2023年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽報(bào)告

高效LED驅(qū)動(dòng)電路〔A題〕 組號(hào)：069參賽題目：高效LED驅(qū)動(dòng)電路〔A題〕參賽對(duì)號(hào)：xxx參賽選手：xxx參賽地點(diǎn)：xxx參賽時(shí)間：2023-8-28~2023-8-292023-8-29摘要：本文主要介紹基于MSP430G2553的高效LED驅(qū)動(dòng)電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)主回路是以TI公司的DC/DC升壓芯片TPS61040為核心的恒流源電路，通過(guò)MSP430G2553對(duì)恒流源電路的給定控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED電流的準(zhǔn)確設(shè)定。為了實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)斷電后的恒流延續(xù)時(shí)間，我們采用單獨(dú)的TPS61040做自供電升壓穩(wěn)壓電源，為單片機(jī)提供穩(wěn)定的、更長(zhǎng)時(shí)間的工作電壓。為了方便設(shè)定值的讀取，綜合考慮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本錢(qián)，采用兩位數(shù)碼管顯示設(shè)定電流值。最終，通過(guò)設(shè)置超級(jí)功耗單片機(jī)的低功耗模式進(jìn)入斷電期，真正實(shí)現(xiàn)了高效的LED驅(qū)動(dòng)。關(guān)鍵字：高效LED驅(qū)動(dòng)msp430低功耗系統(tǒng)方案論證1.1供電方案論證方案一：該方案是指只用一片TPS61040為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，包括五顆白光LED、MSP430單片機(jī)、顯示模塊等。由于TPS61040的輸入電壓低至1.8V，所以當(dāng)斷電后電容電壓可以跌到1.8V單片機(jī)仍然能夠獲得足夠的工作電壓。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于只用一片芯片，可以在較低的輸入電壓工作。缺點(diǎn)是輸入電壓不是最低的，輸出電壓的范圍太寬。方案二：該方案指的是用兩片TPS61040作為電源，其中一片單獨(dú)為五顆LED做恒流使用，另外一片將輸入電壓升高后，提供給LED的恒流輸入和單片機(jī)。為了使升壓電路的工作電壓更低，采用自供電方式，即使用升壓的輸出電壓為升壓芯片供電。這樣可以再電容電壓低至更低值時(shí)保證系統(tǒng)的正常工作，進(jìn)一步延長(zhǎng)斷電延續(xù)時(shí)間。還能為單片機(jī)提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定、適宜的工作電壓。缺點(diǎn)是由于升壓電路的參加，系統(tǒng)的效率會(huì)有所降低、本錢(qián)會(huì)提高。本設(shè)計(jì)采用后者方案，原因在于在對(duì)第一種方案測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)：五顆LED的供電電壓遠(yuǎn)高于單片機(jī)的工作電壓，導(dǎo)致必須參加降壓穩(wěn)壓拓?fù)?，不可行?.2主控器方案論證方案一：采用MSP430G2553作為控制器，其資源包括10位AD，14個(gè)I/O，5種低功耗模式等，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要。優(yōu)點(diǎn)在于該單片機(jī)工作電壓可低至1.8V,編程控制方便，能夠滿(mǎn)足要求。缺點(diǎn)是型號(hào)低端，功耗不如其他兩種型號(hào)低，尤其是MSP430FR5739.方案二：采用MSP430F5529作為控制器，其資源包括10位AD，I/O，6種低功耗模式等，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要。優(yōu)點(diǎn)在于該單片機(jī)工作電壓可低至1.8V,低功耗模式功耗非常低。缺點(diǎn)是編程控制不熟悉。方案三：采用MSP430FR5739作為控制器，其資源包括10位AD，I/O，9種低功耗模式等，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要。優(yōu)點(diǎn)在于低功耗模式功耗極低。缺點(diǎn)是該單片機(jī)工作電壓達(dá)2V，編程控制不熟悉。綜合上述來(lái)看，本設(shè)計(jì)選擇了熟悉的MSP430G2553作為控制器，在斷電后開(kāi)啟低功耗模式，根本能夠得到比較理想的性能。1.3恒流控制方案論證方案一：采用PWM方式控制LED電流。優(yōu)點(diǎn)：不需要額外的器件，可由單片機(jī)資源完成，節(jié)約本錢(qián)，控制精度比較高。缺點(diǎn)：電流采樣比較困難，存在很大紋波，降低控制判斷的準(zhǔn)度。方案二：采用D/A輸出電壓的方式控制LED電流。優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，紋波小，有利于采樣。