2018年03月21日 | 基于STM32微处理器的LED光电特性测试装置设计

    本文介绍了以基于Cortex-M3内核的32位STM32微处理器为控制核心，外接可控恒流源电路和颜色传感器等部件，组成了简易的LED光电特性测试装置，结构简洁，成本低廉，在LED特性的研究上有较高的实用价值。

    1.引言

    LED(Light-EMItting-Diode)，即发光二极管，以其高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点正在逐步取代传统的白炽灯、荧光灯，成为新一代照明光源。各国政府均大力扶持白光LED的发展，美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行。随着LED应用范围的扩大，用户对产品质量也有了更高的要求，不仅要求其发光亮度和波长等光特性具有一致性，对其正向工作电压和电流等电特性也有严格的要求。因此，研究LED光电参数的测试仪器，对提高产品质量、降低生产成本具有着重要的意义。

    专用的LED光电特性测试设备结构复杂，特别是光学特性测试要用到光谱仪、光度计等，虽然仪器有着精度高的特点，但仍然具有结构复杂、成本高、体积较大，携带和使用很不方便，系统稳定性受到限制等缺点，因此这种仪器只能停留在大型分析测试实验，应用范围难以扩展。

    研制一种小体积、低价格，精度虽不很高，但能满足一般性要求的LED光电测量仪器成为目前仪器发展的一个趋势。

    虽然LED的光电特性参数很多，但对大多数用户来说，主要是关心LED伏安特性及LED发光亮度与电流的关系，因此本文所设计的系统主要是完成这两项参数的测试，另外通过简单的软硬件扩展，还可测试得到LED的相关色温、主波长、光强分布等参数，用于LED的特性研究及驱动电路的设计等应用开发。

    2.系统原理与组成

    整个系统主要由STM32微处理器，光学测量模块，恒流驱动模块，LCD液晶显示模块，按键控制模块等组成，如图1所示。

    由按键或LCD上的触摸屏控制STM32微处理器，内部的D/A转换器产生控制电压，该电压控制外部的恒流驱动电路产生LED工作所需的恒定电流加到待测LED上，LED上产生的电压降经信号放大调整电路后被STM32内部的A/D转换器采集，从而测得LED的伏安特性。另外，通过光学测量模块测量LED发出的光线转换成数字信号，由STM32采集处理，从而测得LED的发光亮度等光学特性。

    2.1 STM32微处理器

    微处理器是整个控制系统的核心，它控制恒流驱动电路输出设定的电流，采集LED的电压，测量光学测量模块的数据，进行数据处理，控制算法运算，显示控制等。为了保证系统的实用性和易扩展性，本控制系统采用意法半导体推出的“增强型”系列STM32F103RCT6,32位ARM Cortex-M3内核，工作频率最高可达72MHz,内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设，16路12位的ADC和2路12位的DAC,3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN,在存储容量和运算速度方面满足要求。在本设计中，采用STM32自身的ADC和DAC模块，极大的降低了系统成本。

    2.2 恒流驱动电路

    恒流驱动电路的核心是V / I转换电路，如图2所示，Vin是STM32内部D/A输出的电压，RL是负载，即待测的LED,Rs为电流取样电阻，用于控制输出电流的大小，U1是大功率运算放大器。

    由图2可知，若电阻R1和R2比Rs和RL大得多，则在理想情况下可得到     

    由公式2 可见， 输出电流与负载无关，在固定取样电阻Rs的情况下，输出电流与输入控制电压成正比。但在应用中要注意，两个输入电阻R3和R4及两个反馈电阻R1和R2必须严格匹配，否则会带来较大误差。Rs也要采用精密功率电阻。另外也可以在系统调试时在软件中做补偿校准以确保输出电流精度。

    图2中的运算放大器OPA548是一种高电压、大电流型功率运算放大器，具有优良小信号放大性能，用其驱动多种负载非常理想。电源电压(+VS~-VS)60V,可单电源或双电源工作。输入阻抗高，偏置电流小。可连续输出3A大电流(峰值电流高达5A)，而且内部具有过温和电流过载保护，用户可以根据需要进行精密的限流设计2.3 光学测量模块

    本设计中采用新型的颜色传感器TCS3200进行LED光学特性的测量，能够同时测量LED发光中所含的三基色亮度。TCS3200是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器。它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝(RGB)三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。

    TCS3200的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单。图3是TCS3200的引脚和功能框图。

    当入射光投射到TCS3200上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器;经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波(占空比是50%)，不同的颜色和光强对应不同频率的方波;还可以通过输出定标控制引脚S0、S1,选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。

    因为STM32工作频率较高，因此将S0和S1直接接高电位，使输出比例因子为100%.S2和S3利用STM32的引脚进行控制，颜色传感器的输出信号用STM32编程实现测频。

    3.测量数据运算及处理

    STM32的软件系统设计中主要包括液晶显示，按键处理，DAC控制，ADC控制，颜色传感器控制及计数测量，这些模块都比较简单，在此不再赘述，下面主要介绍一下LED光学特性测量的数据运算及处理程序。

    物体颜色的定量度量是一个涉及观察者的视觉生理、视觉心理、照明条件以及观测条件等诸多因素的复杂问题。CIE(国际照明委员会)从1931年开始发布了一系列色度学系统，规定了一整套颜色测量的原理、数据和计算方法，形成了奠定现代色度学基础的CIE标准色度学系统。

    根据CIE的推荐，光源的色度可采用三刺激值X,Y,Z和色品坐标表色系统表征。

    可以用下述公式将RGB值转为XYZ值：

        色品坐标同三刺激值的关系是：     

    通过颜色传感器TCS3200测量构成光源色度的三基色的比例，得到R,G,B值，经过计算就可以得到光源色度的三刺激值X,Y,Z和色品坐标x,y,z.有了色品坐标，就可以根据CIE1931标准色度系统得到光源的亮度，主波长，色纯度，相关色温等参数值。式3中的Y值相应于人眼中对亮度的响应，可用于计算LED发光亮度。

    从色品坐标要得到相关色温(CCT,Correlated Color Temperature)有很多种方法，其中近似公式法运算简单，便于实现，精度也可满足一般要求，当3000K

    4.实验结果

    应用上述电路，设计了简易的LED光电特性测试装置，并用一些红、绿、黄、蓝、白等各色LED进行了测试，结果如图4.图4(a)为不同颜色LED的伏安特性曲线，图4(b)为不同颜色LED的发光亮度与电流的关系。从图中可以看出，LED电流随电压变化很快，而发光亮度与电流基本上是线性关系。这可以作为设计LED驱动电路的参考依据。另外，用Keithley2612高精度源表对伏安特性进行了校准，用照度计对亮度测试进行了校准。实验结果表明，通过硬件调整和软件补偿，结果误差可以控制在5%以内，达到实用目标。     

    5.结束语

    本文利用STM32微处理器为核心，颜色传感器为主要部件，设计了简易的LED光电特性装置，用于测试L E D的伏安特性，发光强度，相关色温，主波长等LED特性。整个系统简洁，智能，成本低廉，在某些LED的研究和应用领域可以代替昂贵的光谱分析仪等专用设备。实验结果表明，测试精度达到实用要求，本文方案可行。