基于MCU控制的HB LED智能照明系统设计

贺 玲 ，吴建德，邓 焰

（浙江大学电力电子研究所，浙江 杭州 310027）

在世界能源日趋紧张的今天，LED以其高效节能、长寿命、环保无污染、安全可靠的优势广泛应用于手机、PMP、DSC、PDA等的LCD背光和显示屏、汽车车灯、室内装饰、景观照明等领域。

LED技术日新月异，高亮度LED的发光效率已经达到130 lm/W[1]，远远超过了白炽灯(15 lm/W)和荧光灯(80 lm/W)，并且其寿命是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。可见，高亮度LED（HB LED）应用于通用照明领域具有巨大的潜力和竞争优势，有取代传统光源的趋势。本文设计了一套基于单片机（MCU）控制的HB LED智能照明系统，可以根据环境的亮度自动开/关灯和调节其亮度值，避免了手动开关的繁琐和忘记关灯造成的能源浪费，并且具有LED温度监测和过热保护功能[2]。与前级带PFC功能的AC/DC变流器结合，可广泛应用于公共场所照明。

1 系统的构成

高亮度LED智能照明系统的结构如图1所示。220 V交流市电输入，经过滤波，由前级带PFC功能的AC/DC变流器为整个系统供电，单片机作为整个系统的控制中心，将来自温度和光强度传感器的信息经过处理，转换成控制信号传递给LED驱动器，从而控制LED模块。由于带PFC功能的AC/DC变流器已经比较成熟[3]，故本系统将着重设计LED驱动、智能传感器和单片机控制器部分，以下将一一进行详述。

图1 HB LED智能照明系统的构架

1.1 HB LED驱动设计

本系统采用6颗1 W的HB LED串联作为灯负载，额定电流350 mA，22～30 V直流输入。HB LED的驱动电源将直接影响到LED的白光质量、光效和使用寿命。LED驱动方式可分为恒压源驱动和恒流源驱动。若采用恒压源驱动，LED正向导通后，外加电压的细小变动将引起正向电流的很大变化，可靠性差。为了保证LED的亮度恒定和防止其过流烧坏，恒流驱动是理想的方法。LED的调光方式分为模拟调光和PWM调光。其中模拟调光是直接改变通过LED的最大电流，白光质量差，易形成色偏，故而要采用PWM调光[4]。

基于以上考虑，选用National的LM3407作为LED驱动器，其本质是一个浮地的Buck变流器，开关管内置，可提供高达350 mA的恒流。硬件电路如图2所示。R1是电流检测电阻，用来设定LED负载电流，R2用来设定开关管的工作频率，本系统采用350 mA电流、1 MHz开关频率。D1采用快恢复肖特基二极管。DIM引脚用来输入来自单片机控制器的PWM调光信号，通过改变PWM信号的占空比来调节LED模块的亮度[5]。由于人眼的视觉暂留作用，PWM调光信号的频率不能小于100 Hz，否则就会产生人眼所能感觉得到的闪烁。这里选择488 Hz的调光频率。

图2 LED驱动电路

1.2 光强度传感器设计

光强度传感器主要用来检测周围环境的光强度，并根据环境亮度来开/关LED灯或调节其亮度值。光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。光敏电阻线性度差，频率响应低；光敏三极管灵敏度高，但温度特性和线性度差。系统采用集成光强度传感器TSL2561T。

TSL2561T是TAOS推出的一款高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片，具有标准的I2C接口。内部集成两路光敏二极管，通道0对可见光和红外线都敏感，通道1仅对红外线敏感，两路积分式ADC分别对两个光敏二极管的电流积分，转变成数字量，保存到各路的数字寄存器中[6]。

本系统中该光强度传感器TSL2561T用来检测周围环境亮度，传递给单片机控制器用以产生控制LED模块亮度的PWM信号。二者的硬件连接电路如图3所示。单片机控制器的I2C总线的数据线和时钟线分别和传感器TSL2561T的SDA和SCL引脚连接，外接上拉电阻。传感器可编程设置允许的光强度上下阀值，当实际光强超过阀值时INT引脚产生中断信号，该引脚和MCU的外部中断引脚INT0连接。

MCU需严格按照I2C总线协议对TSL2561T进行设置和访问，支持高达400 kb/s的数据传输速率。其中MCU作为主机，传感器作为从机，时序是两者成功通信的关键。首先要对光强度传感器TSL2561T的寄存器进行初始化设置，主要包括TSL2561T工作使能、增益和积分时间、中断门限等设置。TSL2561T内部ADC转换完成后，MCU就可以通过对TSL2561T数据寄存器的读操作获取该值，再经过实验化运算公式就可以得到环境亮度值。这主要通过软件来完成，软件流程如图4所示。

