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LED可控恒流源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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LED可控恒流源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2012-09-12 15:08:10 來源:黃麗霞 點(diǎn)擊:2623

摘要:  針對(duì)小功率LED在現(xiàn)有照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)方式存在的一些不足,設(shè)計(jì)了一種高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為核心控制器件,通過D/A變換構(gòu)成的數(shù)控單元,由運(yùn)算V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng).人機(jī)接口采用獨(dú)立鍵盤及LCD液晶顯示器,控制界面直觀、簡潔,具有良好的人機(jī)交互性能。

關(guān)鍵字:  LED,  驅(qū)動(dòng)方式,  單片機(jī),  LCD,  顯示器

來源:寧德師范學(xué)院物理與電氣工程系,福建寧德352100 作者:黃麗霞

針對(duì)小功率LED在現(xiàn)有照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)方式存在的一些不足,設(shè)計(jì)了一種高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為核心控制器件,通過D/A變換構(gòu)成的數(shù)控單元,由運(yùn)算V/I轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng).人機(jī)接口采用獨(dú)立鍵盤及LCD液晶顯示器,控制界面直觀、簡潔,具有良好的人機(jī)交互性能。

LED作為第三代照明光源, 具有工作電壓低, 耗電量小, 發(fā)光效率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn).LED是一個(gè)非線性器件, 當(dāng)LED導(dǎo)通時(shí),只要LED上的電壓發(fā)生微小變化,就會(huì)使電流過大導(dǎo)致LED器件發(fā)熱損壞.LED的工作特性對(duì)其供電電源質(zhì)量的依賴程度很大, 因此實(shí)現(xiàn)一個(gè)高質(zhì)量的供電電源對(duì)提高LED 的照明質(zhì)量、電能利用率、延長LED的使用壽命有著重要的意義.供電電源的穩(wěn)定性主要取決于LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì), 恒流源驅(qū)動(dòng)是最佳的LED驅(qū)動(dòng)方式, 采用恒流源驅(qū)動(dòng),LED上流過的電流將不受電壓、環(huán)境溫度變化, 以及LED參數(shù)離散性的影響, 從而能保持電流恒定, 充分發(fā)揮LED的各種優(yōu)良特性.目前廣泛采用的恒流源有兩種形式: 一種是線性電源改進(jìn)型恒流源, 另一種是開關(guān)電源式恒流源.線性電源改進(jìn)型恒流源的線性損耗大, 適用范圍小; 開關(guān)電源式恒流源的可靠性較差, 適應(yīng)范圍小, 而且成本高.因此,經(jīng)濟(jì)實(shí)用、性能可靠的數(shù)控恒流源就得到了廣泛的應(yīng)用.本文針對(duì)小功率LED在現(xiàn)有照明系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)方式存在的一些不足, 設(shè)計(jì)了一種高效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 提出了一種相應(yīng)的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 LED特性

1.1 LED伏安特性

LED 伏安特性的數(shù)學(xué)模型可以表示為

IF=V+RS+△VF/△T ( T-25℃ ) (1)

式中,V 是LED啟動(dòng)電壓;RS 表示伏安曲線斜率;IF 表示LED正向電流;T 表示環(huán)境溫度;△VF/△T 是LED正向電壓的溫度系數(shù),對(duì)于大多數(shù)LED而言,它的典型值為-2V/℃.從LED的數(shù)學(xué)模型看,在一定的環(huán)境溫度條件下LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起LED電流的很大變化。

1.2 LED溫度特性

LED正向電流的大小是隨溫度變化而變化的, 白光LED的工作電流一般在200mA 左右,當(dāng)環(huán)境溫度一旦超過50℃,白光LED的容許正向電流會(huì)幅度降低而達(dá)不到正常發(fā)光亮度所需的工作電流,在此情況下如果仍舊施加大電流,很容易使白光LED老化。

1.3 LED 光學(xué)

光源的光通量是指單位時(shí)間內(nèi)通過4π立體角的可見光能量.白光LED電流與光通量的關(guān)系如圖1所示,隨著電流的增加, LED的光通量非線性增加,并逐漸趨于飽和.其原因主要是因?yàn)殡S著電流及時(shí)間的增大,大功率LED內(nèi)部溫度上升,發(fā)生在P/N 結(jié)結(jié)區(qū)的載流子復(fù)合幾率下降,造成LED發(fā)光效率降低。

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2 系統(tǒng)方案選擇與比較

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示.

