陳家明，師文慶

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

近幾年，LED光源照明行業(yè)年產(chǎn)值增幅均高于39%。根據(jù)中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會LED顯示應(yīng)用分會的統(tǒng)計(jì)調(diào)查可知，2015年度全國LED顯示應(yīng)用行業(yè)市場銷售總額為310億元，2016年度市場總體規(guī)模為335億元，較2015年度增長了8.1%。隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，LED光源照明技術(shù)各方面進(jìn)一步完善，價格也出現(xiàn)極大的調(diào)整，應(yīng)用范圍越來越廣泛，其中在顯示應(yīng)用、照明應(yīng)用和植物輻照應(yīng)用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。

LED光源在信息顯示領(lǐng)域的應(yīng)用，其產(chǎn)品涵蓋從一般文字信息發(fā)布到高端全彩視頻顯示屏，已形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。此外，LED光源照明技術(shù)在植物的種植領(lǐng)域具備十分優(yōu)勢。不同植物整個的生長發(fā)育、開花結(jié)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(qiáng)和光波也是不一樣的。要使植物生長達(dá)到最大的效率，在植物生長過程中適當(dāng)?shù)馗淖児獠ㄩL和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)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(jìn)行供電。此外，LED光源是特性敏感的半導(dǎo)體器件，又具有負(fù)溫度特性，必須通過低電壓驅(qū)動。在實(shí)際應(yīng)用過程中必須使用相應(yīng)的驅(qū)動器。LED驅(qū)動器的作用就是在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下能穩(wěn)定地控制LED電流的大小，提供穩(wěn)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(xiàn)LED電流失控。結(jié)合調(diào)光技術(shù)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(qū)動器和LED調(diào)光系統(tǒng)的兩者相結(jié)合才能更好地發(fā)揮LED的長處，確保LED光源的可靠性和實(shí)用性。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概念圖

LED驅(qū)動器由驅(qū)動電源、直流驅(qū)動、調(diào)光和多種保護(hù)電路所組合起來的，保證通過LED負(fù)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(shè)計(jì)的基于WiFi調(diào)光的LED驅(qū)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(jī)通訊模塊和四路LED驅(qū)動模塊七部分組成。電源模塊把輸入DC36V的恒壓電源轉(zhuǎn)化成DC5V和DC3.3V，分別給MCU微處理器、WiFi手機(jī)通訊模塊顯示模塊等供電。而LED驅(qū)動模塊則是采用開關(guān)電源DC36V進(jìn)行供電，分別驅(qū)動四路LED光源。MCU微處理器負(fù)責(zé)將WiFi手機(jī)通訊模塊和紅外接收模塊接收到的調(diào)光數(shù)據(jù)和控制信息進(jìn)行解析，將其中的通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)占空比的PWM信號輸出給驅(qū)動模塊的數(shù)字調(diào)光端口，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)字調(diào)節(jié)光強(qiáng)和控制裝置的目的。WiFi手機(jī)通訊模塊和紅外接收模塊是無線數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)暮诵哪K，在裝置正常工作后，可以用智能手機(jī)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(jī)控制軟件和紅外遙控器以無線電形式發(fā)送調(diào)光數(shù)據(jù)和控制命令等信息進(jìn)行控制裝置。

圖1 系統(tǒng)概念框圖

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

由于本裝置使用36V開關(guān)電源為整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，而系統(tǒng)的MCU微處理器、WiFi手機(jī)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(dá)到32.7 V，直接使用開關(guān)電源供電將導(dǎo)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(dǎo)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(diào)制（降壓型）DC∕DC轉(zhuǎn)換器，具備2A負(fù)載驅(qū)動能力、效率高、低紋波和極好的線性、負(fù)載調(diào)節(jié)能力好等優(yōu)點(diǎn)。LM1117是一款正電壓輸出的低壓降三端線性穩(wěn)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(nèi)部集成過熱保護(hù)和限流電路。故電源降壓電路使用XL1509降壓型DC轉(zhuǎn)換器把36 V轉(zhuǎn)換為5 V，再利用LM1117把5V轉(zhuǎn)換成3.3 V給相應(yīng)的芯片系統(tǒng)供電，解決芯片發(fā)熱和電源紋波兩個問題。

2.3 定時器模塊設(shè)計(jì)

