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        基于STM32單片機的LED調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計

        2022-05-30 10:48:04楊濤
        中國新通信 2022年15期

        摘要:LED照明產(chǎn)品較其他照明產(chǎn)品具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長的特點,正廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。本文設(shè)計了一套可由上位機通過串口發(fā)送調(diào)光命令的LED驅(qū)動及調(diào)光系統(tǒng),主要包括STM32單片機控制板,XL6006驅(qū)動板等。STM32單片機控制板輸出PWM信號并實現(xiàn)與上位機的通信,XL6006驅(qū)動板根據(jù)PWM信號的不同占空比控制LED燈的電流,以達到控制LED燈的亮度。

        關(guān)鍵詞:LED燈;PWM調(diào)光;STM32控制器

        一、引言

        LED照明較其他照明產(chǎn)品具有發(fā)光效率高、使用壽命長、耐用、工作安全可靠、節(jié)能省電、環(huán)保、體積小、發(fā)光響應(yīng)速度快等優(yōu)點[1],隨著整體成本的降低,LED照明開始廣泛應(yīng)用與商業(yè)及家庭領(lǐng)域。

        由LED的伏安特性可知(見圖1),在LED正向?qū)〞r電壓的微小變化都會引起電流劇烈的變化。所以如果通過改變電壓控制LED燈的亮度很容易燒毀燈珠。LED的亮度在一定范圍內(nèi)與電流成正比,因此一般LED驅(qū)動都采用恒流驅(qū)動方式。

        LED調(diào)光一般有兩種,模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光。模擬調(diào)光方式是通過連續(xù)的方式線性的調(diào)節(jié)流過LED的電流,來改變燈的發(fā)光亮度,可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)LED的亮度。PWM調(diào)光是通過反復(fù)的通斷來改變開關(guān)電流的脈寬而不是改變電流的幅值,從而達到調(diào)節(jié)LED亮度的目的。流過LED的平均電流與調(diào)節(jié)占空比是線性關(guān)系[2]。模擬調(diào)光的缺點是LED燈的色溫會隨電流的大小而改變。本設(shè)計采用PWM方式調(diào)光。

        由于項目需要,本文設(shè)計了一款可以通過串口RS485進行PWM調(diào)光、地址查詢、地址設(shè)置的LED燈(最大功率約50W)。由于每個LED燈可以設(shè)置單獨的地址,所以在一個系統(tǒng)內(nèi)可實現(xiàn)對每個LED燈的單獨調(diào)光。

        二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

        由于項目要求LED燈的體積盡量?。p小水下阻力),所以燈珠要選擇封裝比較小,功率比較大的燈珠。經(jīng)過對比,最終選擇歐司朗3030封裝的3W燈珠,將該燈珠進行16串組成LED燈板,最大功率約50W。LED燈驅(qū)動主芯片采用上海芯龍XL6006LED驅(qū)動芯片,PWM信號由STM32F103單片機控制電路產(chǎn)生。LED調(diào)光系統(tǒng)組成框圖如下圖2。本設(shè)計中上位機與STM32控制器之間的通信采用串口RS485接口。

        (一)LED燈驅(qū)動電路

        上海芯龍 XL6006芯片是固定頻率的PWM升壓(升壓)LED恒流驅(qū)動器,能夠驅(qū)動1W/3W/5W系列LED單元,具有良好的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。調(diào)節(jié)器使用簡單,因為它包括內(nèi)部頻率補償和固定頻率振蕩器,因此它需要少量的外部元件就能工作。XL6006可以在VIN=24伏時直接驅(qū)動16個系列1W/3W LED單元。PWM控制電路可以線性地將占空比從0%調(diào)整到90%[3]。

