大功率LED智能控制電路(畢設(shè)論文)

1、摘 要摘 要本文介紹了一種大功率led智能控制電路。作為現(xiàn)代led照明系統(tǒng)不可或缺的一部分，本智能控制電路成功地實(shí)現(xiàn)了針對(duì)對(duì)恒壓輸出反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的恒壓-恒流的dc-dc轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，并借助單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信功能，借助軟件編程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)led照明的智能控制。該led控制電路調(diào)試成功，有效解決了對(duì)大功率led調(diào)光能量分配不均以及恒流輸出和效率矛盾的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：led照明，智能控制，串口通信，dc-dc59abstracta power led intelligent control circuit is presented in this paper . as an indispensab

2、le part of contemporary led lighting system , this intelligent control circuit successfully achieved the conversion from constant-voltage input to constant-current output applying in flyback topologic structure with constant-voltage output and , with the help of serial communication between mcu and

3、pc , it realized the intelligent led lighting control with software programming. the successful debugging results of the led intelligent-controlled circuit successfully solve the problem that energy dissipation is not properly propagated in light dimming and the conflict between constant-current out

4、put and high efficiency of power consume .key words: led lighting, intelligent control, serial communication, dc-dc目 錄目 錄第1章 引言11.1本課題研究目的和意義11.2國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)21.3本文的主要工作2第2章 調(diào)光控制原理和元件選擇32.1 led路燈電源調(diào)光控制原理32.1.1 led發(fā)光原理32.1.2白光led的基本參數(shù)及特性52.1.3白光led的可調(diào)光特性72.2常用led調(diào)光技術(shù)72.2.1 pwm調(diào)光72.2.2模擬調(diào)光92.2.3數(shù)字調(diào)光10第3章 pw

5、m調(diào)光電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)133.1課題方案選擇133.2功耗分析與元器件選擇143.3電源電路實(shí)現(xiàn)153.4程序下載電路163.5 mcu主電路183.6串口通信控制電路213.6.1串口通信基本原理213.6.2單片機(jī)串口通信原理233.6.3串口電路設(shè)計(jì)233.7 調(diào)光控制輸出電路243.7.1芯片特點(diǎn)243.7.2芯片原理253.7.3設(shè)計(jì)考慮303.7.4第二級(jí)lm3404hv參數(shù)及外圍電路設(shè)計(jì)32第4章 程序設(shè)計(jì)354.1開(kāi)發(fā)環(huán)境354.2程序燒錄軟件364.3串口操作軟件374.4主程序394.5調(diào)光控制程序39第5章 電路制作調(diào)試及測(cè)試425.1 pcb的設(shè)計(jì)制作425.1.1電源

6、、地線的處理425.1.2數(shù)字部分與模擬部分的共地處理425.1.3信號(hào)線布在電源（地）層上425.1.4大面積導(dǎo)體中連接腿的處理435.1.5設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（drc）435.2 電路的調(diào)試445.3 電路的測(cè)試445.3.1基本功能測(cè)試445.3.2串口通信測(cè)試455.3.3效率測(cè)試45第6章 結(jié)束語(yǔ)47參考文獻(xiàn)48致 謝49附錄50外文資料原文52外文資料譯文55第1章 引言第1章 引言1.1本課題研究目的和意義led照明具有節(jié)能、壽命長(zhǎng)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。應(yīng)用半導(dǎo)體pn結(jié)發(fā)光原理制成led問(wèn)世于20世紀(jì)60年代初， 90年代以來(lái)，隨著以氮化鎵為代表的第三代

7、半導(dǎo)體的興起，白色發(fā)光二極管的研制成功，使實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體led照明成為可能。大功率白光led照明已經(jīng)成為人類(lèi)照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一次飛躍，國(guó)際上led照明產(chǎn)業(yè)近年來(lái)保持40%的增長(zhǎng)速度，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義巨大。對(duì)于半導(dǎo)體照明，大家都十分關(guān)注led光效和光衰、壽命等特性。例如，前期大家有個(gè)不成文的共識(shí)，即led單管的光效小于80lm/w的就不用來(lái)做路燈，對(duì)于符合光效要求而推上市場(chǎng)的led路燈產(chǎn)品，的確也曾因?yàn)楣馑サ膯?wèn)題沒(méi)用多長(zhǎng)時(shí)間便從燈桿上撤換了下來(lái)，至今大家仍然特別關(guān)注這兩個(gè)問(wèn)題。事實(shí)上，半導(dǎo)體照明發(fā)展到今天，光效已經(jīng)由2001年標(biāo)準(zhǔn)型白光led(20ma)發(fā)光效率25lm/w，發(fā)展到了