2.2 核心控制器的選擇

控制器采用目前比較通用的STC 系列單片機(jī)STC89C52, 一種帶8K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存(FPEROM—Falsh Programmableand Erasable Read Only Memory)的高性能8 位微處理器.該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容. 由于將多功能8 位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,STC 的STC89C52 是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。

2.3 時(shí)鐘功能模塊的選擇

方案1 采用DS1302 時(shí)鐘芯片. 此芯片體積小、引腳少,操作起來非常方便.缺點(diǎn)是使用時(shí)需要外接備份電池和外部晶振,硬件線路較復(fù)雜,成本較高。

方案2 采用DS12C887 時(shí)鐘芯片.此芯片,體積相對(duì)較大,內(nèi)部集成有可充電鋰電池,同時(shí)還集成32.768kHz 的標(biāo)準(zhǔn)晶振,可有效地保持時(shí)間的連續(xù)性,使用起來非常方便,但價(jià)格昂貴。

方案3 利用單片機(jī)(晶振11.0592M)的定時(shí)器設(shè)計(jì)時(shí)鐘.時(shí)間顯示在1602 液晶上,用獨(dú)立鍵盤調(diào)節(jié)時(shí)鐘的時(shí)、分、秒,并且可以設(shè)置定時(shí).成本低,不需要在啟用其他的芯片和外圍電路,但程序較為復(fù)雜.考慮到性價(jià)比的問題和電路優(yōu)化問題,所以選用方案3.

2.4 恒流源模塊選擇  方案1 采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM 信號(hào),輸出到達(dá)林頓管,經(jīng)濾波器消除紋波,實(shí)現(xiàn)恒流源功能.采用PWM 脈沖方式來實(shí)現(xiàn)的恒流源可簡化硬件電路,易于控制和調(diào)節(jié),但是該方案精度難以保證,要適應(yīng)本設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求在技術(shù)上難度較高,且該方案很難適應(yīng)電流調(diào)節(jié)范圍大的應(yīng)用需求,受紋波和穩(wěn)定性等因素的限制,難以實(shí)現(xiàn).

方案2 由運(yùn)算V/I 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成恒流電路.運(yùn)算放大器構(gòu)成的恒流電路擺脫了晶體管恒流電路受限于工藝參數(shù)的缺點(diǎn).該方案可實(shí)現(xiàn)0~5V/0~500mA 的V/I 轉(zhuǎn)換,且轉(zhuǎn)換精度較高.若輸入端由單片機(jī)配合數(shù)字電位器控制,還可很方便實(shí)現(xiàn)數(shù)控恒流源.

方案3 通過專門的恒流/恒壓芯片LT1769 和簡單的控制線路來實(shí)現(xiàn)壓控電流源方案.這種恒壓芯片具有集成度高,使用起來控制系統(tǒng)的軟硬件都變得相對(duì)簡單的優(yōu)點(diǎn).但缺點(diǎn)是方案實(shí)現(xiàn)不夠靈活;由于該芯片精度不高,設(shè)備性能被局限在這種專用芯片性能指標(biāo)所允許的范圍內(nèi).所以這種設(shè)計(jì)一般只適合于精度要求不高,但集成度和便攜性要求高的場(chǎng)合,事實(shí)證明,這不是做理想的數(shù)控電流源實(shí)現(xiàn)方案.鑒于論證與比較,最終選擇方案2.

2.5 D/A 轉(zhuǎn)換器選擇

對(duì)于D/A 轉(zhuǎn)換器,筆者使用非常普遍的8 位D/A 轉(zhuǎn)換器DAC0832,其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1μs,工作電壓為+5V~+15 V,基準(zhǔn)電壓為±10V,與微處理器接口完全兼容,具有價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn), 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用. 其D/A 轉(zhuǎn)換器由8 位輸入鎖存器、8 位DAC 寄存器、8 位D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。

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3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)電源電路

如圖3 所示, 該電源利用正壓集成穩(wěn)壓器LM7812 和負(fù)壓集成穩(wěn)壓器LM7912 提供對(duì)稱的正/負(fù)12V 穩(wěn)壓輸出,供給運(yùn)放使用,而后再通過LM7805 穩(wěn)壓成5V 輸出,供給單片機(jī)使用。