定時器是單片機(jī)系統(tǒng)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(yùn)行的重要因素[5]。定時原理是：定時器∕計(jì)數(shù)器的核心部件是利用一個加法(減法)的計(jì)數(shù)器，對脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)脈沖來源分為：如計(jì)數(shù)脈沖來自系統(tǒng)時鐘，則為定時方式，此時定時器∕計(jì)數(shù)器每12個時鐘或者每6個時鐘得到一個計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)值加1[6]。

R8025作為本裝置的定時器模塊芯片，內(nèi)置高精度頻率調(diào)整的32.768 kHz水晶振子，可編程6種發(fā)生中斷和2個系統(tǒng)的鬧鐘功能，具有時計(jì)與日歷的計(jì)數(shù)功能。此外該芯片的振動停止檢測功能可對內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行有效無效判定，這樣可以提高時鐘精度調(diào)整與對時鐘進(jìn)行任意精度調(diào)整。如圖3所示，實(shí)時定時器芯片R8025與單片機(jī)通過I2C總線接口方式進(jìn)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(shù)據(jù)兩條總線，數(shù)據(jù)在SDA線上以8位字節(jié)的形式進(jìn)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(qiáng)8051CPU，運(yùn)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(nèi)集成512字節(jié)的SRAM，內(nèi)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(dāng)3路DA使用，可以滿足本裝置PWM脈沖調(diào)光、WiFi通信以及程序代碼運(yùn)算的需求。

圖2 電源降壓電路

圖3 定時器電路

本裝置設(shè)計(jì)了4路PWM輸出用于調(diào)節(jié)LED光照強(qiáng)度，而STC15W408AS單片機(jī)片內(nèi)只集成了3通道PWM，還有一路PWM輸出可以結(jié)合定時器中斷利用IO口模擬PWM輸出，這樣就可以實(shí)現(xiàn)4路PWM輸出。圖4為STC15W408AS最小核心系統(tǒng)電路，單片機(jī)其余IO口外設(shè)在圖中也有相應(yīng)標(biāo)出，可見該單片機(jī)剛好滿足本設(shè)計(jì)的外圍設(shè)備需要，同時可減少設(shè)計(jì)的成本，降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，縮短開發(fā)周期。

2.5 無線通訊模塊設(shè)計(jì)

由于WiFi技術(shù)具有無線電波覆蓋范圍廣、速度快、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，隨著WiFi技術(shù)的不斷成熟與普及，基于WiFi協(xié)議通訊的各類系統(tǒng)在各行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[7]。此外，WiFi通信還具備方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合的優(yōu)點(diǎn)，組網(wǎng)的成本更低[8]。

圖5為本裝置設(shè)計(jì)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(yīng)用外圍電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的無線通信方式采用BSS模式進(jìn)行WiFi組網(wǎng)。組網(wǎng)通信系統(tǒng)中softAP模塊、station模塊均基于ESP8266進(jìn)行搭建，并建立1個softAP無線接入點(diǎn)和多個與其關(guān)聯(lián)的station無線網(wǎng)絡(luò)的終端。各station模塊實(shí)現(xiàn)不同的功能，如各類傳感器、光照模式以及PWM調(diào)光等，手機(jī)端利用APP對softAP模塊進(jìn)行訪問，進(jìn)行裝置參數(shù)的設(shè)定和LED光照的調(diào)節(jié)。在無線通信過程中，ESP8266模塊相當(dāng)一個中間站的作用，經(jīng)過云平臺大數(shù)據(jù)處理，可以將各類實(shí)時數(shù)據(jù)保存到大型的服務(wù)器上，供用戶使用電腦和手機(jī)快速查看或下發(fā)實(shí)時操作指令，可以遠(yuǎn)程控制電子產(chǎn)品儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同的功能切換、監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集，達(dá)到無線控制LED光照和控制其他外圍設(shè)備的作用[9]。