缺點(diǎn)：參加D/A芯片，提高本錢(qián)，電壓基準(zhǔn)不準(zhǔn)確，帶來(lái)控制誤差。本設(shè)計(jì)采用方案二，使用DAC7512做D/A轉(zhuǎn)換。理論分析與計(jì)算2.1設(shè)定電流精度計(jì)算由于題目要求〔1〕中要求上電初始值為1mA，變化范圍為1mA～22mA可循環(huán)，步進(jìn)為3mA，控制精度為±0.2mA，并盡量提高控制精度。因此在選擇A/D之前，為了能到達(dá)要求精度，我們作出如下簡(jiǎn)單的理論值計(jì)算：A/D采樣分辨率：檢流電阻的選擇：D/A輸出分辨率：電流分辨率：2.2能量消耗計(jì)算由于題目要求〔2〕中要求開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)后，電路由電容C供電?？刂芁ED驅(qū)動(dòng)電路，在保證LED串上電流不小于0.5mA的前提下，盡可能延長(zhǎng)對(duì)LED的供電時(shí)間。這是對(duì)系統(tǒng)功耗和效率的考察，因此我們先作出理想情況下的理論值計(jì)算：電容C理想存儲(chǔ)電能：〔假設(shè)電容充電足夠久，并忽略漏電流〕QUOTE=1.79685J斷電后供五顆LED以0.5mA電流保持時(shí)間：〔只計(jì)LED耗電量且電容電能全部輸出〕由以上計(jì)算可知，假設(shè)電容在最為理想的情況下，只供五顆LED0.5mA亮越4分鐘。但實(shí)際情況與此相去甚遠(yuǎn)，原因有如下幾點(diǎn)：第一：電容存在內(nèi)阻，不可能做到完全充滿(mǎn)電，也不可能做到將電容中的電能完全釋放出來(lái)；第二：除了LED消耗電能，還有大量的電能消耗于DC/DC變換器及控制器等其他電路，這局部電能流失不可不計(jì)；第三：為了維持電流0.5mA穩(wěn)定不變，電容電壓跌至1.3V左右，變換器就將失穩(wěn)，停止工作，LED將迅速熄滅，因此電容將殘留局部能量。電路與程序設(shè)計(jì)圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖示意3.1硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1LED恒流驅(qū)動(dòng)電路圖2五顆LED恒流驅(qū)動(dòng)電路LED恒流驅(qū)動(dòng)電路參照TPS61040數(shù)據(jù)手冊(cè)上的典型運(yùn)用，設(shè)計(jì)電路如圖2所示。該電路的輸入電壓是來(lái)自于前級(jí)的另外一片TPS61040，因此斷電后能穩(wěn)定的工作較長(zhǎng)時(shí)間。出于降低功耗提高效率的考慮，設(shè)計(jì)兩種不同阻值的采樣電阻，通過(guò)單片機(jī)控制三極管開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇。恒流閉環(huán)的反響端來(lái)自于數(shù)模轉(zhuǎn)換電壓與取樣電壓經(jīng)電阻分壓的結(jié)果，以到達(dá)能通過(guò)單片機(jī)D/A給定電流的效果。3.1.2自供電升壓電路圖3自供電升壓電路為了進(jìn)一步降低TPS61040的工作電壓閥值，采用如圖3所示的自供電升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。將升壓輸出引入TPS61040的供電端，從而抬高輸入電壓，使得在輸入電壓低于TPS61040最低工作電壓時(shí)仍然能正常工作。3.1.3顯示電路圖4八段LED顯示電路由圖4可知，本次使用的兩片一位LED是由74HC164來(lái)做串行轉(zhuǎn)并行靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的。這樣只需要兩根線與單片機(jī)相連，與動(dòng)態(tài)并行掃描比較，既節(jié)約了硬件資源，又節(jié)省了單片機(jī)的軟件開(kāi)銷(xiāo)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖5主程序流程圖示意如圖5所示，程序執(zhí)行的流程如下所述：第一步：在程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，首先檢測(cè)輸入電壓是否低于閥值，判斷系統(tǒng)是否掉電，假設(shè)掉電，直接進(jìn)入低功耗模式；假設(shè)未掉電，進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。第二步：在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)之后，通過(guò)檢測(cè)按鍵，讀取電流設(shè)定值，并通過(guò)D/A輸出設(shè)定值；第三步：循環(huán)檢測(cè)是否掉電，假設(shè)掉電，直接進(jìn)入低功耗模式；假設(shè)未掉電，檢測(cè)電流是否下降到閾值，如果到了，指示燈顯示，否者返回到設(shè)定電流。測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果圖6系統(tǒng)測(cè)試電路如圖6所示為本設(shè)計(jì)的測(cè)試電路，圖中C是一顆0.33F的法拉電容，斷電后為系統(tǒng)提供能量。