基于MSP430高效多路LED调光技术及系统实现

孙加存，申海峰

(苏州市职业大学 电子信息工程学院，江苏 苏州 215104)

发光二极管(light emitting diode，LED)，是一种能够将电能转化为可见光的半导体器件，其颜色可以多种多样，具有寿命长、绿色环保、安全可靠、体积小等特点。随着LED技术的发展，其价格正逐渐下降，在日常照明、汽车灯、节能灯、交通灯等方面具有广泛的应用前景。LED灯被称为继白炽灯、荧光灯和高强度气体灯之后的第4代光源。

LED应用越来越广泛，LED灯的调光技术显得特别关键，目前LED的调光技术主要有模拟调光技术、可控硅(TRAIC)调光技术、PWM调光技术[1]。模拟调光技术主要是通过改变流过LED灯的电流的大小来改变其光度，LED灯等效内阻随着电流的减小而显著增大，造成功耗的增加。可控硅调光技术是通过改变LED灯上的驱动电压来进行调光，当电压增加，流过LED灯的电流就会增加，该方法对电压要求比较高，电压稍有波动，流过LED灯的电流将会有一个很大的变化，使调光过程变得过于敏感，调光过程精度下降，同时在LED发光强度不大时，LED灯的功耗将会变大。PWM调光技术是通过PWM信号使LED灯处于接通与断开状态，LED灯工作于额定电压状态，等效内阻较小，通过设置适当的占空比可以控制LED灯的平均电流，从而达到调光的目的。结合当前微处理器进行智能调光是LED调光技术研究的重点，文献[2]—文献[4]通过单片机进行调光，文献[5]通过CPLD进行调光。这些研究主要通过单片机的专用PWM引脚产生或设计恒流源进行调光，这种方法产生的PWM信号数量固定或电路复杂，FPGA或CPLD运行速度快，便于产生PWM信号，但价格昂贵，且本身具有一定的功耗。目前对于多路LED灯调光及电路功耗的研究较少，LED灯已经成为日常照明灯使用，研究其电路系统的功耗及进行调光意义重大。

1 电路设计

1.1 硬件电路设计

采用LED三色灯进行硬件电路设计，1个LED灯泡里含红、绿、蓝3个LED灯，通过改变各个LED的通断时间，控制流过LED灯的平均电流，进而控制其亮度，达到LED灯的调光调色的目的，设控制LED灯通断的PWM信号的占空比为D，则流过LED的平均电流与PWM信号的占空比成正比，其大小为[6]

式中：D为PWM信号占空比；ILED为LED的额定电流，即在LED灯两端的电压固定情况下，流过LED灯的电流。由式(1)可以看出，在LED灯两端电压固定不变，占空比与流过LED灯的电流成正比关系的情况下，可以通过调节PWM信号的占空比，控制流过LED的平均电流[7]。

本文运用MSP430F149单片机作为微处理器对LED灯进行调光研究，MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)推向市场的一种具有功耗小、精简指令集等优点的混合信号处理器。MSP430F149单片机可编程输入/输出端口为48个，最大工作温度为+85 ℃，最小工作温度为-40 ℃，电源电压为1.8～3.6 V，正常工作模式下功耗为280 μA，待机模式为1.6 μA，在RAM数据保存的掉电模式下为0.1 μA。

