多通道LED照明控制系統設計

郝彬，岳思軒，薛一民，黃偉，李樹鳳

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津300222；2.天津光電華典科技有限公司，天津300211；3.科信達通（天津）科技發展有限公司，天津300101）

多通道LED照明控制系統設計

郝彬1，岳思軒1，薛一民1，黃偉2，李樹鳳3

（1.天津職業技術師范大學電子工程學院，天津300222；2.天津光電華典科技有限公司，天津300211；3.科信達通（天津）科技發展有限公司，天津300101）

為進一步提升LED照明燈具使用的舒適性，設計了一種能夠實現多通道控制的照明系統，可對LED燈頭照明強度進行無級調節。系統采用STM32F10x芯片作為核心控制器，利用STM32芯片內置PWM控制通道多的特點，實現多通道LED調光的功能；使用2.8寸觸摸屏作為顯示控制終端，并采用STemWin中間件開發用戶交互程序。實驗結果表明：通過調整各通道PWM信號，占空比由0～100%變化時，LED燈頭的驅動電流呈線性變化，較好地實現了無級調光功能。

多通道；LED照明；STM32；PWM控制

隨著社會經濟的快速發展，如何實現照明場所的智能化控制，已成為環境照明工程項目中研究的主要課題。目前，居家或辦公場所的照明系統大多采用簡單的開關控制，每個照明燈都需要手動控制，使用不便，智能化程度較低，容易造成能源浪費。一般照明燈都采用單一光強模式，在白天室內照度相對較高的情況下無法調整，而人在高強度光強度下，眼睛也會感到不適。因此，如何實現多通道的光照強度任意調節功能，是照明系統中需要解決的問題。近年來，LED照明技術日趨成熟［1-2］，大量的LED照明燈具正逐步取代常規白熾燈泡和日光燈管進入家庭和辦公場所。2009年，國家發改委聯合住建部等六部委出臺了《LED照明節能產業發展意見》，明確了我國LED照明產業的發展目標，即具體目標為2015年半導體照明節能產業產值年均增長30%。國家相關部委開展的針對LED照明產品的一系列推廣活動及出臺的相關政策，極大地加快了我國LED照明產業的發展步伐，對LED在照明領域的應用起到了積極的推動作用［3-4］。針對上述技術發展趨勢，本文設計了一套多通道LED照明控制系統，采用LED光源，實現多通道的LED照明強度任意調節功能。在日常生活環境中應用該設計，可改善照明舒適度，在照明控制和管理方面更加智能化、具體化，有利于節能降耗［5］。

1　系統設計

系統采用STM32F10x系列芯片作為核心控制器［6］，利用STM32芯片脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）控制通道多的特點，實現多通道LED調光的功能；選用2.8寸帶觸摸功能的液晶屏作為顯示控制界面，方便易用；采用STemWin中間件開發用戶界面，系統框圖如圖1所示。在LED照明中加入調光功能，發光的效率會提高，原因在于通過燈的正向電流與燈的光通量呈正比，在發光亮度低時，會減小流過LED燈的電流，因此節能效果更加明顯；而照明調光在視覺空間上的改變效果，也給人們帶來舒適感。

圖1　多路照明系統結構圖

1.1微控制器特點

該設計采用意法半導體公司（ST）基于ARMCortex-M3內核，專為高性能、低功耗、低成本要求的嵌入式應用而設計的微控制器STM32。其中，STM32F10x系列為“增強型”系列產品，時鐘頻率可達72 MHz，滿足工控領域的一般應用需求，即使全速運行，功耗也僅0.5 mA/MHz，是一款低功耗的32位微控制器［7-8］。

采用的具體芯片型號為STM32F103RCT6，其配置為：256 kB的Flash、48 kB的SRAM、8個定時器、16×12位的A/D、64引腳封裝及5個串口且自帶CAN總線接口等。這種配置在一般工控應用場合非常實用，且其價格與51單片機處于同一水平。