8、2009年初nichia發(fā)表的白光led在20ma電流下，其發(fā)光效率可達(dá)249lm/w，為目前業(yè)界之最。高功率白光led(350ma)發(fā)光效率也由2004年約30lm/w，發(fā)展到2008年年底cree發(fā)表的161lm/w產(chǎn)品，目前為業(yè)界之最。現(xiàn)在無(wú)論led光效還是光衰，都有了根本性的改善。目前發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的問(wèn)題是：led燈具用電源|穩(wěn)壓器和控制電路、ld(半導(dǎo)體激光器)照明和半導(dǎo)體照明配套政策必須引起我們的高度重視。 電源可靠性和控制電路是led照明推廣的根本保證。 假設(shè)高壓鈉燈和led路燈的光效都是100lm/w，由于led路燈的指向性強(qiáng)，在同樣的路面照度下，可以節(jié)約電力50%(和白熾

9、燈相比可以節(jié)電80%)左右，這一特性已經(jīng)被大家所知曉。但是led路燈的另一些優(yōu)于高壓鈉燈的特性，還沒(méi)有引起大家的注意和利用，其中很顯著的一個(gè)方面就是通過(guò)控制電路對(duì)亮度的可控特性和led燈的瞬間啟動(dòng)特性等還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。我們利用這些特性，通過(guò)控制電路可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)的亮度控制和必要時(shí)的開(kāi)啟，這樣可以實(shí)現(xiàn)再節(jié)電50%的指標(biāo)，使led路燈的節(jié)能效果進(jìn)一步提升。在夜間，根據(jù)行人的多少和自然環(huán)境的具體條件，我們可以分時(shí)間段控制led路燈的不同亮度，或者直接關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)led路燈的進(jìn)一步節(jié)能。因此，針對(duì)上訴問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出一種可通過(guò)在線重置調(diào)光參數(shù)的led電源控制電路，并設(shè)計(jì)出一種備選方案。1.2 國(guó)內(nèi)外

10、研究動(dòng)態(tài)led智能照明系統(tǒng)充分利用電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將建筑物內(nèi)的各種led照明器具有機(jī)的連接在一起，實(shí)現(xiàn)有效的管理和控制。業(yè)界主流led控制系統(tǒng)包括串行控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。串行控制的優(yōu)點(diǎn)是成本低，控制簡(jiǎn)單，不需要設(shè)置地址，但它信號(hào)線過(guò)多，對(duì)于一些穩(wěn)定性、可靠性要求不是很高的項(xiàng)目可以采用此種控制方式。而出于對(duì)控制精度和智能化的進(jìn)一步要求，國(guó)內(nèi)外許多公司都致力于開(kāi)發(fā)利用更為有效的控制方式。例如usitt（美國(guó)劇院技術(shù)協(xié)會(huì)）把colortran 公司的cmx192中的band rate 從153.6kbit/s提升至250kbit/s及192ch變?yōu)?12ch。它的廣泛使用是

11、由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容易理解等，各大廠商先后把dmx512接口加到產(chǎn)品上。國(guó)內(nèi)在這方面起步較晚，但現(xiàn)在許多公司、研發(fā)機(jī)構(gòu)和學(xué)校都在積極開(kāi)展這方面的研究。1.3 本文的主要工作當(dāng)前市場(chǎng)上led照明在電能使用效率上競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，市場(chǎng)上有些公司作出的無(wú)調(diào)光控制功能的led效率竟高達(dá)90%，而諧振式恒流輸出開(kāi)關(guān)電源在實(shí)驗(yàn)室條件下效率僅為87%，低于恒壓輸出的93%，而led照明亮度的一致性又要求必須恒流輸出。在這種兩難的境地下，兩級(jí)式開(kāi)關(guān)電源方案被提了出來(lái)。而本文也就主要通過(guò)分析led大功率照明調(diào)光方式和方法，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足調(diào)光，dc-dc轉(zhuǎn)換，人機(jī)交流功能的后級(jí)控制電路。第2章 調(diào)光控制原理和元件選

12、擇第2章 調(diào)光控制原理和元件選擇所謂led照明，是指用半導(dǎo)體發(fā)光二極管作為光源的固態(tài)照明。在應(yīng)用于路燈照明、生活照明等情況下，就需要采用大功率的白光led，因?yàn)樗鼈兊牧炼雀摺６^大功率led調(diào)光，既是通過(guò)控制電路對(duì)電源輸出電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)從而達(dá)到調(diào)節(jié)大功率led發(fā)光亮度的目的的過(guò)程。2.1 led路燈電源調(diào)光控制原理2.1.1led發(fā)光原理 發(fā)光二極管是由iii- iv族化合物，如gaas（砷化鎵）,gap（磷化鎵），gaasp（磷砷化鎵）等半導(dǎo)體制成的1，其核心是pn結(jié)，因此它具有一般p-n結(jié)的i-v特性，即正向?qū)?，反向截止，擊穿特性。此外，在一定條件下，它具有發(fā)光特性。在正向電壓下，

