基于單片機和LED的汽車照明系統設計

　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實現照明，并且根據環境溫度和光亮信號實時調節PWM脈沖的占空比，通過PWM脈沖動態調整LED的亮度。

　　LED照明與傳統鹵素低壓照明相比具有許多優勢：(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。基于這些優勢，高亮度LED照明技術日益成為汽車照明的發展趨勢，并可以帶來很好的性價比。

　　由于汽車照明系統要求控制簡單、節能環保、高效安全等特點[1]，因此本系統主要采用大功率LED驅動器XLT604來驅動LED發光，使用8位單片機PIC18F448輸出不同占空比的PWM脈沖來動態控制其發光強度，并使用數字溫度傳感器DS18B20測試系統的溫度，同時對系統的發熱情況進行實時控制。另外，系統還采用光敏電阻傳感器對照明系統的亮度進行自適應調節。

1  系統硬件設計

　　系統硬件主要包括以單片機為控制中心的LED驅動及調光、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，系統主要設計了LED驅動及調光模塊。

1.1  系統整體結構設計

　　汽車照明系統的主要功能是可根據環境溫度和亮度自適應調節LED的亮度。本系統采用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，從而實時調節LED的輸出光通量，即調節LED的亮度。系統整體結構圖如圖1所示。

1.2  LED驅動及調光

　　在汽車照明系統中，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、并聯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節其亮度，也可通過外部低頻PWM方式調節LED串的亮度。在汽車照明系統中，一般只需輸出光通量范圍在150~800 lm。系統采用Cree公司的XLamp XP-E LED，可達到100 lm/W的發光效率，并且采用3個LED串聯的結構[2]。LED驅動及調光電路如圖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，當R2的電壓值超過設定值時，功率管關斷[2]。

1.2.2  LED調光

　　XLT604有線性調節、PWM調節2種調光方式。線性調節可動態控制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調節技術的優勢明顯，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對LED亮度的動態調節，因此本系統采用PWM調光方式。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節LED的亮度，從而達到節能的目的。LED燈的亮度與PWM信號的高電平時間長度成正比，通過PWM調節方式可以在0~100％范圍調光，但不能調出高于設定值的電流。PWM調光精度僅受限于GATE端輸出的最窄脈寬[4]。

1.3  系統主控電路設計

　　PIC18F448單片機是系統的主控中心，內部包含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，能滿足系統的設計要求[1]。系統主控電路如圖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，并且系統根據這2個變量輸出不同占空比的PWM脈沖至XLT604驅動器的PWM引腳，從而調節LED的輸出光通量。

　　光通量檢測采用光敏電阻實現，在其兩端加上5 V的電壓，當環境光強發生變化時，光敏電阻的阻值發生變化，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點，測溫范圍為-55 ℃~+125 ℃，能很好地滿足系統測溫的要求。本系統采用單總線方式傳輸溫度信號可以大大節省單片機有限的端口資源，簡化了測溫網絡的網絡結構，增強了系統的擴展能力。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網尋址等特點。

2  系統軟件設計

　　本系統軟件部分比較簡單，系統的主程序流程圖如圖4所示。

系統上電后首先初始化PIC18F448，并讀取其光通量的檢測信號和溫度信號，然后調整輸出PWM脈沖的占空比并發送至LXT604的PWM引腳，循環往復，從而達到動態調光的目的。根據光通量和溫度信號值動態調整PWM輸出脈沖的占空比是系統軟件設計中的關鍵內容。操作PIC18F448內部的寄存器可調整輸出PWM脈沖的占空比，其實現步驟如下：(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)和CCPR1L(低字節)，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的增量計數值與周期寄存器PR2的值相等時，數據才真正寫入到CCPR1H寄存器內部。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境的光強和溫度，并根據這些信息實現動態調整LED亮度，能很好地節約能源。將該照明系統作為汽車尾燈照明，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生。高亮度LED已廣泛應用于汽車照明系統中