标签: LED调光

本项目将在Arduino IDE环境下，利用ESP32产生的PWM信号控制多个LED。项目所需物料如下： ESP32 DOIT DEVKIT V1板 3x 5mm LED 3x 330欧姆电阻器 面包板 跳线若干 ESP32带一个包含16通道LED PWM控制器，可配置以产生不同特性的PWM信号。项目开始之前需要先安装Arduino IDE，连接妥当后就可以把ESP32 DOIT DEVKIT V1板用作LED PWM控制器了。 使用Arduino IDE进行LED调光的步骤如下： 1. 从0 to 15选择PWM通道。 2. 设置PWM频率，LED频率选择5000Hz较好。 3. 选择信号的占空比:，其分表率范围1-16bits。本项目使用8bit，这样可控制的LED亮度等级值为0-255。 4. 指定信号出现的GPIO or GPIOs：其函数为ledcAttachPin(GPIO, channel)。该函数具有两个变量，第一个GPIO用来输出信号，第二个表示产生信号的通道。 5. 使用PWM控制LED亮度，函数为ledcWrite(channel, dutycycle)。其中，第一个变量产生PWM信号，第一个变量是占空比。 一个LED调光控制 点亮一个LED并调光时，应将LED连接于GPIO 16引脚。 ESP32 DEVKIT V1模块有30个GPIOs，只要能用作输出，就可用作PWM引脚以连接LED。 请打开并拷入如下代码： const int ledPin = 16; const int freq = 5000; const int ledChannel = 0; const int resolution = 8; void setup(){ ledcSetup(ledChannel, freq, resolution); ledcAttachPin(ledPin, ledChannel);} void loop(){ for(int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++){ ledcWrite(ledChannel, dutyCycle); delay(15); } = 0; dutyCycle--){ ledcWrite(ledChannel, dutyCycle); delay(15); }} 这些代码的含义是，设定的PWM信号频率为5000Hz，选择通道 0 来产生信号，信号的分辨率为8bits。 当然，也可以设置为其他参数，获得不同的PWM信号，例如： const int freq = 5000; const int ledChannel = 0; const int resolution = 8; 接下来，选择信号的GPIO引脚，函数为ledcAttachPin(ledPin, ledChannel); 增加LED亮度的占空比为0-255， for(int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++){ ledcWrite(ledChannel, dutyCycle); delay(15); } 然后，从255-0自减，就降低了LED的亮度。 = 0; dutyCycle--){ ledcWrite(ledChannel, dutyCycle); delay(15); } 调节LED亮度，须使用 ledcWrite() 函数。该函数有两个参数：产生信号的通道、duty cycle。注意，这里的 ledcWrite() 函数中产生信号的变量是通道，而不是GPIO。 把代码上传到 ESP32，确定板子和COM端口选择正确，再对照下单路，就可以测试调光效果了。 多个LED调光控制 也可以从相同通道的不同GPIO取得同样的信号，这需要将这些GPIOs连接到 setup() 的相同通道。以下我们对上述操作稍作改动，来通过相同通道的相同PWN信号对３个LED进行调光控制。 我们的目标是通过30 GPIOs的ESP32 DEVKIT V1模块来控制三个LED。 首先，将下列代码拷贝到Arduino IDE中。 // the number of the LED pin const int ledPin = 16; const int ledPin2 = 17; const int ledPin3 = 5; // setting PWM properties const int freq = 5000; const int ledChannel = 0; const int resolution = 8; void setup(){ // configure LED PWM functionalitites ledcSetup(ledChannel, freq, resolution); // attach the channel to the GPIO to be controlled ledcAttachPin(ledPin, ledChannel); ledcAttachPin(ledPin2, ledChannel); ledcAttachPin(ledPin3, ledChannel); } void loop(){ // increase the LED brightness for(int dutyCycle = 0; dutyCycle <= 255; dutyCycle++){ // changing the LED brightness with PWM ledcWrite(ledChannel, dutyCycle); delay(15); } // decrease the LED brightness = 0; dutyCycle--){ // changing the LED brightness with PWM ledcWrite(ledChannel, dutyCycle); delay(15); } } 这些代码在前面基础上有一些改动：为两个新的LED增加了多个变量，具体参考 GPIO 17 和 GPIO 5。 const int ledPin2 = 17; // 17 corresponds to GPIO17 const int ledPin3 = 5; // 5 corresponds to GPIO5 然后，在　setup()　中，添加如下两行代码，将这两个 GPIOs 指派给通道0。这表示，在两个GPIO的通道0上产生了相同个信号。 ledcAttachPin(ledPin2, ledChannel); ledcAttachPin(ledPin3, ledChannel); 把修改后的代码上传到 ESP32，确定板子和COM端口选择正确后，就可以测试者三个LED调光效果了。 由于所有GPIOs 输出了相同PWM信号，所有三个LED亮度的增加与减少是同时进行的，这样就产生了一个非常美妙的同步效果。 本项目演示了如何在Arduino IDE环境下，使用ESP32的LED PWM控制器进行调光控制。通过设置正确的信号属性，这种方法可用来控制其他PWM输出，如马达、LED 呼吸灯等。

方案介绍 Microchip 公司的dsPIC33F系列是高性能16 位数字信号控制器（DSC），采用改进型哈佛架构和C 编译器优化指令集，具有16 位宽数据总线和24 位宽指令，3.0-3.6V 时的工作速度达40MIPS，在LED驱动系统应用中，可以很方便实现多路开关电源（SMPS）和其它数字电源转换器如AC/DC转换器，DC/DC转换器，功率因素修正（PFC），恒流检测等功能， 本文就重点介绍利用dsPIC33 MCU实现LED电源，驱动，调光，通讯等一系列应用，下面逐一将设计思路呈现给大家。 电源部分设计 LED的寿命最终取决于对流经LED的电源的处理，目前由于对成本的追求，很多LED灯具厂家还在使用阻容降压方式的电源给LED供电，这对LED性能造成很大的伤害，其产品性能也大打折扣；另外由于世界各国及地区的电力环境不同，民用电压也存在差异，各国电器的电压适用范围也不同，高品质LED灯具厂在制作LED电源时，都会采用数字电源方式以使LED能够获得最干净的电源，延长LED的工作寿命。 dsPIC33F “GS”系列数字电源DSC可全面支持数字控制环路，因为它们均配备4至8个分辨率为1纳秒（ns）的PWM，多达4个20ns的比较器以及1或2个采样率为2 – 4 MSPS、具有低延迟及高分辨率控制的10位片上ADC，而每个比较器对应有1个集成的数模转换器（DAC）。这些器件采用18至44引脚，具有6至16 KB闪存。这些器件的交互式外设既可将处理器的干预减至最低，又能满足高速电流模式控制的实时需求。 首先将差异性较大的民用交流电转化为直流电压，在此过程中通过K1、K2、K3采集外界电压变化，由dsPIC33 PWM控制输出电压大小，保证输出电压的稳定性，适用于各种电压范围，大大降低了因为民用电压不同而需要生产不同型号LED灯具的困扰。 然后dsPIC33产生的SPWM驱动全桥电路，产生交流电压，通过互感器检测波形，经变压隔离后，再进行PFC调整输出安全稳定的直流电压供后续处理供LED使用。 典型的BUCK电路，通过PWM波形和AD组成的闭环电路，有效的控制输出稳定性，特别指出在该方案中对续流二极管的处理，既增加了系统稳定性，也降低了功耗。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 LED驱动部分设计 目前市场中有很多LED驱动专用芯片，优点是电路简单，体积小，成本低，但是这种电路也有其无法克服的缺点，如：设计单一，智能水平低，驱动电流小，无法做升压电路，无法量化输出等。 