基于STC12LE5201AD 單片機的LED 閃光燈電源設(shè)計*

張 鋒，談 敏

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 江陰214405）

引言

從人類掌握了鉆木取火的技術(shù)以來，人類的照明史就經(jīng)歷了火光照明、白熾燈照明、熒光燈照明這三個大的階段。隨著電子技術(shù)地快速發(fā)展，最近幾年又興起了半導(dǎo)體固體照明第四代照明方式——LED 照明，這種照明方式安全、節(jié)能且環(huán)保。

目前，很多家庭在新房裝修時大多采用高亮的LED照明，但現(xiàn)在高亮LED 普遍采用工頻交流電整流成直流，采用開關(guān)電源方式供電形式，但對于海島或者偏遠(yuǎn)地區(qū)而已，由于尚未接通工頻市電，所以無法展現(xiàn)LED 照明的優(yōu)勢了。因此，研究一種如何將低壓的電池能源恒定轉(zhuǎn)換成小巧、方便易攜帶的高亮LED 的驅(qū)動電流源就顯得尤為重要。

1 任務(wù)要求和總體方案設(shè)計

1.1 任務(wù)要求

（1）輸入電壓：DC 3.0V～3.6V。

（2）100mA、150mA、200mA 三檔可設(shè)定的連續(xù)電流輸出，輸出電壓最高不低于10V，最低為0V（輸出短路）。

（3）輸入、輸出電壓在規(guī)定范圍內(nèi)的輸出電流相對誤差小于2%。

（4）等效的直流負(fù)載電阻過大時，輸出電壓幅值不高于10.5V，超出報警。

（5）輸出電流200mA，輸出電壓10V 時，效率不低于80%。

（6）300、450、600mA 三檔可設(shè)定的輸出電流峰值，相對誤差小于5%，間歇期電流小于1mA。

（7）脈沖周期可設(shè)定為10、30、100ms 三檔，相對誤差小于2%，上升時間、下降時間均不大于100μs，電流過沖不大于10%。

1.2 總體方案設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)和設(shè)計要求，本系統(tǒng)以單片機為控制核心，主要由升壓電路、場效應(yīng)管和運放組合構(gòu)成的開關(guān)式恒流源輸出控制電路、輸出電流以及輸出電壓的采樣保護(hù)電路、4×4 按鍵控制電路、液晶顯示電路，過壓報警提示電路等組成[1]。采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

系統(tǒng)輸入的低壓直流電源經(jīng)過開關(guān)型升壓轉(zhuǎn)換電路輸出為12V 電壓，其為場效應(yīng)管和運放組成的恒流源電路提供工作電壓。通過按鍵控制單片機內(nèi)部的D/A 輸出信號，使恒流源電路輸出恒定電流驅(qū)動的高亮LED 照明。

LED 是一種非線性器件，其正向電壓的微小變化都會引起正向電流很大的變化，電流過強或過弱均會引起LED光強度增強或衰減，所以LED 需要由單片機內(nèi)部的A/D 采集輸出的電流、電壓信號，實現(xiàn)恒流驅(qū)動和過壓報警。

圖3 恒流源電路

2 電路方案設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)控制器的選擇

本系統(tǒng)設(shè)計的閃光燈電源為便于攜帶，體積要求較小，由于系統(tǒng)供電電壓為DC 3V 且要求較高的控制精度，因此，本項目采用了STC12LE5201AD 單片機。該單片機是增強型8051 單片機，指令可以兼容傳統(tǒng)的51 單片機；功耗低，供電電壓可低至3V；速度快，且內(nèi)部集成有8 路高速8 位A/D 轉(zhuǎn)換；2 路PWM 等電路模塊；精度高且適合在一些強干擾的場合應(yīng)用。

2.2 升壓電路設(shè)計

該升壓電路主要由XL6009 升壓型直流電壓電源變換器、B54 肖特基型二極管以及儲能電感等元器件組成。系統(tǒng)以XL6009 電源變換器3 腳的方波輸出信號為開關(guān)控制信號，當(dāng)3 腳的輸出電平為低電平時，二極管D1 截止，儲能電感L1 吸收能量儲存電壓，濾波電容C3 與可變電阻RV1 和電阻R1 構(gòu)成了放電回路，輸出電壓會隨因放電而電壓下降；當(dāng)3 腳的輸出電平為高電平時，二極管D1被導(dǎo)通，儲能電感L1 通過二極管D1 向濾波電容C3 充電，輸出電壓會隨之升高。XL6009 內(nèi)部電路和可變電阻RV1、電阻R1 組成了輸出電壓采樣反饋放大電路，使輸出電壓穩(wěn)定，放大電路的放大倍數(shù)受可變電阻RV1 和電阻R1 控制[2]。輸出電壓大小為Uout=1.25×（1+RV1/R1）。升壓模塊電路原理圖如圖2 所示。

2.3 恒流源電路設(shè)計

該電路主要由美國TI 公司生產(chǎn)的LM358P 運放和美國國際整流器公司生產(chǎn)的N 溝道場效應(yīng)管IRL3803組成。場效應(yīng)管的特性和恒流源電路原理如圖3 所示。

圖3（a）是N 溝道增強型場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。從轉(zhuǎn)移特性曲線上看，場效應(yīng)管的漏源電流Id 受它的柵源電壓控制；從輸出特性曲線上看，場效應(yīng)管可分為可變電阻區(qū)、恒流區(qū)（放大區(qū)）、擊穿區(qū)、夾斷區(qū)等四個工作區(qū)。在恒流區(qū)漏源電流為恒定值，其大小由柵源電壓控制。因此，當(dāng)N 溝道增強型場效應(yīng)管工作在恒流區(qū)時可實現(xiàn)恒流輸出，且可以通過改變柵源之間的電壓來改變輸出的恒流數(shù)值的大小[3]。

