基于STM32單片機(jī)的LED調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：LED照明產(chǎn)品較其他照明產(chǎn)品具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，正廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了一套可由上位機(jī)通過串口發(fā)送調(diào)光命令的LED驅(qū)動(dòng)及調(diào)光系統(tǒng)，主要包括STM32單片機(jī)控制板，XL6006驅(qū)動(dòng)板等。STM32單片機(jī)控制板輸出PWM信號(hào)并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，XL6006驅(qū)動(dòng)板根據(jù)PWM信號(hào)的不同占空比控制LED燈的電流，以達(dá)到控制LED燈的亮度。

關(guān)鍵詞：LED燈;PWM調(diào)光;STM32控制器

一、引言

LED照明較其他照明產(chǎn)品具有發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)、耐用、工作安全可靠、節(jié)能省電、環(huán)保、體積小、發(fā)光響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[1]，隨著整體成本的降低，LED照明開始廣泛應(yīng)用與商業(yè)及家庭領(lǐng)域。

由LED的伏安特性可知（見圖1），在LED正向?qū)〞r(shí)電壓的微小變化都會(huì)引起電流劇烈的變化。所以如果通過改變電壓控制LED燈的亮度很容易燒毀燈珠。LED的亮度在一定范圍內(nèi)與電流成正比，因此一般LED驅(qū)動(dòng)都采用恒流驅(qū)動(dòng)方式。

LED調(diào)光一般有兩種，模擬調(diào)光和脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)光。模擬調(diào)光方式是通過連續(xù)的方式線性的調(diào)節(jié)流過LED的電流，來改變燈的發(fā)光亮度，可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)LED的亮度。PWM調(diào)光是通過反復(fù)的通斷來改變開關(guān)電流的脈寬而不是改變電流的幅值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)LED亮度的目的。流過LED的平均電流與調(diào)節(jié)占空比是線性關(guān)系[2]。模擬調(diào)光的缺點(diǎn)是LED燈的色溫會(huì)隨電流的大小而改變。本設(shè)計(jì)采用PWM方式調(diào)光。

由于項(xiàng)目需要，本文設(shè)計(jì)了一款可以通過串口RS485進(jìn)行PWM調(diào)光、地址查詢、地址設(shè)置的LED燈（最大功率約50W）。由于每個(gè)LED燈可以設(shè)置單獨(dú)的地址，所以在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)LED燈的單獨(dú)調(diào)光。

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由于項(xiàng)目要求LED燈的體積盡量?。p小水下阻力），所以燈珠要選擇封裝比較小，功率比較大的燈珠。經(jīng)過對(duì)比，最終選擇歐司朗3030封裝的3W燈珠，將該燈珠進(jìn)行16串組成LED燈板，最大功率約50W。LED燈驅(qū)動(dòng)主芯片采用上海芯龍XL6006LED驅(qū)動(dòng)芯片，PWM信號(hào)由STM32F103單片機(jī)控制電路產(chǎn)生。LED調(diào)光系統(tǒng)組成框圖如下圖2。本設(shè)計(jì)中上位機(jī)與STM32控制器之間的通信采用串口RS485接口。

（一）LED燈驅(qū)動(dòng)電路

上海芯龍 XL6006芯片是固定頻率的PWM升壓（升壓）LED恒流驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)1W/3W/5W系列LED單元，具有良好的線路和負(fù)載調(diào)節(jié)能力。調(diào)節(jié)器使用簡(jiǎn)單，因?yàn)樗▋?nèi)部頻率補(bǔ)償和固定頻率振蕩器，因此它需要少量的外部元件就能工作。XL6006可以在VIN=24伏時(shí)直接驅(qū)動(dòng)16個(gè)系列1W/3W LED單元。PWM控制電路可以線性地將占空比從0%調(diào)整到90%[3]。