毫安表直接與五顆白光LED串聯(lián)接入驅(qū)動(dòng)回路，以檢測(cè)流過(guò)LED的電流值。本次設(shè)計(jì)兩個(gè)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如下文詳述。4.1測(cè)試設(shè)定電流精度按照題目要求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)為設(shè)定電流精度檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中接通開(kāi)關(guān)S，通過(guò)循環(huán)按鍵K，步進(jìn)3.00mA，按表1數(shù)據(jù)依次設(shè)定，并讀取毫安表上顯示的電流值，記錄于表1中。偏差的計(jì)算公式為：設(shè)定電流〔mA〕1.004.007.0010.0013.0016.0019.0022.00實(shí)際電流〔mA〕1.013.967.069.9813.0216.1019.0321.97偏差〔%〕110.860.20.150.630.150.13表1設(shè)定電流精度測(cè)試表由表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，從1.00~22.00mA設(shè)定電流偏差不超過(guò)1%，滿(mǎn)足高精度要求。4.2測(cè)試斷電工作時(shí)間按照題目要求，設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)效率和功耗。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)閉合開(kāi)關(guān)S，任意設(shè)定電流值，到足夠長(zhǎng)時(shí)間〔至少等到電容C兩端電壓到達(dá)3.3V輸入電壓〕，然后準(zhǔn)備斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)的同時(shí)秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)，注意觀察毫安表顯示的電流值，等到電流值下降到小于0.5mA時(shí)，立即停止計(jì)時(shí)，并記錄于表2。屢次重復(fù)測(cè)量并計(jì)算平均值。次數(shù)12345678平均時(shí)間1’27〞1’20〞1’18〞1’23〞1’19〞1’11〞1’20〞1’18〞1’19.5〞表2斷電續(xù)航時(shí)間測(cè)試表通過(guò)以上數(shù)據(jù)結(jié)果與之前的理論值比較，作出如下的效率估算：結(jié)論本次設(shè)計(jì)完成了TPS61040的五顆LED恒流驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、前級(jí)TPS61040升壓電路設(shè)計(jì)、DAC7512設(shè)計(jì)、數(shù)碼管顯示設(shè)計(jì)等硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)屢次調(diào)試最終到達(dá)硬件穩(wěn)定完成預(yù)期工作?；贛SP430G2553的控制系統(tǒng)軟件調(diào)試包括定時(shí)器、I/O口、10位A/D等，最終完善所有預(yù)期功能，并且與硬件連調(diào)通過(guò)，性能良好。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)用單片機(jī)控制LED發(fā)光管亮度。流過(guò)LED的平均電流可通過(guò)按鍵控制。上電初始值為1mA，變化范圍為1mA～22mA可循環(huán)，步進(jìn)為3mA，控制精度為±0.1mA。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電路由電容供電。在保證LED串上電流不小于0.5mA的前提下，延長(zhǎng)對(duì)LED的供電時(shí)間達(dá)1’27〞。用單片機(jī)檢測(cè)流過(guò)LED串的電流。在當(dāng)流過(guò)LED串的電流在1mA-0.5mA之間時(shí)，單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上的LED指示燈熄滅；當(dāng)流過(guò)LED串的電流大于1mA或小于0.5mA時(shí)，點(diǎn)亮LED指示。除了要求完成功能之外，本設(shè)計(jì)還參加數(shù)碼管顯示局部，能顯示設(shè)定電流值，方便設(shè)定。參考文獻(xiàn)[1]TexasInstruments,Incorporated[SCHS155,C]．CD54HC164,CD74HC164,CD54HCT164,CD74HCT164(Rev.C)DataSheet．TexasInstruments，2023．[2]TexasInstruments,Incorporated[SBAS156,B]．Low-PowerRail-To-RailOutput12-BitSerialInputD/AConverter(Rev.B)DataSheet．TexasInstruments，2023．[3]TexasInstruments,Incorporated[SLVS413,E]．LowPowerDC/DC