圖3（b）所示為基于N 溝道增強型場效應(yīng)管所構(gòu)成的恒流源輸出閉環(huán)反饋系統(tǒng)的原理圖，輸出電流經(jīng)精密的采樣小電阻后轉(zhuǎn)換成輸出采樣電壓。該采樣電壓經(jīng)過運放U3所構(gòu)成的比例放大器放大后作為反饋控制電壓送至運放U2所構(gòu)成的比較器的反相端，與同相端的輸出電流的控制電壓進(jìn)行比較，通過比較器輸出的控制電壓改變柵極電壓，進(jìn)而改變柵源之間的電壓從而實現(xiàn)對輸出電流進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和平衡，實現(xiàn)輸出電流恒定輸出的目的[4]。

利用運放的虛短、虛斷及相關(guān)的公式，可以推導(dǎo)出V控與I控的關(guān)系：

由上述公式可知，輸出電流I控數(shù)值和電阻R4，R5，R7，R8，V控有關(guān)，但與場效應(yīng)管的相關(guān)參數(shù)無關(guān)。所以，只要選擇合適的電阻和控制電壓基準(zhǔn)源，就可以實現(xiàn)恒流輸出。

2.4 其他電路設(shè)計

2.4.1 矩陣鍵盤及LCD 顯示

本項目采用輕觸按鍵構(gòu)成的4×4 矩陣鍵盤來設(shè)置直流電源的輸出電流。由于輸入的電流值范圍較大，可以用較少的I/O 口來控制較多的按鍵，實現(xiàn)工作方式和電流值的設(shè)定。

采用LCD1602 液晶進(jìn)行設(shè)定與檢測的顯示，其優(yōu)點是能顯示較多的內(nèi)容。

2.4.2 聲光報警

當(dāng)超壓保護(hù)時，進(jìn)行聲光報警，電路圖如圖4 所示。

圖4 過壓報警電路

3 軟件設(shè)計

為配合硬件電路的工作，本系統(tǒng)設(shè)計了相關(guān)軟件程序，包括電壓AD 采樣子程序、掃描控制鍵盤子程序、數(shù)值顯示子程序、恒定電流控制設(shè)定子程序、輸出電壓超限控制子程序等。主程序流程如圖5 所示。

圖5 主流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

在系統(tǒng)硬件電路和軟件程序設(shè)計完后，對系統(tǒng)仿真測試可以及早發(fā)現(xiàn)并且修正設(shè)計中可能存在的問題，是系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺的一步。系統(tǒng)的測試需要搭建仿真模型，進(jìn)行模擬測試。同時還搭建了實物驗證平臺，進(jìn)行電路硬件測試，對電路原理進(jìn)行相關(guān)驗證和測試[5]。

4.1 軟件仿真測試

通過Multisim13 仿真平臺搭建測試模型，3V 直流低壓通過電位器調(diào)整輸入模擬單片機的D/A 口的輸出電壓，通過仿真實驗可以測得電流會隨著控制電壓的調(diào)整而變化。圖6 所示為輸出150mA 時的仿真狀態(tài)。

圖6 輸出150mA 時的仿真狀態(tài)

表1 不同檔位設(shè)定時的測試數(shù)據(jù)

表2 效率測量數(shù)據(jù)

4.2 實物測試過程與結(jié)果

（1）將直流穩(wěn)壓電源調(diào)至3.0V，給設(shè)計的電路通電測試，在沒有接負(fù)載或負(fù)載電阻過大時，蜂鳴器報警。

（2）通過開關(guān)按鍵S1、S2、S3 選擇100mA，150mA，200mA三個電流檔位。觀察電路的電流、電壓輸出數(shù)值，并記錄其測試結(jié)果。

實驗結(jié)果表明，在連續(xù)工作模式下，電路的最高輸出電壓大于10V，最低輸出電壓為0V，輸出電流相對誤差［（Io-Ii）/Ii］*100%小于2%，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

（3）當(dāng)輸入電壓為3.0V 時，測得輸入電流810mA，輸出電流202mA，輸出電壓10.1V，效率為η=（10.1×0.202）/（3.0×0.81）=84%。效率測量數(shù)據(jù)如表2 所示。

（4）接通LED 閃光燈，使用按鍵設(shè)定輸出電流分別為300mA、450mA、600mA 三種電流峰值，脈沖周期分別為10、30、100ms 三種時鐘周期，用示波器進(jìn)行輸出波形觀察并記錄。圖7 所示波形為周期為10ms 的脈沖波形，其占空比為1/3、相對誤差小于2%、上升時間為10.6ns、下降時間為11ns，電流過沖小于8%。電流測量數(shù)據(jù)表3所示。

圖7 周期10ms 時脈沖波形

表3 電流測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文采用N 溝道增強型場效應(yīng)管所構(gòu)成的閉環(huán)恒流的數(shù)控LED 閃光燈電源電路，具有精度高、外圍電路少的特點，電路易于實現(xiàn)智能化地控制和自動化地診斷。根據(jù)設(shè)計要求，實現(xiàn)了將低至3V 的低壓電源（如電池電源等）轉(zhuǎn)換為具有恒流輸出數(shù)控電源，可以驅(qū)動高亮的白光LED 發(fā)光工作，并具有輸出100mA、150mA、200mA 的連續(xù)工作模式和300mA、450mA、600mA 脈動輸出工作模式等兩種工作模式。實驗室測試結(jié)果表明該電路實現(xiàn)了前述LED 閃光燈電源所需的各設(shè)計功能指標(biāo)，具有一定的實用價值。