LED可控恒流源驱动系统设计.docx
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LED可控恒流源驱动系统设计
LED可控恒流源驱动系统设计
雷睿
（宁德师范学院物理与电气工程系发电厂及电力系统38宁德352100）
摘要：
LED的工作特性对其供电电源质量的依托程度专门大，供电电源的质量要紧取决于LED驱动电路设计，本文针对小功率LED在现有照明系统中驱动方式存在的一些不足，设计了一种高效的新型驱动系统。
本驱动系统以STC89C52单片机作为核心操纵器件，通过D/A变换组成的数控单元，由运算V/I转换电路组成电流闭环反馈操纵系统。
人机接口采纳独立键盘及LCD液晶显示器，操纵界面直观、简练，具有良好的人机交互性能。
关键词：
LED单片机直流恒流系统D/A
1 LED特性
LED伏安特性
LED伏安特性的数学模型能够表示为:
（1）
式中,V是LED的启动电压;
RS表示伏安曲线的斜率;
IF表示LED的正向电流;
T表示环境温度;
△VF/△T是LED正向电压的温度系数,关于大多数LED而言,它的典型值为-2V/℃。
从LED的数学模型看,在必然的环境温度条件下LED在正向导通后其正向电压的细小变更将引发LED电流的专门大转变。
LED温度特性
LED的正向电流的大小是随温度转变而化的,白光LED的工作电流一样在200mA左右,当环境温度一旦超过50℃,白光LED的允许正向电流会幅度降低而达不到正常发光亮度所需的工作电流,在此情形下若是仍旧施加大电流,很容易使白光LED老化。
LED光学特性
光源的光通量是指单位时刻内通过4π立体角的可见光能量,白光LED电流与光通量的关系如图1所示,随着电流的增加,LED的光通量非线性增加,并慢慢趋于饱和。
其缘故主若是因为随着电流及时刻的增大,大功率LED内部温度上升,发生在P/N结结区的载流子复合概率下降,造成LED发光效率降低。
图1LED光通量与电流关系
2 系统方案选择与比较
系统结构框图
系统结构框图如图2所示。
图2系统结构框图
核心操纵器的选择
操纵器采纳目前比较通用的STC系列单片机STC89C52，一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的高性能8位微处置器。
该器件采纳高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STC的STC89C52是一种高效微操纵器，为很多嵌入式操纵系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
时钟功能模块的选择
方案一：
采纳DS1302时钟芯片，此芯片体积小、引脚少，操作起来超级的方便。
缺点是利历时需要外接备份电池和外部晶振，硬件线路较复杂，本钱较高。
方案二：
采纳DS12C887时钟芯片，体积相对较大，内部集成有可充电锂电池，同时还集成的标准晶振，可有效地维持时刻的持续性，利用起来超级的方便，但价钱昂贵。
方案三：
利用单片机（晶振）的按时器设计时钟。
时刻显示在1602液晶上，用独立键盘调剂时钟的时、分、秒，而且能够设置按时。
本钱低，不需要在启用其他的芯片和外围电路，但程序较为复杂。
考虑到性价比的问题和电路优化问题，因此选用方案三。
恒流源模块选择
方案一：
采纳单片机产生PWM信号，输出抵达林顿管，经滤波器排除纹波，实现恒流源功能。
采纳PWM脉冲方式来实现的恒流源可简化硬件电路，易于操纵和调剂，可是该方案精度难以保证，要适应本设计对精度的要求在技术上难度较高。
且该方案很难适应电流调剂范围大的应用需求，受纹波和稳固性等因素的限制，难以实现。
方案二：
由运算V/I转换电路组成恒流电路。
运算放大器组成的恒流电路摆脱了晶体管恒流电路受限于工艺参数的缺点。
如图11所示，该方案可实现0～5V/0～500mA的V/I转换，且转换精度较高。
假设输入端由单片机配合数字电位器操纵，还可很方便实现数控恒流源。
方案三：
通过专门的恒流/恒压芯片LT1769和简单的操纵线路来实现压控电流源方案。
这种恒压芯片具有集成度高，利用起来操纵系统的软硬件都变得相对简单的优势。
但缺点是方案实现不够灵活；由于该芯片精度不高，设备性能被局限在这种专用芯片性能指标所许诺的范围内。
因此这种设计一样只适合于精度要求不高，但集成度和便携性要求高的场合，事实证明，这不是做理想的数控电流源实现方案。
鉴于论证与比较，最终选择方案二。
D/A转换器选择
关于D/A转换器，咱们利用超级普遍的8位D/A转换器DAC0832，其转换时刻为1us，工作电压为+5V～+15V，基准电压为±10V，与微处置器接口完全兼容，具有价钱低廉、接口简单、转换操纵容易等优势，在单片机应用系统中取得普遍的应用。
