基于單片機的LED調光調色控制系統設計

劉竹林

(湖北工業職業技術學院 智能工程學院,湖北 十堰 442000)

0 引言

隨著能源效率和環境保護意識的提高,LED照明逐漸取代傳統的白熾燈和熒光燈,成為照明領域的主流技術。與傳統照明相比,LED具有更高的能源效率、更長的使用壽命和更廣泛的顏色選擇能力。然而,單一的亮度和顏色可能無法滿足不同環境下的需求,因此調光調色LED設計應運而生。本文所設計的調光調色燈由三原色LED燈組合,可實現七種顏色,三級亮度,同時該系統采用單火線控制,可直接替換照明燈,不用改變原來的線路布局,方便更換,安裝快捷安全。

1 系統硬件構成

本設計中硬件采用宏晶公司生產的STC15W408AS單片機作為控制器,通過過零檢測電路檢測輸入電源信號,從而判斷當前控制顏色,并采用PWM信號控制燈亮度。系統由五大電路構成,分別是:系統主控電路、系統供電電路、過零檢測電路、LED陣列電路。控制系統硬件結構見圖1。

圖1 控制系統硬件結構圖

1.1 系統主控電路

本系統的主控電路采用宏晶公司生產的STC15W408AS單片機作為控制器的主控芯片。STC15W408AS是一款單周期新一代8051內核的單片機,工作頻率最高可達35MHz,采用STC第九代加密技術,無法解密,指令完全兼容傳統的8051,但速度快8～12倍。內部高精度R/C時鐘,支持ISP編程,可在系統編程與仿真。內部集成高可靠復位電路,工作電壓范圍寬,2.5V～5.5V,內部有512字節RAM數據存儲器,內部包含EEPROM,擦除次數10萬次以上,另包含5個定時器、具有8通道10位高速ADC、比較器、多種通信接口(IIC、UART、SPI)、看門狗等外設。由于此單片機內部集成了高精度的RC振蕩電路和高可靠的復位電路,外部晶振和復位電路都可以省去,芯片接通電源后就可以直接工作。系統主控電路見圖2。

圖2 系統主控電路

1.2 系統供電電路

電源部分采取工頻市電供電。通過AC-DC降壓電源模塊AM21-5W12V將幅值為220V的交流電轉換為12V直流電,經過濾波和L78M05ABDT-TR穩壓芯片之后,使電壓穩定在5V。FR5為自恢復保險絲,起到短路保護;RV5為壓敏電阻,起過壓保護作用。系統供電電路見圖3。

圖3 系統供電電路

1.3 過零檢測電路

過零檢測電路分為4路,分別對應紅光、綠光、藍光和調光端。FR1為自恢復保險絲,起短路保護作用;RV1為壓敏電阻,起過壓保護作用;有電壓時,雙向光耦有電流,處于導通狀態,輸出端為低電平,過零點時,無電流流過光耦,處于斷開狀態,輸出端為高電平。過零檢測電路見圖4。

圖4 過零檢測電路

1.4LED陣列電路

LED調光常有模擬調光和脈沖寬度調制(PWM)調光兩種最常見的方式進行。模擬調光是通過改變LED回路中電流大小達到調光,其優點是電流可連續,但可調節電流的范圍往往受到硬件的限制,調節檔位不多。PWM調光是使開關電路在以相對于人眼識別能力來說足夠高頻率下工作,通過設置周期和占空比來改變輸出電流的平均值,此方法調光范圍廣,可避免色漂現象。相比較模擬調光,PWM調光具有色恒定性高、驅動器效率高,并且能夠進行精確控制的優點,方便與數字化系統接軌,具有更大的應用前景。調色基于RGB顏色模型,其中紅光、綠光和藍光在強度上各不相同,組合在一起幾乎可以重新生成任何顏色。通過控制不同顏色LED的亮度比例來實現調色。本電路采用紅綠藍三原色LED組成,通過控制不同顏色的燈點亮,從而組合成不同的顏色。紅綠等比混合是黃色,紅藍等比混合是洋紅,綠藍等比混合是青色,紅綠藍最大亮度混合是白色,紅綠藍非最大亮度等比混合是不同亮度的灰色。非等比例混合可得到其他顏色,比例不同顏色不同。

LED陣列電路利用12個LED燈,分為4組,各組紅色、綠色、藍色分別并聯,接到Hi7005s芯片上,單片機通過三個IO端口控制三個Hi7005s芯片,分別對于紅綠藍三色燈。Hi7005s是一款多功能平均電流型LED恒流驅動器,采用Buck拓撲結構,極大地提高了工作效率,最高效率可達95%,支持PWM調光,最高可實現65536級高輝調光。LED 陣列電路見圖5。

圖5 LED陣列電路

1.5 調光調色燈單開關接線圖

檢測調光開關S1狀態,檢測到一次通斷(要求通斷時間不超過3秒),改變一次燈的亮度等級,亮度有3個等級,高亮度,中等亮度和低亮度。檢測輸入電源線路,控制對應燈亮度,未接入的則不亮。再次循環檢測調光開關狀態。長時間斷電后開燈,進入上次亮度,再次進行一次通斷操作,亮度等級降低一級,如果已經是低亮度,則切換為高亮度。調光調色燈單開關接線見圖6。

圖6 調光調色燈單開關接線圖

2 系統軟件設計

在單片機硬件系統的基礎上,再配上相應的軟件,才能構成一完整的系統。用戶軟件的開發與系統硬件有著密切的關系。本控制系統軟件模塊主要包括:主控程序、過零檢測、計時、PWM調光驅動模塊。程序流程見圖7。

圖7 程序流程圖

3 結語

本文提出了基于單片機的LED調光調色控制系統設計方案,通過相關電路和控制程序的結合,實現了對LED燈光亮度和顏色的可調控性。該方案具備較高的穩定性和靈活性,并在家庭照明、商業照明和舞臺照明等領域具有廣泛的應用前景。未來的研究可以進一步優化該設計方案,增加電流監測、溫度監測,提高照明功率、效率。