一種均勻劃分LED燈亮度等級的實現方法

安徽工業大學電氣與信息工程學院 苑香平

1 前言

眾所周知，人類照明史源遠流長，見證著人類文明的發展與進步。最初的篝火、油燈和蠟燭這3種照明方式效率極低，根本無法滿足人類的應用需求。直到碳絲燈泡發明以后,人類才步入電氣照明的新時代,繼而又出現了汞燈、鈉燈、熒光燈和各系列金屬鹵化物燈等，不勝枚舉。然而，進入21世紀以來，“綠色照明”的新理念使得高效、節能的LED燈呼之欲出，并迅速普及開來。當然，人類不僅僅希望LED燈能夠發光，更多的是要有與環境相適配的光照強度，按此要求，性能優良的調光方案將備受青睞。湊巧的是，在"藍橋杯"大賽電子類的試題當中也出現了對LED燈進行調光的要求,故借此機會給出相應的解決方法。

本文提出一種對LED燈亮度等級進行均勻劃分的實現方法。該方法基于“藍橋杯”大賽CT107D專用硬件平臺，通過對IAP-15F2K61S2單片機的內部定時器加以設置，能夠將脈沖寬度調制（PWM）技術基本原理“軟化”，從而實現對LED燈4個均勻亮度等級的劃分。此套軟件控制程序可通過實際進一步應用于其他單片機開發平臺當中，并驗證其穩定性。

2 CT107D綜合訓練平臺

CT107D是北京國信長天科技有限公司為“藍橋杯”大賽設計的一款競賽專用平臺,所兼容單片機的類型較為豐富。該平臺載有8位LED燈指示模塊、8位8段共陽極數碼顯示模塊、4*4矩陣鍵盤、EEPROM芯片AT24C02和NE555信號發生器等眾多模塊資源，因此可利用由平臺上的部分資源所組成的微系統對LED燈進行調光，其中的8位LED指示燈和IAP15F2K61S2單片機將會在下文著重介紹。

圖1 LED燈調光微系統硬件組成框圖Fig.1 Block diagram of hardware composition of light dimming microsystem for LED lamp

如圖1所示，該系統的工作原理如下：在任一時刻，按下系統啟動功能按鍵，系統開始投入運行。數碼顯示平臺記錄著LED燈當前的狀態,通過功能切換按鍵可連續產生4個均勻的亮度等級,并在LED燈指示平臺上得以觀測。最后，按下系統停止功能按鍵，系統立刻退出運行，各部分資源將恢復初始狀態。由此，可得到如圖2所示的系統工作流程圖，繼而指導軟件控制程序的設計。

3 8位LED指示燈

LED燈（Light-Emitting Diode Light）即發光二極管，利用半導體PN結發光原理制成，可發出紅、橙、黃、綠、藍等多種色光，而生活中應用較廣泛的是白光LED燈。較傳統的白熾燈而言,白光LED燈因具有綠色、環保等優點而占據了照明領域的絕大部分市場，正因如此，CT107D綜合訓練平臺用它來作指示燈。

圖2 LED燈調光微系統工作流程圖Fig.2 Working flow chart of light modulation micro system for LED lamp

4 調光方案比較

4.1 方案一

采用阻值可變的電阻與LED燈串聯在電源回路當中,這時只需通過電位器改變電路中的電流便可調節LED燈的亮度。該方案雖簡單易行，但功耗大，電路很不經濟。

4.2 方案二

給LED燈安置專用的驅動芯片，只要改變電路中外接電阻的大小即可改變芯片驅動電流，從而調節LED燈的亮度。該方案比方案一效率高，功耗也大大減少，但成本較高。

4.3 方案三

利用專門的LED燈調光器，其工作原理是借助于采用模擬線性技術的恒流電源進行調控或者將多個LED燈分組，用簡單的分組器進行調控。該方案性能優良，但制作工藝復雜，維護成本較高。

4.4 方案四

基于PWM波調制技術，通過改變矩形波脈沖的寬度即單位周期內的占空比來改變電流的導通時間或LED燈連續點亮的時間，進而改變LED燈的亮度。該方案效率較高，但改進難度大，搞不好會燒驅動。

綜上所述，4種方案各有千秋。由于受到CT107D綜合訓練平臺上已固化硬件電路的限制，可采用方案四（PWM波調制）進行測試。

5 IAP15F2K61S2芯片

該芯片是宏晶公司最新的STC 15系列單片機，因具有兩組高速異步串行通信端口（可同時使用），只需一根優質的USB線即可實現系統功能。其內置增強型8051CPU，集成有3個16位可編程定時器/計數器T0、T1和T2。對于T0和T1而言，通過配置SFR中TMOD的M0和M1位便可產生4種工作方式，而T2則固定為16位自動重裝初值方式，故可選用工作在不同方式下的任意一個定時器來對PWM波進行調制。

6 PWM控制技術

脈沖寬度調制（PWM,Pulse Width Modulation）控制是一種基于面積等效原理，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需波形的實用技術。該技術側重于矩形波脈沖波形的3個基本要素即幅度（電壓等級）、周期和寬度（占空比），幅度通常固定，周期可通過定時中斷累積的變量最值來確定，而寬度則是通過變量實際值與參考值的比較差來調節的。因此，只要將變量最值累積過程劃分為4個等長的區間段，就可以形成4種占空比依次等幅遞增的PWM波，將其應用在LED燈的控制上便可實現LED燈亮度的均勻調節，詳細的實現過程可參見下文的軟件控制程序。

汲取方案四的核心思想，同時結合圖2所示的LED燈調光系統工作流程圖，不難設計出一套完整的軟件控制程序。下面通過部分程序來對LED燈的調光原理作一補充說明。

7 結語

本文所設計的軟件控制程序可輕松劃分出LED燈的4個均勻亮度等級，能夠滿足賽題要求。此套控制程序已通過實際應用于CT107D綜合訓練平臺上，經驗證其工作穩定，演示效果良好，并因此在“藍橋杯”大賽中取得了優異的成績。相信隨著控制技術理論的不斷向前發展，LED燈的調光性能將會屢上新臺階。