dsPIC系列MCU，配备4至8个分辨率为1纳秒（ns）的PWM和采样率为2 – 4 MSPS的10位AD，通过MCU PWM控制MOS对流经LED的电流进行控制，高分辨率可以让输出电流电压做到精细化调整，AD采集实时电流，量化输出，对LED的工作状态进行实时监控，PWM与AD构成闭环控制，最大程度稳定LED的工作状态，缩小由于LED自身差异性造成的不稳定性。 Boost升压恒流过程要分充电和放电两个部分来说明这个电路。 充电过程 在充电过程中，开关闭合（MOS管导通），等效电路如图二，开关（MOS管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。 放电过程 当开关断开（MOS管截止）时的等效电路。当开关断开（MOS管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。 恒流过程 在输出负载端加入一个采样电阻，将负载两端电流情况通过AD，反馈给MCU处理，调整输出PWM占空比，实现恒流处理。 调光系统设计 LED调光决方案及规范一直在不断变化，直到现在还未固定下来，所以现在市场上存在PWM、模拟及可控硅（TRAIC）三种调光方案。三种方案中模拟调光较为简单，实现比较容易。模拟调光方案的缺点是，LED电流的调节范围局限在某个最大值至该最大值的约10%之间（10:1调光范围），由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。可控硅（TRAIC）调光方案是目前市场中比较常用的方案，它是基于传统光源如白炽灯的一种调光方案，其优点在于不需要改变现有房间布线，施工简单，通用性比较强，但是其本身是利用牺牲功率因数和增加了电路的复杂性为代价，而且可控硅（TRAIC）调光也不可以实现无极调光，当可控硅的导通角低到一定程度时，灯具就会出现闪烁，这是其方案原理决定的。PWM调光是调光市场的主流方案，其优点如下： 1、用PWM调光从零到最光，都不会有闪烁的现象。 　　2、性能会更好。因为调光输出功率采用了功率因数校正电路，这是配合全球对灯光采用功率因数有强制性的要求，虽然一般从25W开始有这要求，但美国要求灯光从零瓦起已需强制性功率因数校正电路。如采用TRAIC调光将牺牲功率因数和增加了电路的复杂性。因此，采用PWM调光可以提供最好性能的选择，也是未来的趋势。 3、成本会更好。用PWM调整占空比，不需要太多额外的控制电路成本。 4、不管调光程度有多大，允许LED一直在优化的和恒定的电流下工组。 5、在整个调光范围内LED颜色色调保持一致（颜色色调像流明输出一样随LED工作电流而变化）。 dsPIC MCU在系统设计过程中就是采用PWM调光方式。dsPIC MCU配备有4到8通道PWM，可轻松实现RGB真彩调光，配合10位片上ADC，管理和检测每一组灯的实时运行情况，达到更优的工作效果。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 通讯系统设计 0-10V，DALI，DMX512是目前LED照明系统中常用的三种通讯方式，DMX512由于其数据传输高效性和传输距离远特点，逐渐成为主流方案。 DMX512协议是Digital Multiplex的缩写，是由美国剧场技术协会USITT提出的。最原始的版本出版于1986年，在1990年做了修改，USITT DMX512/1990是调光和灯光控制台数据传输 标准是灯光行业数字化设备的通用信号控制协议，同时也是是一种国际协议。 DMX512的优点： 1. 硬件成本相对低廉，协议简单可靠。 2. 信号管道为总线型拓扑结构，一个终端的失效不会影响其它终端的正常工作，系统稳定性高。 3. 差分电平工作方式，传输距离远，更适合离散分布的灯具。 4. 协议为国际通用协议，兼容性好。 5. 控制灵活方便，深得原传统舞台灯光从业者青睐。 DMX512的不足： 1.总线结构使得DMX设备终端数有所限制，一般为32个，需要加信号分配器。 2.总线结构决定了必须通过地址来区别不同的设备终端，设定地址显得不太方便。 3.如果不作扩展512个数据通道难以满足LED灯具的控制要求。 4.编程比较复杂，只适合较为专业的灯光从业人员或专业人士使用。 针对DMX512的不足，本方案对原DMX512协议进行了一定程度的扩展，很好的解决了其不足： 1.通过加串行信号放大器的方式避免原来星形的信号分配器的方式，大大降低工程布线难度。 2.提供已通过测试的DMX512协议给客户使用，缩短客户对DMX512熟悉时间，加快开发周期。 dsPIC33方案除了提供DMX512通讯方式外，由于MCU的通用性，其外设还支持红外接口和RF接口，实现无线控制方式，增加产品的卖点；同时也可以使用内部带CAN的dsPIC33芯片，将LED灯与汽车产品连接，如汽车仪表盘背景灯，阅读灯等，增加产品类型。 