī)運(yùn)行串口調(diào)試助手軟件，向數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路板發(fā)送控制某種顏色LED 工作電流及開關(guān)狀態(tài)的指令，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)控的功能。數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路板接收發(fā)送過來的指令，并根據(jù)指令中的參數(shù)字節(jié)設(shè)置LED 的工作電流及其開關(guān)狀態(tài)。光譜儀選用USB650 型教學(xué)用光譜儀，波長測(cè)量下限為350 nm，測(cè)量上限為1 000 nm，可用于測(cè)量各種不同單色LED 及白光LED 的發(fā)射光譜。電源使用AC/DC 電源適配器用于將市電轉(zhuǎn)換為直流電源，輸出的直流電壓應(yīng)該在6V 以上，一般可選用9V 的電源適配器。

圖1 數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖

數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路板如圖2 所示。電路板上的DB9 串口接口通過一條串口線連接上位機(jī)的串口。圖2 下方2P 插針J5 的兩根針分別與測(cè)試鉤I+和I-相連，當(dāng)用跳線帽將J5 的兩根針短路時(shí)，電路形成了通路，在某個(gè)LED 開關(guān)被打開時(shí)運(yùn)放輸出的電流流過該LED，LED 發(fā)光。J5 的兩根針不插跳線帽時(shí)，調(diào)整萬用表的檔位使其處于直流電流測(cè)量檔位，然后將兩根表筆分別插到測(cè)試鉤I+和I-上，則表筆代替跳線帽形成通路，在某個(gè)LED 開關(guān)被打開時(shí)運(yùn)放輸出的電流流過該LED，LED 發(fā)光，這時(shí)萬用表示數(shù)就是流過LED的電流值。LED 被點(diǎn)亮?xí)r的電壓可以通過紫色LED-D1上面的兩個(gè)測(cè)試鉤LED+和LED-測(cè)量出來。

圖2 數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路板實(shí)物圖

2 數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路板硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路使用Microchip 公司的16位微控制器PIC24FJ128GA410 作為控制核心，利用其片內(nèi)集成的I/O 端口與MOS 管構(gòu)成控制LED 燈電流通斷的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色LED 的亮滅控制；利用微控制器芯片內(nèi)部集成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）模塊輸出不同的電壓，再使用運(yùn)算放大器將該電壓轉(zhuǎn)化為LED 的工作電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色LED 發(fā)光強(qiáng)度的精確控制。還可以在上位機(jī)上利用RS-232 串口給微控制器發(fā)送不同指令來控制不同顏色LED 的開關(guān)及工作電流。

圖3 數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路整體框圖

2.1 電源電路

實(shí)驗(yàn)中使用9 V 的電源適配器為電路板供電，電源開關(guān)打開后，指示燈LED-D10 應(yīng)該被點(diǎn)亮。輸入電壓被一片LM1117IMPX-ADJ 轉(zhuǎn)換為5 V，為LED 及運(yùn)算放大器供電，然后被另一片LM1117IMPX-ADJ轉(zhuǎn)換為3.3 V。

數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路使用DAC 來輸出指定的電壓，利用運(yùn)算放大器將該電壓轉(zhuǎn)換為LED 的工作電流。而且電路中還需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來檢測(cè)LED 的實(shí)際工作電流。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字碼與模擬電壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這兩種器件都需要一個(gè)高性能的參考源?？紤]到外部參考源具有更好的精度及溫度穩(wěn)定特性，在本設(shè)計(jì)中使用了TI 公司的REF3020AIDBZT來提供參考電壓[10]。

2.2 LED 控制電路

LED 控制電路由三部分組成：基于運(yùn)算放大器AD8591 的電壓電流轉(zhuǎn)換電路、基于MOS 管的LED開關(guān)控制電路和8 顆LED。其中AD8591 可以工作在單電源模式下，而且其輸出具有軌到軌的特性，輸出電流高達(dá)150 mA，滿足實(shí)驗(yàn)中LED 工作電流范圍，因此用于緩沖來自DAC 輸出的電壓信號(hào)，同時(shí)將該電壓經(jīng)過運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換為確定數(shù)值的電流為LED 提供工作電流[11-12]。

