基于單片機控制的LED路燈節能驅動系統設計

龍興明，周 靜， 廖瑞金

（1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶師范大學物理與電子工程學院，重慶 400047）

白光發光二極管（LED）是一種高效環保的半導體電光轉換光源，相對于傳統光源具有節能、環保、使用壽命長等優點，基于白光LED的大功率照明技術已被列為國家目前發展的重要節能減排措施之一[1]。

大功率白光LED照明具有復雜的驅動特性，首先，不同的LED所需的工作電壓、驅動電流不同；其次，即使在驅動電流不變的情況下，隨著工作時間的增加，工作環境溫度升高也會導致光通量有所降低。現有白光LED路燈驅動技術主要包括阻容降壓以及基于脈寬調制（PWM）的開關恒壓恒流驅動。這些驅動技術使LED照明得到了初步的應用，但是，當溫度、濕度等復雜的外部環境條件以及工作時產生的熱量累積導致LED參數改變時，基于傳統阻容降壓和PWM開關恒壓恒流的簡單穩流驅動不能隨LED參數的改變而作出適時調整，導致驅動效率降低，均流不穩定等問題[2-5]。同時，LED光源的數值化可控特性的應用需求也日益提高，傳統的LED驅動策略極大的制約了LED在這方面的應用。

因此，本文設計具有自適應功能的智能LED驅動電路，為LED照明提供適當的工作電壓、驅動電流，保證其輸出光強具有相對穩定性；同時，利用微控制器的實時控制特性，提出一種LED節能控制方法。

1 LED驅動特性

LED作為半導體冷光光源，它同白熾燈、鹵素燈、汞燈具有明顯不同的驅動特性。

1.1 電流-電壓特性

電流-電壓特性是LED的基本物理特性，它同一般PN結類似，具有死區電壓。當輸出電壓超過死區電壓后，隨著電流的增加，PN結電壓變動不大。PN結標稱工作電流的大小取決于LED規格，PN結的壓降大小除了與PN結電流和溫度有關外，它還取決于制造材料特性。比如：當PN結溫度為25℃，電流為20 mA時，Φ52高亮白光PN結電壓約3.1 V，而Φ52高亮黃光LED的PN結電壓約2 V。

1.2 電流-光通量特性

電流-光通量特性是LED作為照明設計的重要指標。LED輸出光通量的大小同PN結的電流大小有關，在規定電流范圍，輸出光通量同電流成正相關。不同的制造封裝廠家生產的相同規格的LED，它們的電流-光通量具有較大的區別。在20 mA條件下對幾個不同廠家封裝的子彈頭Φ52高亮白光LED樣品的光通量進行測試，發現其光通量分別為4、3.54、3、2.5流明，有較大差別；另外，在電流不變的情況下，隨著工作時間的增加，光通量均有所降低。

1.3 溫度-光譜特性

光譜特性是LED光源顯色指數和色溫的重要依據。實驗測試發現[4]，在PN結電流不變條件下，隨著PN結溫度的升高，LED光源發出的波長將向長波方向移動，另一方面，在電流不變條件下，隨著溫度的升高輸出光通量降低。

2 LED智能驅動系統設計

2.1 LED智能驅動系統原理

根據LED驅動特性的分析可見，（1）不同的LED所需的工作電壓、驅動電流不同；（2）驅動電流不變的情況下，隨著工作時間的增加，光通量有所降低；（3）驅動電流不變的情況下，隨著溫度的升高光通量降低。而LED作為一般照明必須保證其輸出光強對時間和溫度具有相對穩定性。因此，所設計的路燈智能驅動系統采用具有自適應功能的LED驅動電路，對LED陣列提供了適當的工作電壓、驅動電流，并使其對工作溫度等外部條件變化引起的出光特性變化做出適應調整，從而達到最佳的驅動效果。

路燈智能驅動系統框圖如圖1所示，基于單片機控制的LED路燈智能驅動系統包括橋式整流電路、準諧振跨周期DC/DC變換電路、電流/電壓檢測電路、光電隔離電路、LED照明模塊電路、微處理器以及環境光檢測電路和LED結溫檢測電路。其工作原理為：輸入的市電經橋式整流電路整流后，通過準諧振跨周期DC/DC變換電路實現多路輸出，電流/電壓檢測電路接在準諧振跨周期DC/DC變換電路的輸出端，檢測到的相關信號經光電隔離電路送入微處理器進行處理，通過反饋用于控制準諧振跨周期DC/DC變換電路，實現輸出穩定；環境光檢測電路和結溫檢測電路分別檢測環境光的強度和LED模塊的工作溫度，并把檢測結果送入微處理器處理，用于實現LED照明模塊的智能節能控制。

圖1 LED智能驅動控制器框圖

2.2 驅動電路設計

智能路燈驅動系統電路圖如圖2所示。微處理器（uPC）選用STC12C5201AD單片機，它價格低（約4元RMB/PCS）、抗干擾能力強、內部自帶A/D轉換以及PWM發生器，滿足控制器中所需輸入、輸出通道要求。LED路燈采用4路LED照明模塊并聯構成，其中每一路LED照明模塊與準諧振跨周期DC/DC變換電路輸出端相連，同時通過驅動控制電路與微處理器的P1.4～P1.7對應控制端口相連接。P1.4～P1.7引腳作為LED照明模塊電路的PWM控制輸入端口，由微處理器控制其是否接通以及驅動電流的大小。

