CN111385938B - 一种智能服务机器人的电流可控式rgb灯珠控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其包括有微控制器、驱动电路、LED控制芯片以及多个RGB灯珠，其中：微控制器用于向驱动电路和LED控制芯片分别发送第一控制指令和第二控制指令；驱动电路用于根据第一控制指令将RGB灯珠的三个驱动端连接至高电位或者低电位；LED控制芯片用于根据第二控制指令控制RGB灯珠的公共端的电平状态；藉由驱动电路和LED控制芯片的配合控制作用，将RGB灯珠中指定颜色的LED管点亮，藉由三个功率电阻的限流作用，令RGB灯珠低功耗工作。本发明可降低RGB控制电路中的器件数量、可降低电路布线难度、易于限制驱动电流、可降低RGB灯珠功耗、可提高智能服务机器人续航能力。

Description

一种智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路
技术领域
本发明涉及智能服务机器人，尤其涉及一种智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路。
背景技术
近年来，随着核心技术的不断突破以及核心零部件成本的下降，智能服务机器人越来越多的出现在人们的生活中。按照应用场景划分，智能服务机器人可以分为面向家庭的消费类服务机器人以及面向公共商用环境的商用服务机器人两大类。在面向家庭的儿童教育类机器人或者娱乐机器人产品中，通常会应用LED灯珠来显示机器人的状态，增强机器人的人机交互的互动性。
然而，目前市场上的很多家用服务机器人的灯带控制都是恒定电流输出，较高的灯珠驱动电流不但增加了系统的功耗，降低了机器人的电池续航时间，还会因为灯珠亮度过高对儿童的视力造成一定的影响。由此可见，现有技术中缺少一种能够有效降低驱动电路的功耗、便于调节RGB灯带的亮度、有助于保护儿童视力的RGB灯带驱动电路。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种可降低RGB控制电路中的器件数量、可降低电路布线难度、易于限制驱动电流、可降低RGB灯珠功耗、可提高智能服务机器人续航能力的电流可控式RGB灯珠控制电路。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其包括有微控制器、驱动电路、LED控制芯片以及多个RGB灯珠，所述驱动电路的输入端连接于微控制器，所述驱动电路的输出端通过三条线路连接于所述RGB灯珠的三个驱动端，所述RGB灯珠的公共端连接于所述LED控制芯片的控制端，所述LED控制芯片的通信端连接于所述微控制器，所述驱动电路输出端的三条线路上分别串接有功率电阻，其中：所述微控制器用于向所述驱动电路和LED控制芯片分别发送第一控制指令和第二控制指令；所述驱动电路用于根据所述第一控制指令将所述RGB灯珠的三个驱动端连接至高电位或者低电位；所述LED控制芯片用于根据所述第二控制指令控制所述RGB灯珠的公共端的电平状态；藉由所述驱动电路和所述LED控制芯片的配合控制作用，将所述RGB灯珠中指定颜色的LED管点亮，藉由三个功率电阻的限流作用，令所述RGB灯珠低功耗工作。
优选地，所述驱动电路为PMOS驱动电路。
优选地，所述驱动电路包括有三个PMOS管，所述PMOS管的源极连接于高电位，所述PMOS管的栅极连接于所述微控制器，所述PMOS管的漏极连接于所述功率电阻的第一端。
优选地，所述PMOS管的栅极通过上拉电阻连接于高电位。
优选地，所述RGB灯珠为共阴极RGB灯珠。
优选地，所述RGB灯珠中的三个LED管的阳极分别连接于所述功率电阻的第二端，三个LED管的阴极相互连接后连接于所述LED控制芯片。
优选地，所述微控制器是基于ARM架构的单片机。
优选地，所述微控制器的数据端口DATA连接于所述LED控制芯片的信号输入端口SIN，所述微控制器通过数据端口DATA将所述第二控制指令传输至所述LED控制芯片。
优选地，所述微控制器的时钟端口与所述LED控制芯片的时钟端口相互连接，所述LED控制芯片的锁存信号端口和片选信号端口分别连接于所述微控制器。
