基于單片機和LED的汽車照明系統(tǒng)設計

　摘  要： 采用單片機PIC18F448作為控制中心，用大功率LED驅動器XLT604驅動多個LED實現(xiàn)照明，并且根據(jù)環(huán)境溫度和光亮信號實時調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比，通過PWM脈沖動態(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燈的亮度，因此非常節(jié)能；(2)LED燈的壽命比鹵素燈長，一般可達幾萬乃至十萬小時；(3)LED的結構簡單，抗震性能好；(4)無須熱啟動時間，亮燈響應速度快；(5)工作電壓在6~12 V之間。基于這些優(yōu)勢，高亮度LED照明技術日益成為汽車照明的發(fā)展趨勢，并可以帶來很好的性價比。

　　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[1]，因此本系統(tǒng)主要采用大功率LED驅動器XLT604來驅動LED發(fā)光，使用8位單片機PIC18F448輸出不同占空比的PWM脈沖來動態(tài)控制其發(fā)光強度，并使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20測試系統(tǒng)的溫度，同時對系統(tǒng)的發(fā)熱情況進行實時控制。另外，系統(tǒng)還采用光敏電阻傳感器對照明系統(tǒng)的亮度進行自適應調(diào)節(jié)。

1  系統(tǒng)硬件設計

　　系統(tǒng)硬件主要包括以單片機為控制中心的LED驅動及調(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)主要設計了LED驅動及調(diào)光模塊。

1.1  系統(tǒng)整體結構設計

　　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調(diào)節(jié)LED的亮度。本系統(tǒng)采用PIC18F448單片機作為LED控制中心，利用其中1個10位A/D轉換通道接收亮度信號，RB口接收溫度檢測信號，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驅動器的PWM引腳，從而實時調(diào)節(jié)LED的輸出光通量，即調(diào)節(jié)LED的亮度。系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

1.2  LED驅動及調(diào)光

　　在汽車照明系統(tǒng)中，LED驅動電路必須能夠從汽車電源總線中獲取工作電源。在應用中，為獲取所需亮度的照明光源，可采用單個高功率的LED或者多個LED串聯(lián)、并聯(lián)或串并混合連接的結構。由于汽車電源總線提供的標稱值為12 V，因此系統(tǒng)選用輸入電壓為7~450 V的大功率LED驅動芯片XLT604。XLT604是采用BICMOS工藝設計的PWM高效LED驅動控制芯片，能以300 kHz的固定頻率驅動外部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驅動的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，可達到100 lm/W的發(fā)光效率，并且采用3個LED串聯(lián)的結構[2]。LED驅動及調(diào)光電路如圖2所示。

1.2.1  LED驅動控制

　　圖2中，XLT604采用DC－DC降壓驅動，外部輸入電壓12 V，LED串電壓9 V。當GATE端輸出高電平時，電感儲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；當功率MOSFET關斷時，存儲在電感上的能量轉換為LED的驅動電流。外部電流采樣電阻R2與功率管的源極串聯(lián)，當R2的電壓值超過設定值時，功率管關斷[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)可動態(tài)控制LED的亮度，但會降低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)技術的優(yōu)勢明顯，當PWM脈沖為有效高電平或低電平時， LED輸入電流分別為最大或0，其導通時間受控于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PWM信號來控制LED亮度的做法，可以在不改變彩色的情況下實現(xiàn)對LED亮度的動態(tài)調(diào)節(jié)，因此本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光方式。PWM信號由單片機PIC18F448輸出的PWM信號至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來改變PWM脈沖信號的占空比以調(diào)節(jié)LED的亮度，從而達到節(jié)能的目的。LED燈的亮度與PWM信號的高電平時間長度成正比，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)主控電路設計

　　PIC18F448單片機是系統(tǒng)的主控中心，內(nèi)部包含4個定時器、4個I/O端口、8通道10位A/D轉換器、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)的設計要求[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，RB4端口接收DS18B20溫度檢測信號，并且系統(tǒng)根據(jù)這2個變量輸出不同占空比的PWM脈沖至XLT604驅動器的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現(xiàn)，在其兩端加上5 V的電壓，當環(huán)境光強發(fā)生變化時，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，具有結構簡單、體積小、功耗低、用戶可自行設定預警上下限溫度等優(yōu)點，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可以大大節(jié)省單片機有限的端口資源，簡化了測溫網(wǎng)絡的網(wǎng)絡結構，增強了系統(tǒng)的擴展能力。因為單總線通信具有獨特的電源和信號復合功能，僅使用1條口線、每個芯片唯一編碼并支持聯(lián)網(wǎng)尋址等特點。

2  系統(tǒng)軟件設計

　　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和溫度信號，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，從而達到動態(tài)調(diào)光的目的。根據(jù)光通量和溫度信號值動態(tài)調(diào)整PWM輸出脈沖的占空比是系統(tǒng)軟件設計中的關鍵內(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10位的PWN脈沖；(2)寫定時器TMR2的8位周期寄存器PR2，設置PWM輸出脈沖的周期；(3)寫定時器TMR2的控制寄存器T2CON，使能定時器TMR2并初始化TMR2的前分頻值；(4)CCP1模塊包含2個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脈沖的高電平時間，可在任意時刻寫入，但僅當定時器TMR2的增量計數(shù)值與周期寄存器PR2的值相等時，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)采用以單片機為控制中心及大功率LED照明的設計方案，具有很好的靈活性和擴展性。利用光敏傳感器和溫度傳感器分別測得周圍環(huán)境的光強和溫度，并根據(jù)這些信息實現(xiàn)動態(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，能及時讓尾隨后面的汽車司機知道前方車輛的行使狀況，減少汽車追尾碰撞事故的發(fā)生。高亮度LED已廣泛應用于汽車照明系統(tǒng)中