结论， 基于dsPIC33 LED驱动单芯片解决方案，将电源控制及系统管理合二为一，降低了硬件设计的复杂程度，同时又兼顾了驱动输出路数设计的灵活性，可通过改变控制芯片外围的存储器中的内容，实现对LED电流大小、亮灭时间、亮灭模式、环境亮度及系统温度等控制参数的定制，还可通过MCU的通讯接口对系统进行远距离调光控制和无线控制。基于dsPIC33 LED驱动单芯片解决方案具有以下优点： 低成本——单芯片解决多路恒流控制，省去专用的恒流芯片，有效地降低了系统成本。 　　高效率——非隔离开关电源，没有变压器的漏磁损耗，转换效率高，系统满载时整体效率高达95％。 　　驱动能力强——最多可以支持8路非隔离恒流驱动输出，可驱动8串(每串不少于14个)LED，总输出功率不低于100W。 　　控制灵活——采用高性能DSC作为控制核心，可充分发挥MCU实时控制功能的优势，每路LED的电流大小、亮灭方式等均可独立控制。 　　扩展性好——配置温度、亮度、色温等检测接口，支持串口、I2C，CAN等通讯接口，为系统集成做好了铺垫。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

方案介绍 Microchip 公司的dsPIC33F系列是高性能16 位数字信号控制器（DSC），采用改进型哈佛架构和C 编译器优化指令集，具有16 位宽数据总线和24 位宽指令，3.0-3.6V 时的工作速度达40MIPS，在LED驱动系统应用中，可以很方便实现多路开关电源（SMPS）和其它数字电源转换器如AC/DC转换器，DC/DC转换器，功率因素修正（PFC），恒流检测等功能， 本文就重点介绍利用dsPIC33 MCU实现LED电源，驱动，调光，通讯等一系列应用，下面逐一将设计思路呈现给大家。 电源部分设计 LED的寿命最终取决于对流经LED的电源的处理，目前由于对成本的追求，很多LED灯具厂家还在使用阻容降压方式的电源给LED供电，这对LED性能造成很大的伤害，其产品性能也大打折扣；另外由于世界各国及地区的电力环境不同，民用电压也存在差异，各国电器的电压适用范围也不同，高品质LED灯具厂在制作LED电源时，都会采用数字电源方式以使LED能够获得最干净的电源，延长LED的工作寿命。 dsPIC33F “GS”系列数字电源DSC可全面支持数字控制环路，因为它们均配备4至8个分辨率为1纳秒（ns）的PWM，多达4个20ns的比较器以及1或2个采样率为2 – 4 MSPS、具有低延迟及高分辨率控制的10位片上ADC，而每个比较器对应有1个集成的数模转换器（DAC）。这些器件采用18至44引脚，具有6至16 KB闪存。这些器件的交互式外设既可将处理器的干预减至最低，又能满足高速电流模式控制的实时需求。 首先将差异性较大的民用交流电转化为直流电压，在此过程中通过K1、K2、K3采集外界电压变化，由dsPIC33 PWM控制输出电压大小，保证输出电压的稳定性，适用于各种电压范围，大大降低了因为民用电压不同而需要生产不同型号LED灯具的困扰。 然后dsPIC33产生的SPWM驱动全桥电路，产生交流电压，通过互感器检测波形，经变压隔离后，再进行PFC调整输出安全稳定的直流电压供后续处理供LED使用。 典型的BUCK电路，通过PWM波形和AD组成的闭环电路，有效的控制输出稳定性，特别指出在该方案中对续流二极管的处理，既增加了系统稳定性，也降低了功耗。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 LED驱动部分设计 目前市场中有很多LED驱动专用芯片，优点是电路简单，体积小，成本低，但是这种电路也有其无法克服的缺点，如：设计单一，智能水平低，驱动电流小，无法做升压电路，无法量化输出等。 dsPIC系列MCU，配备4至8个分辨率为1纳秒（ns）的PWM和采样率为2 – 4 MSPS的10位AD，通过MCU PWM控制MOS对流经LED的电流进行控制，高分辨率可以让输出电流电压做到精细化调整，AD采集实时电流，量化输出，对LED的工作状态进行实时监控，PWM与AD构成闭环控制，最大程度稳定LED的工作状态，缩小由于LED自身差异性造成的不稳定性。 Boost升压恒流过程要分充电和放电两个部分来说明这个电路。 充电过程 在充电过程中，开关闭合（MOS管导通），等效电路如图二，开关（MOS管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。 放电过程 当开关断开（MOS管截止）时的等效电路。当开关断开（MOS管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。 恒流过程 在输出负载端加入一个采样电阻，将负载两端电流情况通过AD，反馈给MCU处理，调整输出PWM占空比，实现恒流处理。 