基于单片机控制的LED路灯节能驱动系统设计

龙兴明，周 静， 廖瑞金

（1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047）

白光发光二极管（LED）是一种高效环保的半导体电光转换光源，相对于传统光源具有节能、环保、使用寿命长等优点，基于白光LED的大功率照明技术已被列为国家目前发展的重要节能减排措施之一[1]。

大功率白光LED照明具有复杂的驱动特性，首先，不同的LED所需的工作电压、驱动电流不同；其次，即使在驱动电流不变的情况下，随着工作时间的增加，工作环境温度升高也会导致光通量有所降低。现有白光LED路灯驱动技术主要包括阻容降压以及基于脉宽调制（PWM）的开关恒压恒流驱动。这些驱动技术使LED照明得到了初步的应用，但是，当温度、湿度等复杂的外部环境条件以及工作时产生的热量累积导致LED参数改变时，基于传统阻容降压和PWM开关恒压恒流的简单稳流驱动不能随LED参数的改变而作出适时调整，导致驱动效率降低，均流不稳定等问题[2-5]。同时，LED光源的数值化可控特性的应用需求也日益提高，传统的LED驱动策略极大的制约了LED在这方面的应用。

因此，本文设计具有自适应功能的智能LED驱动电路，为LED照明提供适当的工作电压、驱动电流，保证其输出光强具有相对稳定性；同时，利用微控制器的实时控制特性，提出一种LED节能控制方法。

1 LED驱动特性

LED作为半导体冷光光源，它同白炽灯、卤素灯、汞灯具有明显不同的驱动特性。

1.1 电流-电压特性

电流-电压特性是LED的基本物理特性，它同一般PN结类似，具有死区电压。当输出电压超过死区电压后，随着电流的增加，PN结电压变动不大。PN结标称工作电流的大小取决于LED规格，PN结的压降大小除了与PN结电流和温度有关外，它还取决于制造材料特性。比如：当PN结温度为25℃，电流为20 mA时，Φ52高亮白光PN结电压约3.1 V，而Φ52高亮黄光LED的PN结电压约2 V。

1.2 电流-光通量特性

电流-光通量特性是LED作为照明设计的重要指标。LED输出光通量的大小同PN结的电流大小有关，在规定电流范围，输出光通量同电流成正相关。不同的制造封装厂家生产的相同规格的LED，它们的电流-光通量具有较大的区别。在20 mA条件下对几个不同厂家封装的子弹头Φ52高亮白光LED样品的光通量进行测试，发现其光通量分别为4、3.54、3、2.5流明，有较大差别；另外，在电流不变的情况下，随着工作时间的增加，光通量均有所降低。

1.3 温度-光谱特性

光谱特性是LED光源显色指数和色温的重要依据。实验测试发现[4]，在PN结电流不变条件下，随着PN结温度的升高，LED光源发出的波长将向长波方向移动，另一方面，在电流不变条件下，随着温度的升高输出光通量降低。

2 LED智能驱动系统设计

2.1 LED智能驱动系统原理

根据LED驱动特性的分析可见，（1）不同的LED所需的工作电压、驱动电流不同；（2）驱动电流不变的情况下，随着工作时间的增加，光通量有所降低；（3）驱动电流不变的情况下，随着温度的升高光通量降低。而LED作为一般照明必须保证其输出光强对时间和温度具有相对稳定性。因此，所设计的路灯智能驱动系统采用具有自适应功能的LED驱动电路，对LED阵列提供了适当的工作电压、驱动电流，并使其对工作温度等外部条件变化引起的出光特性变化做出适应调整，从而达到最佳的驱动效果。

路灯智能驱动系统框图如图1所示，基于单片机控制的LED路灯智能驱动系统包括桥式整流电路、准谐振跨周期DC/DC变换电路、电流/电压检测电路、光电隔离电路、LED照明模块电路、微处理器以及环境光检测电路和LED结温检测电路。其工作原理为：输入的市电经桥式整流电路整流后，通过准谐振跨周期DC/DC变换电路实现多路输出，电流/电压检测电路接在准谐振跨周期DC/DC变换电路的输出端，检测到的相关信号经光电隔离电路送入微处理器进行处理，通过反馈用于控制准谐振跨周期DC/DC变换电路，实现输出稳定；环境光检测电路和结温检测电路分别检测环境光的强度和LED模块的工作温度，并把检测结果送入微处理器处理，用于实现LED照明模块的智能节能控制。

图1 LED智能驱动控制器框图

2.2 驱动电路设计

智能路灯驱动系统电路图如图2所示。微处理器（uPC）选用STC12C5201AD单片机，它价格低（约4元RMB/PCS）、抗干扰能力强、内部自带A/D转换以及PWM发生器，满足控制器中所需输入、输出通道要求。LED路灯采用4路LED照明模块并联构成，其中每一路LED照明模块与准谐振跨周期DC/DC变换电路输出端相连，同时通过驱动控制电路与微处理器的P1.4～P1.7对应控制端口相连接。P1.4～P1.7引脚作为LED照明模块电路的PWM控制输入端口，由微处理器控制其是否接通以及驱动电流的大小。