优选地，所述LED控制芯片的参考电流端IREF通过参考电阻RIREF接地。
本发明公开的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路中，在所述驱动电路输出端的三条线路上分别设置了功率电阻，通过应用功率电阻能够有效的限制RGB灯珠的驱动电流，实际应用过程中，通过改变功率电阻的阻值可适当调节RGB灯珠驱动电流，再配合智能服务机器人外观设计的半透明透光材料，达到灯带及光圈显示的最佳效果。同时，设置功率电阻后，利用发光二极管伏安特性曲线的非线性特点，有效降低了发光二极管的功耗，大大提升了家用智能服务机器人续航时间，此外，本发明简化了电流限制电路，有效降低了电路中的器件数量，同时降低了电路布线难度，相比现有技术而言，本发明不仅便于调节RGB灯带的亮度，而且有助于保护儿童视力，因此适合在智能服务机器人领域推广应用，并具有较好的应用前景。
附图说明
图1为本发明电流可控式RGB灯珠控制电路框图；
图2为共阴极RGB灯珠的内部电路原理图；
图3为本发明优选实施例中电流可控式RGB灯珠控制电路的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，结合图1至图3所示，包括有微控制器1、驱动电路2、LED控制芯片3以及多个RGB灯珠4，所述驱动电路2的输入端连接于微控制器1，所述驱动电路2的输出端通过三条线路(R、G、B)连接于所述RGB灯珠4的三个驱动端，所述RGB灯珠4的公共端连接于所述LED控制芯片3的控制端，所述LED控制芯片3的通信端连接于所述微控制器1，所述驱动电路2输出端的三条线路(R、G、B)上分别串接有功率电阻5，其中：
所述微控制器1用于向所述驱动电路2和LED控制芯片3分别发送第一控制指令和第二控制指令；
所述驱动电路2用于根据所述第一控制指令将所述RGB灯珠4的三个驱动端连接至高电位或者低电位；
所述LED控制芯片3用于根据所述第二控制指令控制所述RGB灯珠4的公共端的电平状态；
藉由所述驱动电路2和所述LED控制芯片3的配合控制作用，将所述RGB灯珠4中指定颜色的LED管点亮，藉由三个功率电阻5的限流作用，令所述RGB灯珠4低功耗工作。
上述电路中，在所述驱动电路2输出端的三条线路(R、G、B)上分别设置了功率电阻5，通过应用功率电阻5能够有效的限制RGB灯珠4的驱动电流，实际应用过程中，通过改变功率电阻5的阻值可适当调节RGB灯珠4驱动电流，再配合智能服务机器人外观设计的半透明透光材料，达到灯带及光圈显示的最佳效果。同时，设置功率电阻5后，利用发光二极管伏安特性曲线的非线性特点，有效降低了发光二极管的功耗，大大提升了家用智能服务机器人续航时间，此外，本发明简化了电流限制电路，有效降低了电路中的器件数量，同时降低了电路布线难度，相比现有技术而言，本发明不仅便于调节RGB灯带的亮度，而且有助于保护儿童视力，因此适合在智能服务机器人领域推广应用，并具有较好的应用前景。
关于功率电阻5阻值的计算过程，请参照图3，电阻R1、R2、R3用于限制LED的导通电流，降低LED的亮度及功耗。电阻阻值及型号应按照下述计算步骤选择：
步骤1，通过手册查看RGB共阴极LED三个发光二极管的前向导通电压，假设导通电压分别为VR，VG，VB，前向导通电压应小于发光管的供电电压VLED；
步骤2，通过手册确认RGB共阴极LED三个发光二极管的导通电流，通常不同颜色的发光二极管前向电压不同，但导通电流相同，电流范围通常为1～30mA，如果将导通电流限定为IF，16个LED并联的电流之和则是IF*16，即流经限流电阻的电流，则此处R1、R2、R3的阻值分别为：
R1＝(VLED-VR)/IF*16
R2＝(VLED–VG)/IF*16
R3＝(VLED–VB)/IF*16
步骤3，限流电阻的阻值R1、R2、R3可根据步骤2计算得出，电阻封装类型应是表面贴装，封装型号应选择额定电流较大的功率电阻，详细的封装型号需要根据电阻的额定功率来选择。以R1为例，假设VLED为3.3V，前向导通电压VR为2V，二极管导通电流为10mA；
则电阻R1的额定功率＝U*I
＝(VLED-VR)*IF*16
＝(3.3V-2V)*10mA*16
