基于Arduino的大功率智能LED驅動器實驗教學系統設計

（大連工業大學信息科學與工程學院 遼寧·大連 116034）

0 引言

Arduino作為一種流行的開源硬件平臺已被眾多國內外高校采用，歐美大學皆相當流行應用Arduino作為教學與科研的基礎技術。國內大連理工大學基于Arduino設計了物聯網基礎實驗課程，培養了學生開發能力與創新能力。電子科技大學基于Arduino的電子類課程教學改革，促進了學生綜合素質的培養。上海大學提出基于Arduino開源硬件平臺的電子實習教學新方案。上海師范大學開設Arduino選修課，培養了學生的專業興趣和創新能力。上海電力學院Arduino的教學改革，對于高校實踐教學改革具有借鑒意義。

本實驗教學系統面向光源與照明專業，將Arduino與LED驅動技術相結合，可快速搭建具有傳感、網絡功能的智能照明原型系統。通過該系統培養學生智能照明的創新能力，進行智能照明效果驗證與體驗，甚至照明控制方法研究，為將來從事智能照明行業打下基礎。

1 智能驅動器設計

1.1 擴展板設計

圖1：擴展板與Arduino的連接形式

我們采用Arduino UNO作為處理器，并為其研制了大功率LED驅動擴展板以實現智能驅動器，如圖1所示。擴展板包括按鍵輸入單元，LED指示單元和基于恒流驅動器HV9910B的大功率LED驅動單元。按鍵用于調節PWM調光信號占空比。LED指示單元由3顆草帽封裝的LED組成，用“亮/暗”狀態的組合顯示當前PWM信號的占空比。

系統采用直流供電，正極由擴展板經插針連接Arduino的VIN插槽，負極經另一插針連接Arduino的GND插槽。Arduino UNO的輸入電壓范圍7～12V，驅動單元HV9910B的工作電壓范圍是8～450V。因此，智能驅動器的輸入電壓范圍8～12V。數字引腳8～10用于驅動指示單元的3顆小功率LED，“亮”與“暗”分別代表二進制數1和0，它們的“亮/暗”組合可指示8個不同占空比的PWM信號。

圖2：是采用降壓變換方式（BUCK）設計的大功率LED驅動單元。HV9910B可以輸出周期恒定與低電平時間恒定的兩種PWM開關信號驅動降壓變換電路。作為降壓變換器且工作于連續電流模式時，當輸出電壓UOUT大于輸入電壓UIN的50%時，也就是開關信號占空比大于0.5時，宜采用低電平時間恒定的開關信號，以免進入次諧波振蕩。開關信號可通過振蕩電阻RT設置，RT一端接引腳8，另一端接地則是周期恒定的開關信號，另一端接引腳4則是低電平時間恒定的開關信號。通過在電路中引入跳線（圖2中的P3），本系統可在這兩種開關信號間切換，保證驅動多顆大功率LED情況下的穩定性。

1.2 關鍵元件確定

擴展板的設計指標是：輸入電壓UIN范圍8～12V時，輸出電壓UOUT范圍為3.5～7V，輸出電流IO=350mA（即能驅動1～2顆1W的白光LED），紋波電流為30%。由于最大輸出電壓7V與最小輸入電壓8V之比為0.9大于0.5，因此采用低電平時間恒定的PWM信號。需要確定的元件有檢流電阻R2，振蕩電阻R1或R3（由跳線決定），開關變換電路中的功率電感L1，場效應晶體管Q1和二極管D1，如圖2所示。

圖2：大功率LED驅動電路設計

式(1)計算檢流電阻。HV9910B屬于峰值電流控制器，檢流電阻由峰值電流確定。由于IO=ILED，紋波電流30%，根據平均電流與紋波電流的關系，1.15ILED為峰值電流。將0.35A的ILED代入式(1)，得到RCS=R2=0.62。

式(2)計算振蕩電阻。若PWM信號是周期恒定的，則式中的tosc為信號的周期。若PWM信號是低電平時間恒定的，則式中的即為低電平時間。對于低壓輸入的情況，采用低電平時間恒定的PWM信號時，推薦低電平時間為5 s，對應的RT=R1=100K。

圖3：降壓電路PWM信號與電感電流的關系

式(3)計算功率電感，其中UL是電感電壓是電感電流的增量，是與對應的時間增量。在PWM信號的TOFF時段Q截止時計算電感更方便，此時場效應管Q截止，二極管D導通，電感電壓UL等于輸出電壓UOUT。由圖3可知在=TOFF期間電感電流的減小量是紋波電流。若要驅動兩顆1W的LED，將UL=UOUT=7V=TOFF=0.5 s，=0.35×0.3=0.1A代入式(3)得到功率電感L=333 H，可以認為它是滿足要求的理論最小電感值，采用比它大的電感可以減小紋波電流。

2 效率測試

效率等于輸出功率與輸入功率之比。對于直流供電，功率等于電壓與電流之積。分別測量出輸入電壓與電流，輸出電壓與電流后計算得到輸入功率與輸出功率從而得到效率。

圖4：輸入電壓與效率關系曲線

如圖4所示：擴展板的輸入電壓在8～12V范圍內，測得驅動1顆1W大功率LED的最大效率為80%，驅動2顆1W大功率LED的最大效率為88%。擴展板驅動2顆1W大功率LED的效率高于驅動1W大功率LED的效率。

3 實驗教學內容設計

（1）大功率LED調光實驗。編程通過按鍵改變Arduino數字引腳3輸出的調光信號占空比，實現大功率LED的調光。在按鍵作用下，8種占空比按照0%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%的順序循環改變，并與3顆小功率LED的“亮/暗”組合對應。測量不同占空比下大功率LED的工作電流，繪制占空比與工作電流曲線，直觀認識LED工作電流與調光占空比的關系。

（2）不調光時用示波器觀察HV9910的GATE引腳輸出的開關信號，記錄信號周期，高電平與低電平的保持時間，并與理論值進行比較。調光時用示波器觀察GATE引腳輸出的開關信號，記錄輸出信號隨調光信號變化的情況。分別說明調光時的開關信號，不調光時的開關信號和調光信號之間的邏輯運算關系。

（3）照度控制實驗。I2C接口的GY-30照度傳感器模塊配合智能LED驅動器，構成智能照明控制系統，以ON/OFF控制策略，編程實現對工作面的照度控制，即當日光照度低于閾值時開燈照明，日光照度高于閾值時關燈節能。

4 結論

本文研制的大功率智能LED驅動實驗教學系統，可用于光源與照明專業的綜合實驗課程的教學，幫助學生深入理解LED驅動的工作原理，增強感性認識，為將來從事相關工作打下基礎。實驗設計將Arduino技術與照明控制相關技術結合，降低了編程難度，使得學生更專注于系統性能測試與照度控制的相關實驗內容。