1.2多路PWM控制實現

常見LED調光方式有3種：PWM控制調光、可控硅調光和線性調光。對于其他調光方式而言，PWM通過控制輸入的脈沖信號占空比改變LED通過電流的大小，從而調節光照水平，占空比可從0～100%變化，一個周期內流過LED平均電流值呈線性趨勢。該設計采用的微控制器本身具有這種方法所需的PWM信號源，并且集成度高，易于實現［9］。

STM32F103RCT6芯片內部具有8個定時器。除了TIM6和TIM7，其他定時器都可用來產生PWM輸出。高級定時器TIM1和TIM8可以同時產生多達7路PWM輸出，TIM2、TIM3等通用定時器能同時產生4路PWM輸出。由于觸摸屏的顯示尺寸正好能放置4路控制模塊，所以采用TIM2作為PWM發生器。通過增加定時器很容易增加通道數量。

LED燈頭采用直流PWM進行驅動，發熱少、體積小、電路簡單，有多種驅動芯片可供選擇，如AMC7150、PT4115、PT4105和MC34063等。

2　軟件實現

2.1PWM波形控制

多通道LED照明控制采用直流開關PWM方式實現，如何實現PWM占空比的精確控制是軟件編程的重點。設計選用TIM2作為PWM發生器，產生4路PWM信號。TIM2輸出到PA0－PA4引腳，對應PWM通道CHANEL1－CHANEL4。

為易于觀察，設定定時器的自動重裝載值ARR= 2 678，預分頻值PSC=12。根據72 MHz的系統時鐘，通過公式可計算出PWM的脈沖頻率約為2 kHz，PWM頻率計算式為：

對STM32實現PWM脈沖占空比的控制需完成以下6個步驟設置［10］。

（1）使能TIM2的定時時鐘，使能GPIOA時鐘。

RCC_APB1PeriphClockCmd

（RCC_APB1Periph_TIM2，ENABLE）；

//使能TIM2時鐘

RCC_APB2PeriphClockCmd

（RCC_APB2Periph_GPIOA

|RCC_APB2Periph_AFIO，ENABLE）；

//使能GPIOA時鐘

（2）指定TIM2的PWM輸出到PA0（PA1、PA2、PA3類似），設置引腳工作方式。

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0；//設置TIM2輸出到PA0（CHANEL1）

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=

GPIO_Mode_AF_PP；//設置推挽輸出方式

GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=

GPIO_Speed_50 MHz；

GPIO_Init（GPIOA，&GPIO_InitStructure）；

（3）初始化定時器的自動重裝載值和預分頻值。

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=ARR；//設定自動重裝載值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=PSC；//設定預分頻值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0；

//設定時鐘分割

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=

TIM_CounterMode_Up；//設定向上計數方式

（4）初始化PA0（PA1、PA2、PA3類似）輸出比較參數。

TIM_OC1Init（TIM2，&TIM_OCInitStructure）

（5）使能預裝載定時器。

TIM_OC1PreloadConfig

（TIM2，TIM_OCPreload_Enable）；

（6）使能TIM2。

TIM_Cmd（TIM2，ENABLE）

完成以上設置后，調用函數TIM_SetCompare1實現產生不同占空比的PWM波形效果。

2.2圖形交互界面設計

對嵌入式系統用戶來講，用戶的交互界面好壞無疑是決定系統優劣的重要因素之一。優秀的圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）無疑讓用戶更愿意接受。多通道照明控制系統采用基于STemWin中間件進行GUI設計［11］。

STemWin是廣泛用于嵌入式應用的圖形支持中間件。它用來為任何使用圖形LCD的應用提供一個有效的、不依賴于處理器和LCD控制器的圖形用戶接口，能在單任務或多任務的操作系統環境下工作。作為中間件，STemWin適用于任何LCD控制器和CPU進行任何尺寸的物理顯示和虛擬顯示，其采用ANSI C語言編寫，因此適合于所有的CPU。STemWin有一個很好的顏色管理器，允許處理灰階顯示，適合大多數使用單色和彩色LCD的應用程序。同時，該中間件提供了可擴展的2D圖形庫和視窗管理器，可使用很小的RAM支持窗口顯示。