驅(qū)動(dòng)電路采用XL6006 升壓驅(qū)動(dòng)電路（圖3）。該方案轉(zhuǎn)換效率高，最高輸出電壓兼容到60V，內(nèi)部集成功率MOSFET，內(nèi)置過溫保護(hù)，過流保護(hù)，LED開路保護(hù)全套保護(hù)電路，可靠性高，外圍器件少，系統(tǒng)成本低[3]。在該驅(qū)動(dòng)電路中，利用場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓高于源極電壓場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通原理，Q1，R26，R27，D7組成防反接電路，防止電源反接燒毀芯片。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在很低的電壓情況下開始工作，所以在帶載大功率的情況下會(huì)出現(xiàn)輸入大電流，從而導(dǎo)致電源出現(xiàn)限流，無法帶載啟動(dòng)。

為了防止啟動(dòng)電流過大，通過穩(wěn)壓管和限流電阻組成延遲電路，保證系統(tǒng)在穩(wěn)壓管反向電壓（18V）以下不啟動(dòng)，D5，R22組成延時(shí)電路。此電路同時(shí)也保證電源虧電的情況下在穩(wěn)壓管反向電壓（18V）以下系統(tǒng)關(guān)閉，保護(hù)系統(tǒng)電路。

上電時(shí)如果輸出開路，F(xiàn)B接地，芯片會(huì)以最大占空比工作，輸出電壓會(huì)很高，電解電容很可能被擊穿。為了防止這種情況發(fā)生，增加了D6和R23組成的保護(hù)電路。因此，開路電壓約等于D6的值。在開路后再接入LED時(shí)，也可以保護(hù)LED等板以及電阻R21。

XL6006 FB腳為基芯片內(nèi)部基準(zhǔn)誤差放大器輸入端，內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VFB穩(wěn)定在0.22V。FB腳通過外部電阻RCS采樣輸出電流，對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)整，輸出電流計(jì)算公式[4]為：

（1）

根據(jù)XL6006芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，3W， 16串方案輸出電流為1050mA， 為了避免LED燈功率超過50W， 驅(qū)動(dòng)電路最大輸出電流不超過1A，所以RCS取阻值0.24歐姆電阻。

調(diào)光是通過PWM信號(hào)改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電流。PWM信號(hào)高電平為3.3V，低電平為0V。由電路圖可知輸出電流與占空比的關(guān)系如下：

（2）

（二）PWM調(diào)光與串口通信電路

本設(shè)計(jì)中由STM32F103ZET6芯片產(chǎn)生調(diào)光PWM控制信號(hào)。STM32F103 ZET6芯片由意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72MHZ，具有512KBFLASH，可以控制多種外設(shè)，2個(gè)DMA控制器，12個(gè)DMA通道[5]。

本設(shè)計(jì)中使用了該芯片的通用計(jì)時(shí)器TIM3產(chǎn)生PWM方波信號(hào)，從PA6端口輸出。STM32單片機(jī)系統(tǒng)中串口USART2通過MAX485芯片將串口轉(zhuǎn)換為RS485接口。上位機(jī)通過RS485接口向STM32系統(tǒng)發(fā)送調(diào)光信號(hào)的占空比命令。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)發(fā)送給STM32單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)光命令仿照Modbus-RTU協(xié)議，共8個(gè)字節(jié)，包含地址，命令碼，寄存器地址，占空比值，CRC效驗(yàn)。STM32單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)的通信采用串口DMA中斷方式，其中DAM1CH6通道為STM32單片機(jī)系統(tǒng)接收上位機(jī)串口信號(hào)的通道，DAM1CH7通道為STM32單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送串口信號(hào)到上位機(jī)的通道。DMA通信方式最大的優(yōu)點(diǎn)是在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不占用CPU資源。

PWM信號(hào)由STM32單片機(jī)通用計(jì)時(shí)器TIM3CH1產(chǎn)生。軟件里先初始化TIM3CH1外設(shè)，設(shè)置TIM3CH1為PWM輸出比較模式。XL6006芯片的調(diào)光頻率為1KHZ-10KHZ，本設(shè)計(jì)中設(shè)定PWM信號(hào)頻率為1KHZ。PWM信號(hào)頻率由自動(dòng)重裝寄存器ARR值決定，占空比由比較寄存器CCR的值決定。軟件里調(diào)光占空比的范圍設(shè)定為0-100。

