DAC恒流调光灯.pdf

5.12 之 DAC 恒流调光灯制作 文文/曹延焕曹延焕 概述概述 5.12 全国人民都知道的国殇日，伤不起。为悼念 512 汶川地震中遇难的人们，今天我在这设计了一款照明灯，为遇难者照亮前方的路途。照明灯处处皆是，可带有主题并实用的却很少见。我设计的这款照明灯实际上是一盏调光台灯，他的设计中包含有 512 的元素。在专业技术角度来说，他不同于普通的 PWM 型调光台灯，不同于普通的调功率方式的调光台灯。他是以独特的模拟电压值调节驱动线路，为后级灯泡提供稳定的电流，这一电流是一个恒定线性的，叫恒流源。我们都知道 PWM 形式的调光是靠不同占空比例的方波，而方波是数字开关量的信号，这个信号产生在 LED灯源上是处于一种频率性的开和关。存在一定的频闪现象，这种现象的频率高的话人眼当然是分辨不出 LED 有闪烁，但对于比较敏感的摄像机，尤其是工作于夜视系统中的摄相机，它们需要红外光线才能在黑暗的环境中摄相，倘若采用这种 PWM 形式的数字开关量来调节红外 LED 的发光强度，势毕要对采集到的图像中的光线会有频闪抖动感，我们观看这种图像太久，眼睛很容易疲劳。但采用 DAC 形式的模拟量来调节红外 LED 的发光强度，效果截然不同。这种模拟量是线性的，柔和程度很高，对驱动 LED 完全没有频闪的现象。而对于调功形式的大多是使用可控硅，应用在交流电路中，这个与我的应用制作完全是两个端点。设计历程和原理设计历程和原理 制作这盏调光灯需要一块 512 之 DAC 恒流调光灯的主板和结构件。主板在设计中包含了创意的外表设计和功能扩散性的程序设计。在硬件原理上最容易想到用变化的模拟电压调节光强的是数字电位器。但这种芯片比较昂贵，虽然很方便但价格难住了我。我便寻思能否在我有限的知识里找到一个即便宜又实用可以产生一个可调节的模拟电压。终于在我的数字电路学习的知识中找到了 DAC 转换的线路，这种线路它还有一个更给力的名字就是R-2R 阶梯电路，是因为前级电阻比后级电阻总要大一倍而得名。兴奋不已的我便打开了仿真软件PROTEUS 组建一个 12 位型的电路，测试效果很满意。在单片机选型上还是选择了一款低端的片子 EM78P153，共 12 个 IO 口。这样算算我需要三个按键，一个加，一个减，一个设置；为了更为通用还要设计 4 种最大模拟电压的限制需要两个 IO 口，最后只余下 7 个 IO 口，这样一来只能做到一个 8 位型的 R-2R 阶梯电压，并将最低位固定为 0 的数字开关量，实际是一个 7 位型的，最低位是一个虚值。8位型R-2R阶梯电路，他需要大量的电阻进行级联，这些电阻在PCB板中排版很不美观，但我设计的是5.12，没这几个标志性的东西又怎么能体现出来了。8 位型-2R 阶梯电路，实际需要 17 颗电阻进行级联，从计算器LCD 显示屏上显示的字符得到启发，完全可以用这些电阻进行组合完成 5.12 这几个数字。仔细规划了下，5.12这几个数字需要 26 个电阻，利用 R-2R 电路的特性，我全部采用 0805 封装的电阻，电阻上丝印着 512，整体 26个。而 R 采用一个 5.1K 的电阻，2R 采用两个 5.1K 的电阻进行串联，做到了前级电阻比后级电阻总要大一倍的关系，同时得到了意外的收获。余下的就是 5.12 中的点字符，我需要点亮 LED 时就为遇难的人们祈祷，所以要在调光灯打开时，我还需要一个红色的指示 LED，这个 LED 正好可以做为这个点的字符，但是我的单片机 IO 口不够用了怎么办。不用担心，我的技术还是过得硬的，呵 可以将这个红色指示 LED 与设置按键共用一个 IO 口，即 IO 口复用，利用软件分时扫描即可。具体线路如下图：为达到用心在表达用心在设计，特此将 5.12 用爱心包裹起来，这正是当时全国很多朋友为悼念遇难的人们祷福的画面。祷福的画面：PCB 板排版效果图：两个 1W 的 LED 需要怎么固定了，他的发光热量需要怎么解决呢？大胆的尝试，采用普通的 PCB 板，设计一个 1W 的 LED 封装，将 LED 焊接在这个小圆板上，小圆板设计需要有散热的功效，同时还可以固定到大的散热片上。效果如下图所示，左图为直接使用小圆板散热，右图为外加散热铝片。在程序上除了设计调光这一主要功能，还设计了一个呼吸灯效模式。为了增强调光灯的应用，特意设计了JP1 和 JP2 两锡桥短路跳线，上面电路图可以找到。这两个锡桥短路跳线有如下表格。