LED可调光自动控制系统设计

ＭＳＰ４３０为主控 部 件，采 用 热 释 电 感 应 器 检 测 人 体 的 存 在 ，运 用 光 敏 三 极 管 检 测 背 景 光 的 强 度 ，通 过恒定电流 源 来 控 制 ＬＥＤ 灯 光 的 强 度。 依 据 楼 宇开关灯的时间，在 规 定 的 时 间 内 对 人 体 和 背 景 光进行 检 测，对 ＬＥＤ 进 行 亮 度 调 节，实 现 楼 宇 灯 光 的 智 能 化 控 制 ，减 少 楼 宇 电 量 消 耗 。
果和安全性，这些优势使得 ＬＥＤ 技术在众多基础 设施建设 中 得 到 越 来 越 多 的 应 用。ＬＥＤ 光 源 被 称为继白炽灯、荧 光 灯 和 高 强 度 气 体 灯 之 后 的 第 四代光源。
目前国 内 外 己 经 开 始 实 行 对 灯 光 的 智 能 控 制，但国内对楼宇 灯 光 的 智 能 控 制 还 是 简 单 且 不 完 善 ，大 多 依 然 是 传 统 式 的 人 工 管 理 ，造 成 了 电 能 浪 费 和 经 济 损 失。 本 设 计 以 低 功 耗 单 片 机
李 渊，李宝营，穆 艳
（大连工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 大连 １１６０３４，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙｕａｎ１９８４３２５＠１６３．ｃｏｍ）
摘 要：基于低功耗 ＭＳＰ４３０单片机的特 点，提 出 一 个 用 数 字 化 恒 流 源 来 控 制 ＬＥＤ 灯 光 可 调 的 设 计 思 路。 在规定时间内，系统通过对背景光和人体红外信号检 测，选 择 ＬＥＤ 需 求 的 亮 度，单 片 机 将 输 出 电 压 数 字 写 入 Ｄ／Ａ 转换器，将 Ｄ／Ａ 输出的电压作为恒流 源 的 输 入 电 压，间 接 地 控 制 功 率 管 的 基 极 电 压 使 功 率 管 输 出 不 同 的电流，实现 ＬＥＤ 亮度数字可调，从而完成对 ＬＥＤ 光强度的智能控制。 关 键 词：ＬＥＤ；ＬＥＤ 亮度；恒流驱动；数字可调；单片机 中 图 分 类 号 ：ＴＭ９２３ 文 献 标 识 码 ：Ａ ＤＯＩ：１０．３７８８／ＹＪＹＸＳ２０１１２６０１．００９６
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ＬＥＤ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ Ｓｙｓｔｅｍ
ＬＩ Ｙｕａｎ，ＬＩ Ｂａｏ－ｙｉｎｇ，ＭＵ Ｙａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｄａｌｉａｎ １１６０３４，Ｃｈｉｎａ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｙｕａｎ１９８４３２５＠１６３．ｃｏｍ）
C5 6800Rp14F VCC
R18 -VCC
100 K
RW1
1K
10 K
图 ２ 背 景 光 检 测 电 路 Ｆｉｇ．２ Ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｌｉｇｈｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
背景光检测电路右半部分是热释电红外传感 器模块［１］。在自然界，任何高于绝对温度（－２７３ ℃） 的物体都将产生 红 外 光 谱，不 同 温 度 的 物 体 释 放 的红外波长不一 样，因 此 红 外 波 长 与 温 度 的 高 低 有关。人体或者动物都有 恒 定 的 体 温，一 般 在 ３７ ℃，所 以 会 发 出 特 定 波 长 为 １０μｍ 左 右 的 红 外 线。热释电红外传感器能将检测到的人或某些动 物发射的红外线转换成电信号输出。如果单片机 接 收 到 传 感 器 输 出 的 是 高 电 平，则 认 为 有 人 体 存在。 ２．３ ＬＥＤ 恒流源驱动及数字可调光控制电路 ２．３．１ ＬＥＤ 恒流源驱动设计
VCC
Q3 NPN-PHOTO
R5 10 K VCC
4
R20
10 K
R19 10 K
2 US3+
6
R7
1K
8
1
7
OP-07 R6 5K
VCC
VCC
R17
1K
C7
R15 1 滋F 10 K -VCC
4
2 -
3+
U6 6 AD IN
HP208
VCC 1 2 3
7
R16 10 K
VCC