程序運(yùn)行時(shí)STM32單片機(jī)系統(tǒng)的DAM1CH6通道處于監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)它接收到指令后會(huì)進(jìn)入總線空閑中斷程序。在中斷程序中先判斷接收的命令是不是本設(shè)備的命令，如果是則拷貝命令到另外一個(gè)數(shù)組，同時(shí)置位標(biāo)志位，如果不是則退出中斷，串口將被重置為DMA接收狀態(tài)。

主程序不停檢測(cè)這個(gè)標(biāo)志位是否置位，檢測(cè)到標(biāo)志位置位后，進(jìn)入處理程序。處理程序先判斷該命令是哪一種命令，并進(jìn)行CRC檢測(cè)，如果是修改地址命令，則修改STM32內(nèi)部FLASH中的ID值并將新的ID值返回上位機(jī);如果判斷為地址查詢命令，則讀取STM32內(nèi)部FLASH中的ID值并返回給上位機(jī);如果判斷為調(diào)光命令，那么命令中表示占空比的值會(huì)被提取出來，再把它賦值給TIM3 CH1 的CCR1寄存器，從而改變輸出PWM方波的占空比，之后通過DMA1CH7通道返回調(diào)光命令給上位機(jī)，表示調(diào)光成功。主程序處理完命令后，在退出之前會(huì)復(fù)位標(biāo)志位。假如主程序里CRC檢測(cè)不通過，則退出該次循環(huán)，程序會(huì)將串口重置為DMA接收狀態(tài)。

四、測(cè)試結(jié)果

根據(jù)PCB圖打樣制板，測(cè)試控制板、驅(qū)動(dòng)板與LED燈板。通過上位機(jī)485端口向控制板發(fā)送調(diào)光指令，LED燈的亮度會(huì)隨指令變化，從熄滅到全功率可以自由切換。上位機(jī)通過串口可以修改LED燈的地址，可以查詢LED燈的地址。在調(diào)光命令最大時(shí)，測(cè)的24VDC電源的電流為2.08A，即LED燈的最大功率為49.9W。

測(cè)試時(shí)用示波器測(cè)量相關(guān)信號(hào)的波形。示波器第一通道測(cè)量PWM波形，第二通道測(cè)量驅(qū)動(dòng)板輸出到LED燈的電壓波形，同時(shí)萬用表測(cè)量驅(qū)動(dòng)板輸出到LED燈的電流。PWM頻率為1KHz，高電平為3.3V，低電平為0V。由前面章節(jié)的輸出電流與占空比的關(guān)系式（2）可知占空比越高，輸出電流越小。

實(shí)際測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了輸出電流會(huì)隨占空比的增加而減小，輸出電流與占空比基本呈線性關(guān)系，同時(shí)LED的亮度也隨電流的變小而變暗。同時(shí)也實(shí)驗(yàn)了通過串口修改LED燈的地址、查詢LED燈的地址。最終，實(shí)驗(yàn)證明該LED燈的控制系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)的要求。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款可串口調(diào)光的LED燈。以STM32F03ZET6芯片為核心組成控制板，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)的命令并返回?cái)?shù)據(jù)給上位機(jī)，同時(shí)輸出PWM信號(hào)。采用XL6006芯片為核心組成LED驅(qū)動(dòng)板。驅(qū)動(dòng)板接收到控制板的PWM調(diào)光信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)板會(huì)改變輸出到LED燈的電流。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)通過串口控制LED燈的亮度，并可通過上位機(jī)設(shè)置LED燈的地址，修改LED燈地址。

作者單位：楊濤? ? 上海交大中海龍水下防務(wù)研究中心有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 路秋生.LED照明與應(yīng)用[D].北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院.燈與照明，2009（12）：24.

[2] LED調(diào)光設(shè)計(jì)與研究[D].南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2012.1.

[3] 180KHZ 60V 5A Switching Current Boost LED Constant Current Driver XL6006 Datasheet[使用手冊(cè)].深圳市流明芯半導(dǎo)體照明科技有限公司，2016.1.

[4] XLSEMI恒流LED產(chǎn)品PWM調(diào)光方案簡(jiǎn)介[說明書].深圳市流明芯半導(dǎo)體照明科技有限公司，2016.

[5] STM32F103xCDE數(shù)據(jù)手冊(cè)[數(shù)據(jù)手冊(cè)].意法半導(dǎo)體（中國(guó)）投資有限公司，2010.1.