        驅(qū)動電路采用XL6006 升壓驅(qū)動電路(圖3)。該方案轉(zhuǎn)換效率高,最高輸出電壓兼容到60V,內(nèi)部集成功率MOSFET,內(nèi)置過溫保護,過流保護,LED開路保護全套保護電路,可靠性高,外圍器件少,系統(tǒng)成本低[3]。在該驅(qū)動電路中,利用場效應(yīng)管柵極電壓高于源極電壓場效應(yīng)管導(dǎo)通原理,Q1,R26,R27,D7組成防反接電路,防止電源反接燒毀芯片。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在很低的電壓情況下開始工作,所以在帶載大功率的情況下會出現(xiàn)輸入大電流,從而導(dǎo)致電源出現(xiàn)限流,無法帶載啟動。

        為了防止啟動電流過大,通過穩(wěn)壓管和限流電阻組成延遲電路,保證系統(tǒng)在穩(wěn)壓管反向電壓(18V)以下不啟動,D5,R22組成延時電路。此電路同時也保證電源虧電的情況下在穩(wěn)壓管反向電壓(18V)以下系統(tǒng)關(guān)閉,保護系統(tǒng)電路。

        上電時如果輸出開路,F(xiàn)B接地,芯片會以最大占空比工作,輸出電壓會很高,電解電容很可能被擊穿。為了防止這種情況發(fā)生,增加了D6和R23組成的保護電路。因此,開路電壓約等于D6的值。在開路后再接入LED時,也可以保護LED等板以及電阻R21。

        XL6006 FB腳為基芯片內(nèi)部基準(zhǔn)誤差放大器輸入端,內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VFB穩(wěn)定在0.22V。FB腳通過外部電阻RCS采樣輸出電流,對輸出電流進行調(diào)整,輸出電流計算公式[4]為:

        (1)

        根據(jù)XL6006芯片的數(shù)據(jù)手冊,3W, 16串方案輸出電流為1050mA, 為了避免LED燈功率超過50W, 驅(qū)動電路最大輸出電流不超過1A,所以RCS取阻值0.24歐姆電阻。

        調(diào)光是通過PWM信號改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電流。PWM信號高電平為3.3V,低電平為0V。由電路圖可知輸出電流與占空比的關(guān)系如下:

        (2)

        (二)PWM調(diào)光與串口通信電路

        本設(shè)計中由STM32F103ZET6芯片產(chǎn)生調(diào)光PWM控制信號。STM32F103 ZET6芯片由意法半導(dǎo)體(ST)公司出品,采用Cortex-M3內(nèi)核,CPU最高速度達72MHZ,具有512KBFLASH,可以控制多種外設(shè),2個DMA控制器,12個DMA通道[5]。

        本設(shè)計中使用了該芯片的通用計時器TIM3產(chǎn)生PWM方波信號,從PA6端口輸出。STM32單片機系統(tǒng)中串口USART2通過MAX485芯片將串口轉(zhuǎn)換為RS485接口。上位機通過RS485接口向STM32系統(tǒng)發(fā)送調(diào)光信號的占空比命令。

        三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

        上位機發(fā)送給STM32單片機系統(tǒng)的調(diào)光命令仿照Modbus-RTU協(xié)議,共8個字節(jié),包含地址,命令碼,寄存器地址,占空比值,CRC效驗。STM32單片機系統(tǒng)與上位機的通信采用串口DMA中斷方式,其中DAM1CH6通道為STM32單片機系統(tǒng)接收上位機串口信號的通道,DAM1CH7通道為STM32單片機系統(tǒng)發(fā)送串口信號到上位機的通道。DMA通信方式最大的優(yōu)點是在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時不占用CPU資源。

        PWM信號由STM32單片機通用計時器TIM3CH1產(chǎn)生。軟件里先初始化TIM3CH1外設(shè),設(shè)置TIM3CH1為PWM輸出比較模式。XL6006芯片的調(diào)光頻率為1KHZ-10KHZ,本設(shè)計中設(shè)定PWM信號頻率為1KHZ。PWM信號頻率由自動重裝寄存器ARR值決定,占空比由比較寄存器CCR的值決定。軟件里調(diào)光占空比的范圍設(shè)定為0-100。

