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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,如壽數更長(cháng)以及功率更高。但是, LED技能還面臨著(zhù)一些應戰。其間一個(gè)應戰即是怎么發(fā)生高質(zhì)量的白光。白光LED的構成包含了藍光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(wú)法發(fā)生高顯色指數(Color Rendering Index,CRI),該參數用于衡量光源實(shí)在重現顏色的才干。

  經(jīng)過(guò)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(huì )隨時(shí)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(jìn)一步知道傳感器、所需MCU資源和軟件。
  目前市場(chǎng)上有許多經(jīng)濟實(shí)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(guò)濾器,用于丈量紅光、綠光、藍光或白光 (無(wú)過(guò)濾器)。光傳感器輸出接口可經(jīng)過(guò)一系列的辦法與MCU銜接。光轉電壓傳感器經(jīng)過(guò)輸出電壓與模數轉換器(ADC)相連。光轉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(shí)器中進(jìn)行累加,以斷定光照等級。光轉數字傳感器一般具有串行數字接口,例如I2C。每品種 型的傳感器接口都具有共同的長(cháng)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,它們在顏色可調的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(lái)自光傳感器的顏色成分,校準光傳感器輸出,并經(jīng)過(guò)調理各個(gè)LED驅動(dòng)器的輸出取得想要的顏色。LED需求運用恒流驅動(dòng)器來(lái)保持光輸 出的共同性。這可以運用各種驅動(dòng)器技能完結,這些技能包含線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)形式解決方案。結尾的挑選取決于比如功率需求、輸入電壓規模和所用LED數量等要素。

  驅動(dòng)器輸出可以運用不一樣的辦法來(lái)操控。首要,MCU可以經(jīng)過(guò)數模轉換器(DAC)或數字電位計來(lái)發(fā)生模仿參閱電壓。參閱電壓可以使驅動(dòng)器輸出在零至最大電流 之間改變。MCU還可以供給用于調制驅動(dòng)器輸出的PWM信號。PWM信號可用于使能/制止驅動(dòng)器自身,或許用于操控將LED與驅動(dòng)器輸出斷開(kāi)的開(kāi)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(jué)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,以便挑選具有相應外設的MCU。關(guān)于光轉電壓傳感器,MCU上ADC的丈量分辨率很重要。光轉頻率傳感器需求一個(gè)經(jīng)過(guò)外部時(shí)鐘完結遞加的MCU時(shí)基。光轉數字傳感器需求相應的串行通訊接口外設。
 帶多個(gè)PWM外設的MCU可用于操控各個(gè)LED驅動(dòng)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。串行通訊外設(如UART、SPI、I2C、LIN和USB等)撐持輸入/輸出操控和顯現功用。

  對顏色操控體系來(lái)說(shuō),PIC24FJ16GA002(見(jiàn)圖2)之類(lèi)的MCU器材是上佳之選。PIC24器材具有28引腳的小尺度封裝,程序存儲器規模為16 至64 KB,并且在單個(gè)器材中供給了串行通訊接口、10位ADC和5個(gè)PWM通道。16位MCU內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。

  傳感器數據輸出有必要依據參閱電壓進(jìn)行校準,以供給共同的成果。校準進(jìn)程運用色度計來(lái)將不一樣顏色LED的輸出與光譜呼應和光傳感器的靈敏度在規范色度坐標系中 進(jìn)行數學(xué)相關(guān)。校準進(jìn)程會(huì )生成一個(gè)系數矩陣,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。
  完結校準后,MCU可以將傳感器數據與抱負的CIE(國際照明委員會(huì ))色度圖坐標進(jìn)行比擬,并對輸出通道進(jìn)行調理,直到得到抱負的CCT停止。每個(gè)輸出通道 的PID操控算法會(huì )運用校準值調理傳感器數據,求得與方針設置點(diǎn)的差,然后調理輸出通道。為了減小差錯,PID會(huì )不斷運轉,直到輸出CCT與設置點(diǎn)CCT 匹配停止。PID系數可以進(jìn)行微調,以最大程度優(yōu)化體系呼應,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。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速度。例如,通用照明體系的需求要比HDTV面板的部分調光體系低。

  光源可調或具有高 CRI的體系有一系列的用戶(hù)操控需求。帶圖形LCD顯現屏的醫療設備可以具有可調的LED背光(它需求MCU經(jīng)過(guò)SPI與LCD進(jìn)行通訊),以及用于調理 CCT和亮度的觸摸屏界面。商用顯現設備的通用照明可以需求經(jīng)過(guò)中心面板或計算機進(jìn)行操控,以依據一天中的各個(gè)時(shí)段主動(dòng)調理亮度、CCT和開(kāi)/關(guān)。這些設 備之間的通訊可以運用硬連線(xiàn)串行總線(xiàn)協(xié)議(例如DALI或DMX512)完結,而其他一些設備可以需求運用經(jīng)過(guò)USB或以太網(wǎng)完結的自定義接口。在已竣工 的建筑物中,裝置硬連線(xiàn)根底布局可以不可,需求經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊和協(xié)議(例如ZigBee)進(jìn)行操控。關(guān)于此類(lèi)照明使用,帶有靈敏外設的MCU是完結通訊和用 戶(hù)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(jìn)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)用和壽數長(cháng)等長(cháng)處。選用小型MCU進(jìn)行操控的多色LED可以調理光輸出,供給合適照明空間的舒服光照。MCU可以智能地操控驅動(dòng)器電路(使能效最大)、監督一些狀況,以及最大程度提高能效和平均壽數。 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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