基于Arduino的大功率智能LED驱动器实验教学系统设计

（大连工业大学信息科学与工程学院 辽宁·大连 116034）

0 引言

Arduino作为一种流行的开源硬件平台已被众多国内外高校采用，欧美大学皆相当流行应用Arduino作为教学与科研的基础技术。国内大连理工大学基于Arduino设计了物联网基础实验课程，培养了学生开发能力与创新能力。电子科技大学基于Arduino的电子类课程教学改革，促进了学生综合素质的培养。上海大学提出基于Arduino开源硬件平台的电子实习教学新方案。上海师范大学开设Arduino选修课，培养了学生的专业兴趣和创新能力。上海电力学院Arduino的教学改革，对于高校实践教学改革具有借鉴意义。

本实验教学系统面向光源与照明专业，将Arduino与LED驱动技术相结合，可快速搭建具有传感、网络功能的智能照明原型系统。通过该系统培养学生智能照明的创新能力，进行智能照明效果验证与体验，甚至照明控制方法研究，为将来从事智能照明行业打下基础。

1 智能驱动器设计

1.1 扩展板设计

图1：扩展板与Arduino的连接形式

我们采用Arduino UNO作为处理器，并为其研制了大功率LED驱动扩展板以实现智能驱动器，如图1所示。扩展板包括按键输入单元，LED指示单元和基于恒流驱动器HV9910B的大功率LED驱动单元。按键用于调节PWM调光信号占空比。LED指示单元由3颗草帽封装的LED组成，用“亮/暗”状态的组合显示当前PWM信号的占空比。

系统采用直流供电，正极由扩展板经插针连接Arduino的VIN插槽，负极经另一插针连接Arduino的GND插槽。Arduino UNO的输入电压范围7～12V，驱动单元HV9910B的工作电压范围是8～450V。因此，智能驱动器的输入电压范围8～12V。数字引脚8～10用于驱动指示单元的3颗小功率LED，“亮”与“暗”分别代表二进制数1和0，它们的“亮/暗”组合可指示8个不同占空比的PWM信号。

图2：是采用降压变换方式（BUCK）设计的大功率LED驱动单元。HV9910B可以输出周期恒定与低电平时间恒定的两种PWM开关信号驱动降压变换电路。作为降压变换器且工作于连续电流模式时，当输出电压UOUT大于输入电压UIN的50%时，也就是开关信号占空比大于0.5时，宜采用低电平时间恒定的开关信号，以免进入次谐波振荡。开关信号可通过振荡电阻RT设置，RT一端接引脚8，另一端接地则是周期恒定的开关信号，另一端接引脚4则是低电平时间恒定的开关信号。通过在电路中引入跳线（图2中的P3），本系统可在这两种开关信号间切换，保证驱动多颗大功率LED情况下的稳定性。

1.2 关键元件确定

扩展板的设计指标是：输入电压UIN范围8～12V时，输出电压UOUT范围为3.5～7V，输出电流IO=350mA（即能驱动1～2颗1W的白光LED），纹波电流为30%。由于最大输出电压7V与最小输入电压8V之比为0.9大于0.5，因此采用低电平时间恒定的PWM信号。需要确定的元件有检流电阻R2，振荡电阻R1或R3（由跳线决定），开关变换电路中的功率电感L1，场效应晶体管Q1和二极管D1，如图2所示。

图2：大功率LED驱动电路设计

式(1)计算检流电阻。HV9910B属于峰值电流控制器，检流电阻由峰值电流确定。由于IO=ILED，纹波电流30%，根据平均电流与纹波电流的关系，1.15ILED为峰值电流。将0.35A的ILED代入式(1)，得到RCS=R2=0.62。

式(2)计算振荡电阻。若PWM信号是周期恒定的，则式中的tosc为信号的周期。若PWM信号是低电平时间恒定的，则式中的即为低电平时间。对于低压输入的情况，采用低电平时间恒定的PWM信号时，推荐低电平时间为5 s，对应的RT=R1=100K。

图3：降压电路PWM信号与电感电流的关系

式(3)计算功率电感，其中UL是电感电压是电感电流的增量，是与对应的时间增量。在PWM信号的TOFF时段Q截止时计算电感更方便，此时场效应管Q截止，二极管D导通，电感电压UL等于输出电压UOUT。由图3可知在=TOFF期间电感电流的减小量是纹波电流。若要驱动两颗1W的LED，将UL=UOUT=7V=TOFF=0.5 s，=0.35×0.3=0.1A代入式(3)得到功率电感L=333 H，可以认为它是满足要求的理论最小电感值，采用比它大的电感可以减小纹波电流。

2 效率测试

效率等于输出功率与输入功率之比。对于直流供电，功率等于电压与电流之积。分别测量出输入电压与电流，输出电压与电流后计算得到输入功率与输出功率从而得到效率。

图4：输入电压与效率关系曲线

如图4所示：扩展板的输入电压在8～12V范围内，测得驱动1颗1W大功率LED的最大效率为80%，驱动2颗1W大功率LED的最大效率为88%。扩展板驱动2颗1W大功率LED的效率高于驱动1W大功率LED的效率。

3 实验教学内容设计

（1）大功率LED调光实验。编程通过按键改变Arduino数字引脚3输出的调光信号占空比，实现大功率LED的调光。在按键作用下，8种占空比按照0%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、100%的顺序循环改变，并与3颗小功率LED的“亮/暗”组合对应。测量不同占空比下大功率LED的工作电流，绘制占空比与工作电流曲线，直观认识LED工作电流与调光占空比的关系。

（2）不调光时用示波器观察HV9910的GATE引脚输出的开关信号，记录信号周期，高电平与低电平的保持时间，并与理论值进行比较。调光时用示波器观察GATE引脚输出的开关信号，记录输出信号随调光信号变化的情况。分别说明调光时的开关信号，不调光时的开关信号和调光信号之间的逻辑运算关系。

（3）照度控制实验。I2C接口的GY-30照度传感器模块配合智能LED驱动器，构成智能照明控制系统，以ON/OFF控制策略，编程实现对工作面的照度控制，即当日光照度低于阈值时开灯照明，日光照度高于阈值时关灯节能。

4 结论

本文研制的大功率智能LED驱动实验教学系统，可用于光源与照明专业的综合实验课程的教学，帮助学生深入理解LED驱动的工作原理，增强感性认识，为将来从事相关工作打下基础。实验设计将Arduino技术与照明控制相关技术结合，降低了编程难度，使得学生更专注于系统性能测试与照度控制的相关实验内容。