基于WiFi調光的LED驅動控制器的設計*

陳家明，師文慶

（廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東湛江 524088）

0 引言

近幾年，LED光源照明行業年產值增幅均高于39%。根據中國光學光電子行業協會LED顯示應用分會的統計調查可知，2015年度全國LED顯示應用行業市場銷售總額為310億元，2016年度市場總體規模為335億元，較2015年度增長了8.1%。隨著科學技術進步，LED光源照明技術各方面進一步完善，價格也出現極大的調整，應用范圍越來越廣泛，其中在顯示應用、照明應用和植物輻照應用等領域應用廣泛[1-2]。

LED光源在信息顯示領域的應用，其產品涵蓋從一般文字信息發布到高端全彩視頻顯示屏，已形成一條完整的產業鏈。此外，LED光源照明技術在植物的種植領域具備十分優勢。不同植物整個的生長發育、開花結果過程，其吸收光波長峰值也有差別，同一種植物在不同生長階段所需光強和光波也是不一樣的。要使植物生長達到最大的效率，在植物生長過程中適當地改變光波長和調節光照強度是極為重要的[3]。LED光源不同于普通的白熾燈可以直接采用220 V的交流電進行供電。此外，LED光源是特性敏感的半導體器件，又具有負溫度特性，必須通過低電壓驅動。在實際應用過程中必須使用相應的驅動器。LED驅動器的作用就是在輸入電壓和環境溫度等因素發生變動的情況下能穩定地控制LED電流的大小，提供穩定的工作電流、工作電壓，保證LED光源的光輸出將隨輸入電壓和溫度等因素變化而變化，不會出現LED電流失控。結合調光技術可以有效地降低LED光源的溫度，延長LED光源的使用壽命，只有LED驅動器和LED調光系統的兩者相結合才能更好地發揮LED的長處，確保LED光源的可靠性和實用性。

1 硬件電路設計

1.1 系統概念圖

LED驅動器由驅動電源、直流驅動、調光和多種保護電路所組合起來的，保證通過LED負載的是恒定的直流電，并且要降低自身電路的功耗[4]。

如圖1所示，本文設計的基于WiFi調光的LED驅動控制器主要由MCU微處理器、電源模塊、定時器模塊、顯示器模塊、紅外接收模塊、WiFi手機通訊模塊和四路LED驅動模塊七部分組成。電源模塊把輸入DC36V的恒壓電源轉化成DC5V和DC3.3V，分別給MCU微處理器、WiFi手機通訊模塊顯示模塊等供電。而LED驅動模塊則是采用開關電源DC36V進行供電，分別驅動四路LED光源。MCU微處理器負責將WiFi手機通訊模塊和紅外接收模塊接收到的調光數據和控制信息進行解析，將其中的通信數據轉化成相應占空比的PWM信號輸出給驅動模塊的數字調光端口，從而實現遠程無線數字調節光強和控制裝置的目的。WiFi手機通訊模塊和紅外接收模塊是無線數據可靠傳輸的核心模塊，在裝置正常工作后，可以用智能手機或者平板電腦等智能終端通過WiFi鏈接到裝置，并且可以通過手機控制軟件和紅外遙控器以無線電形式發送調光數據和控制命令等信息進行控制裝置。

圖1 系統概念框圖

2.2 電源模塊設計

由于本裝置使用36V開關電源為整個系統進行供電，而系統的MCU微處理器、WiFi手機通訊模塊、定時器模塊等需要的是5 V和3.3 V供電，壓差最大達到32.7 V，直接使用開關電源供電將導致芯片燒壞。而且由于本裝置的WiFi模塊ESP8266對供電電源的紋波要求很高，若供電壓差過大會導致其重啟。因此，采用如圖2所示的電源降壓電路，其中的XL1509是一個150 kHz固定頻率脈寬調制（降壓型）DC∕DC轉換器，具備2A負載驅動能力、效率高、低紋波和極好的線性、負載調節能力好等優點。LM1117是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩壓電路，在1 A輸出電流下的壓降為1.2 V，輸出5.0 V的電壓精度為1%，同時內部集成過熱保護和限流電路。故電源降壓電路使用XL1509降壓型DC轉換器把36 V轉換為5 V，再利用LM1117把5V轉換成3.3 V給相應的芯片系統供電，解決芯片發熱和電源紋波兩個問題。