其D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄放器、8位D/A转换电路及转换操纵电路组成。
3 硬件电路设计
复位电路
单片机的复位方式采纳上电自动复位，如图4所示，它是利用电容器的充电来实现的，上电刹时，RC电路充电，由于电容的电压是不能突变的，因此RST引脚端会缓慢的显现一个正脉冲。
只要选择适当的RC参数，保证RST引脚端有10mS以上的高电平，就能够使单片机有效地复位。
图4复位电路
振荡电路
如图5所示，在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接一个的晶振和两个30PF的电容，如此与引脚内部的高增益反向放大器组成一个串联型晶体振荡电路。
图5振荡电路
系统电源电路
如图6所示，该电源利用正压集成稳压器LM7812和负压集成稳压器LM7912提供对称的正/负12V稳压输出，供给运放利用，而后再通过LM7805稳压成5V输出，供给单片机利用。
图6系统电源电路
液晶显示单元
1602液晶接口信号说明
1602液晶接口信号说明如图表1所示。
表11602液晶接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
D2
2
VDD
电源正极
10
D3
D3
3
VL
液晶显示编号信号
11
D4
D4
4
RS
数据/命令选择端
12
D5
D5
5
R/W
读/写选择端
13
D6
D6
6
E
使能信号
14
D7
D7
7
D0
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
D1
16
BLK
背光源负极
1602液晶要紧技术参数
1602液晶要紧技术参数如表2所示。
表21602液晶要紧技术参数表
主要内容
技术参数
显示容量
16×2个字节
芯片工作电压
工作电流
模块最佳工作电压
字符尺寸
×（W×H）mm
1602液晶并行写操作时序
1602液晶并行写操作时序如图8所示。
图81602液晶写操作时序图
1602液晶与单片机接口电路
1602液晶与单片机接口电路如图9所示。
图91602液晶与单片机接口电路
按键接口电路
由于系统利用的按键不多，且I/O口够用，因此采纳独立按键，连接电路如图10所示。
图10独立按键与单片机接口电路
LED驱动电路
图11所示的电路能够很方便地实现电压/电流的转换。
运放U1A组成比较器，U1C组成电压跟从器，起负反馈作用。
输入信号Vi与反馈信号Vf比较，在比较器U1A的输出端可得输出电压V1，V1操纵运放U1B的输出电压V2，从而改变三极管Q1的输出电流IL，而输出IL又阻碍反馈电压Vf，抵达跟踪输入电压Vi的目的。
输出电流IL的计算式为
因负反馈使Vi=Vf，故而
。
假设R13取值为10Ω，那么可实现0～5V/0～500mA的V/I转换；假设所选择器件的性能参数稳固，运放UA1,UA2的放大倍数足够大，那么其转换精度较高。
V13的电压由单片机配合D/A输出操纵，可很方便实现数字恒流源输出。
图11LED驱动电路
DA转换电路
DA转换电路如图12所示。
图12D/A转换原理图
4 软件设计
软件系统的任务要紧有D/A转换、步进加减、键盘扫描、液晶显示、时钟等功能。
为了将所有任务有序的组织起来，软件系统采纳前后台结构。
键盘扫描、液晶显示，放在主程序中，D/A转换任务需要定周期运行，放在时基中断效劳子程序中运行，有效的保证了重要任务能及时被执行。
系统中采纳看门狗技术，假设程序显现死循环或跑飞现象，单片机内部的看门狗将使单片机复位，将单片机从头拉回有序的工作状态。
主程序
系统上电复位后，主程序第一完成系统初始化，其中包括I/O口，中断系统，按时器/计数器等工作状态的设置，系统变量赋初值等工作。
完成系统初始化后打开中断，随之进入键盘扫描程序，键盘扫描获取键值后依照键值，完成设定预置电流值、步进加减、时钟调剂等，并通过LCD显示输出电流值值和时刻，主程序流程图如图13所示。
图13主程序流程图
D/A转换程序
D/A转换器DAC0832的接口形式为并行接口，因此在对DAC0832进行操作时需要考虑到时序问题，D/A的操纵流程图如图14所示。
图14D/A转换流程
时钟程序
由于时钟没有借助任何外围器件，仅依托单片机内部按时器来完成时钟运行，因此对按时器进行操作时采纳溢出中断法，秒、分、时的过渡采纳累加跳转处置法，时钟的操纵流程如图15所示。
图15时钟操纵流程
5 测试结果与分析
测试仪器
本系统的测试仪器为4位半数字万用表（成功VC9806+），示波器。
测试数据
测试数据如表3所示。