图2 LED路灯智能驱动控制电路图

单片机外围电路包括时钟电路、时钟脉冲电路和红外通信电路、RS232串口通讯电路；时钟电路包括实时时钟芯片DS1302S、晶振Y1和备用电源，实时时钟芯片DS1302S的SCLK引脚、I/O引脚、RST引脚分别与单片机STC12C5201AD的INT1引脚、T0引脚和T1引脚相连接，为LED模块节能控制提供确定的时间信号；时钟脉冲电路为单片机提供时钟脉冲；红外通信电路由红外通信模块0388完成，接单片机的P3.2引脚，用于通过遥控装置，实现LED路灯的调试和紧急开关照明电路以及微处理器系统的重启动；RS232串口通讯端子接在单片机的引脚P3.0和P3.1之间，实现与计算机的串口通信，完成程序更新、下载等工作；

结温检测电路主要由热敏电阻R3完成LED模块工作温度的检测，并把检测到的信号送入单片机的P1.0引脚，实现LED工作温度实时检测。环境光检测电路主要由光强检测芯片APD9003构成。光强检测芯片APD9003的OUT端把检测到的信号送入单片机的P1.1引脚，实现环境光强度的实时检测。

照明系统中的LED照明模块设置了智能和非智能两种工作模式，非智能工作模式下，LED模块采用固定驱动，可按时开关路灯；而智能工作模式则是根据环境工作条件而采用自适应节能驱动控制。这两的工作模式可通过电阻R8进行设定，接在单片机STC12C5201AD的P1.2引脚上，通过高低电平实现LED非智能/智能工作模式的转换。单片机的P3.7引脚连接有发光二极管D5，用于指示LED模块的工作状态。

3 节能控制方法

配合智能路灯驱动系统，在单片机控制系统的设计过程中提出路灯节能控制的方法，该节能控制的流程如图3所示。主要控制步骤如下：

（1）微处理器系统初始化，系统根据外部指令（红外通讯或串口通讯）确定是否向各路LED照明模块电路给电；

（2）确定给电后，系统进入开机缓起动状态，判断是否处于智能状态，如果是，进入步骤（3）；如果否，设定时间内，各路给电强度从0逐渐加大到最大输出值，开机缓启动完成后，各路输出保持在最大功率输出；

（3）系统通过环境光检测电路，获取外部环境光强值，结合该值，在设定时间内向各路LED照明模块电路给电，给电强度呈线性变化。直至给电强度达到与外部环境光强值相对应的数值；当达到设定的最低外部光强后，系统进入全功率输出状态；

（4）在全功率输出状态，系统检测LED照明光源温度，根据不同的光源温度，系统通过PWM占空比调整，自动选择0.6～1倍的全功率输出；

（5）经过设定时间的全功率输出态后，由系统自身的定时器时间系统，每隔固定时间，实现恒定光强转换，即在部分LED照明模块电路的照明光强逐渐增加的同时，其余部分的照明光强同步减小，该种转换在两组LED照明模块电路之间交替进行;

（6）经过设定时间的两组LED照明模块电路交替工作后，各路输出进行逆开机过程，系统结束向LED照明模块电路给电。

本节能控制方法具有以下显著的特点：

（1）具有智能和非智能两种工作模式。通过设置电阻R8＝0实现非智能模式，默认为智能模式。非智能工作状态下，在设定时间内（用户定制），各路输出强度从0逐渐加大到最大输出值；智能工作状态下，通过高性能环境光检测电路获取开机时的外部光强，结合环境光强，各路输出在定制时间内从0逐渐加大到适当输出值；

（2）全功率输出态。在非智能工作状态下，开机缓启动完成后，各路输出保持在最大功率输出；在智能工作状态下，当检测到的外部光强减小到设定值后，系统进入最大功率输出，同时检测LED光源温度，如果工作温度超过45度（可定制），则0.9倍（可定制）全功率输出，如果超过50度（可定制），则0.8倍（可定制）全功率输出。

（3）灯头交替工作。在交通量低的时间段，采取灯头交替工作模式，根据高精度时间系统，每隔固定时间间隔交替转换。在转换过程中采用恒定光强转换方式，即：其中两路LED输出逐渐增加的同时，另外两路同步减小。这样可以减小恶劣环境中长时间运行所带来的LED光衰和老化问题，提高路灯的出光效率，同时延长路灯的使用寿命。

4 结论

本文提出的路灯节能驱动系统充分考虑外部光照、工作温度等外部条件变化所引起的LED出光特性变化，通过相应的传感器及微控制器系统自适应调节驱动，充分体现出LED路灯照明系统的自适应性；同时，通过采用“缓启动”、“交通流量统计时间”以及“基于恒定照度的模块间交替法”，使路灯达到最佳的利用效果，并且节约了能源，优化了LED路灯系统的照明效率。

[1]LONG X,LIAO R,ZHOU J.Development of street lighting system-based novel high-brightness LED modules[J].IET Optoelectronics,2009,3(1):40-46.

[2]邓宏贵,梅卫平,曹文晖,等.基于PWM的LED显示屏像素亮度控制方法[J].光电子技术，2010,30（2）：131-134.

[3]杨晓光,寇臣锐,汪友华.太阳能LED照明路灯充电器的研制[J].太阳能学报，2010,31(1):67-71.

[4]吕运朋,李宏超,籍晓晔,等.基于STC单片机的智能LED路灯控制器设计[J].电源技术，2010,34(5):496-508.

[5]LONG Xing-ming,ZHOU Jing.An intelligent driver for light emitting diode street lighting[C]//Automation Congress,2008.Hawaii:WAC,2008:1-5.