簡(jiǎn)易LED光電特性測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

摘要：以基于Cortex-M3內(nèi)核的32位STM32微處理器為控制核心，外接可控恒流源電路和顏色傳感器等部件，組成了簡(jiǎn)易的LED光電特性測(cè)試裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低廉，在LED特性的研究上有較高的實(shí)用價(jià)值。

1.引言

LED(Light-Emitting-Diode)，即發(fā)光二極管，以其高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，成為新一代照明光源。各國(guó)政府均大力扶持白光LED的發(fā)展，美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家皆由政府成立專項(xiàng)積極推行。隨著LED應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量也有了更高的要求，不僅要求其發(fā)光亮度和波長(zhǎng)等光特性具有一致性，對(duì)其正向工作電壓和電流等電特性也有嚴(yán)格的要求。因此，研究LED光電參數(shù)的測(cè)試儀器，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有著重要的意義。

專用的LED光電特性測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是光學(xué)特性測(cè)試要用到光譜儀、光度計(jì)等，雖然儀器有著精度高的特點(diǎn)，但仍然具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積較大，攜帶和使用很不方便，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到限制等缺點(diǎn)，因此這種儀器只能停留在大型分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用范圍難以擴(kuò)展。

研制一種小體積、低價(jià)格，精度雖不很高，但能滿足一般性要求的LED光電測(cè)量?jī)x器成為目前儀器發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

雖然LED的光電特性參數(shù)很多，但對(duì)大多數(shù)用戶來說，主要是關(guān)心LED伏安特性及LED發(fā)光亮度與電流的關(guān)系，因此本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是完成這兩項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試，另外通過簡(jiǎn)單的軟硬件擴(kuò)展，還可測(cè)試得到LED的相關(guān)色溫、主波長(zhǎng)、光強(qiáng)分布等參數(shù)，用于LED的特性研究及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)等應(yīng)用開發(fā)。

2.系統(tǒng)原理與組成

整個(gè)系統(tǒng)主要由STM32微處理器，光學(xué)測(cè)量模塊，恒流驅(qū)動(dòng)模塊，LCD液晶顯示模塊，按鍵控制模塊等組成，如圖1所示。

由按鍵或LCD上的觸摸屏控制STM32微處理器，內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生控制電壓，該電壓控制外部的恒流驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生LED工作所需的恒定電流加到待測(cè)LED上，LED上產(chǎn)生的電壓降經(jīng)信號(hào)放大調(diào)整電路后被STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集，從而測(cè)得LED的伏安特性。另外，通過光學(xué)測(cè)量模塊測(cè)量LED發(fā)出的光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由STM32采集處理，從而測(cè)得LED的發(fā)光亮度等光學(xué)特性。

2.1 STM32微處理器

微處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它控制恒流驅(qū)動(dòng)電路輸出設(shè)定的電流，采集LED的電壓，測(cè)量光學(xué)測(cè)量模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制算法運(yùn)算，顯示控制等。為了保證系統(tǒng)的實(shí)用性和易擴(kuò)展性，本控制系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體推出的“增強(qiáng)型”系列STM32F103RCT6,32位ARM Cortex-M3內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)72MHz,內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，16路12位的ADC和2路12位的DAC,3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN,在存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度方面滿足要求。在本設(shè)計(jì)中，采用STM32自身的ADC和DAC模塊，極大的降低了系統(tǒng)成本。

2.2 恒流驅(qū)動(dòng)電路

恒流驅(qū)動(dòng)電路的核心是V / I轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示，Vin是STM32內(nèi)部D/A輸出的電壓，RL是負(fù)載，即待測(cè)的LED,Rs為電流取樣電阻，用于控制輸出電流的大小，U1是大功率運(yùn)算放大器。

由圖2可知，若電阻R1和R2比Rs和RL大得多，則在理想情況下可得到

由公式2 可見， 輸出電流與負(fù)載無關(guān)，在固定取樣電阻Rs的情況下，輸出電流與輸入控制電壓成正比。但在應(yīng)用中要注意，兩個(gè)輸入電阻R3和R4及兩個(gè)反饋電阻R1和R2必須嚴(yán)格匹配，否則會(huì)帶來較大誤差。Rs也要采用精密功率電阻。另外也可以在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)在軟件中做補(bǔ)償校準(zhǔn)以確保輸出電流精度。

圖2中的運(yùn)算放大器OPA548是一種高電壓、大電流型功率運(yùn)算放大器，具有優(yōu)良小信號(hào)放大性能，用其驅(qū)動(dòng)多種負(fù)載非常理想。電源電壓(+VS~-VS)60V,可單電源或雙電源工作。輸入阻抗高，偏置電流小?？蛇B續(xù)輸出3A大電流(峰值電流高達(dá)5A)，而且內(nèi)部具有過溫和電流過載保護(hù)，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行精密的限流設(shè)計(jì)2.3 光學(xué)測(cè)量模塊

本設(shè)計(jì)中采用新型的顏色傳感器TCS3200進(jìn)行LED光學(xué)特性的測(cè)量，能夠同時(shí)測(cè)量LED發(fā)光中所含的三基色亮度。TCS3200是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)(RGB)三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器。

TCS3200的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單。圖3是TCS3200的引腳和功能框圖。