由于該系統的硬件基于STM32F103RC微控制器進行開發，所以選用STemWin進行圖形用戶界面設計。系統采用一款2.8寸的TFTLCD作為顯示終端，其具有觸摸功能，在很小的終端上完成信息顯示和用戶操作，方便易用。STemWin中提供了GUIBuilder窗口設計工具，使界面設計更加方便。設計完成的用戶界面如圖2所示。

圖2　用戶界面

由圖2可知，系統可以進行4通道LED照明燈的控制，通過各通道的滑動條調整各通道的占空比，變化范圍在0～100%。當前的占空比值可在滑動條后面的編輯框中顯示，由于屏幕尺寸小，對于更多通道增加了“NEXT PAGE”的翻頁按鈕。該用戶界面采用GUIBuilder進行設計。GUIBuilder可以自動生成C語言代碼，以GUI_WIDGET_CREATE_INFO_aDialog Create數組形式描述在對話框中需要創建的窗口小工具的資源列表詳細參數，根據這些參數，STemWin可以創建出如圖2所示的窗口界面。

資源列表實際是GUI_WIDGET_CREATE_INFO結構數組，例如其中1個數組元素的控件描述為｛TEXT_ CreateIndirect，"Duty_Ratio"，GUI_ID_TEXT8，156，5，78，23，0，0｝，其含義是使用TEXT_CreateIndirect函數創建一個文本框，文本框的標識ID是GUI_ID_TEXT8，顯示的內容是占空比"Duty_Ratio"，在窗口中的位置坐標是（156，5），文本框的像素尺寸是78×23。在程序中，調用創建并執行對話框的API函數GUI_ExecDialog Box（_aDialogCreate，GUI_COUNTOF（_aDialogCreate），&_cbCallback，0，0，0）就可以在LCD上顯示圖2的用戶界面。顯示用戶界面只是PWM多通道照明控制系統軟件的第一步工作，要實現各通道的調光控制還要與硬件交互。滑動條對占空比的控制是在窗口的回調函數中實現的。在回調函數中的消息循環中，針對滑動條的WM_NOTIFICATION_VALUE_CHANGED消息專門編寫了一個處理函數_OnValueChanged，用來讀取滑動條的當前值，并轉化成相應的PWM波形占空比參數，通過調用TIM_SetCompare1設置輸出波形，并更新文本框顯示當前占空比值。

3　驅動電路設計

該系統選用符合MR-16標準的LED燈頭作為驅動對象。這種燈頭的應用范圍廣泛，如天花板燈、臺燈、吊燈、景觀照明、零售業照明、自行車車頭燈等，具有一定代表性。為實現對LED燈頭的供電驅動，設計了可以提供4路輸出的LED驅動板，如需增加燈頭數量，僅需使用更多驅動板即可。驅動芯片使用AMC7150，這款LED驅動芯片峰值電流可達1.5 A，功率高、成本低，廣泛應用于LED照明和汽車照明領域。AMC7150內建PWM功能和功率晶體管，僅需5個外部元件就可實現一個燈頭的驅動功能。單通道LED驅動電路如圖3所示，圖3中電路只給出其中一個通道。AMC7150輸入工作電壓為4～40 V，電源適應能力強，最高驅動電流1.5 A，工作頻率可達200 kHz，在穩定工作狀態下，可以通過調整外部電阻值來改變輸出電流。

圖3　單通道LED驅動電路

電路中輸入電容C1用來保持輸入電壓并濾除IC產生的開關噪聲。電阻R為峰值電流感測電阻，其值決定通過LED的峰值電流IPK，手冊上給出的計算式為：

當電路中選擇的R=0.33 Ω，則IPK為1 A。為保證LED平均驅動的電流不超過1.5 A，R值不能低于0.2 Ω。PWM調光脈沖通過高速開關二極管IN4148加到AMC7150的OSC引腳，通過調節PWM信號的占空比，可以實現LED的亮度調節。