1
8
OP-07
热 释 电 OUT
常用的光电转换器有光敏三极管和光敏二极 管。由于光敏三 极 管 的 结 构 和 工 作 特 点，其 比 光 敏二极管具有 更 高 的 灵 敏 度［１］，所 以 根 据 需 求 采 用光敏三极管来完成对环境光的检测。人体作为 数据采集的另一 主 要 对 象，系 统 采 用 基 于 红 外 线 技术的自动 控 制 模 块 ＨＰ－２０８ 进 行 检 测，该 模 块 灵敏 度 高，可 靠 性 强，可 以 全 自 动 感 应：人 进 入 其 感应范围输出高 电 平；人 离 开 感 应 范 围 则 延 时 关 闭 高 电 平 ，再 输 出 待 机 时 的 低 电 平 。
背景光检测 电 路 如 图 ２ 所 示，当 背 景 光 强 度 大于一 定 程 度 时，光 敏 三 极 管 Ｑ３ 呈 现 低 阻 状 态， 发射极输出高电平。当背景光强度小于一定程度 时，光敏 三 极 管 Ｑ３ 呈 现 高 阻 状 态，发 射 极 输 出 低 电平。发射极输 出 电 压 经 二 级 运 放 后 输 入 到 Ａ／ Ｄ 转换器当中。由于单片机当中已经集成了高精 度的１２位 Ａ／Ｄ 数 模 转 换 器，故 设 计 中 直 接 选 用 其内部 Ａ／Ｄ 转 换 器，其 模 拟 量 输 入 控 制 范 围 为 ０～５Ｖ，由单片机的存储及其控制寄存器 Ｓｒｅｆ位 确定。为了提高 电 压 采 样 的 灵 敏 度，采 用 两 级 运 算放大器对采样电压进行放大。为了减小两级运 放 产 生 的 输 入 失 调 电 压 ，电 路 中 设 计 了 调 零 电 路 ， 其由 Ｒｗ１、Ｒ１７和 Ｒ１８ 构 成。 单 片 机 通 过 获 取 Ａ／Ｄ 转换器的转换结果来判别背景光的强度。
９ ８
液 晶 与 显 示
第 ２６ 卷
功率管的阻值大小，使得流过 ＬＥＤ 的电流维持在
一个恒定的值。但是由于功率管工作在线性区，
消 耗 了 较 多 的 功 率 ，所 以 系 统 的 效 率 不 是 很 高 。
（３）开关 稳 压 器 控 制。 开 关 电 源 电 路 通 过 调
节开关功率管的 通 断 比 调 节 输 出 电 压 的 大 小，可
以有效提高整个 系 统 的 效 率，是 所 有 驱 动 电 路 中
效 率 最 高 的 ，但 其 成 本 高 于 线 性 控 制 和 电 阻 器 ，同
时还增大了系统的板面积。
ＬＥＤ 发光的能量来自 于 电 能，输 入 的 电 能 量
决定了输出 的 光 能 量。 根 据 ＬＥＤ 在 常 温 下 的 伏
wk.baidu.com
安特性曲线Ｉ＝ｆ（Ｕ）可知，ＬＥＤ 的正向电压小于
目前 有 ３ 种 典 型 的 直 流 供 电 系 统 应 用 方 案 ： ［２］
（１）电阻 限 流 法。 只 需 要 一 个 限 流 电 阻 就 可 以控制 ＬＥＤ 的光强，但是限流电阻会消耗大量的 功率使得系统的效率比较低。
（２）线性控制法。电路中对 ＬＥＤ 串联一个工 作于线性区的功 率 管，通 过 电 流 串 联 负 反 馈 调 节
热释电红外 传感器模块
时钟电路
A/D MSP430
背景光检测 模块
电源、 看门狗
D/A
LED 驱动 控制模块
图 １ 系 统 硬 件 框 图 Ｆｉｇ．１ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ
２．１ ＭＳＰ４３０ 单 片 机 特 点 系统主控模块采用 ＴＩ公司生产的１６位高性
某一阈值时正向电流 极 小，ＬＥＤ 不 发 光。 当 正 向
电压超过某一阈 值 后，正 向 电 流 随 电 压 呈 指 数 曲
线增加，从而使 ＬＥＤ 发光。通过控制其正向电压
Ｕ 就可以控制其正向电 流Ｉ，从 而 控 制 ＬＥＤ 的 发
光亮度。但是采用恒压源 作 为 ＬＥＤ 的 驱 动 源，Ｕ
微小 的 变 化 就 会 引 起Ｉ 较 大 的 变 化，发 光 亮 度 也
ｃｈｉｐ ｃｏｍｐｕｔｅｒ
１ 引 言
一百多年来，电 气 照 明 经 历 了 ３ 个 重 要 的 发 展 阶 段 ，这 ３ 个 阶 段 的 代 表 性 光 源 分 别 为 白 炽 灯 、 荧光灯和高强度气体放电灯。ＬＥＤ 是２０世纪９０ 年代发展起来的 新 一 代 冷 光 源，具 有 传 统 光 源 无 可 比 拟 的 优 势 ：节 约 能 源 、保 护 环 境 、寿 命 长 、减 少 维 护 费 用 、提 供 更 好 的 灯 光 品 质 、改 进 灯 光 视 觉 效