＝0.208W
通常，0603封装的电阻额定功率为1/10W，0805封装电阻功率为1/8W,而R1的封装应选择1210及以上封装。
作为一种优选方式，所述驱动电路2为PMOS驱动电路。进一步地，所述驱动电路2包括有三个PMOS管(Q1、Q2、Q3)，所述PMOS管(Q1、Q2、Q3)的源极连接于高电位，所述PMOS管(Q1、Q2、Q3)的栅极连接于所述微控制器1，所述PMOS管(Q1、Q2、Q3)的漏极连接于所述功率电阻5的第一端。
为了进一步实现稳定控制，本实施例中，所述PMOS管(Q1、Q2、Q3)的栅极通过上拉电阻(R4、R5、R6)连接于高电位。
所述RGB灯珠4根据内部结构分为共阴极和共阳极两种。本实施例中，所述RGB灯珠4为共阴极RGB灯珠，请参照图2，三个发光二极管分别为红色、绿色、蓝色，三个二极管为共阴极结构，阴极引脚标号为1，阳极标号分别为2、3、4。三个LED同时点亮为白色，任意两个LED同时点亮可显示黄、青、紫三种颜色，总共可显示7种颜色。多个RGB灯珠如果按同一直线摆放可以组成一个灯带，如果按照圆弧形摆放则可以组成一个光圈，这些不同的造型可以用于机器人的人型器官显示，机器人工作状态显示等功能。
进一步地，所述RGB灯珠4中的三个LED管的阳极分别连接于所述功率电阻5的第二端，三个LED管的阴极相互连接后连接于所述LED控制芯片3。
为了满足控制要求，本实施例中，所述微控制器1是基于ARM架构的单片机。所述微控制器1通过数字通信接口与LED控制芯片连接，LED控制芯片连接RGB灯珠的负极，可控制发光二极管负极的电平，当电平为低时点亮LED灯珠；RGB灯珠的正极需要三个IO引脚来驱动，分别驱动RGB灯珠的R、G、B三个LED，由于微控制器的IO引脚驱动能力有限，所以需要外接PMOS驱动电路来增强驱动能力；三个功率电阻用于限制LED驱动电路的电流，降低功耗，限制LED灯珠的亮度，功率电阻的阻值可根据供电电压、发光二极管导通前向电压、导通电流等参数计算得到；通过并联的方式可以连接多个相同类型的灯珠，灯珠的数量取决于LED控制芯片引脚能够控制的灯珠数量的最大值。
为实现微控制器1与LED控制芯片3之间的信号传输，本实施例中，所述微控制器1的数据端口DATA连接于所述LED控制芯片3的信号输入端口SIN，所述微控制器1通过数据端口DATA将所述第二控制指令传输至所述LED控制芯片3。进一步地，所述微控制器1的时钟端口与所述LED控制芯片3的时钟端口相互连接，所述LED控制芯片3的锁存信号端口和片选信号端口分别连接于所述微控制器1。
本实施例中，微控制器1为ARM架构通用型号单片机，具有SPI接口以及通用IO接口，通过SPI接口与LED驱动芯片通信，而IO口则用于提供LED驱动信号。其中，网络名称为DATA的是SPI接口的数据信号，用于输出灯带控制数据帧，每一帧数据共16个时钟周期，上升沿采样，每一位控制一路共阴极LED阴极的电平。SCLK信号是SPI接口的时钟信号，用于提供SPI接口通信的时钟，时钟的周期可根据灯带闪烁的频率来设置；LAT为数据锁存控制信号，当锁存电平信号为低电平时，数据将在移位寄存器中被锁存，只有当锁存信号为高电平时，才能由移位寄存器输出到外部引脚；BLANK信号的功能为片选信号，当信号为低电平时，使能LED控制芯片。微控制器通过IO接口提供LED的驱动信号，默认状态IO接口为高电平，通过上拉电阻实现，此时PMOS管不导通，则LED不点亮。而当IO接口输出低电平时，PMOS管导通，LED正极将获得驱动电压，此时LED灯珠通过负极接口电平控制。
实际应用中，LED驱动芯片的OUT0～OUT15引脚用于连接RGB共阴极灯珠的阴极，共16路接口，所以每一个LED驱动芯片可以控制16个灯珠，如果灯珠数量大于16个，则可以通过LED控制芯片级联的方式控制更多数量的LED灯珠。
本实施例中，所述LED控制芯片3的参考电流端IREF通过参考电阻RIREF接地。
实际应用中，如果PCB的空间足够，可以应用三个功率较大的电位器替换图3中的电阻R1、R2、R3，使RGB灯珠的驱动电流可以通过电位器进行调节。
