摘  要： 采用单片机PIC18F448作为控制中心，用大功率LED驱动器XLT604驱动多个LED实现照明，并且根据环境温度和光亮信号实时调节PWM脉冲的占空比，通过PWM脉冲动态调整LED的亮度。

　　LED照明与传统卤素低压照明相比具有许多优势：（1）光源比较集中，1 W照明所获得的亮度等同于十几瓦卤素灯的亮度，因此非常节能；（2）LED灯的寿命比卤素灯长，一般可达几万乃至十万小时；（3）LED的结构简单，抗震性能好；（4）无须热启动时间，亮灯响应速度快；（5）工作电压在6~12 V之间。基于这些优势，高亮度LED照明技术日益成为汽车照明的发展趋势，并可以带来很好的性价比。

　　由于汽车照明系统要求控制简单、节能环保、高效安全等特点，因此本系统主要采用大功率LED驱动器XLT604来驱动LED发光，并使用数字温度传感器DS18B20测试系统的温度，同时对系统的发热情况进行实时控制。另外，系统还采用光敏电阻传感器对照明系统的亮度进行自适应调节。

　　1  系统硬件设计

　　系统硬件主要包括以单片机为控制中心的LED驱动及调光、亮度检测、温度检测等功能模块，其中亮度检测、温度检测模块比较简单，系统主要设计了LED驱动及调光模块。

　　1.1  系统整体结构设计

　　汽车照明系统的主要功能是可根据环境温度和亮度自适应调节LED的亮度。本系统采用PIC18F448单片机作为LED控制中心，利用其中1个10位A/D转换通道接收亮度信号，RB口接收温度检测信号，并根据亮度和温度通过CCP模块输出不同占空比的PWM脉冲至XLT604 LED驱动器的PWM引脚，从而实时调节LED的输出光通量，即调节LED的亮度。系统整体结构图如图1所示。

　　1.2  LED驱动及调光

　　由于LED是特性敏感的半导体器件，又具有负温度特性，因而在应用过程中需要对其进行稳定工作状态和保护，从而产生了驱动的概念。LED器件对驱动电源的要求近乎于苛刻，LED不像普通的白炽灯泡，可以直接连接220V的交流市电。LED是2~3伏的低电压驱动，必须要设计复杂的变换电路，不同用途的LED灯，要配备不同的电源适配器。国际市场上国外客户对LED驱动电源的效率转换、有效功率、恒流、电源寿命、电磁兼容的要求都非常高，设计一款好的电源必须要综合考虑这些因数，因为电源在整个灯具中的作用就好比像人的心脏一样重要。

　　在汽车照明系统中，LED驱动电路必须能够从汽车电源总线中获取工作电源。在应用中，为获取所需亮度的照明光源，可采用单个高功率的LED或者多个LED串联、并联或串并混合连接的结构。由于汽车电源总线提供的标称值为12 V,因此系统选用输入电压为7~450 V的大功率LED驱动芯片XLT604.XLT604是采用BICMOS工艺设计的PWM高效LED驱动控制芯片，能以300 kHz的固定频率驱动外部MOSFET,且其频率可由外部电阻编程决定；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强LED的可靠性，其恒流值可由外部取样电阻决定，其变化范围从几mA~1 A.XLT604驱动的LED可以通过外部控制电压线性调节其亮度，也可通过外部低频PWM方式调节LED串的亮度。在汽车照明系统中，一般只需输出光通量范围在150~800 lm.系统采用Cree公司的XLamp XP-E LED,可达到100 lm/W的发光效率，并且采用3个LED串联的结构[2].LED驱动及调光电路如图2所示。

　　1.2.1  LED驱动控制

　　图2中，XLT604采用DC-DC降压驱动，外部输入电压12 V,LED串电压9 V.当GATE端输出高电平时，电感储能或部分能量直接传给LED串，系统通过限制功率管的电流峰值的方式工作；当功率MOSFET关断时，存储在电感上的能量转换为LED的驱动电流。外部电流采样电阻R2与功率管的源极串联，当R2的电压值超过设定值时，功率管关断[2].

　　1.2.2  LED调光

　　XLT604有线性调节、PWM调节2种调光方式。线性调节可动态控制LED的亮度，但会降低LED的效率，并引起白光LED向黄色光谱的色彩偏移。PWM调节技术的优势明显，当PWM脉冲为有效高电平或低电平时， LED输入电流分别为或0,其导通时间受控于PWM引脚输入脉冲的占空比[3].PIC18F448根据由温度检测模块测得的温度和光敏传感器测得的光通量信号来改变PWM脉冲信号的占空比以调节LED的亮度，从而达到节能的目的。LED灯的亮度与PWM信号的高电平时间长度成正比，通过PWM调节方式可以在0~100%范围调光，但不能调出高于设定值的电流。PWM调光仅受限于GATE端输出的窄脉宽[4].

　　1.2.3  LED驱动特点

　　高可靠性 特别像LED路灯的驱动电源，装在高空，维修不方便，维修的花费也大。

　　2.高效率 LED是节能产品，驱动电源的效率要高。对于电源安装在灯具内的结构，尤为重要。因为LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以LED的散热非常重要。电源的效率高，它的耗损功率小，在灯具内发热量就小，也就降低了灯具的温升。对延缓LED的光衰有利。

　　3.高功率因素 功率因素是电网对负载的要求。一般70瓦以下的用电器，没有强制性指标。虽然功率不大的单个用电器功率因素低一点对电网的影响不大，但晚上大家点灯，同类负载太集中，会对电网产生较严重的污染。对于30瓦~40瓦的LED驱动电源，据说不久的将来，也许会对功率因素方面有一定的指标要求。