图1 硬件电路图

本电路采用2N-7000开关型的低功耗CMOS管，完成PWM信号，进行LED灯的通断。DC－DC电路采用LM2596芯片进行设计，该电路转换效率高，可以通过调节电阻的方式实现输出电压的变化。设计的硬件电路如图1所示，图1中VCC采用5 V的电源，通过LM1117产生3.3 V电压给单片机供电，主要电路模块分别为微处理器电路、4个独立按键电路、LM2596电压调整电路、液晶显示电路及3路CMOS管LED驱动电路。单片机输出3路PWM信号，控制CMOS管的通断，PWM信号的占空比通过按键可调，3个LED灯集中在一起，颜色分别是红、绿、蓝，可以调节流过LED灯的电流产生任意颜色的光，每个LED灯额定功率为1 W，蓝色、绿色LED灯额定电压为3～3.6 V，红色LED灯的额定电压为2～2.4 V，流过的额定电流为350 mA。因为红色LED灯的额定电压较小，所以在设计电路时，可把红色LED灯单独进行供电。通过调节各个LED灯的亮度，产生不同颜色的光，如果需要设计多个LED灯的调光，则可设计多路PWM信号，理论上每个可编程I/O口都可设计成PWM信号的输出。通过4个按键设置各路PWM信号的占空比，LCD12864显示各路PWM信号的占空比及相关信息，进行人机对话。2个LM2596进行DC-DC转换，根据不同颜色、型号的LED灯，调整输出的电压值。

1.2 程序设计

程序设计采用C语言进行编写，通过定时器中断进行计数，设计多个参数变量，表示信号的占空比值，计数值与变量进行比较，决定PWM信号的高低电平，4个独立按键采用中断方式进行设计，K1、K2、K3控制三路LED灯的占空比，K4表示加减切换。采用LCD12864进行人机对话界面设计，如果设置的占空比较高时，通过继电器进行电源断电，因为是通过定时器产生PWM信号，而且要求产生多路PWM信号，所以键盘显示电路都通过外部中断进行设计。程序流程如图2所示。

图2 程序流程图

2 硬件测试

按图1所示电路进行焊接，通过按键设置PWM信号占空比，用双通道数据采集卡对单片机产生的PWM信号进行测试，测试平台如图3所示。PWM信号结果如图4、图5所示，可以看出，波形状态良好，占空比正确，信号的频率超过50 Hz，满足要求。

图3 现场测试图

图4 占空比30%与50%的图形

图5 占空比20%与80%的图形

MSP430F149单片机属于低功耗微处理器，与LCD所耗的电能基本不变。LM2596属于高效直流转换电路，通过调整图1中RV1、RV2的电阻，可以调节输出电压，因为LED的等效电阻是一个非线性器件，其值随着两端电压值的变化而变化。当LM2596输出电压保持不变时，LED的等效内阻基本不变，测出LM2596的输出电压。当CMOS管导通时，测出CMOS管两端的电压，求出LM2596输出的电能消耗在LED上的数值。采用限流电阻调光，即LED灯上串联一限流电阻，如果进行调光，则要改变电阻值，调节不方便，而且限流电阻消耗部分电能，电源利用率不高。

设第一路LM2596的输出电压为V1，第二路LM2596输出电压为V2，CMOS管导通时的电压为V3，调整LM2596的电压输出，使每一路的LED灯流过的电流都为I，则平均效率为

调整LM2596的输出电压，当占空比为30%时，流过红、绿、蓝灯的电流为30 mA，测出第一路LM2596的输出电压为2.38 V，第二路的电压为3.27 V。在CMOS管导通时，测得两端电压为0.15 V，则效率约为95%，而且该效率不随PWM信号的占空比的改变而改变。

测试数据表见表1，由表1可知，LED灯的电流基本与占空比成比例关系，当LED灯工作在额定电压时，LED等效内阻很小，流过的电流很大；当LED灯工作在额定电压以下时，则流过LED灯的电流很小，等效内阻变大，体现了LED灯的非线性特征。

表1 测试数据表

3 结论

本文研究了LED灯的调光技术，提出运用低功耗单片机MSP430F149对多路LED灯进行调光的方法，采用定时器中断产生多路PWM信号，结合CMOS管驱动技术、DC-DC降压技术，进行电路设计，并进行实验测试。实验表明，运用MSP430F149单片机，可产生满足功能要求的多路PWM信号，结合CMOS管开关技术可进行多路LED调光，电能利用率高，调节方便，设计方法与电路测试结果可以作为多路LED调光的参考。