基于單片機(jī)和LED的汽車照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要： 采用單片機(jī)PIC18F448作為控制中心，用大功率LED驅(qū)動(dòng)器XLT604驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED實(shí)現(xiàn)照明，并且根據(jù)環(huán)境溫度和光亮信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，通過PWM脈沖動(dòng)態(tài)調(diào)整LED的亮度。
LED照明與傳統(tǒng)鹵素低壓照明相比具有許多優(yōu)勢：(1)光源比較集中，1 W照明所獲得的亮度等同于十幾瓦鹵素?zé)舻牧炼龋虼朔浅９?jié)能；(2)LED燈的壽命比鹵素?zé)糸L，一般可達(dá)幾萬乃至十萬小時(shí)；(3)LED的結(jié)構(gòu)簡單，抗震性能好；(4)無須熱啟動(dòng)時(shí)間，亮燈響應(yīng)速度快；(5)工作電壓在6~12 V之間。基于這些優(yōu)勢，高亮度LED照明技術(shù)日益成為汽車照明的發(fā)展趨勢，并可以帶來很好的性價(jià)比。
由于汽車照明系統(tǒng)要求控制簡單、節(jié)能環(huán)保、高效安全等特點(diǎn)[1]，因此本系統(tǒng)主要采用大功率LED驅(qū)動(dòng)器XLT604來驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，使用8位單片機(jī)PIC18F448輸出不同占空比的PWM脈沖來動(dòng)態(tài)控制其發(fā)光強(qiáng)度，并使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測試系統(tǒng)的溫度，同時(shí)對系統(tǒng)的發(fā)熱情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。另外，系統(tǒng)還采用光敏電阻傳感器對照明系統(tǒng)的亮度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件主要包括以單片機(jī)為控制中心的LED驅(qū)動(dòng)及調(diào)光、亮度檢測、溫度檢測等功能模塊，其中亮度檢測、溫度檢測模塊比較簡單，系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了LED驅(qū)動(dòng)及調(diào)光模塊。
1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車照明系統(tǒng)的主要功能是可根據(jù)環(huán)境溫度和亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)LED的亮度。本系統(tǒng)采用PIC18F448單片機(jī)作為LED控制中心，利用其中1個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換通道接收亮度信號(hào)，RB口接收溫度檢測信號(hào)，并根據(jù)亮度和溫度通過CCP模塊輸出不同占空比的PWM脈沖至XLT604 LED驅(qū)動(dòng)器的PWM引腳，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)LED的輸出光通量，即調(diào)節(jié)LED的亮度。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1.2 LED驅(qū)動(dòng)及調(diào)光
在汽車照明系統(tǒng)中，LED驅(qū)動(dòng)電路必須能夠從汽車電源總線中獲取工作電源。在應(yīng)用中，為獲取所需亮度的照明光源，可采用單個(gè)高功率的LED或者多個(gè)LED串聯(lián)、并聯(lián)或串并混合連接的結(jié)構(gòu)。由于汽車電源總線提供的標(biāo)稱值為12 V，因此系統(tǒng)選用輸入電壓為7~450 V的大功率LED驅(qū)動(dòng)芯片XLT604。XLT604是采用BICMOS工藝設(shè)計(jì)的PWM高效LED驅(qū)動(dòng)控制芯片，能以300 kHz的固定頻率驅(qū)動(dòng)外部MOSFET，且其頻率可由外部電阻編程決定；外部高亮度LED串可采用恒流方式控制，以保持恒定高亮度并增強(qiáng)LED的可靠性，其恒流值可由外部取樣電阻決定，其變化范圍從幾mA~1 A。XLT604驅(qū)動(dòng)的LED可以通過外部控制電壓線性調(diào)節(jié)其亮度，也可通過外部低頻PWM方式調(diào)節(jié)LED串的亮度。在汽車照明系統(tǒng)中，一般只需輸出光通量范圍在150~800 lm。系統(tǒng)采用Cree公司的XLamp XP-E LED，可達(dá)到100 lm/W的發(fā)光效率，并且采用3個(gè)LED串聯(lián)的結(jié)構(gòu)[2]。LED驅(qū)動(dòng)及調(diào)光電路如圖2所示。
1.2.1 LED驅(qū)動(dòng)控制
圖2中，XLT604采用DC－DC降壓驅(qū)動(dòng)，外部輸入電壓12 V，LED串電壓9 V。當(dāng)GATE端輸出高電平時(shí)，電感儲(chǔ)能或部分能量直接傳給LED串，系統(tǒng)通過限制功率管的電流峰值的方式工作；當(dāng)功率MOSFET關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在電感上的能量轉(zhuǎn)換為LED的驅(qū)動(dòng)電流。外部電流采樣電阻R2與功率管的源極串聯(lián)，當(dāng)R2的電壓值超過設(shè)定值時(shí)，功率管關(guān)斷[2]。
1.2.2 LED調(diào)光
