朱 正，张梦琳，张 杨，史金辉，孙晶华

（哈尔滨工程大学 物理与光电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

LED（light emitting diode）本质上是一个PN 结，在正向偏置下能够直接将电能转化为光，从而发出各种颜色的光。LED 具有环保节能、使用寿命长、体积小、重量轻、显色性高、色彩丰富、易于调光和调色、可控性大等诸多优点，在照明领域得到了广泛使用[1-3]。LED 在当今的大学光电专业综合实验的很多内容中都得到了应用，而根据LED 的光电特性，LED 输出的光强大致与工作电流呈线性关系，因此在很多情况下为了能方便地调整其输出光强，通常以恒流驱动的方式来驱动LED[4-9]。

根据光电综合实验课程教学的需要，为使学生加深对发光器件LED 工作原理与特性的理解，为后续实验打好基础，研制了数控LED 恒流驱动实验教学系统。该实验教学系统由上位机、数控LED 恒流驱动电路板、光谱仪及电源组成，使得操作者能够掌握利用微控制器产生数控恒流源的方法，并灵活地调整LED的发光强度和开关状态，也为将来实现光强动态调控的照明应用打下基础。

1 实验仪器

数控LED 恒流驱动实验教学系统如图1 所示。上位机运行串口调试助手软件，向数控LED 恒流驱动电路板发送控制某种颜色LED 工作电流及开关状态的指令，从而实现远程数控的功能。数控LED 恒流驱动电路板接收发送过来的指令，并根据指令中的参数字节设置LED 的工作电流及其开关状态。光谱仪选用USB650 型教学用光谱仪，波长测量下限为350 nm，测量上限为1 000 nm，可用于测量各种不同单色LED 及白光LED 的发射光谱。电源使用AC/DC 电源适配器用于将市电转换为直流电源，输出的直流电压应该在6V 以上，一般可选用9V 的电源适配器。

图1 数控LED 恒流驱动实验教学系统实物图

数控LED 恒流驱动电路板如图2 所示。电路板上的DB9 串口接口通过一条串口线连接上位机的串口。图2 下方2P 插针J5 的两根针分别与测试钩I+和I-相连，当用跳线帽将J5 的两根针短路时，电路形成了通路，在某个LED 开关被打开时运放输出的电流流过该LED，LED 发光。J5 的两根针不插跳线帽时，调整万用表的档位使其处于直流电流测量档位，然后将两根表笔分别插到测试钩I+和I-上，则表笔代替跳线帽形成通路，在某个LED 开关被打开时运放输出的电流流过该LED，LED 发光，这时万用表示数就是流过LED的电流值。LED 被点亮时的电压可以通过紫色LED-D1上面的两个测试钩LED+和LED-测量出来。

图2 数控LED 恒流驱动电路板实物图

2 数控LED 恒流驱动电路板硬件电路设计

数控LED 恒流驱动电路使用Microchip 公司的16位微控制器PIC24FJ128GA410 作为控制核心，利用其片内集成的I/O 端口与MOS 管构成控制LED 灯电流通断的开关，从而实现对不同颜色LED 的亮灭控制；利用微控制器芯片内部集成的数模转换器（DAC）模块输出不同的电压，再使用运算放大器将该电压转化为LED 的工作电流，从而实现对不同颜色LED 发光强度的精确控制。还可以在上位机上利用RS-232 串口给微控制器发送不同指令来控制不同颜色LED 的开关及工作电流。

图3 数控LED 恒流驱动电路整体框图

2.1 电源电路

实验中使用9 V 的电源适配器为电路板供电，电源开关打开后，指示灯LED-D10 应该被点亮。输入电压被一片LM1117IMPX-ADJ 转换为5 V，为LED 及运算放大器供电，然后被另一片LM1117IMPX-ADJ转换为3.3 V。

数控LED 恒流驱动电路使用DAC 来输出指定的电压，利用运算放大器将该电压转换为LED 的工作电流。而且电路中还需要使用模数转换器（ADC）来检测LED 的实际工作电流。为了实现数字码与模拟电压之间的准确转换，这两种器件都需要一个高性能的参考源。考虑到外部参考源具有更好的精度及温度稳定特性，在本设计中使用了TI 公司的REF3020AIDBZT来提供参考电压[10]。