        程序運行時STM32單片機系統(tǒng)的DAM1CH6通道處于監(jiān)聽狀態(tài),當(dāng)它接收到指令后會進入總線空閑中斷程序。在中斷程序中先判斷接收的命令是不是本設(shè)備的命令,如果是則拷貝命令到另外一個數(shù)組,同時置位標(biāo)志位,如果不是則退出中斷,串口將被重置為DMA接收狀態(tài)。

        主程序不停檢測這個標(biāo)志位是否置位,檢測到標(biāo)志位置位后,進入處理程序。處理程序先判斷該命令是哪一種命令,并進行CRC檢測,如果是修改地址命令,則修改STM32內(nèi)部FLASH中的ID值并將新的ID值返回上位機;如果判斷為地址查詢命令,則讀取STM32內(nèi)部FLASH中的ID值并返回給上位機;如果判斷為調(diào)光命令,那么命令中表示占空比的值會被提取出來,再把它賦值給TIM3 CH1 的CCR1寄存器,從而改變輸出PWM方波的占空比,之后通過DMA1CH7通道返回調(diào)光命令給上位機,表示調(diào)光成功。主程序處理完命令后,在退出之前會復(fù)位標(biāo)志位。假如主程序里CRC檢測不通過,則退出該次循環(huán),程序會將串口重置為DMA接收狀態(tài)。

        四、測試結(jié)果

        根據(jù)PCB圖打樣制板,測試控制板、驅(qū)動板與LED燈板。通過上位機485端口向控制板發(fā)送調(diào)光指令,LED燈的亮度會隨指令變化,從熄滅到全功率可以自由切換。上位機通過串口可以修改LED燈的地址,可以查詢LED燈的地址。在調(diào)光命令最大時,測的24VDC電源的電流為2.08A,即LED燈的最大功率為49.9W。

        測試時用示波器測量相關(guān)信號的波形。示波器第一通道測量PWM波形,第二通道測量驅(qū)動板輸出到LED燈的電壓波形,同時萬用表測量驅(qū)動板輸出到LED燈的電流。PWM頻率為1KHz,高電平為3.3V,低電平為0V。由前面章節(jié)的輸出電流與占空比的關(guān)系式(2)可知占空比越高,輸出電流越小。

        實際測試結(jié)果驗證了輸出電流會隨占空比的增加而減小,輸出電流與占空比基本呈線性關(guān)系,同時LED的亮度也隨電流的變小而變暗。同時也實驗了通過串口修改LED燈的地址、查詢LED燈的地址。最終,實驗證明該LED燈的控制系統(tǒng)完全滿足設(shè)計的要求。

        五、結(jié)束語

        本文設(shè)計了一款可串口調(diào)光的LED燈。以STM32F03ZET6芯片為核心組成控制板,實現(xiàn)與上位機通信,接收上位機的命令并返回數(shù)據(jù)給上位機,同時輸出PWM信號。采用XL6006芯片為核心組成LED驅(qū)動板。驅(qū)動板接收到控制板的PWM調(diào)光信號后,驅(qū)動板會改變輸出到LED燈的電流。經(jīng)過測試,系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了上位機通過串口控制LED燈的亮度,并可通過上位機設(shè)置LED燈的地址,修改LED燈地址。

        作者單位:楊濤? ? 上海交大中海龍水下防務(wù)研究中心有限公司

        參? 考? 文? 獻

        [1] 路秋生.LED照明與應(yīng)用[D].北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院.燈與照明,2009(12):24.

        [2] LED調(diào)光設(shè)計與研究[D].南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院,2012.1.

        [3] 180KHZ 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006 Datasheet[使用手冊].深圳市流明芯半導(dǎo)體照明科技有限公司,2016.1.

        [4] XLSEMI恒流LED產(chǎn)品PWM調(diào)光方案簡介[說明書].深圳市流明芯半導(dǎo)體照明科技有限公司,2016.

        [5] STM32F103xCDE數(shù)據(jù)手冊[數(shù)據(jù)手冊].意法半導(dǎo)體(中國)投資有限公司,2010.1.

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