基于单片机的LED调光调色控制系统设计

刘竹林

(湖北工业职业技术学院 智能工程学院,湖北 十堰 442000)

0 引言

随着能源效率和环境保护意识的提高,LED照明逐渐取代传统的白炽灯和荧光灯,成为照明领域的主流技术。与传统照明相比,LED具有更高的能源效率、更长的使用寿命和更广泛的颜色选择能力。然而,单一的亮度和颜色可能无法满足不同环境下的需求,因此调光调色LED设计应运而生。本文所设计的调光调色灯由三原色LED灯组合,可实现七种颜色,三级亮度,同时该系统采用单火线控制,可直接替换照明灯,不用改变原来的线路布局,方便更换,安装快捷安全。

1 系统硬件构成

本设计中硬件采用宏晶公司生产的STC15W408AS单片机作为控制器,通过过零检测电路检测输入电源信号,从而判断当前控制颜色,并采用PWM信号控制灯亮度。系统由五大电路构成,分别是:系统主控电路、系统供电电路、过零检测电路、LED阵列电路。控制系统硬件结构见图1。

图1 控制系统硬件结构图

1.1 系统主控电路

本系统的主控电路采用宏晶公司生产的STC15W408AS单片机作为控制器的主控芯片。STC15W408AS是一款单周期新一代8051内核的单片机,工作频率最高可达35MHz,采用STC第九代加密技术,无法解密,指令完全兼容传统的8051,但速度快8～12倍。内部高精度R/C时钟,支持ISP编程,可在系统编程与仿真。内部集成高可靠复位电路,工作电压范围宽,2.5V～5.5V,内部有512字节RAM数据存储器,内部包含EEPROM,擦除次数10万次以上,另包含5个定时器、具有8通道10位高速ADC、比较器、多种通信接口(IIC、UART、SPI)、看门狗等外设。由于此单片机内部集成了高精度的RC振荡电路和高可靠的复位电路,外部晶振和复位电路都可以省去,芯片接通电源后就可以直接工作。系统主控电路见图2。

图2 系统主控电路

1.2 系统供电电路

电源部分采取工频市电供电。通过AC-DC降压电源模块AM21-5W12V将幅值为220V的交流电转换为12V直流电,经过滤波和L78M05ABDT-TR稳压芯片之后,使电压稳定在5V。FR5为自恢复保险丝,起到短路保护;RV5为压敏电阻,起过压保护作用。系统供电电路见图3。

图3 系统供电电路

1.3 过零检测电路

过零检测电路分为4路,分别对应红光、绿光、蓝光和调光端。FR1为自恢复保险丝,起短路保护作用;RV1为压敏电阻,起过压保护作用;有电压时,双向光耦有电流,处于导通状态,输出端为低电平,过零点时,无电流流过光耦,处于断开状态,输出端为高电平。过零检测电路见图4。

图4 过零检测电路

1.4LED阵列电路

LED调光常有模拟调光和脉冲宽度调制(PWM)调光两种最常见的方式进行。模拟调光是通过改变LED回路中电流大小达到调光,其优点是电流可连续,但可调节电流的范围往往受到硬件的限制,调节档位不多。PWM调光是使开关电路在以相对于人眼识别能力来说足够高频率下工作,通过设置周期和占空比来改变输出电流的平均值,此方法调光范围广,可避免色漂现象。相比较模拟调光,PWM调光具有色恒定性高、驱动器效率高,并且能够进行精确控制的优点,方便与数字化系统接轨,具有更大的应用前景。调色基于RGB颜色模型,其中红光、绿光和蓝光在强度上各不相同,组合在一起几乎可以重新生成任何颜色。通过控制不同颜色LED的亮度比例来实现调色。本电路采用红绿蓝三原色LED组成,通过控制不同颜色的灯点亮,从而组合成不同的颜色。红绿等比混合是黄色,红蓝等比混合是洋红,绿蓝等比混合是青色,红绿蓝最大亮度混合是白色,红绿蓝非最大亮度等比混合是不同亮度的灰色。非等比例混合可得到其他颜色,比例不同颜色不同。

LED阵列电路利用12个LED灯,分为4组,各组红色、绿色、蓝色分别并联,接到Hi7005s芯片上,单片机通过三个IO端口控制三个Hi7005s芯片,分别对于红绿蓝三色灯。Hi7005s是一款多功能平均电流型LED恒流驱动器,采用Buck拓扑结构,极大地提高了工作效率,最高效率可达95%,支持PWM调光,最高可实现65536级高辉调光。LED 阵列电路见图5。

图5 LED阵列电路

1.5 调光调色灯单开关接线图

检测调光开关S1状态,检测到一次通断(要求通断时间不超过3秒),改变一次灯的亮度等级,亮度有3个等级,高亮度,中等亮度和低亮度。检测输入电源线路,控制对应灯亮度,未接入的则不亮。再次循环检测调光开关状态。长时间断电后开灯,进入上次亮度,再次进行一次通断操作,亮度等级降低一级,如果已经是低亮度,则切换为高亮度。调光调色灯单开关接线见图6。

图6 调光调色灯单开关接线图

2 系统软件设计

在单片机硬件系统的基础上,再配上相应的软件,才能构成一完整的系统。用户软件的开发与系统硬件有着密切的关系。本控制系统软件模块主要包括:主控程序、过零检测、计时、PWM调光驱动模块。程序流程见图7。

图7 程序流程图

3 结语

本文提出了基于单片机的LED调光调色控制系统设计方案,通过相关电路和控制程序的结合,实现了对LED灯光亮度和颜色的可调控性。该方案具备较高的稳定性和灵活性,并在家庭照明、商业照明和舞台照明等领域具有广泛的应用前景。未来的研究可以进一步优化该设计方案,增加电流监测、温度监测,提高照明功率、效率。