2.2 LED 控制电路

LED 控制电路由三部分组成：基于运算放大器AD8591 的电压电流转换电路、基于MOS 管的LED开关控制电路和8 颗LED。其中AD8591 可以工作在单电源模式下，而且其输出具有轨到轨的特性，输出电流高达150 mA，满足实验中LED 工作电流范围，因此用于缓冲来自DAC 输出的电压信号，同时将该电压经过运放电路转换为确定数值的电流为LED 提供工作电流[11-12]。

电路板上一共有8 种不同颜色的LED，包括紫色、蓝色、绿色、黄绿色、黄色、橙色、红色等7 种单色LED 和一颗白光LED，该白光LED 为蓝光芯片和YAG荧光粉方案的荧光粉转换的暖光LED。这8 种LED封装类型都为5050，该型封装有6 个引脚，相对的两个引脚对应一个PN 结，因此5050 封装的LED 相当于里面有3 颗单个LED 并联。每颗LED 通过MOS管BSS138LT1 进行开关控制，8 个MOS 管Q1-Q8 的栅极分别接到微控制器端口E 的RE0—RE7，当属于端口E 的某根IO 被设置为数字输出状态，而且其输出电平被置为高电平时，该开关被打开，对应LED 被点亮。但是应该保证在进行实验时同一时刻只点亮一颗LED。通过调整微控制器DAC 输出的电压可以调整流过LED 的电流值，运算放大器的输出端和模拟地之间接有10 Ω的电阻，因此通过DAC 输出端电压设置的LED 工作电流值为100VDAC/V mA，实验中LED的工作电流值可以设定为0～110 mA。

LED 控制电路的原理图如图4 所示，AD8591 的引脚2 是该芯片负电源输入引脚，本电路中被连接到模拟地，模数转换器的输出电压被接到同相输入端引脚3 上，利用运算放大器的虚短原理，DAC 输出的电压信号经过运算放大器转变为LED 的工作电流。

图4 LED 控制电路原理图

2.3 数模转换模块

PIC24FJ128GA410 具有一个内置的10 位DAC，通过1 个16 位DAC 控制寄存器来控制DAC 的工作模式，通过改变DAC 数据寄存器中的10 位二进制数即可改变其输出电压。

在使用该微控制器片内集成的DAC 模块时，要对芯片DACOUT 引脚对应的IO 端口寄存器进行合理设置，使其工作在模拟输出的模式。另外为了获得更好的性能，DAC 模块的参考源使用电压参考芯片REF3020 提供的稳定的2.048 V 外部电压。

加州鲈苗种标粗阶段，对溶解氧要求较高，电力设备应该配备到位，增氧设备必不可少，每口鱼塘可以配备2台1.5kW的叶轮式增氧机，鱼种标粗鱼塘一般不建议使用投料机，饲喂操作应该定点投喂，人工撒料操作，撒的面要宽、广，以免个体差异过大，鱼苗成活率低。

DAC 的输出电压可以由式（1）得到：

式中：VDACREF为2.048 V，DACDAT 为输入给DAC数据寄存器DACDAT 的10 位2 进制数。一旦DACOE配置为1，电压将输出到引脚DACOUT。图5 为DAC模块的工作框图。

图5 DAC 模块的工作框图

2.4 串口模块

2.4.1 串口电平转换电路

在数控LED 恒流驱动实验教学系统中，可以根据计算好的参数通过上位机运行串口调试助手软件来向数控LED 恒流驱动电路板发送控制指令，两者之间可以通过串口线直接连接，但是由于上位机上的串口信号为RS-232 电平标准，而恒流驱动电路板上微控制器UART 接口为TTL 电平，因此需要电平转换芯片来实现电平之间的转换[13]。本系统中的电平转换电路使用MAX3232ESE 来实现，其电路连接如图6 所示。其中上位机发送的数据由R1IN 接收，在将其转换成TTL 电平信号后，再通过R1OT 传递给微控制器；与此同时T1IN 会接收来自微控制器的TTL 电平数据，这些数据经MAX3232ESE 转换后从T1OT 发送给上位机。