電路板上一共有8 種不同顏色的LED，包括紫色、藍(lán)色、綠色、黃綠色、黃色、橙色、紅色等7 種單色LED 和一顆白光LED，該白光LED 為藍(lán)光芯片和YAG熒光粉方案的熒光粉轉(zhuǎn)換的暖光LED。這8 種LED封裝類型都為5050，該型封裝有6 個(gè)引腳，相對(duì)的兩個(gè)引腳對(duì)應(yīng)一個(gè)PN 結(jié)，因此5050 封裝的LED 相當(dāng)于里面有3 顆單個(gè)LED 并聯(lián)。每顆LED 通過MOS管BSS138LT1 進(jìn)行開關(guān)控制，8 個(gè)MOS 管Q1-Q8 的柵極分別接到微控制器端口E 的RE0—RE7，當(dāng)屬于端口E 的某根IO 被設(shè)置為數(shù)字輸出狀態(tài)，而且其輸出電平被置為高電平時(shí)，該開關(guān)被打開，對(duì)應(yīng)LED 被點(diǎn)亮。但是應(yīng)該保證在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)同一時(shí)刻只點(diǎn)亮一顆LED。通過調(diào)整微控制器DAC 輸出的電壓可以調(diào)整流過LED 的電流值，運(yùn)算放大器的輸出端和模擬地之間接有10 Ω的電阻，因此通過DAC 輸出端電壓設(shè)置的LED 工作電流值為100VDAC/V mA，實(shí)驗(yàn)中LED的工作電流值可以設(shè)定為0～110 mA。

LED 控制電路的原理圖如圖4 所示，AD8591 的引腳2 是該芯片負(fù)電源輸入引腳，本電路中被連接到模擬地，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出電壓被接到同相輸入端引腳3 上，利用運(yùn)算放大器的虛短原理，DAC 輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)變?yōu)長ED 的工作電流。

圖4 LED 控制電路原理圖

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

PIC24FJ128GA410 具有一個(gè)內(nèi)置的10 位DAC，通過1 個(gè)16 位DAC 控制寄存器來控制DAC 的工作模式，通過改變DAC 數(shù)據(jù)寄存器中的10 位二進(jìn)制數(shù)即可改變其輸出電壓。

在使用該微控制器片內(nèi)集成的DAC 模塊時(shí)，要對(duì)芯片DACOUT 引腳對(duì)應(yīng)的IO 端口寄存器進(jìn)行合理設(shè)置，使其工作在模擬輸出的模式。另外為了獲得更好的性能，DAC 模塊的參考源使用電壓參考芯片REF3020 提供的穩(wěn)定的2.048 V 外部電壓。

加州鱸苗種標(biāo)粗階段，對(duì)溶解氧要求較高，電力設(shè)備應(yīng)該配備到位，增氧設(shè)備必不可少，每口魚塘可以配備2臺(tái)1.5kW的葉輪式增氧機(jī)，魚種標(biāo)粗魚塘一般不建議使用投料機(jī)，飼喂操作應(yīng)該定點(diǎn)投喂，人工撒料操作，撒的面要寬、廣，以免個(gè)體差異過大，魚苗成活率低。

DAC 的輸出電壓可以由式（1）得到：

式中：VDACREF為2.048 V，DACDAT 為輸入給DAC數(shù)據(jù)寄存器DACDAT 的10 位2 進(jìn)制數(shù)。一旦DACOE配置為1，電壓將輸出到引腳DACOUT。圖5 為DAC模塊的工作框圖。

圖5 DAC 模塊的工作框圖

2.4 串口模塊

2.4.1 串口電平轉(zhuǎn)換電路

在數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中，可以根據(jù)計(jì)算好的參數(shù)通過上位機(jī)運(yùn)行串口調(diào)試助手軟件來向數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路板發(fā)送控制指令，兩者之間可以通過串口線直接連接，但是由于上位機(jī)上的串口信號(hào)為RS-232 電平標(biāo)準(zhǔn)，而恒流驅(qū)動(dòng)電路板上微控制器UART 接口為TTL 電平，因此需要電平轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)電平之間的轉(zhuǎn)換[13]。本系統(tǒng)中的電平轉(zhuǎn)換電路使用MAX3232ESE 來實(shí)現(xiàn)，其電路連接如圖6 所示。其中上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)由R1IN 接收，在將其轉(zhuǎn)換成TTL 電平信號(hào)后，再通過R1OT 傳遞給微控制器；與此同時(shí)T1IN 會(huì)接收來自微控制器的TTL 電平數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)MAX3232ESE 轉(zhuǎn)換后從T1OT 發(fā)送給上位機(jī)。

圖6 串口電平轉(zhuǎn)換電路圖

2.4.2 串口控制命令

為使用上位機(jī)將控制指令發(fā)給微控制器來實(shí)現(xiàn)LED 的工作控制，一共設(shè)計(jì)了3 條控制指令：串口測(cè)試指令、輸出電壓設(shè)置指令和選燈指令。這三條指令具有相同的指令長度，都由6 個(gè)字節(jié)組成，采用16進(jìn)制來表示。串口通信采用9 600 波特率、N-8-1 格式。

串口測(cè)試指令是用于測(cè)試串口的不帶參數(shù)的固定指令，指令格式如表1 所示，當(dāng)上位機(jī)發(fā)送串口測(cè)試指令時(shí)，數(shù)控 LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路將向上位機(jī)返回0xAA+0x01 兩字節(jié)，表明串口通信正常。

