电子产品世界

本文针对传统照明能效低、耗电量大等问题，设计了LED恒照度调光驱动器。系统使用恒流LED控制芯片NCL30160作为LED光源驱动电路，采用TSL2561光照度传感器采集室内光照度，通过处理器相应算法进行闭环控制，实现室内的恒照度调光。该算法实现了PWM波形平滑变化，避免因PWM突变造成闪光。同时，系统增加了人体运动控制，实现无人、有人时的不同调光方案，使设计进一步节能和智能化。

1 系统简介及工作原理

系统由PIC16F690单片机、TSL2561光照度传感器、LED光源和LED驱动电路4部分组成。由于LED的亮度与工作电流成正比，故调节工作电流即可调节LED的发光亮度。目前主要有调节正向电流和脉冲调制调光两种调光方法。由于脉宽调制调光具有不会产生任何色彩偏移、调光精度高、结合数字技术调光、调光范围宽、不闪烁等优点，故本文选用脉冲调制调光。

系统主要由TSL2561采集光照度反馈给PIC16F690处理芯片，经过PIC16F690进行相应的算法处理，输出随光照度规律变化的PWM波形，经过带有PWM接口的驱动电路驱动LED灯从而实现调光。系统框图如图1所示。

同时，在本系统中加入了人体运动控制以及按键控制，能够检测人体运动，实现在无人时自动关闭LED灯，进一步减少电能浪费;按键能够调节PWM波形的频率以及设定环境光照度，使系统更为人性化。

1.1 PIC16F690单片机

PIC16F690单片机具有高性能的RISC CPU、低功耗以及丰富的外设资源，能够满足本系统的硬件资源需求。由于该款单片机资源丰富，既满足系统需求，又不十分浪费资源，故降低了控制器成本。

1.2 TSL2561光照度传感器

TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。该芯片的应用能够提供的显示亮度并降低电源功耗。TSL2561具有以下几个特点：

①可编程配置许可的光强度上下阈值，当检测光照度超过阈值时能产生中断信号;

②数字输出符合标准的SMBus和I2C总线协议;

③可编程控制模拟增益和数字输出时间;

④超小封装和超低功耗;

⑤自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。

TSL2561的内部结构如图2所示。其内部有两个光敏二极管通道，即通道0和通道1，其中通道0对可见光和红外线都敏感，通道1仅对红外线敏感。流过光敏二极管的电流经过积分式A/D转换器转换为数字量，转换完后将数字量存入芯片内部的寄存器中。积分式A/D转换器将在一个积分周期完成后自动进行积分转换过程。TSL2561可以通过对其内部16个寄存器设定来控制，该16个寄存器可通过标准的SMBus或者I2C总线协议访问。

2 硬件设计

2.1 控制电路设计

控制电路主要由PIC16F690的系统组成，包括复位电路、输入按键电路、调试电路、供电电路、晶振电路以及相应的信号输入/输出接口。

由于本系统的研究重点在于调光算法，且系统属于小功率，故供电电路采用简单实用的阻容电路。芯片供电电压为3.3 V，采用ASM1117稳压芯片。

调试电路根据微芯公司提供的资料，采用微芯集成仿真器ICD3，接口电路根据资料设计。复位电路以及晶振电路按照常用电路设计。总体硬件框图如图3所示。

2.2 驱动电路设计

图4为基于恒流LED控制芯片NCL30160的LED驱动电路。NCL30160是安森美半导体推出的一款NFET迟滞降压、恒流LED驱动器。它将电流提升到了1.5 A，是新一代高能效的解决方案，损耗非常低，体积很小，可限度地减少空间和成本。通过利用仅55 mΩ的低导通阻抗内部MOSFET及以100%占空比工作的能力，能够提供能效高达98%的方案。1.4 MHz的高开关频率使设计人员可采用更小的外部元件，将电路板尺寸减至及成本降至。