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ ＭＳＰ４３０ ＭＣＵ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａｎ ｉｄｅａ ｔｈａｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｏｆ ＬＥＤ．Ｉｎ ａ ｓｐｅｃｉｆｉｅｄ ｔｉｍｅ，ＭＣＵ ｓｅｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｏｆ ＬＥＤ’ｓ ｄｅｍａｎｄ ｂｙ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ｈｕｍａｎ，ｗｒｉｔｅｓ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎ Ｄ／Ａ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｂｙ Ｄ／Ａ ｉｓ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｕｒｃｅ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｂａｓｅ ｐｏｌｅ ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｎｄ ｌｅｔｓ ｉｔ ｐｒｏｄｕｃｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｕｔｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖａｌｕｅ． Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｏｆ ＬＥＤ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ＬＥＤ’ｓ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ；ＬＥＤ’ｓ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ；ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅ；ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ ｎｕｍｂｅｒ；ｓｉｎｇｌｅ
２ 控制系统硬件设计
控制系统硬 件 组 成 以 ＭＳＰ４３０ 为 微 控 制 器， 辅以外围电路如热释 电 红 外 传 感 器 模 块、ＤＳ１３０２ 时钟电路、ＡＤ／ＤＡ 数据 采 集 处 理 系 统 模 块、背 景 光检测模块 和 ＬＥＤ 驱 动 模 块。 其 系 统 硬 件 框 图 如图１所示。
收 稿 日 期 ：２０１０－０７－２７；修 订 日 期 ：２０１０－０８－１６ 作 者 简 介 ：李 渊 （１９８４－ ），男 ，内 蒙 古 呼 和 浩 特 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 自 动 化 控 制 。
第１期
李 渊，等：ＬＥＤ 可调光自动控制系统设计
９ ７
能 ＭＳＰ４３０ 单 片 机 Ｆ１３５。 它 采 用 “冯－纽 曼 ”结 构，ＲＡＭ、ＲＯＭ 和全部外围模块都位于同一个地 址空 间 内，其 具 有 丰 富 的 片 内 外 围，性 价 比 极 高。 它 的 显 著 优 点 在 于 低 电 源 电 压 、超 低 功 耗 、强 大 的 处 理 能 力 、系 统 工 作 稳 定 、丰 富 的 片 上 模 块 和 方 便 高 效 的 开 发 环 境 ，自 带 看 门 狗 功 能 ，可 监 视 外 部 电 源变化同时避免 软 件 出 现 死 循 环，确 保 控 制 系 统 运行可靠。ＭＳＰ４３０单片机集中体现了现代 单 片 机先进的低功耗设计理念。 ２．２ 数 据 采 集 模 块
第 ２６ 卷 第 １ 期 ２０１１ 年 ２ 月
液 晶 与 显 示
Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙｓ
文 章 编 号 ：１００７－２７８０（２０１１）０１－００９６－０４
Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．，２０１１
ＬＥＤ 可调光自动控制系统设计