表3测试数据
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
显示电流Id（mA）
输出电流IL（mA）
19
38
76
96
115
191
249
325
364
|Id－IL|（mA）
Id×％＋1（mA）
Id×1％＋2（mA）
测试结果分析：
由表3可知输出电流知足要求，同时，电流值小时，输出电流更接近给定电流。
电流值较大时，由于系统散热性能不够优良致使恒流源电源性能下降，引发误差增大。
误差存在的缘故主若是采样电阻制作误差，同时系统工作时采样电阻与LED灯发烧引发误差，但总的看来，该电流源有较好的精度特性。
难点分析
在恒流源的设计与制作进程中，本设计碰到的要紧难点在于如何减少纹波，通过认真分析，确信要使纹波尽可能小，需要运算放大器的电源和输入端信号要稳固，因此对运算放大器咱们采纳独立电源供电，保证了放大器有稳固电源电压，进而使输出较小的纹波电流成为可能。
但是，当将操纵电路与主电路结合在一路时，输出纹波电流的增大又成为一大问题。
这是由于操纵电路的输出有纹波，加到运算放大器的输入端将纹波放大，致使输出电流纹波加重，为解决这一问题，咱们在运放输入端并联电容，以达到滤波的目的，从而较好的解决纹波问题。
6 终止语
本系统以8位STC89C52单片机操纵、调整主电路输出电流，并通过液晶显示电流值，完成了数控恒流源的制作。
驱动电路是由运算V/I转换电路组成电流闭环反馈操纵系统组成，依照运算V/I转换电路组成电流闭环反馈操纵系统计算出的值和测试结果超级接近，恒流特性较好。
通过按键调剂D/A输出电流，实现了输出电流可调，步进加，减等功能。
该驱动硬件电路简单,靠得住性好,实时性强,调整方便,性价比高，该方案略加改造即可实现各类容量的直流恒流系统。
参考文献
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电子工业出版社，2020．40-41
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33-37
附录1驱动电路仿真结果
电源（VDD）为5V供电
电源（VDD）为供电
电源（VDD）为100mV供电
附录2单片机程序
#include<>
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#defineulongunsignedlong
sfrWDT_CONTR=0xe1;;
write_ya（6,qianfen）;
write_com（0x80+0x07）;
write_date（'m'）;
write_com（0x80+0x08）;
write_date（'A'）;
}
/*---------------电流显示函数----------------*/
voidwrite_ya（ucharadd,uchardianliu）
{
write_com（0x80+add）;
write_date（0x30+dianliu）;
}
/*---------------数据计算函数----------------*/
voidxx（）
{
hanshu=num*196;
ge=hanshu/10000;
shifen=hanshu%10000/1000;
baifen=hanshu%10000%1000/100;
qianfen=hanshu%10000%1000%100/10;
}
//-------------时钟显示函数---------//
voidshizhong（）
{
if（count==20）//20次50毫秒为1秒
{
count=0;
miao++;
if（miao==60）//秒加到60则进位分钟
{
miao=0;//同时秒数清0
fen++;
if（fen==60）//分钟加到60则进位小时
{
fen=0;//同时分钟数清0
shi++;
if（shi==24）//小时加到24则小时清0
{
shi=0;
}
write_sfm（4,shi）;//小时若变化则重新写入
}
write_sfm（7,fen）;//分钟若变化则重新写入
}
write_sfm（10,miao）;//秒若变化则重新写入
}
}
//-------------按时器0中断效劳程序---------//
voidtimer0（）interrupt1
{
TH0=（65536-50000）/256;//再次装按时器初值
TL0=（65536-50000）%256;
count++;//中断次数累加
shizhong（）;
}
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