3.2 LED 驅(qū)動(dòng)電路

圖4 所示的電路可以很方便地實(shí)現(xiàn)電壓/電流的轉(zhuǎn)換.運(yùn)放U1A 構(gòu)成比較器,U1C 構(gòu)成電壓跟隨器,起負(fù)反饋?zhàn)饔?輸入信號(hào)Vi與反饋信號(hào)Vf比較,在比較器U1A 的輸出端可得輸出電壓V1,V1控制運(yùn)放U1B 的輸出電壓V2,從而改變?nèi)龢O管Q1 的輸出電流IL,而輸出IL又影響反饋電壓Vf,到達(dá)跟蹤輸入電壓Vi的目的.輸出電流IL的計(jì)算式為IL=Vf /R13 ,因負(fù)反饋使Vi=Vf ,故而IL=Vi/R13.若R13取值為10Ω,則可實(shí)現(xiàn)0~5V/0~500mA 的V/I 轉(zhuǎn)換;若所選擇器件的性能參數(shù)穩(wěn)定,運(yùn)放UA1,UA2 的放大倍數(shù)足夠大,則其轉(zhuǎn)換精度較高.V13 的電壓由單片機(jī)配合D/A 輸出控制,可很方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字恒流源輸出。

3.3 D/A 轉(zhuǎn)換電路

DA 轉(zhuǎn)換電路如圖5 所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的任務(wù)主要有D/A 轉(zhuǎn)換、步進(jìn)加減、鍵盤掃描、液晶顯示、時(shí)鐘等功能. 為了將所有任務(wù)有序的組織起來, 軟件系統(tǒng)采用前后臺(tái)結(jié)構(gòu).其中鍵盤掃描、液晶顯示,放在主程序中,D/A 轉(zhuǎn)換任務(wù)需要定周期運(yùn)行,放在時(shí)基中斷服務(wù)子程序中運(yùn)行,有效的保證了重要任務(wù)能及時(shí)執(zhí)行.

系統(tǒng)采用看門狗技術(shù),若程序出現(xiàn)死循環(huán)或者跑飛現(xiàn)象,單片機(jī)內(nèi)部的看門狗將使單片機(jī)復(fù)位,將單片機(jī)重新拉回有序的工作狀態(tài)。

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4.1 主程序

系統(tǒng)上電復(fù)位后, 主程序首先完成系統(tǒng)初始化,其中包括I/O 口,中斷系統(tǒng),定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等工作狀態(tài)的設(shè)置,系統(tǒng)變量賦初值等工作.完成系統(tǒng)初始化后打開中斷, 隨之進(jìn)入鍵盤掃描程序, 鍵盤掃描獲取鍵值后, 根據(jù)鍵值完成設(shè)定預(yù)置電流值、步進(jìn)加減、時(shí)鐘調(diào)節(jié)等,并通過LCD 顯示輸出電流值和時(shí)間.主程序流程圖如圖6 所示。

4.2 D/A 轉(zhuǎn)換程序

D/A 轉(zhuǎn)換器DAC0832 的接口形式為并行接口, 因此在對(duì)DAC0832 進(jìn)行操作時(shí)需要考慮到時(shí)序問題.D/A 的控制流程圖如圖7所示。

4.3 時(shí)鐘程序

由于時(shí)鐘沒有借助任何外圍器件,僅依靠單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器來完成時(shí)鐘運(yùn)行,因此對(duì)定時(shí)器進(jìn)行操作時(shí)采用溢出中斷法,秒、分、時(shí)的過渡采用累加跳轉(zhuǎn)處理法.時(shí)鐘的控制流程如圖8 所示。

5 測(cè)試結(jié)果與分析

5.1 測(cè)試儀器本系統(tǒng)的測(cè)試儀器為4 位半數(shù)字萬用表( 勝利VC9806+),示波器.

5.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示.