JP1 JP2 可输出最大开关量（DAC_MAX）输入电压 3.3V 时可输出的最大模拟电压（Vout）输入电压 5V 时可输出的最大模拟电压（Vout）0 0 64 0.8235V 1.25V 0 1 128 1.65V 2.5V 1 0 194 2.5V 3.789V 1 1 255 3.3V 5V 表格可 JP1 和 JP2 对应的 0 表示锡桥短接，1 表示锡桥不短接。R-2R 阶梯的输出电压公式：Vout=DAC*(VREF/(DAC_MAX+1)其中 Vout 是由开关数字信号通 R-2R 电路输出的模拟量电压值，VREF 即输入电压值，DAC 的值由加减功能按键调节，DAC_MAX 即最大开关量由 JP1 和 JP2 限制。主板默认为输入电压 5V，JP1 短接，则 DAC_MAX 值为128，输出最大模拟电压为 2.5V。加减功能键支持短按和长按，调光级度为 DAC_MAX/2。设置键在第一次短按时，调光灯开机点亮，点亮的亮度为最亮的一半，第二次短按时，关机，两个 1W 的 LED 熄灭。第一次长按时，两个 1W 的 LED 进行呼吸灯效，第二次长按时则停止呼吸灯效，呼吸灯效时可以将两个 1W 的 LED 更换为其他的颜色，这样效果更佳。做为照明使用时采用白光 1W 的 LED 即可。开始制作开始制作 元件清单列表如下：序号序号 元件名称元件名称 参数参数 位号位号 封装封装 用量用量 1 贴片电阻 2.2R R32,R33,R34,R47,R48,R49 0603 2 贴片电阻 100R R36,R45 0603 3 贴片电阻 470R R43 0603 4 贴片电阻 1K R9,R35,R46,R54 0603 5 贴片电阻 5K1 R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R11,R12,R13,R14,R15,R16,R17,R18,R19,R20,R21,R22,R23,R24,R25,R26,0805 R27,R28 6 贴片电阻 10K R10,R30,R31,R38,R39,R40,R41,R42,R50,R52,R53 0603 7 贴片电阻 1M R29,R51 0603 8 贴片电容 104 C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C9 0603 9 贴片电容 100uF C8 CAP/EC 10 贴片发光管 Red LED 0805 11 FPC 座 SIP-2P P1,P2 XH1.25-2 12 贴片 IC BSH105 Q1,Q2 SOT-23 13 贴片 IC LM324 U1 SO-14S 14 贴片 IC EM78P153 U2 SO-14S 15 贴片按键 6*6*5 K1，K2，K3 AN46X6 16 贴片座 Mini-USB USB USB-MINI 17 电源插座 DC005 P3 DC005 以上元件仅与主板有关，另外还需要两条 PFC 座连接线头和两片 LED 散热板、两个 1 瓦的强光 LED 灯。那么需要设计结果的话需要的工具更多，笔者为大家提供了一个有意思的 DIY 结构，具体工具和制作如下述说。当你的主板元件全部焊接好后，你需要的是调光台灯的结构设计。最简单的又比较快速而实用的结构可能就是我为大家提供的效果了吧。呵 你需要一小块压制木板，锯子、起子、锤子、钳子等工具。还需要一段铁丝（如果找不到最快的办法就是拆一个凉衣架，笔者就是这么干的。呵），5 的热缩管、砸带。为了达到外观漂亮，你还可以准备几张礼品盒的包装胶纸，笔者自己设计时用的是 A4 的不干胶纸，自己打印了一些文字，将木板包裹起来做为包装吧。1、量好铁丝长度，用老虎钳掐断，并预成形为图中所示结果，并在小木板上定位穿孔，方便铁丝的安装。穿孔可以用起子开出来，因为压制型的木板很松。2、将预成形的铁丝用热缩管包裹好，此两段铁丝需要将主板固定，以防线路板中元件短路需要用热缩管或电工胶包裹起来。同时按图中所示，将铁丝安装到孔位中。初步调试主板能否很好的固定在这两段铁丝上。3、将两个 1W 的 LED 小圆板焊接捆绑到灯柱上（另外需要两条直立的铁丝，并将灯泡头部的铁丝端向照明方向折弯约 30 度左右）。同时再在木板上需要开两个孔位，固定两个灯柱，如图示。4、接下来只要用砸带锁紧主板和灯柱的引线即可。5、剩下的就是包装调光灯，用包装纸包装即可。6、连接 USB 电源线，上电测试效果。大功告成，效果还算过得去哦。如果有兴趣还可以将两个 1 瓦的 LED 灯改装为多颗小功率 LED 进行串并的形式，那么发光面可以增大。呵 提供制作过程和效果的视频演示地址（手机扫码可快速观看）：http:/