2.3 定時器模塊設計

定時器是單片機系統以及各電路模塊非常重要的組成部分，定時器是保證電路正常運行的重要因素[5]。定時原理是：定時器∕計數器的核心部件是利用一個加法(減法)的計數器，對脈沖進行計數。計數脈沖來源分為：如計數脈沖來自系統時鐘，則為定時方式，此時定時器∕計數器每12個時鐘或者每6個時鐘得到一個計數脈沖，計數值加1[6]。

R8025作為本裝置的定時器模塊芯片，內置高精度頻率調整的32.768 kHz水晶振子，可編程6種發生中斷和2個系統的鬧鐘功能，具有時計與日歷的計數功能。此外該芯片的振動停止檢測功能可對內部數據進行有效無效判定，這樣可以提高時鐘精度調整與對時鐘進行任意精度調整。如圖3所示，實時定時器芯片R8025與單片機通過I2C總線接口方式進行通信。R8025芯片的SCL和SDA引腳分別連接I2C通信的串行時鐘和串行數據兩條總線，數據在SDA線上以8位字節的形式進行傳送。

2.4 MCU微處理器

本裝置的MCU微處理器采用STC15W408AS。該芯片是增強8051CPU，運算速度比普通8051快8～12倍，另外STC15W408AD系列工作電壓為5.5～2.4 V，片內集成512字節的SRAM，內部集成8通道10位高速ADC，速度可選30萬次∕s，3路PWM還可當3路DA使用，可以滿足本裝置PWM脈沖調光、WiFi通信以及程序代碼運算的需求。

圖2 電源降壓電路

圖3 定時器電路

本裝置設計了4路PWM輸出用于調節LED光照強度，而STC15W408AS單片機片內只集成了3通道PWM，還有一路PWM輸出可以結合定時器中斷利用IO口模擬PWM輸出，這樣就可以實現4路PWM輸出。圖4為STC15W408AS最小核心系統電路，單片機其余IO口外設在圖中也有相應標出，可見該單片機剛好滿足本設計的外圍設備需要，同時可減少設計的成本，降低設計的復雜性，縮短開發周期。

2.5 無線通訊模塊設計

由于WiFi技術具有無線電波覆蓋范圍廣、速度快、費用低廉等特點，隨著WiFi技術的不斷成熟與普及，基于WiFi協議通訊的各類系統在各行業領域應用廣泛[7]。此外，WiFi通信還具備方便與現有的有線以太網絡整合的優點，組網的成本更低[8]。

圖5為本裝置設計的WiFi接口電路圖，圖6為WiFi無線通信的核心—ESP8266模塊，該模塊電路高度集成和應用外圍電路設計非常簡單，同時具有STA、AP、STA+AP三種模式。如圖7所示，本裝置設計的無線通信方式采用BSS模式進行WiFi組網。組網通信系統中softAP模塊、station模塊均基于ESP8266進行搭建，并建立1個softAP無線接入點和多個與其關聯的station無線網絡的終端。各station模塊實現不同的功能，如各類傳感器、光照模式以及PWM調光等，手機端利用APP對softAP模塊進行訪問，進行裝置參數的設定和LED光照的調節。在無線通信過程中，ESP8266模塊相當一個中間站的作用，經過云平臺大數據處理，可以將各類實時數據保存到大型的服務器上，供用戶使用電腦和手機快速查看或下發實時操作指令，可以遠程控制電子產品儀器系統，實現不同的功能切換、監控、數據采集，達到無線控制LED光照和控制其他外圍設備的作用[9]。

