一种基于LED照明技术的装置设计*

何晓波,曹一鸣,翁纪钊,蔡俊涛

(广州市光机电技术研究院 广东省现代控制与光机电技术公共实验室，广东 广州 510663)

0 引言

LED作为一种新型光源，具有能耗低、光效高等特点，在照明行业已经逐步替代传统光源，随着LED工艺的不断升级，半导体技术的不断发展，LED在检测仪器的应用也越来越普遍，对LED光照度的检测精度也有了更高的要求，本文主要结合数据采集及控制技术，提出并设计了基于LED光源光强信号的数据采集装置，应用于LED光源的光度检测光源性能分析。还可通过对溶液等介质透光度的检测，对比分析食品的农药残留成分比例。该装置具有全自动检测功能，检测效率及数据处理能力强等特点。

1 系统方案

1.1 LED光源驱动

TM1810是一种单通道LED恒流驱动电路，采用高压CMOS工艺，输出端口耐压能达到24 V以上，可以串联LED灯实现恒流照明控制。芯片具有性能可靠、外围电路少、控制精度高等特点[1]。TM1810应用原理图如图1所示。

图1 LED驱动TM1810应用电路

如图1所示，在工作电压为12 V的状态下，为了有效地控制8个LED灯，需要使用两块TM1810芯片，通过参考厂家的芯片数据表发现，为了使电路可靠地工作在恒流状态下，TM1810输出端电压应高于2.5 V，即芯片的2、3管脚之间的电压须大于2.5 V。实际使用过程中，12 V直流电源加载在LED灯串联后加在TM1810输出端2脚上的电压建议保持在3.0 V左右。为了避免芯片长时间处于高压状态下，芯片功耗增大导致发热从而造成芯片寿命缩短甚至损坏，芯片持续工作在额定恒流状态下时，其输出端引脚电压应控制在8.0 V以内为宜。所以应根据实际使用情况合理配置电路参数。如果电源电压较高或串接的LED 数量较少，TM1810输出端引脚电压偏高时，应该在LED灯珠和芯片之间串联一个分压电阻降低输出端工作电压。本电路为了方便控制LED灯珠的通断，调光等，还采用了S9013作为电路开关。可以在S9013基级输入PWM信号来控制TM1810的导通和截止从而实现照明控制，使芯片及LED灯工作在周期性通断状态。

1.2 光电检测与光电转换

LED照明灯发出的光通过硅光电池PD采集后转换成电信号，硅光电池是一种可以把光能转换成电能的半导体器件，半导体PN结在受到光照的条件下会产生电流信号，通过把与光照强度成正比的电流信号转换成电压信号，可以准确掌握光强的变化，从而实现数据采集和反馈控制，电路前级部分的前置放大由高精度仪器运算放大器实现，即将硅光电池PD输出的μA级电流信号放大后转换成电压信号供后级控制电路放大分析，电路的放大倍数可以通过改变反馈电阻的阻值来设置。硅光电池应用参考电路如图2所示。

图2 光电转换应用电路原理图

1.3 数据采集

数据采集模块由STC12C5A60单片机组成，这个系列的单片机内置8通道10位高速A/D转换器接口,转换速度可达到250 kHz，为电压输入型AD，使用方便，可靠性高，采集数据可以通过单片机直接分析处理，减少硬件之间信号传输的数据损失，避免干扰，突出了模块数据处理的实时性能。

2 系统方案设计

2.1 系统总架构

系统的原理框图如图3所示，首先被检测样品(试剂)在LED光源的照射下光照强度相对减弱，光电检测装置捕捉到光强的微弱变化，将这一变化转换成电信号后再由AD转换模块转换成数字信号便于CPU分析处理，上位机的分析软件对装置传送的数据进行比对分析，装置可以实时检测及发送数据、存储数据等，具有通讯速率高、实时性好、精度高等特点。

图3 系统框架图

2.2 电源电路设计

系统电源部分如图4所示，供电电源采用了LDO芯片AMS1117，12 V电源输入5 V电源输出，具有效率高、低能耗、纹波小、抗干扰能力强、封装面积小、外围器件少等特点，非常适用于本系统。

图4 电源电路图

2.3 主控电路设计

系统主控电路如图5所示，系统的控制电路由STC系列单片机完成，具有较高的工业标准，稳定性好，单片机负责各路LED的开启关闭，光电转换数据的AD转换，数据分析传送、处理等功能。与上位机进行通信，接收上位机指令等。

图5 单片机控制电路

3 结论

本文主要阐述使用光电接收模块、LED恒流驱动芯片等组成的LED光度检测装置，对系统的硬件设计做了详尽介绍，将检测数据上传到上位机等智能设备，终端检测设备与计算机结合实现智能化和网络化，方便访问，分析和存储，实现远程化与智能化相融合。系统还具有扩展性好、体积小、便捷性好、兼容好、易于升级等特点,今后将系统进行升级，设计出多种应用场景的检测装置，可以应用于照明检测、食品药品检测、家居生活方面，市场前景可观。

[1] STC12C5A60S系列单片机指南[OL].2012. www.stcmcu.com.

[2] TM1810数据手册[OL].2017. www.titanmec.com.