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測(cè)試結(jié)果分析:由表1 可知輸出電流滿足要求,同時(shí),電流值小時(shí),輸出電流更接近給定電流.電流值較大時(shí),由于系統(tǒng)散熱性能不夠優(yōu)良導(dǎo)致恒流源電源性能下降,引起誤差增大.誤差存在的原因主要是采樣電阻制作誤差,同時(shí)系統(tǒng)工作時(shí)采樣電阻與LED 燈發(fā)熱引起誤差,但總的看來,該電流源有較好的精度。中國照明網(wǎng)技術(shù)論文·LED照明

5.3 難點(diǎn)分析

恒流源的設(shè)計(jì)與制作過程遇到的主要難點(diǎn)在于如何減少紋波.通過仔細(xì)分析,確定要使紋波盡可能小,需要運(yùn)算放大器的電源和輸入端信號(hào)要穩(wěn)定.因此.采用獨(dú)立電源供電,保證了放大器有穩(wěn)定電源電壓,進(jìn)而使輸出較小的紋波電流成為可能.然而,當(dāng)將控制電路與主電路結(jié)合在一起時(shí),輸出紋波電流的增大又成為一大問題.這是由于控制電路的輸出有紋波,加到運(yùn)算放大器的輸入端將紋波放大,導(dǎo)致輸出電流紋波加劇.為解決這一問題,我們?cè)谶\(yùn)放輸入端并聯(lián)電容,以達(dá)到濾波的目的,從而較好的解決紋波問題。

本系統(tǒng)以8 位STC89C52 單片機(jī)控制、調(diào)整主電路輸出電流,并通過液晶顯示電流值,完成了數(shù)控恒流源的制作.驅(qū)動(dòng)電路是由運(yùn)算V/I 轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)構(gòu)成,根據(jù)運(yùn)算V/I 轉(zhuǎn)換路構(gòu)成電流閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)計(jì)算出的值和測(cè)試結(jié)果非常接近,恒流特性較好.通過按鍵調(diào)節(jié)D/A 輸出電流,實(shí)現(xiàn)了輸出電流可調(diào),步進(jìn)加、減等功能.該驅(qū)動(dòng)硬件電路簡單,可靠性好,實(shí)時(shí)性強(qiáng),調(diào)整方便,性價(jià)比高.該方案稍加改造即可實(shí)現(xiàn)各類容量的直流恒流系統(tǒng)。

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    華大電子推出的CIU32L0超低功耗安全MCU產(chǎn)品線是基于ARM 32位內(nèi)核,最高頻率可達(dá)48MHz,具有超低功耗、高集成度、高可靠性、高安全的特點(diǎn)。

  • 華大電子CIU32L0超低功耗安全MCU在血糖儀上的應(yīng)用

    華大電子CIU32L0超低功耗安全MCU在血糖儀上的應(yīng)用

    華大電子面向便攜醫(yī)療領(lǐng)域推出了CIU32L0系列超低功耗安全MCU產(chǎn)品,該系列產(chǎn)品內(nèi)部集成了帶有電荷泵的LCD控制器、高精度ADC、可對(duì)外輸出的內(nèi)部參考電壓源VREFBUF以及多個(gè)高精度Timer等豐富的數(shù)模外設(shè)資源,為血糖儀產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了極大的便利。

  • 柔性板連接器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的優(yōu)勢(shì)

    柔性板連接器在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中的優(yōu)勢(shì)

    在快節(jié)奏的現(xiàn)代電子產(chǎn)品世界中,對(duì)緊湊輕量級(jí)設(shè)備的需求持續(xù)飆升。柔性板連接器可在印刷電路板(PCB)、LCD 和各種電子元件之間實(shí)現(xiàn)靈活的高密度互連。因此,它們?cè)絹碓蕉嗟乇黄嚒⒅悄苁謾C(jī)、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人和醫(yī)療應(yīng)用所采用。本文將探討柔性板連接器的獨(dú)特功能和優(yōu)勢(shì)。

  • 驅(qū)動(dòng)ic漲價(jià)潮哪幾家公司將再創(chuàng)新猶

    驅(qū)動(dòng)ic漲價(jià)潮哪幾家公司將再創(chuàng)新猶

    本文主要介紹了從疫情以來,盡管臺(tái)系LCD驅(qū)動(dòng)IC供應(yīng)商面板廠出貨迅速升溫,造成LCD驅(qū)動(dòng)IC銷售市場(chǎng)供求告急,驅(qū)動(dòng)ic又迎來了一波漲價(jià)潮。臺(tái)系LCD驅(qū)動(dòng)IC各大廠處理得當(dāng)。預(yù)期聯(lián)詠、奇景光電等第一季盈利主要表現(xiàn)應(yīng)有望再創(chuàng)新猶。

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