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基于小型MCU的LED照明的色彩控制

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?  在大趨勢下,LED用于通用照明指日可下。LED在通用照明中優(yōu)勢許多,如壽數(shù)更長以及功率更高。但是, LED技能還面臨著一些應(yīng)戰(zhàn)。其間一個應(yīng)戰(zhàn)即是怎么發(fā)生高質(zhì)量的白光。白光LED的構(gòu)成包含了藍光LED和能將光輸出移至光譜的其他波段的一種熒光粉。許多白光LED都無法發(fā)生高顯色指數(shù)(Color Rendering Index,CRI),該參數(shù)用于衡量光源實在重現(xiàn)顏色的才干。

  經(jīng)過混合兩種或兩種以上顏色的LED光,可以取得質(zhì)量更高的白光體系。在這些多色體系中,每種色源的光輸出會隨時刻和溫度而漂移。光傳感器和小型單片機(MCU)可用于保持特定顏色和相關(guān)色溫(CorrELated Color Temperature,CCT)。在本文中,咱們將進一步知道傳感器、所需MCU資源和軟件。
  目前市場上有許多經(jīng)濟實惠的小型光傳感器,它們可以向MCU供給用于處置的信息。典型地,傳感器具有一些可選的顏色過濾器,用于丈量紅光、綠光、藍光或白光 (無過濾器)。光傳感器輸出接口可經(jīng)過一系列的辦法與MCU銜接。光轉(zhuǎn)電壓傳感器經(jīng)過輸出電壓與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)相連。光轉(zhuǎn)頻率傳感器供給變頻輸出, 輸出頻率與光的量成正比。這些傳感器的脈沖輸出可以在MCU定時器中進行累加,以斷定光照等級。光轉(zhuǎn)數(shù)字傳感器一般具有串行數(shù)字接口,例如I2C。每品種 型的傳感器接口都具有共同的長處,且需求不一樣的MCU資源。圖1所示的體系框圖給出了多種MCU外設(shè),它們在顏色可調(diào)的LED照明描繪中非常有用。

  在完好的閉環(huán)顏色操控體系中,MCU有必要讀取來自光傳感器的顏色成分,校準光傳感器輸出,并經(jīng)過調(diào)理各個LED驅(qū)動器的輸出取得想要的顏色。LED需求運用恒流驅(qū)動器來保持光輸 出的共同性。這可以運用各種驅(qū)動器技能完結(jié),這些技能包含線性和開關(guān)形式解決方案。結(jié)尾的挑選取決于比如功率需求、輸入電壓規(guī)模和所用LED數(shù)量等要素。

  驅(qū)動器輸出可以運用不一樣的辦法來操控。首要,MCU可以經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)或數(shù)字電位計來發(fā)生模仿參閱電壓。參閱電壓可以使驅(qū)動器輸出在零至最大電流 之間改變。MCU還可以供給用于調(diào)制驅(qū)動器輸出的PWM信號。PWM信號可用于使能/制止驅(qū)動器自身,或許用于操控將LED與驅(qū)動器輸出斷開的開關(guān)。若是 運用PWM操控,則挑選的PWM頻率要足夠高,這樣人眼才干發(fā)覺不到任何閃耀。

  描繪人員有必要斷定顏色操控體系需求的操控分辨率需求到達何種程度,以便挑選具有相應(yīng)外設(shè)的MCU。關(guān)于光轉(zhuǎn)電壓傳感器,MCU上ADC的丈量分辨率很重要。光轉(zhuǎn)頻率傳感器需求一個經(jīng)過外部時鐘完結(jié)遞加的MCU時基。光轉(zhuǎn)數(shù)字傳感器需求相應(yīng)的串行通訊接口外設(shè)。
 帶多個PWM外設(shè)的MCU可用于操控各個LED驅(qū)動器。在高分辨率顏色操控體系中,優(yōu)選具有16位或更高操控分辨率的PWM外設(shè)。串行通訊外設(shè)(如UART、SPI、I2C、LIN和USB等)撐持輸入/輸出操控和顯現(xiàn)功用。

  對顏色操控體系來說,PIC24FJ16GA002(見圖2)之類的MCU器材是上佳之選。PIC24器材具有28引腳的小尺度封裝,程序存儲器規(guī)模為16 至64 KB,并且在單個器材中供給了串行通訊接口、10位ADC和5個PWM通道。16位MCU內(nèi)核可以輕松地處置與傳感器校準和顏色操控有關(guān)的算術(shù)運算。

  傳感器數(shù)據(jù)輸出有必要依據(jù)參閱電壓進行校準,以供給共同的成果。校準進程運用色度計來將不一樣顏色LED的輸出與光譜呼應(yīng)和光傳感器的靈敏度在規(guī)范色度坐標系中 進行數(shù)學相關(guān)。校準進程會生成一個系數(shù)矩陣,它有必要隨照明體系存儲在非易失性存儲器中,并在操控體系的每次操控中用于斷定相關(guān)和所需輸出之間的差。
  完結(jié)校準后,MCU可以將傳感器數(shù)據(jù)與抱負的CIE(國際照明委員會)色度圖坐標進行比擬,并對輸出通道進行調(diào)理,直到得到抱負的CCT停止。每個輸出通道 的PID操控算法會運用校準值調(diào)理傳感器數(shù)據(jù),求得與方針設(shè)置點的差,然后調(diào)理輸出通道。為了減小差錯,PID會不斷運轉(zhuǎn),直到輸出CCT與設(shè)置點CCT 匹配停止。PID系數(shù)可以進行微調(diào),以最大程度優(yōu)化體系呼應(yīng),但PID算法收斂至方針CCT的快慢也是MCU處置算術(shù)運算功率的函數(shù)。一些顏色操控體系可 能需求比其他體系更快的處置速度和呼應(yīng)速度。例如,通用照明體系的需求要比HDTV面板的部分調(diào)光體系低。

  光源可調(diào)或具有高 CRI的體系有一系列的用戶操控需求。帶圖形LCD顯現(xiàn)屏的醫(yī)療設(shè)備可以具有可調(diào)的LED背光(它需求MCU經(jīng)過SPI與LCD進行通訊),以及用于調(diào)理 CCT和亮度的觸摸屏界面。商用顯現(xiàn)設(shè)備的通用照明可以需求經(jīng)過中心面板或計算機進行操控,以依據(jù)一天中的各個時段主動調(diào)理亮度、CCT和開/關(guān)。這些設(shè) 備之間的通訊可以運用硬連線串行總線協(xié)議(例如DALI或DMX512)完結(jié),而其他一些設(shè)備可以需求運用經(jīng)過USB或以太網(wǎng)完結(jié)的自定義接口。在已竣工 的建筑物中,裝置硬連線根底布局可以不可,需求經(jīng)過無線通訊和協(xié)議(例如ZigBee)進行操控。關(guān)于此類照明使用,帶有靈敏外設(shè)的MCU是完結(jié)通訊和用 戶界面的抱負之選。

  蠟燭、煤油燈和白熾燈等光源技能替代了它們之前的技能,進而提高了大家的日子質(zhì)量。估計LED光源比其他一切的光源技能非常好地豐厚咱們的日子。LED具有能效高、尺度小、便攜、經(jīng)用和壽數(shù)長等長處。選用小型MCU進行操控的多色LED可以調(diào)理光輸出,供給合適照明空間的舒服光照。MCU可以智能地操控驅(qū)動器電路(使能效最大)、監(jiān)督一些狀況,以及最大程度提高能效和平均壽數(shù)。 MCU顏色操控LED照明體系將使大家可以用不一樣的眼“光”看國際。
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