圖5 wifi接口電路

圖4 STC15W408AS最小核心系統(tǒng)電路

圖6 ESP8266實(shí)物圖

圖7 wifi通信概念圖

2.6 LED驅(qū)動模塊

LED驅(qū)動器按照驅(qū)動方式，可以分為恒流式、穩(wěn)壓式。由于LED屬于電流控制類的器件，使用恒壓源驅(qū)動時，一旦驅(qū)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(wěn)定。另外由于LED的制造工藝的不同和串聯(lián)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(fù)載電流穩(wěn)定[10]。根據(jù)LED恒流驅(qū)動電源的可靠性容差設(shè)計(jì)可知，影響LED恒流驅(qū)動電源輸出電流的關(guān)鍵元器件是穩(wěn)壓產(chǎn)生電路中的穩(wěn)壓器及相關(guān)分壓電阻和采樣電阻?？紤]到驅(qū)動電源的效率轉(zhuǎn)換、有效功率、恒流精度、電源壽命等因素[11]。圖8為本裝置設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動電路，采用大功率LED驅(qū)動芯片SN3350作為驅(qū)動電路芯片。該芯片是一款減壓型電流連續(xù)模式驅(qū)動芯片，可以驅(qū)動多達(dá)10顆單燈3 W的LED，工作電壓高達(dá)40 V，驅(qū)動電流能力可達(dá)700 mA。該芯片在工作過程中恒流效果穩(wěn)定，不受電壓波動影響，有效功率高達(dá)95%。該LED驅(qū)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(dāng)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(jī)通過控制PWM波的電壓占空比調(diào)節(jié)VADJ的大小，從而調(diào)節(jié)芯片輸出電流大小，當(dāng)VADJ達(dá)到預(yù)定的調(diào)光電平后LED燈發(fā)光穩(wěn)定，無閃爍現(xiàn)象，達(dá)到恒流驅(qū)動LED的效果。該驅(qū)動電路調(diào)光范圍可從0%～100%，整個調(diào)光范圍平滑變化，效率高。

圖8 LED驅(qū)動電路

2.7 LED調(diào)光的設(shè)計(jì)

溫度是影響LED光源使用壽命的重要因素之一，調(diào)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(diào)光在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有模擬調(diào)光、可控硅調(diào)光和脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光等多種方式。PWM也稱脈寬調(diào)制，是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)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(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)[12]。PWM調(diào)光技術(shù)可使LED光源始終在恒流條件下工作且轉(zhuǎn)換效率高。雖然模擬調(diào)光應(yīng)用簡單、價格低廉，但是無法達(dá)到恒流效果，調(diào)光效率也會隨電流減小而降低。顯然，PWM調(diào)光更符合人們對調(diào)光精度以及效率的要求。

為了增加調(diào)光系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)用性，本裝置設(shè)計(jì)了紅外遙控調(diào)光和手機(jī)軟件調(diào)光兩種無線調(diào)光方式。如圖9所示為本裝置設(shè)計(jì)的手機(jī)調(diào)光軟件，當(dāng)裝置正常工作后，使用智能手機(jī)或者平板電腦等智能終端自動搜索到相應(yīng)WiFi名稱，用戶可在LED調(diào)光軟件上發(fā)送調(diào)光數(shù)據(jù)以及控制命令等信息，同時軟件可以檢測各路LED驅(qū)動的光強(qiáng)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(dá)10米。圖10為紅外遙控器，圖11為HX1838作為紅外接收模塊應(yīng)用電路圖，遙控發(fā)出編碼信號驅(qū)動紅外發(fā)射管。編碼信號再以光信號發(fā)射給HX1838紅外接收模塊并轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)單片機(jī)解碼。在紅外接收范圍內(nèi)，用戶可以使用紅外遙控器選擇調(diào)光模式或者調(diào)節(jié)四路LED光強(qiáng)。

圖9 LED調(diào)光控制軟件界面

圖10 紅外遙控器

圖11 HX1838應(yīng)用電路圖

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的一種基于WiFi技術(shù)可調(diào)光調(diào)色溫的LED驅(qū)動控制器，研制帶有調(diào)光功能的驅(qū)動電路對LED光源的高效率、高節(jié)能效果具有很大的意義，同時把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字調(diào)光技術(shù)、背光技術(shù)相結(jié)合。在實(shí)際應(yīng)用中可以作為光照培養(yǎng)箱的控制器使用，可滿足不同植物、菌類培養(yǎng)過程中對光照的需求。此外本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動控制器集合了物聯(lián)網(wǎng)WiFi技術(shù)，也可應(yīng)用在智能家具、智能果蔬栽培等領(lǐng)域，從而為LED智能照明系統(tǒng)打開更廣闊的市場空間，并為節(jié)能減排和綠色照明做出更大的貢獻(xiàn)。