本发明公开的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其相比现有技术而言的有益效果在于，本发明简化了RGB灯珠的驱动电路，将各并联回路中的限流电阻替换为功率电阻，降低了RGB驱动电路中器件的数量，也降低了电路布线的难度。此外，在功率电阻的作用下使得LED的驱动电流易于检测，并可通过修改功率电阻的阻值有效限制驱动电流，进而降低发光二极管功耗，以及提高产品的续航能力。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，包括有微控制器(1)、驱动电路(2)、LED控制芯片(3)以及多个RGB灯珠(4)，所述驱动电路(2)的输入端连接于微控制器(1)，所述驱动电路(2)的输出端通过三条线路((R、G、B))连接于所述RGB灯珠(4)的三个驱动端，所述RGB灯珠(4)的公共端连接于所述LED控制芯片(3)的控制端，所述LED控制芯片(3)的通信端连接于所述微控制器(1)，所述驱动电路(2)输出端的三条线路((R、G、B))上分别串接有功率电阻(5)，其中：
所述微控制器(1)用于向所述驱动电路(2)和LED控制芯片(3)分别发送第一控制指令和第二控制指令；
所述驱动电路(2)用于根据所述第一控制指令将所述RGB灯珠(4)的三个驱动端连接至高电位或者低电位；
所述LED控制芯片(3)用于根据所述第二控制指令控制所述RGB灯珠(4)的公共端的电平状态；
藉由所述驱动电路(2)和所述LED控制芯片(3)的配合控制作用，将所述RGB灯珠(4)中指定颜色的LED管点亮，藉由三个功率电阻(5)的限流作用，令所述RGB灯珠(4)低功耗工作。
2.如权利要求1所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述驱动电路(2)为PMOS驱动电路。
3.如权利要求2所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述驱动电路(2)包括有三个PMOS管((Q1、Q2、Q3))，所述PMOS管((Q1、Q2、Q3))的源极连接于高电位，所述PMOS管((Q1、Q2、Q3))的栅极连接于所述微控制器(1)，所述PMOS管((Q1、Q2、Q3))的漏极连接于所述功率电阻(5)的第一端。
4.如权利要求3所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述PMOS管((Q1、Q2、Q3))的栅极通过上拉电阻((R4、R5、R6))连接于高电位。
5.如权利要求3所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述RGB灯珠(4)为共阴极RGB灯珠。
6.如权利要求5所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述RGB灯珠(4)中的三个LED管的阳极分别连接于所述功率电阻(5)的第二端，三个LED管的阴极相互连接后连接于所述LED控制芯片(3)。
7.如权利要求1所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述微控制器(1)是基于ARM架构的单片机。
8.如权利要求7所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述微控制器(1)的数据端口DATA连接于所述LED控制芯片(3)的信号输入端口SIN，所述微控制器(1)通过数据端口DATA将所述第二控制指令传输至所述LED控制芯片(3)。
9.如权利要求7所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述微控制器(1)的时钟端口与所述LED控制芯片(3)的时钟端口相互连接，所述LED控制芯片(3)的锁存信号端口和片选信号端口分别连接于所述微控制器(1)。
10.如权利要求9所述的智能服务机器人的电流可控式RGB灯珠控制电路，其特征在于，所述LED控制芯片(3)的参考电流端IREF通过参考电阻RIREF接地。
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