图3 光强度传感器和MCU硬件连接电路

图4 光强度传感器软件设计流程

限于篇幅，只给出MCU向TSL2561T写一个字节的程序，读程序类似。

使用TSL2561T实现光强度的实时监控，精度高、成本低、体积小；由于采用数字信号输出，抗干扰能力强。

1.3 温度传感器

HB LED的工作电流大，但基于目前的半导体制造技术，光电转换效率只有15%～20%，大部分电能转换成热量，需要通过热传导方式散发出去，而不能像白炽灯一样辐射散热。因此LED的稳定性很容易受自身散热和环境温度影响。如果LED工作温度超过其承载温度，将会使LED发光效率快速降低，产生明显光衰，甚至会对LED造成永久性破坏[7]。本系统对LED温度的监测和控制就是要保证LED不会过热。

温度检测芯片主要分为模拟和数字两大类。这里选用精确度高、低功耗、应用简便的模拟芯片LM35。最大测温范围－55～150℃，测温精度0.5℃。硬件电路图如图5所示。LM35的输出是一个和温度成正比的电压值(10 mV/℃),接到MCU控制器的一个I/O口，通过MCU内部的ADC将其转换成数字量，随时监测控制LED模块的温度。R5、C3对LM35的输出起低通滤波作用。

图5 温度传感器LM35

1.4 MCU控制器

MCU控制器主要用来接收来自光强度传感器TSL2561T和温度传感器LM35的信息，经过处理产生PWM调光信号，传递给LED驱动器调节LED亮度值。这里选用ATEMEL公司的一款采用RISC指令的8位单片机ATmega16。AT-mega16是一款高速、低功耗、片内资源丰富的单片机[8]。整个控制流程如下图所示：MCU实时监控LED模块的温度，一旦过热便启动过热保护；否则根据检测到的环境亮度产生PWM信号，传给LED驱动器LM3407，使LED的亮度随环境需要而变化。

图6 MCU控制流程图

本系统中ATmega16采用8 MHz时钟频率，利用定时/计数器T/C0溢出触发ADC，定时获得来自LM35的LED温度值。T/C0工作在普通模式，1024分频，即每隔33 ms触发一次ADC获取LED温度值。然后与所设定的温度值进行比较，决定下一步的动作。过热，则保护；没有过热，则将所获取的环境亮度值转化成0～255之间的数字量，作为T/C2的比较匹配值，T/C2工作在快速PWM模式，64分频，产生488 Hz的PWM调光信号，能够实现LED 256级灰度调光。

2 实验结果

本系统实验样机的工作参数如下：LED驱动电路开光频率 fSW=1 MHz，LED驱动电流 350 mA，LED调光频率 fPWM=488 Hz。实验表明，系统能够长时间稳定运行，可实现智能调光，且白光质量好，没有闪烁。长时间运行，节能效果明显。图7给出LED半载即50%调光占空比时的调光波形，包括PWM调光占空比和LED的电流波形。可见稳态电流恒流特性好，瞬态响应快。

图7 50%调光占空比时的调光波形

3 结论

本文设计并实现了基于MCU控制的HB LED智能照明系统，不同于传统照明，系统附加了光强度和温度传感功能，LED的亮度可随环境需要实现自动调节，并且可以实现对LED的过热保护功能，白光质量柔和，视觉效果优于传统的照明光源。本系统具有高效节能、环保、智能等优点，是公共场所照明的理想选择。

[1]LONG Xing-ming,ZHOU Jing-zhou.An intelligent driver for light emitting diode street lighting[C]//proceedings of 2008 World Automation congress.Waikoloa:2008 World Automation Congress,2008:1-5.

[2]WANG Kai-wang,LIU Sheng-liu.A sensor integrated ultra-long span led street lamp system[C]//proceedings of ICEPT2007.上海：ICEPT2007,2007:1-3.

[3]林渭勋.现代电力电子电路[M].杭州:浙江大学出版社,2006:248-314.

[4]周志敏,周纪海,纪爱华.LED驱动电路设计实例[M].北京:电子工业出版社，2008:48-88.

[5]National semiconductor.350mA,constant current output floating uck switching converter for high power LEDs[EB/OL].[2009-11-01].http://www.national.com/JS/searchDocument.do?textfield=LM3407.

[6]TAOS.TSL2560,TSL2561 light-to-digital converter[EB/OL].[2009-11-01].http://www.taosinc.com/productsearch.aspx?srch=TSL2561.

[7]梅毅,陈玉阳,袁川,等.LED温度特性的测试[J].照明工程学报,2007,18(1):18-20.

[8]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:24-43.