表1 串口測(cè)試指令

輸出電壓設(shè)置指令用于設(shè)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，該指令的具體形式如表2 所示，利用式（1）將需要輸出的電壓數(shù)值轉(zhuǎn)換為輸入給DAC 數(shù)據(jù)寄存器的10 位2 進(jìn)制數(shù)，然后將設(shè)置輸出電壓指令第3 字節(jié)（參數(shù)1）寫入該2 進(jìn)制數(shù)高2 位，第4 字節(jié)（參數(shù)2）寫入該2 進(jìn)制數(shù)低8 位。

表2 輸出電壓設(shè)置指令

選燈指令用于控制某個(gè)LED 的點(diǎn)亮及熄滅，指令格式如表3 所示，根據(jù)想要點(diǎn)亮的LED 將該燈對(duì)應(yīng)的8 位二進(jìn)制狀態(tài)碼寫入第4 字節(jié)（參數(shù)2）即可，該字節(jié)同時(shí)最多只能有1 位為1。

表3 選燈指令

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)可以滿足本科生光電綜合實(shí)驗(yàn)課程的需要，幫助學(xué)生加深對(duì)發(fā)光器件LED 工作原理與特性的理解，為后續(xù)相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行打好基礎(chǔ)，并掌握利用微控制器產(chǎn)生數(shù)控恒流源的方法。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以開設(shè)以下內(nèi)容。

（1）利用恒流驅(qū)動(dòng)的方法測(cè)量LED 的伏安特性曲線。數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中可以任意選擇某一顏色LED，通過串口發(fā)送設(shè)置輸出電壓的指令將該LED 的工作電流從0 mA 開始以5 mA 為步進(jìn)值，一直設(shè)置到110 mA，學(xué)生可以測(cè)試不同工作電流下LED 兩端的電壓值，并記入設(shè)計(jì)的表格中，再根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)繪制該顏色LED 的伏安特性曲線。本文選擇了紫色和紅色兩種單色LED 進(jìn)行了測(cè)試，得到伏安特性曲線分別如圖7 和8 所示，可以看出兩種單色LED 的伏安特性曲線都與理論是相符的，還可以看出紫色LED 的開啟電壓大約為3 V，而紅色LED 的開啟電壓大約為1.8 V。

圖7 紫色LED 的伏安特性曲線

圖8 紅色LED 的伏安特性曲線

（2）觀察并測(cè)量不同顏色LED 的發(fā)光光譜。在數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)中利用串口發(fā)送選燈指令可以控制LED 的點(diǎn)亮與熄滅，學(xué)生可以每次點(diǎn)亮一顆LED，然后利用USB650 光譜儀觀察并測(cè)量其發(fā)光光譜。本文選擇了紫色LED 進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得光譜分布曲線如圖9 所示。

圖9 紫色LED 的光譜分布曲線

從圖9 中可以看出紫色LED 發(fā)光光譜的中心波長為415 nm，表征光譜純度的參數(shù)光譜半寬度為20 nm。依次點(diǎn)亮7 顆單色LED，測(cè)得它們的光譜特性如表4所示。

表4 單色LED 光譜特性測(cè)量

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，也可以對(duì)白光LED 的光譜進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖10 所示，可以看出其光譜分布曲線與單色LED 的完全不同，在非常寬的波長范圍內(nèi)都有能量存在，而且在藍(lán)光部分能量較少，在紅光附近能量要多出很多，因此該LED 發(fā)出的白光為暖色調(diào)的白光。

圖10 白光LED 的光譜分布曲線

（3）編寫C 語言程序?qū)崿F(xiàn)LED1 從暗到亮，LED2從暗到亮，……，LED8 從暗到亮的連續(xù)循環(huán)過程。這讓學(xué)生既鍛煉了編程能力，也更深刻地理解了利用微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 工作電流的精確控制方法。

4 結(jié)語

本文研制了數(shù)控LED 恒流驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，可用于光電綜合實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，利用該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色LED 的開關(guān)控制，同時(shí)可以通過對(duì)LED 實(shí)時(shí)工作電流的調(diào)控來調(diào)整LED 的光強(qiáng)。不同顏色LED 的開關(guān)狀態(tài)及工作電流的改變都可由上位機(jī)通過RS-232 串口給微控制器發(fā)送指令來實(shí)現(xiàn)。利用該系統(tǒng)可以測(cè)量不同顏色LED 的伏安特性曲線和光譜分布曲線，還可通過C 語言編程使學(xué)生掌握利用微控制器產(chǎn)生數(shù)控恒流源的方法，并靈活地調(diào)整LED光源的發(fā)光強(qiáng)度與狀態(tài)，同時(shí)加深了對(duì)發(fā)光器件LED工作原理與特性的理解，為后續(xù)專業(yè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行打好基礎(chǔ)。