图6 串口电平转换电路图

2.4.2 串口控制命令

为使用上位机将控制指令发给微控制器来实现LED 的工作控制，一共设计了3 条控制指令：串口测试指令、输出电压设置指令和选灯指令。这三条指令具有相同的指令长度，都由6 个字节组成，采用16进制来表示。串口通信采用9 600 波特率、N-8-1 格式。

串口测试指令是用于测试串口的不带参数的固定指令，指令格式如表1 所示，当上位机发送串口测试指令时，数控 LED 恒流驱动电路将向上位机返回0xAA+0x01 两字节，表明串口通信正常。

表1 串口测试指令

输出电压设置指令用于设置数模转换器的输出电压，该指令的具体形式如表2 所示，利用式（1）将需要输出的电压数值转换为输入给DAC 数据寄存器的10 位2 进制数，然后将设置输出电压指令第3 字节（参数1）写入该2 进制数高2 位，第4 字节（参数2）写入该2 进制数低8 位。

表2 输出电压设置指令

选灯指令用于控制某个LED 的点亮及熄灭，指令格式如表3 所示，根据想要点亮的LED 将该灯对应的8 位二进制状态码写入第4 字节（参数2）即可，该字节同时最多只能有1 位为1。

表3 选灯指令

3 实验教学内容

数控LED 恒流驱动电路实验教学系统可以满足本科生光电综合实验课程的需要，帮助学生加深对发光器件LED 工作原理与特性的理解，为后续相关专业实验的顺利进行打好基础，并掌握利用微控制器产生数控恒流源的方法。在实验教学中可以开设以下内容。

（1）利用恒流驱动的方法测量LED 的伏安特性曲线。数控LED 恒流驱动电路实验教学系统中可以任意选择某一颜色LED，通过串口发送设置输出电压的指令将该LED 的工作电流从0 mA 开始以5 mA 为步进值，一直设置到110 mA，学生可以测试不同工作电流下LED 两端的电压值，并记入设计的表格中，再根据表格中的数据绘制该颜色LED 的伏安特性曲线。本文选择了紫色和红色两种单色LED 进行了测试，得到伏安特性曲线分别如图7 和8 所示，可以看出两种单色LED 的伏安特性曲线都与理论是相符的，还可以看出紫色LED 的开启电压大约为3 V，而红色LED 的开启电压大约为1.8 V。

图7 紫色LED 的伏安特性曲线

图8 红色LED 的伏安特性曲线

（2）观察并测量不同颜色LED 的发光光谱。在数控LED 恒流驱动电路实验教学系统中利用串口发送选灯指令可以控制LED 的点亮与熄灭，学生可以每次点亮一颗LED，然后利用USB650 光谱仪观察并测量其发光光谱。本文选择了紫色LED 进行了测试，测得光谱分布曲线如图9 所示。

图9 紫色LED 的光谱分布曲线

从图9 中可以看出紫色LED 发光光谱的中心波长为415 nm，表征光谱纯度的参数光谱半宽度为20 nm。依次点亮7 颗单色LED，测得它们的光谱特性如表4所示。

表4 单色LED 光谱特性测量

在该实验系统中，也可以对白光LED 的光谱进行测量，测量结果如图10 所示，可以看出其光谱分布曲线与单色LED 的完全不同，在非常宽的波长范围内都有能量存在，而且在蓝光部分能量较少，在红光附近能量要多出很多，因此该LED 发出的白光为暖色调的白光。

图10 白光LED 的光谱分布曲线

（3）编写C 语言程序实现LED1 从暗到亮，LED2从暗到亮，……，LED8 从暗到亮的连续循环过程。这让学生既锻炼了编程能力，也更深刻地理解了利用微控制器实现对LED 工作电流的精确控制方法。

4 结语

本文研制了数控LED 恒流驱动电路实验教学系统，可用于光电综合实验课程的教学，利用该系统可以实现对不同颜色LED 的开关控制，同时可以通过对LED 实时工作电流的调控来调整LED 的光强。不同颜色LED 的开关状态及工作电流的改变都可由上位机通过RS-232 串口给微控制器发送指令来实现。利用该系统可以测量不同颜色LED 的伏安特性曲线和光谱分布曲线，还可通过C 语言编程使学生掌握利用微控制器产生数控恒流源的方法，并灵活地调整LED光源的发光强度与状态，同时加深了对发光器件LED工作原理与特性的理解，为后续专业相关实验的顺利进行打好基础。