圖5 wifi接口電路

圖4 STC15W408AS最小核心系統電路

圖6 ESP8266實物圖

圖7 wifi通信概念圖

2.6 LED驅動模塊

LED驅動器按照驅動方式，可以分為恒流式、穩壓式。由于LED屬于電流控制類的器件，使用恒壓源驅動時，一旦驅動電源電壓有微小波動，輸出電流變化明顯，就無法保持通過LED電流穩定。另外由于LED的制造工藝的不同和串聯電阻的分壓，即使能精確控制每個LED的端電壓相同，也不能保證流過的電流相同，因此采用輸入電壓恒定的恒壓源不能確保每個LED的亮度一致。如果用恒流源給LED光源供電，就能夠確保了通過LED負載電流穩定[10]。根據LED恒流驅動電源的可靠性容差設計可知，影響LED恒流驅動電源輸出電流的關鍵元器件是穩壓產生電路中的穩壓器及相關分壓電阻和采樣電阻。考慮到驅動電源的效率轉換、有效功率、恒流精度、電源壽命等因素[11]。圖8為本裝置設計的LED驅動電路，采用大功率LED驅動芯片SN3350作為驅動電路芯片。該芯片是一款減壓型電流連續模式驅動芯片，可以驅動多達10顆單燈3 W的LED，工作電壓高達40 V，驅動電流能力可達700 mA。該芯片在工作過程中恒流效果穩定，不受電壓波動影響，有效功率高達95%。該LED驅動電路中C1為輸入電壓濾波電容，R1為LED高位電流檢測電阻，芯片的ADJ引腳為PWM輸入端。ADJ腳懸空時，其輸出電流ILED=667 mA，當ADJ腳有電壓VADJ，此時輸出電流I=0.083LED，ADJ腳的直流電壓V為0.3～1.2 V。單片ADJ機通過控制PWM波的電壓占空比調節VADJ的大小，從而調節芯片輸出電流大小，當VADJ達到預定的調光電平后LED燈發光穩定，無閃爍現象，達到恒流驅動LED的效果。該驅動電路調光范圍可從0%～100%，整個調光范圍平滑變化，效率高。

圖8 LED驅動電路

2.7 LED調光的設計

溫度是影響LED光源使用壽命的重要因素之一，調光可以有效地降低LED光源的溫度，維持LED光源的光通量以及延長LED光源的使用壽命。調光在技術實現上有模擬調光、可控硅調光和脈寬調制(PWM)調光等多種方式。PWM也稱脈寬調制，是利用半導體開關器件的導通和關斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術[12]。PWM調光技術可使LED光源始終在恒流條件下工作且轉換效率高。雖然模擬調光應用簡單、價格低廉，但是無法達到恒流效果，調光效率也會隨電流減小而降低。顯然，PWM調光更符合人們對調光精度以及效率的要求。

為了增加調光系統的穩定性和實用性，本裝置設計了紅外遙控調光和手機軟件調光兩種無線調光方式。如圖9所示為本裝置設計的手機調光軟件，當裝置正常工作后，使用智能手機或者平板電腦等智能終端自動搜索到相應WiFi名稱，用戶可在LED調光軟件上發送調光數據以及控制命令等信息，同時軟件可以檢測各路LED驅動的光強情況。此外，本裝置搭載HX1838作為紅外接收模塊。該芯片耗能低、靈敏度高、接收范圍可達10米。圖10為紅外遙控器，圖11為HX1838作為紅外接收模塊應用電路圖，遙控發出編碼信號驅動紅外發射管。編碼信號再以光信號發射給HX1838紅外接收模塊并轉換成電信號經單片機解碼。在紅外接收范圍內，用戶可以使用紅外遙控器選擇調光模式或者調節四路LED光強。

圖9 LED調光控制軟件界面

圖10 紅外遙控器

圖11 HX1838應用電路圖

3 結語

本文設計的一種基于WiFi技術可調光調色溫的LED驅動控制器，研制帶有調光功能的驅動電路對LED光源的高效率、高節能效果具有很大的意義，同時把物聯網技術和數字調光技術、背光技術相結合。在實際應用中可以作為光照培養箱的控制器使用，可滿足不同植物、菌類培養過程中對光照的需求。此外本文設計的LED驅動控制器集合了物聯網WiFi技術，也可應用在智能家具、智能果蔬栽培等領域，從而為LED智能照明系統打開更廣闊的市場空間，并為節能減排和綠色照明做出更大的貢獻。