一种均匀划分LED灯亮度等级的实现方法

安徽工业大学电气与信息工程学院 苑香平

1 前言

众所周知，人类照明史源远流长，见证着人类文明的发展与进步。最初的篝火、油灯和蜡烛这3种照明方式效率极低，根本无法满足人类的应用需求。直到碳丝灯泡发明以后,人类才步入电气照明的新时代,继而又出现了汞灯、钠灯、荧光灯和各系列金属卤化物灯等，不胜枚举。然而，进入21世纪以来，“绿色照明”的新理念使得高效、节能的LED灯呼之欲出，并迅速普及开来。当然，人类不仅仅希望LED灯能够发光，更多的是要有与环境相适配的光照强度，按此要求，性能优良的调光方案将备受青睐。凑巧的是，在"蓝桥杯"大赛电子类的试题当中也出现了对LED灯进行调光的要求,故借此机会给出相应的解决方法。

本文提出一种对LED灯亮度等级进行均匀划分的实现方法。该方法基于“蓝桥杯”大赛CT107D专用硬件平台，通过对IAP-15F2K61S2单片机的内部定时器加以设置，能够将脉冲宽度调制（PWM）技术基本原理“软化”，从而实现对LED灯4个均匀亮度等级的划分。此套软件控制程序可通过实际进一步应用于其他单片机开发平台当中，并验证其稳定性。

2 CT107D综合训练平台

CT107D是北京国信长天科技有限公司为“蓝桥杯”大赛设计的一款竞赛专用平台,所兼容单片机的类型较为丰富。该平台载有8位LED灯指示模块、8位8段共阳极数码显示模块、4*4矩阵键盘、EEPROM芯片AT24C02和NE555信号发生器等众多模块资源，因此可利用由平台上的部分资源所组成的微系统对LED灯进行调光，其中的8位LED指示灯和IAP15F2K61S2单片机将会在下文着重介绍。

图1 LED灯调光微系统硬件组成框图Fig.1 Block diagram of hardware composition of light dimming microsystem for LED lamp

如图1所示，该系统的工作原理如下：在任一时刻，按下系统启动功能按键，系统开始投入运行。数码显示平台记录着LED灯当前的状态,通过功能切换按键可连续产生4个均匀的亮度等级,并在LED灯指示平台上得以观测。最后，按下系统停止功能按键，系统立刻退出运行，各部分资源将恢复初始状态。由此，可得到如图2所示的系统工作流程图，继而指导软件控制程序的设计。

3 8位LED指示灯

LED灯（Light-Emitting Diode Light）即发光二极管，利用半导体PN结发光原理制成，可发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光，而生活中应用较广泛的是白光LED灯。较传统的白炽灯而言,白光LED灯因具有绿色、环保等优点而占据了照明领域的绝大部分市场，正因如此，CT107D综合训练平台用它来作指示灯。

图2 LED灯调光微系统工作流程图Fig.2 Working flow chart of light modulation micro system for LED lamp

4 调光方案比较

4.1 方案一

采用阻值可变的电阻与LED灯串联在电源回路当中,这时只需通过电位器改变电路中的电流便可调节LED灯的亮度。该方案虽简单易行，但功耗大，电路很不经济。

4.2 方案二

给LED灯安置专用的驱动芯片，只要改变电路中外接电阻的大小即可改变芯片驱动电流，从而调节LED灯的亮度。该方案比方案一效率高，功耗也大大减少，但成本较高。

4.3 方案三

利用专门的LED灯调光器，其工作原理是借助于采用模拟线性技术的恒流电源进行调控或者将多个LED灯分组，用简单的分组器进行调控。该方案性能优良，但制作工艺复杂，维护成本较高。

4.4 方案四

基于PWM波调制技术，通过改变矩形波脉冲的宽度即单位周期内的占空比来改变电流的导通时间或LED灯连续点亮的时间，进而改变LED灯的亮度。该方案效率较高，但改进难度大，搞不好会烧驱动。

综上所述，4种方案各有千秋。由于受到CT107D综合训练平台上已固化硬件电路的限制，可采用方案四（PWM波调制）进行测试。

5 IAP15F2K61S2芯片

该芯片是宏晶公司最新的STC 15系列单片机，因具有两组高速异步串行通信端口（可同时使用），只需一根优质的USB线即可实现系统功能。其内置增强型8051CPU，集成有3个16位可编程定时器/计数器T0、T1和T2。对于T0和T1而言，通过配置SFR中TMOD的M0和M1位便可产生4种工作方式，而T2则固定为16位自动重装初值方式，故可选用工作在不同方式下的任意一个定时器来对PWM波进行调制。

6 PWM控制技术

脉冲宽度调制（PWM,Pulse Width Modulation）控制是一种基于面积等效原理，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需波形的实用技术。该技术侧重于矩形波脉冲波形的3个基本要素即幅度（电压等级）、周期和宽度（占空比），幅度通常固定，周期可通过定时中断累积的变量最值来确定，而宽度则是通过变量实际值与参考值的比较差来调节的。因此，只要将变量最值累积过程划分为4个等长的区间段，就可以形成4种占空比依次等幅递增的PWM波，将其应用在LED灯的控制上便可实现LED灯亮度的均匀调节，详细的实现过程可参见下文的软件控制程序。

汲取方案四的核心思想，同时结合图2所示的LED灯调光系统工作流程图，不难设计出一套完整的软件控制程序。下面通过部分程序来对LED灯的调光原理作一补充说明。

7 结语

本文所设计的软件控制程序可轻松划分出LED灯的4个均匀亮度等级，能够满足赛题要求。此套控制程序已通过实际应用于CT107D综合训练平台上，经验证其工作稳定，演示效果良好，并因此在“蓝桥杯”大赛中取得了优异的成绩。相信随着控制技术理论的不断向前发展，LED灯的调光性能将会屡上新台阶。