基于STC15W408AS的RGB调光电路设计

2020-12-24梁东云何建强吴晓云

商洛学院学报 2020年6期

梁东云，何建强，吴晓云

（商洛学院电子信息与电气工程学院，陕西商洛 726000）

LED光源是一种新型的照明光源，具有发光效率高、能耗低、坚固耐用、寿命长、安全性好、环保等优点，是当前照明行业的一个研究热点。为了得到一个舒适的家居环境，调节光源的颜色和亮度成为一种趋势，LED调光既能够实现对光源的需求[1-2]，也能有效地节能，大幅减少能源浪费。对于LED光源来说，在调光技术上也比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现[3-4]，本设计就是在各种类型的LED灯具中加上调光的功能，实现亮度的调节。

1 设计思路

在物理光中RGB三原色可以用不同亮度级别来量化，RGB各有256级亮度，用数字0，1，2，…，255表达。每种光对应一个调光电路，通过按不同的键改变不同灯发光，改变供电电压大小控制灯光亮度[5-6]。本设计由STC15W408AS芯片、LED驱动电路，显示电路三部分组成。目前调节LED主要有两种方法，一种是电流调节法，另一种是脉冲调制法，电流调节法是通过调节工作电流的大小调节LED的发光亮度[7]。脉宽调制是通过改变脉冲宽度来调节，本设计选用脉冲调制调光，通过PWM脉宽调制来改变脉冲宽度控制输出电压，改变周期控制输出频率。输出频率的变化可通过改变脉冲的调制周期来实现[8]。PWM输出控制器控制电源，电源控制红、黄、绿三种光线的光源，从而实现三种色光量级的变化。脉冲调制调光具有不产生任何色彩偏移、调光精度高、调光范围宽、不闪烁等优点[9]。系统主要由STC15W408AS芯片采集光照度反馈给处理芯片，经过STC15W408AS芯片进行相应的算法处理，输出随光照度规律变化的PWM波形，经过带有PWM接口的驱动电路驱动LED灯从而实现调光[10]。

2 整体设计

本设计采用STC15W408AS芯片作为控制芯片，电路由四部分组成。

时钟电路：基于STC15W408AS芯片的LED调光控制器设计产生STC15W408AS工作所需要的时钟信号[11]。

复位电路：STC15W408AS芯片内部自带复位电路，可以在STC15W408AS开通电源时、断电后、发生故障时复位[12]。

显示电路：9个LED7段数码管，数码管显示出调节的灯光亮度等级。

LED驱动电路：用于驱动LED数码管。图1为设计框图。

图1 整体设计框图

3 硬件设计

3.1 主控芯片STC15W408AS

STC15W408AS芯片自带硬件PWM模块、ADC模块和比较器模块，工作频率最高能达35 MHz，工作温度范围为-40℃～85℃，封装类型为SOP贴片封装，管脚数为20，STC15W408AS芯片上有普通定时器/计数器（T0/T2）；三路CCP/PCA/PWM（可再实现三个定时器/计数器使用）、本设计使用它的PWM（脉宽调制）功能。

3.2 数码管驱动芯片74HC59

74HC595是硅结构的CMOS移位寄存器，兼容低电压TTL电路，74HC595具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位器和存储器是分别的时钟。输出端口外围可控制三态输出，也能串行控制下一级级联芯片。它的特点是高速移位时钟频率Fmax＞25 MHz，标准串行接口，CMOS串行输出，可用于多个设备的级联，低功耗[13-14]。74HC595管脚图如图2所示，管脚说明如表1。

图2 74HC595管脚图

表1 74HC595管脚说明

3.3 LED显示

经过STC15W408AS处理后的RGB调光结果电路图如图3所示。

图3 调光电路

3.4 稳压电路

本设计稳压电路采用LM317模块，LM317可调节3端正电压稳压器，满足输出电压范围（1.2～37）V时，电流大于1.5 A的要求；设置两个电阻实现输出电压的调节；LM317线性调整率和负载调整率比标准的固定稳压器效果好；LM317内置有过载保护、安全区保护等多种保护电路；该模块具有调压范围广、稳压性能好、噪音低、波纹抑制比高等优点，本设计三端可调稳压电路设计如图4所示。

图4 稳压电路

4 软件设计

本设计采用STC公司生产的STC15W408AS单片机，该芯片STC15W408AS自带PWM控制器，只要从滑动变阻器中采集到变化的电压信号，将信号送入芯片STC15W408AS，STC15W408AS芯片将数据处理后送入PWM控制器，STC15W408AS芯片会输出三路波形送与三个灯，灯会显示亮度的变化，同时在数码管上显示出三路灯亮度的不同等级。工作流程图如图5。

5 测试结果

本设计理想实现了RGB三路调光设计，数码管显示灯光的亮度等级，调光方便、准确。缺点是灯光在亮度等级超过100时，亮度的变化不太明显，有待改进。实物测试结果如下：黄色灯代替蓝色灯，不影响实验效果。实验效果如演示图6。

当(RGB)=255，255，255 时，三盏灯都亮，见图 6（a）。当(RGB)=255，0，255 时，绿灯灭，其他两盏灯亮，见图 6（b）。当(RGB)=0，0，255 时，红灯、绿灯灭，黄灯亮，见图 6（c）。当(RGB)=0，0，0 时，全灭，见图 6（d）。当(RGB)=0，106，0 时，绿灯亮，亮度减弱，红灯、黄灯灭，见图 6（e）。当(RGB)=52，106，0时，红灯亮度更弱、绿灯亮度不变，黄灯灭，见图 6（f）。