　　4.驱动方式 现在通行的有两种：其一是一个恒压源供多个恒流源，每个恒流源单独给每路LED供电。这种方式，组合灵活，一路LED故障，不影响其他LED的工作，但成本会略高一点。另一种是直接恒流供电，LED串联或并联运行。它的优点是成本低一点，但灵活性差，还要解决某个LED故障，不影响其他LED运行的问题。这两种形式，在一段时间内并存。多路恒流输出供电方式，在成本和性能方面会较好。也许是以后的主流方向。

　　5.浪涌保护 LED抗浪涌的能力是比较差的，特别是抗反向电压能力。加强这方面的保护也很重要。有些LED灯装在户外，如LED路灯。由于电网负载的启甩和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，有些浪涌会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，保护LED不被损坏的能力。

　　6.保护功能 电源除了常规的保护功能外，在恒流输出中增加LED温度负反馈，防止LED温度过高。

　　7.防护方面 灯具外安装型，电源结构要防水、防潮，外壳要耐晒。

　　8.驱动电源的寿命要与LED的寿命相适配。

　　9.要符合安规和电磁兼容的要求。

　　1.3  系统主控电路设计

　　PIC18F448单片机是系统的主控中心，内部包含4个定时器、4个I/O端口、8通道10位A/D转换器、2路PWM脉冲输出、SPI总线接口等，资源比较丰富，能满足系统的设计要求[1].系统主控电路如图3所示。其中，PIC18F448 的RA端口的AN0引脚接收来自光敏传感器的光亮检测信号，RB4端口接收DS18B20温度检测信号，并且系统根据这2个变量输出不同占空比的PWM脉冲至XLT604驱动器的PWM引脚，从而调节LED的输出光通量。

　　光通量检测采用光敏电阻实现，在其两端加上5 V的电压，当环境光强发生变化时，光敏电阻的阻值发生变化，引起输出电压在0~5 V之间变化。温度检测采用单总线数字温度传感器DS18B20,具有结构简单、体积小、功耗低、用户可自行设定预警上下限温度等优点，测温范围为-55 ℃~+125 ℃，能很好地满足系统测温的要求。本系统采用单总线方式传输温度信号可以大大节省单片机有限的端口资源，简化了测温网络的网络结构，增强了系统的扩展能力。因为单总线通信具有独特的电源和信号复合功能，仅使用1条口线、每个芯片编码并支持联网寻址等特点。

　　2  系统软件设计

　　本系统软件部分比较简单，系统的主程序流程图如图4所示。

　　系统上电后首先初始化PIC18F448,并读取其光通量的检测信号和温度信号，然后调整输出PWM脉冲的占空比并发送至LXT604的PWM引脚，循环往复，从而达到动态调光的目的。根据光通量和温度信号值动态调整PWM输出脉冲的占空比是系统软件设计中的关键内容。操作PIC18F448内部的寄存器可调整输出PWM脉冲的占空比，其实现步骤如下：（1）初始化CCP1模块控制寄存器CCP1CON的低4位为11XX,并将TRISC.2位清零，使CCP1模块工作在PWM脉冲输出模式下，可输出分辨率达10位的PWN脉冲；（2）写定时器TMR2的8位周期寄存器PR2,设置PWM输出脉冲的周期；（3）写定时器TMR2的控制寄存器T2CON,使能定时器TMR2并初始化TMR2的前分频值；（4）CCP1模块包含2个8位寄存器CCPR1H（高字节）和CCPR1L（低字节），通过写入CCP1CON控制器CCPR1L寄存器的4、5位可得到PWM脉冲的高电平时间，可在任意时刻写入，但仅当定时器TMR2的增量计数值与周期寄存器PR2的值相等时，数据才真正写入到CCPR1H寄存器内部。其中PWM脉冲周期=[（PR2）+1]×4×Tosc×（TMR2前分频值），PWM高电平时间=（CCPR1L:CCP1CON[5:4]）×Tosc×（TMR2前分频值），PWM输出占空比=（CCPR1L:CCP1CON[5:4]）/（PR2+1）×4.

　　本系统采用以单片机为控制中心及大功率LED照明的设计方案，具有很好的灵活性和扩展性。利用光敏传感器和温度传感器分别测得周围环境的光强和温度，并根据这些信息实现动态调整LED亮度，能很好地节约能源。将该照明系统作为汽车尾灯照明，由于LED亮灯快，能及时让尾随后面的汽车司机知道前方车辆的行使状况，减少汽车追尾碰撞事故的发生。高亮度LED已广泛应用于汽车照明系统中。

　　目前全国安装的日光灯和节能灯的数量之大是十分惊人的，据工信部统计，我国2008年荧光灯的生产量超过40亿支，其中出口就高达38.6亿支。而据中国照明协会统计，国内每年消耗荧光灯数量大约为4亿支。假定中国荧光灯的实际使用量为10亿支（大多数安装在办公室、商场、工厂）。假定每支每天平均开灯4小时，每支平均功率25W（1.2米T8荧光灯额定功率为36W,功耗为40W以上。但国产荧光灯实际功率较低，故假定为25W），每天耗电0.1度，每年耗电36.5度。除去节假日为30度。10亿支就是300亿度。换成LED日光灯以后至少可能节能一半，就是150亿度。再采用自动调光可以至少再节能10%以上。那就是15亿度。按每度电0.7元计算，就是节约10.5亿元。这是十分可观的数字！这个数字还没有包括即将被LED替换的节能灯和白炽灯的节能调光在内。所以大力发展可节能的自适应调光才是LED调光的重点方向！

参考文献:

[1]. PIC18F448 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PIC18F448_313214.html.
[2]. XLT604 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/XLT604_1135062.html.
[3]. DS18B20 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DS18B20_819975.html.
[4]. PR2 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PR2_1197236.html.