圖2 LED路燈智能驅動控制電路圖

單片機外圍電路包括時鐘電路、時鐘脈沖電路和紅外通信電路、RS232串口通訊電路；時鐘電路包括實時時鐘芯片DS1302S、晶振Y1和備用電源，實時時鐘芯片DS1302S的SCLK引腳、I/O引腳、RST引腳分別與單片機STC12C5201AD的INT1引腳、T0引腳和T1引腳相連接，為LED模塊節能控制提供確定的時間信號；時鐘脈沖電路為單片機提供時鐘脈沖；紅外通信電路由紅外通信模塊0388完成，接單片機的P3.2引腳，用于通過遙控裝置，實現LED路燈的調試和緊急開關照明電路以及微處理器系統的重啟動；RS232串口通訊端子接在單片機的引腳P3.0和P3.1之間，實現與計算機的串口通信，完成程序更新、下載等工作；

結溫檢測電路主要由熱敏電阻R3完成LED模塊工作溫度的檢測，并把檢測到的信號送入單片機的P1.0引腳，實現LED工作溫度實時檢測。環境光檢測電路主要由光強檢測芯片APD9003構成。光強檢測芯片APD9003的OUT端把檢測到的信號送入單片機的P1.1引腳，實現環境光強度的實時檢測。

照明系統中的LED照明模塊設置了智能和非智能兩種工作模式，非智能工作模式下，LED模塊采用固定驅動，可按時開關路燈；而智能工作模式則是根據環境工作條件而采用自適應節能驅動控制。這兩的工作模式可通過電阻R8進行設定，接在單片機STC12C5201AD的P1.2引腳上，通過高低電平實現LED非智能/智能工作模式的轉換。單片機的P3.7引腳連接有發光二極管D5，用于指示LED模塊的工作狀態。

3 節能控制方法

配合智能路燈驅動系統，在單片機控制系統的設計過程中提出路燈節能控制的方法，該節能控制的流程如圖3所示。主要控制步驟如下：

（1）微處理器系統初始化，系統根據外部指令（紅外通訊或串口通訊）確定是否向各路LED照明模塊電路給電；

（2）確定給電后，系統進入開機緩起動狀態，判斷是否處于智能狀態，如果是，進入步驟（3）；如果否，設定時間內，各路給電強度從0逐漸加大到最大輸出值，開機緩啟動完成后，各路輸出保持在最大功率輸出；

（3）系統通過環境光檢測電路，獲取外部環境光強值，結合該值，在設定時間內向各路LED照明模塊電路給電，給電強度呈線性變化。直至給電強度達到與外部環境光強值相對應的數值；當達到設定的最低外部光強后，系統進入全功率輸出狀態；

（4）在全功率輸出狀態，系統檢測LED照明光源溫度，根據不同的光源溫度，系統通過PWM占空比調整，自動選擇0.6～1倍的全功率輸出；

（5）經過設定時間的全功率輸出態后，由系統自身的定時器時間系統，每隔固定時間，實現恒定光強轉換，即在部分LED照明模塊電路的照明光強逐漸增加的同時，其余部分的照明光強同步減小，該種轉換在兩組LED照明模塊電路之間交替進行;

（6）經過設定時間的兩組LED照明模塊電路交替工作后，各路輸出進行逆開機過程，系統結束向LED照明模塊電路給電。

本節能控制方法具有以下顯著的特點：

（1）具有智能和非智能兩種工作模式。通過設置電阻R8＝0實現非智能模式，默認為智能模式。非智能工作狀態下，在設定時間內（用戶定制），各路輸出強度從0逐漸加大到最大輸出值；智能工作狀態下，通過高性能環境光檢測電路獲取開機時的外部光強，結合環境光強，各路輸出在定制時間內從0逐漸加大到適當輸出值；

（2）全功率輸出態。在非智能工作狀態下，開機緩啟動完成后，各路輸出保持在最大功率輸出；在智能工作狀態下，當檢測到的外部光強減小到設定值后，系統進入最大功率輸出，同時檢測LED光源溫度，如果工作溫度超過45度（可定制），則0.9倍（可定制）全功率輸出，如果超過50度（可定制），則0.8倍（可定制）全功率輸出。

（3）燈頭交替工作。在交通量低的時間段，采取燈頭交替工作模式，根據高精度時間系統，每隔固定時間間隔交替轉換。在轉換過程中采用恒定光強轉換方式，即：其中兩路LED輸出逐漸增加的同時，另外兩路同步減小。這樣可以減小惡劣環境中長時間運行所帶來的LED光衰和老化問題，提高路燈的出光效率，同時延長路燈的使用壽命。

4 結論

本文提出的路燈節能驅動系統充分考慮外部光照、工作溫度等外部條件變化所引起的LED出光特性變化，通過相應的傳感器及微控制器系統自適應調節驅動，充分體現出LED路燈照明系統的自適應性；同時，通過采用“緩啟動”、“交通流量統計時間”以及“基于恒定照度的模塊間交替法”，使路燈達到最佳的利用效果，并且節約了能源，優化了LED路燈系統的照明效率。

[1]LONG X,LIAO R,ZHOU J.Development of street lighting system-based novel high-brightness LED modules[J].IET Optoelectronics,2009,3(1):40-46.

[2]鄧宏貴,梅衛平,曹文暉,等.基于PWM的LED顯示屏像素亮度控制方法[J].光電子技術，2010,30（2）：131-134.

[3]楊曉光,寇臣銳,汪友華.太陽能LED照明路燈充電器的研制[J].太陽能學報，2010,31(1):67-71.

[4]呂運朋,李宏超,籍曉曄,等.基于STC單片機的智能LED路燈控制器設計[J].電源技術，2010,34(5):496-508.

[5]LONG Xing-ming,ZHOU Jing.An intelligent driver for light emitting diode street lighting[C]//Automation Congress,2008.Hawaii:WAC,2008:1-5.