根据NCL30160的数据手册及输出要求计算外围器件参数。系统采用5颗1 W的LED串联，恒定电流为350 mA。

R1=200 mV/ILED=200 mV/350 mA≈0.56 Ω (1)

式中，ILED为LED灯串电流。图4中的C5采用数据手册推荐的取值。电感L1及ROT由式(2)～(4)得到。式中，toff、ton、△I、RDS(oN)的取值参考数据手册;VIN在此处取为24 V，DCRL为电感电阻，此处取为0 Ω。

3 软件设计

软件设计包括主程序设计、I2C总线通信程序设计、调光算法设计，以及运动控制和按键输入程序设计4部分，是实现系统智能化控制的。

3.1 主程序设计

图5为主程序流程图。主程序的作用是选择是否改变PWM频率及照度上限、无人模式和有人调光模式。恒照度算法在定时中断处理程序中实现。

3.2 调光算法设计

调光算法主要实现光照度信号的采集、数据处理运算并通过相应的算法实现实时跟踪补偿照度，从而实现平滑调光。TSL2561光照度传感器数字输出符合I2C总线标准协议，实现光照度采集必须实现TSL2561通信。I2C总线标准协议的读写方法主要有硬件实现和软件模拟，由于PIC16F690控制器没有自带的I2C总线接口，故本文采用软件模拟实现的方法。

采集进来的数据经过TSL2561标准规定的数据计算后获得光照度，将采集进来的室内光照度与设定的标准值比较，计算出LED需要补偿的照度值，并转化为处理器内PWM寄存器的值，记为当前PWM值。将前PWM寄存器值记为PWM原值。将PWM原值与当前PWM值不断比较递增或递减，使PWM输出以极小的步长跟踪当前PWM值，从而实现平滑调光。此算法还能解决启动跳变问题，使系统启动时PWM由零慢慢变化到当前PWM值。调光算法程序流程图如图6所示。

3.3 运动控制和按键输入程序设计

运动控制采用红外热电释人体运动传感器，能够检测室内是否有人，通过判断人体的活动情况选择相应的照明模式。若有人则选择调光模式，若无人则关闭LED灯，进一步节能。

按键输入主要有模式切换键及增减键，模式切换键主要用于切换改变频率或者改变光照度的设定值。考虑到单片机的硬件资源和合理的调光需求，时钟预分频比设定为4，频率变化范围为10～100 kHz，光照度设定值根据多次测量各时间段的光照度选取合适的调节范围，故光照度设定值范围为350～500。

4 实验结果

本实验使用TSL2561光照度传感器、控制电路、驱动电路。LED负载为5颗1 W的LED串联，恒定电流为350 mA。系统的工作状态可分为有人和无人，当传感器检测为无人时，PWM输出关闭，此时LED灯串熄灭;反之，则根据室内光照度自动调节LED灯串的亮度。由于实验条件限制，室内光照度改由遮光窗帘遮挡窗户强光来实现。如果系统数据和波形与理论分析一致，则说明系统设计正确。理论计算公式如下：

表1是在多云天气条件下测得的实验数据。系统根据不同的室内照度，调节PWM输出波形从而改变LED光亮度。由于室内照度计探头位置放置和TSL2561传感器有一定的偏差，故数据存在一定的误差。即在有人时，根据式(5)计算PWM占空比与示波器显示波形基本吻合;无人时，无论室内光照度值是多少，PWM占空比均为零，LED不照明。将实验数据与理论值进行比较，考虑一定误差的情况下，基本吻合。输出部分PWM波形如图7所示，分别为室内光照为22.82 lx和317.08 lx时的PWM波形。

结语

通过实验证明，系统按照程序设计，能够很好地进行恒照度控制;运动控制在无人时自动关闭，一旦检测到有人活动时，马上进行恒照度控制。同时系统设置了调节调光频率和光照度值，能够根据不同要求做适当的改变。恒照度自适应调光和人体运动控制有效实现了节能要求。

关键词： LED LED驱动 LED驱动器 驱动 驱动器