调光系统设计 LED调光决方案及规范一直在不断变化，直到现在还未固定下来，所以现在市场上存在PWM、模拟及可控硅（TRAIC）三种调光方案。三种方案中模拟调光较为简单，实现比较容易。模拟调光方案的缺点是，LED电流的调节范围局限在某个最大值至该最大值的约10%之间（10:1调光范围），由于LED的色谱与电流有关，因此这种方法并不适合于某些应用。可控硅（TRAIC）调光方案是目前市场中比较常用的方案，它是基于传统光源如白炽灯的一种调光方案，其优点在于不需要改变现有房间布线，施工简单，通用性比较强，但是其本身是利用牺牲功率因数和增加了电路的复杂性为代价，而且可控硅（TRAIC）调光也不可以实现无极调光，当可控硅的导通角低到一定程度时，灯具就会出现闪烁，这是其方案原理决定的。PWM调光是调光市场的主流方案，其优点如下： 1、用PWM调光从零到最光，都不会有闪烁的现象。 　　2、性能会更好。因为调光输出功率采用了功率因数校正电路，这是配合全球对灯光采用功率因数有强制性的要求，虽然一般从25W开始有这要求，但美国要求灯光从零瓦起已需强制性功率因数校正电路。如采用TRAIC调光将牺牲功率因数和增加了电路的复杂性。因此，采用PWM调光可以提供最好性能的选择，也是未来的趋势。 3、成本会更好。用PWM调整占空比，不需要太多额外的控制电路成本。 4、不管调光程度有多大，允许LED一直在优化的和恒定的电流下工组。 5、在整个调光范围内LED颜色色调保持一致（颜色色调像流明输出一样随LED工作电流而变化）。 dsPIC MCU在系统设计过程中就是采用PWM调光方式。dsPIC MCU配备有4到8通道PWM，可轻松实现RGB真彩调光，配合10位片上ADC，管理和检测每一组灯的实时运行情况，达到更优的工作效果。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 通讯系统设计 0-10V，DALI，DMX512是目前LED照明系统中常用的三种通讯方式，DMX512由于其数据传输高效性和传输距离远特点，逐渐成为主流方案。 DMX512协议是Digital Multiplex的缩写，是由美国剧场技术协会USITT提出的。最原始的版本出版于1986年，在1990年做了修改，USITT DMX512/1990是调光和灯光控制台数据传输 标准是灯光行业数字化设备的通用信号控制协议，同时也是是一种国际协议。 DMX512的优点： 1. 硬件成本相对低廉，协议简单可靠。 2. 信号管道为总线型拓扑结构，一个终端的失效不会影响其它终端的正常工作，系统稳定性高。 3. 差分电平工作方式，传输距离远，更适合离散分布的灯具。 4. 协议为国际通用协议，兼容性好。 5. 控制灵活方便，深得原传统舞台灯光从业者青睐。 DMX512的不足： 1.总线结构使得DMX设备终端数有所限制，一般为32个，需要加信号分配器。 2.总线结构决定了必须通过地址来区别不同的设备终端，设定地址显得不太方便。 3.如果不作扩展512个数据通道难以满足LED灯具的控制要求。 4.编程比较复杂，只适合较为专业的灯光从业人员或专业人士使用。 针对DMX512的不足，本方案对原DMX512协议进行了一定程度的扩展，很好的解决了其不足： 1.通过加串行信号放大器的方式避免原来星形的信号分配器的方式，大大降低工程布线难度。 2.提供已通过测试的DMX512协议给客户使用，缩短客户对DMX512熟悉时间，加快开发周期。 dsPIC33方案除了提供DMX512通讯方式外，由于MCU的通用性，其外设还支持红外接口和RF接口，实现无线控制方式，增加产品的卖点；同时也可以使用内部带CAN的dsPIC33芯片，将LED灯与汽车产品连接，如汽车仪表盘背景灯，阅读灯等，增加产品类型。 结论， 基于dsPIC33 LED驱动单芯片解决方案，将电源控制及系统管理合二为一，降低了硬件设计的复杂程度，同时又兼顾了驱动输出路数设计的灵活性，可通过改变控制芯片外围的存储器中的内容，实现对LED电流大小、亮灭时间、亮灭模式、环境亮度及系统温度等控制参数的定制，还可通过MCU的通讯接口对系统进行远距离调光控制和无线控制。基于dsPIC33 LED驱动单芯片解决方案具有以下优点： 低成本——单芯片解决多路恒流控制，省去专用的恒流芯片，有效地降低了系统成本。 　　高效率——非隔离开关电源，没有变压器的漏磁损耗，转换效率高，系统满载时整体效率高达95％。 　　驱动能力强——最多可以支持8路非隔离恒流驱动输出，可驱动8串(每串不少于14个)LED，总输出功率不低于100W。 　　控制灵活——采用高性能DSC作为控制核心，可充分发挥MCU实时控制功能的优势，每路LED的电流大小、亮灭方式等均可独立控制。 　　扩展性好——配置温度、亮度、色温等检测接口，支持串口、I2C，CAN等通讯接口，为系统集成做好了铺垫。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载