4　實驗驗證

為驗證系統的實際調光效果，測試過程中在驅動板的驅動輸出端串入電流表，測試流過LED燈頭的實際電流。通過觸摸屏界面調整PWM信號不同占空比時，用電流表測得的流過LED燈的驅動電流曲線如圖4所示。

圖4　PWM占空比-LED驅動電流曲線

從圖4中可以看出，由于AMC7150是低電平有效，所以在占空比為0時，LED獲得最大的驅動電流，且驅動電流值與供電電壓Vin的大小直接相關。當Vin=13.5 V時，LED最大的驅動電流為364 mA；當Vin=12.5 V時，LED最大的驅動電流為280 mA，所以適當調整供電電壓Vin可以進一步提升照明的強度。此外，通過LED的驅動電流值與PWM的占空比滿足線性關系，這樣可以獲得很好的調光效果。

5　結束語

本文設計了一種能夠實現多通道控制的照明系統，實現了多LED燈頭照明強度無級調節功能。系統以STM32F10x芯片作為核心控制器，充分利用STM32芯片內置PWM控制通道多的特點，實現多通道LED調光的功能。該設計使用2.8寸的觸摸屏作為顯示控制終端，采用STemWin中間件開發用戶交互程序，并使用AMC7150設計寬電壓適應范圍的LED驅動板。實驗結果表明，通過觸摸屏調整PWM波形的占空由0～100%的變化過程中，LED燈頭的驅動電流呈線性變化，很好地實現了無級調光功能，說明該系統具有應用推廣價值。

［1］葉峰.LED在道路照明中的應用現狀與趨勢［J］.照明工程學報，2012，23（2）：29-32.

［2］鄭孟.LED照明優缺點及其應用［J］.山西建筑，2011，37（14）：122-123.

［3］竇林平.國內LED照明應用探討［J］.照明工程學報，2011，22（6）：54-58.

［4］張建碧.智能照明控制系統發展趨勢［J］.無線互聯科技，2012，11（6）：47-48.

［5］紀祥和，張桂青.智能家居環境下家庭節電控制方法研究［J］.機電節能，2015，9（6）：48-53.

［6］賀洪江，程琳.基于STM32與MODBUS協議的超聲波測距儀設計［J］.儀表技術與傳感器，2014（11）：27-29.

［7］意法半導體公司.STM32F103xCDE數據手冊［Z］.北京：意法半導體（北京）研發有限公司，2015.

［8］王紀永，王建平.基于兩通道PWM的LED調光調色方法［J］.光電工程，2012，39（7）：132-136.

［9］付賢松，任夢奇.基于SSL2129AT的新型隔離式PWM調光LED驅動電路［J］.天津工業大學學報，2015，34（5）：85-88.

［10］孟博宇.STM32自學筆記［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2012.

［11］SEGGER.emWin用戶手冊（5.12）［Z］.SEGGER Microcontroller GmbH&Co KG Hilden，2011.

Multichannel LED control system with dimming function

HAO Bin1，YUE Si-xuan1，XUE Yi-min1，HUANG Wei2，LI Shu-feng3
（1.School of Electronic Engineering，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China；2.TOEC Huadian Technology Co Ltd，Tianjin 300211，China；3.Keystar-Technology Co Ltd，Tianjin 300101，China）

In order to improve the comfort of the LED lamps，a multichannel dimming equipment is presented in this paper. LEDs can be adjusted to any level of lighting intensity with it.The STM32F10x processor with many PWM multiplexed channels is chosen as the micro-controller.The MCU performs as a Pulse Width Modulation（PWM）source generator to realize dimming function.The graphical user interface（GUI）is designed by STemWin middleware and shown on a 2.8 inches touch screen.The experiment results show that the driver current through the LEDs has a linear relationship with the PWM duty ratio，from 0 to 100%.The device as a unlimited dimmer works fine.

multichannel；LED lamp；STM32；PWM control

TM923.02

A

2095－0926（2016）02－0022－04

2016-04-11

天津職業技術師范大學科研發展基金項目（KJ15-14）.

郝彬（1973—），男，高級工程師，碩士，研究方向為數據通信與自動控制.