XLT604有線性調(diào)節(jié)、PWM調(diào)節(jié)2種調(diào)光方式。線性調(diào)節(jié)可動(dòng)態(tài)控制LED的亮度，但會(huì)降低LED的效率，并引起白光LED向黃色光譜的色彩偏移。PWM調(diào)節(jié)技術(shù)的優(yōu)勢明顯，當(dāng)PWM脈沖為有效高電平或低電平時(shí)， LED輸入電流分別為最大或0，其導(dǎo)通時(shí)間受控于PWM引腳輸入脈沖的占空比[3]。由于LED始終工作于相同的電流條件下，通過施加1個(gè)PWM信號(hào)來控制LED亮度的做法，可以在不改變彩色的情況下實(shí)現(xiàn)對LED亮度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光方式。PWM信號(hào)由單片機(jī)PIC18F448輸出的PWM信號(hào)至XLT604的PWM端子獲得。PIC18F448根據(jù)由溫度檢測模塊測得的溫度和光敏傳感器測得的光通量信號(hào)來改變PWM脈沖信號(hào)的占空比以調(diào)節(jié)LED的亮度，從而達(dá)到節(jié)能的目的。LED燈的亮度與PWM信號(hào)的高電平時(shí)間長度成正比，通過PWM調(diào)節(jié)方式可以在0~100％范圍調(diào)光，但不能調(diào)出高于設(shè)定值的電流。PWM調(diào)光精度僅受限于GATE端輸出的最窄脈寬[4]。
1.3 系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)
PIC18F448單片機(jī)是系統(tǒng)的主控中心，內(nèi)部包含4個(gè)定時(shí)器、4個(gè)I/O端口、8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器、2路PWM脈沖輸出、SPI總線接口等，資源比較豐富，能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[1]。系統(tǒng)主控電路如圖3所示。其中，PIC18F448 的RA端口的AN0引腳接收來自光敏傳感器的光亮檢測信號(hào)，RB4端口接收DS18B20溫度檢測信號(hào)，并且系統(tǒng)根據(jù)這2個(gè)變量輸出不同占空比的PWM脈沖至XLT604驅(qū)動(dòng)器的PWM引腳，從而調(diào)節(jié)LED的輸出光通量。
光通量檢測采用光敏電阻實(shí)現(xiàn)，在其兩端加上5 V的電壓，當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)發(fā)生變化時(shí)，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，引起輸出電壓在0～5 V之間變化。溫度檢測采用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、用戶可自行設(shè)定預(yù)警上下限溫度等優(yōu)點(diǎn)，測溫范圍為-55 ℃~+125 ℃，能很好地滿足系統(tǒng)測溫的要求。本系統(tǒng)采用單總線方式傳輸溫度信號(hào)可以大大節(jié)省單片機(jī)有限的端口資源，簡化了測溫網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力。因?yàn)閱慰偩€通信具有獨(dú)特的電源和信號(hào)復(fù)合功能，僅使用1條口線、每個(gè)芯片唯一編碼并支持聯(lián)網(wǎng)尋址等特點(diǎn)。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件部分比較簡單，系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。
系統(tǒng)上電后首先初始化PIC18F448，并讀取其光通量的檢測信號(hào)和溫度信號(hào)，然后調(diào)整輸出PWM脈沖的占空比并發(fā)送至LXT604的PWM引腳，循環(huán)往復(fù)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)光的目的。根據(jù)光通量和溫度信號(hào)值動(dòng)態(tài)調(diào)整PWM輸出脈沖的占空比是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容。操作PIC18F448內(nèi)部的寄存器可調(diào)整輸出PWM脈沖的占空比，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：(1)初始化CCP1模塊控制寄存器CCP1CON的低4位為11XX，并將TRISC.2位清零，使CCP1模塊工作在PWM脈沖輸出模式下，可輸出分辨率達(dá)10位的PWN脈沖；(2)寫定時(shí)器TMR2的8位周期寄存器PR2，設(shè)置PWM輸出脈沖的周期；(3)寫定時(shí)器TMR2的控制寄存器T2CON，使能定時(shí)器TMR2并初始化TMR2的前分頻值；(4)CCP1模塊包含2個(gè)8位寄存器CCPR1H(高字節(jié))和CCPR1L(低字節(jié))，通過寫入CCP1CON控制器CCPR1L寄存器的4、5位可得到PWM脈沖的高電平時(shí)間，可在任意時(shí)刻寫入，但僅當(dāng)定時(shí)器TMR2的增量計(jì)數(shù)值與周期寄存器PR2的值相等時(shí)，數(shù)據(jù)才真正寫入到CCPR1H寄存器內(nèi)部。其中PWM脈沖周期=[(PR2)+1]×4×Tosc×(TMR2前分頻值)，PWM高電平時(shí)間=(CCPR1L：CCP1CON[5：4])×Tosc×(TMR2前分頻值)，PWM輸出占空比=(CCPR1L：CCP1CON[5：4])/(PR2+1)×4。
本系統(tǒng)采用以單片機(jī)為控制中心及大功率LED照明的設(shè)計(jì)方案，具有很好的靈活性和擴(kuò)展性。利用光敏傳感器和溫度傳感器分別測得周圍環(huán)境的光強(qiáng)和溫度，并根據(jù)這些信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整LED亮度，能很好地節(jié)約能源。將該照明系統(tǒng)作為汽車尾燈照明，由于LED亮燈快，能及時(shí)讓尾隨后面的汽車司機(jī)知道前方車輛的行使?fàn)顩r，減少汽車追尾碰撞事故的發(fā)生。高亮度LED已廣泛應(yīng)用于汽車照明系統(tǒng)中
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