基于ARM的LED自适应调光系统设计

LED与白炽灯相比有一个显著的不同点：即LED的发光亮度与流过LED正向电流大小基本上成正比例关系。利用它这个特点，通过光传感器测量周围的环境亮度，根据测量值改变LED的发光亮度，实现维持周围环境亮度不变的效果，构建出让人们心情愉快的工作场合。这样不仅营造出具有恒定亮度的舒适环境，而且能够充分利用自然照明，大大节约能源。因此，对LED自适应调光技术的研究显得格外地重要。

1、LED自适应调光系统硬件设计

LED的亮度与正向流过它的电流成正比，可以调节正向电流大小来调节LED的亮度。现在一般采用调节工作电流方式或者脉宽调制方式调节LED的亮度。前者调节的范围大、线性度好，但是功耗大。所以很少采用。脉宽调制方式是用较高的频率开关LED，开关频率超出人们能够察觉的范围，使人感觉不到频闪的存在。

实现LED自适应调光，需要实时自动采集室内环境照度，反馈给控制器，控制器根据这个照度值调节PWM的占空比，进而调节MOS栅-源间的电压，从而控制流过LED的正向电流，使室内环境照度近似等于设定值，最终达到LED自适应调光。LED自适应调光原理如图1所示。LED自适应调光系统主要包括控制器S3C44B0X、光传感器芯片TSL2561、LED调光电路和LED灯具这四个部分。

图1   自适应调光原理图

1.1、控制器芯片

S3C44B0X微处理器是三星公司专为手持设备提供的高性价比和高性能的微控制器，它使用ARM7TDMI核，最高工作频率为66MHz。S3C44B0X是在ARM7TDMI基础上增设了一些优选的外围器件后形成的系统，使系统费用降至最低。它具有1个多主机I2C总线控制器和5个PWM定时器，可以满足本设计的要求。

1.2、光传感器芯片

TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程的光强度数字转换芯片。其结构如图2所示，TSL2561内使用了一个光敏二极管（通道0）和一个红外响应光敏二极管（通道1）。这个集成电路提供了有20位动态范围的光响应能力。两个集成的积分式A/D转换器，可将光敏电流转换成一个数字输出，并存入芯片内部通道0和通道1各自的寄存器中。数字输出量与每一个通道的光强相对应，可以是微处理器的输入。TSL2561可直接通过I2C总线协议由微控制器访问，微控制器则通过对其内部的16个寄存器的读写来实现对TSL2561的控制。它的寄存器的定义如表1所示。

图2   TSL2561内部结构图

表1  TSL2561内部寄存器地址及作用

1.3、调光电路

LED调光电路如图3所示，运放A1和A2均处于深度反馈状态。

从式（2）中可知，保证参考电压Vref、采样电阻R4以及电阻R2、R3不变，输出电流I0就能保持恒定。实现LED亮度的调节，则在恒流驱动的主回路中加入另外一个M2，同时在栅极加入高频的PWM信号，改变主回路的平均电流。

图3  PWM调光电路

1.4、硬件电路设计

TSL2561可以通过I2C总线访问，所以硬件接口电路非常简单。由于S3C44B0X带有I2C总线控制器，则将该总线的时钟线和数据线直接与TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连;44B0X内部没有上拉电阻，则还需要再用2个上拉电阻接到总线上。硬件连接如图4所示。

图4  S3C44B0X与TSL2561的连接图

2、LED自适应调光系统软件设计

LED自适应调光系统的软件程序设计主要包括四个部分，其设计思路如图5所示。

图5  软件设计流程

2.1、S3C44B0X的初始化及I2C读写程序

S3C44B0X带有I2C总线和PWM功能。若要使用这两种功能，首先要对这两种功能所涉及的寄存器和I/O口初始化。这里涉及到44B0X的一系列寄存器和I/O口的操作在这里就不再赘述。着重介绍按照I2C标准编制读写TSL2561的子程序TSL2561_READ（）和TSL2561_WRITE（）。

2.2、TSL2561的初始化及完成数据读写

在读写TSL2561之前，首先根据具体系统需要设置控制字，积分时间，增益等参数设置，然后等待转换结束，读写TSL2561的数据。读写TSL2561的流程如图6所示。

图6  读写TSL2561的流程

2.3、计算照度值

读取TSL2561通道0和通道1的寄存器的数值后，要将这两个通道与光照度有关的值转换成可见光的照度值，需要经过一定的计算，具体的转换公式可查找该芯片的数据手册。TSL2561针对TMB和Chipscale两种封装有不同的转换公式。若光强以E（单位为Lux）表示，TMB封装时，光照度的转换关系如下所示，设计其转换函数LUX=CaleuLux（CH0，CHl）。

2.4、输出PWM

S3C44B0X把室内照度值与设定值比较，通过子程序PWM（）输出不同占空比的PWM信号，用来调节LED的照度。假设把室内照度设定为350Lux，PWM的产生频率为200Hz，设计其函数为PWM（LUX）。

3、结论

硬件设计及软件编程实现了LED的自适应调光系统，用以补偿室内照度的不足，将室内照度稳定在设定的水平。采用该系统、照度计和LED灯具进行了调光实验。在LED不点亮时，测量环境光照度，然后测量在LED进行自适应调光后的环境光照度，在前后两种情况下，LED和照度计都处于同一位置。实验结果是，当设定室内照度为350Lux时，LED自适应调光系统基本可以维持室内照度稳定在300Lux左右。

该系统综合利用了嵌入式技术，传感器技术及LED调光技术，对提高LED照明系统的性能，照明领域的节能及环保很有意义，具有一定的实用性。