13、電子由n區(qū)注入p區(qū)，空穴由p區(qū)注入n區(qū)，進(jìn)入對(duì)方區(qū)域的少數(shù)載流子一部分與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光。如下圖所示： 圖2-1 led發(fā)光原理真正發(fā)射白光的led是不存在的，這樣的器件非常難以制造，因?yàn)閘ed的特點(diǎn)是只發(fā)射一個(gè)波長(zhǎng)，白色并不出現(xiàn)在色彩的光譜上，因此一般的替代方法是利用不同波長(zhǎng)合成白色光。目前所使用的白光led生產(chǎn)技術(shù)，主要可分為單晶型和多晶型兩種2，各技術(shù)特征簡(jiǎn)述如表2-1所示：表2-1 白光led的發(fā)光方式方式激發(fā)源發(fā)光元素與熒光材料白光產(chǎn)生方式單晶型藍(lán)色ledingan/yag 黃色熒光體以藍(lán)色激發(fā)發(fā)黃光之熒光體紫外光（uv）ledingan/rgb 三波長(zhǎng)熒光體以u(píng)v激發(fā)rgb熒光

14、體多晶型紅色/藍(lán)色/綠色ledingan、alingap、algaas組合紅綠藍(lán)三原色led藍(lán)綠色/琥珀色ledingan、alingap、gap組合互補(bǔ)兩色led（一）單晶型（1）藍(lán)色led發(fā)黃光的熒光粉其原理是利用藍(lán)光照射黃光熒光粉產(chǎn)生黃光后與未被吸收的藍(lán)光混合產(chǎn)生出肉眼可見(jiàn)的白光。這是目前最常用的白光生產(chǎn)技術(shù)，但是用藍(lán)光led來(lái)發(fā)白光的方式的發(fā)光效率仍然不足，許多廠商開(kāi)始向另外一個(gè)方向就是往紫外光led來(lái)發(fā)展。（2）紫外光ledrgb三波長(zhǎng)螢光粉和熒光燈的發(fā)光原理相似，這種發(fā)光方式利用rgb三色熒光粉在被紫外光或者近紫外光激發(fā)后產(chǎn)生rgb三原色的光來(lái)混合產(chǎn)生出白光。其發(fā)光光譜和藍(lán)色led

15、黃光熒光粉相比要寬的多，而且其發(fā)光效率要比藍(lán)光好上許多。這種方法的關(guān)鍵技術(shù)在高效率的熒光體合成法，也就是如何把熒光粉有效的附著在晶粒上的一項(xiàng)技術(shù)。（二）多晶型即使用兩個(gè)或兩個(gè)以上的互補(bǔ)的2色led發(fā)光二極管或把3原色led發(fā)光二極管做混光而形成白光。采用多晶型的產(chǎn)生白光的方式，因?yàn)椴煌纳实膌ed發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電壓、發(fā)光輸出、溫度特性及壽命各不相同，因此在使用多晶型led發(fā)光二極管的方式產(chǎn)生白光，比單晶型led產(chǎn)生白光的方式復(fù)雜，也因led發(fā)光二極管的數(shù)量多，也使得多晶型led的成本亦較高；若采用單晶型，則只要用一種單色led發(fā)光二極管元素即可，而且在驅(qū)動(dòng)電路上的設(shè)計(jì)會(huì)較為容易。因此，現(xiàn)在

16、很多廠商均把單晶型led作為白光led發(fā)展方向。圖2-2給出了大功率白光led的封裝結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖。 圖2-2 大功率白光led的封裝結(jié)構(gòu)（左）及實(shí)物（右）圖2.1.2 白光led的基本參數(shù)及特性1、離散的電學(xué)特性圖2-3 不同白光led的正向i-v曲線因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，單晶型白光led成為了現(xiàn)行市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。單晶型白光led使用的發(fā)光晶粒晶粒材料都是寬帶隙化合物半導(dǎo)體材料（包括藍(lán)光，紫外或者近紫外光發(fā)光晶粒），因此白光led的正向?qū)▔航当绕胀ǖ挠猩玪ed要高。紅光、黃光led驅(qū)動(dòng)電壓在1v2v左右。而在正向電流為15ma的情況下，藍(lán)白光led正向電壓卻可以達(dá)到3v4v之間。而且即使在同一正

17、向電壓下，流過(guò)藍(lán)白光led的電流也會(huì)有很大的離散性。圖2-3中是6個(gè)從同類(lèi)產(chǎn)品中隨機(jī)挑選出來(lái)的樣品進(jìn)行測(cè)試而得到的i-v曲線3。從圖中我們可以明顯看出來(lái)，如果采用單一電壓驅(qū)動(dòng)這樣的六顆led，正向電流將會(huì)從5ma到15ma（3.2v電壓下）擺動(dòng)。2、發(fā)光特性調(diào)節(jié)白光led的發(fā)光亮度，其實(shí)質(zhì)是改變它的輸出光通量的大小。圖2-4所示為美國(guó)lumileds lighting公司1瓦大功率白光led（luxeon star）4在25時(shí)光通量與其正向電流的關(guān)系曲線。從圖中我們不難發(fā)現(xiàn)，led的輸出光通量基本上成正比關(guān)系地受平均電流地控制，因此我們能夠簡(jiǎn)單地通過(guò)調(diào)節(jié)led的正向電流來(lái)調(diào)節(jié)其輸出光通量，也就

18、是調(diào)節(jié)其發(fā)光亮度。圖2-4 luxeon star在25時(shí)光通量與其正向電流的關(guān)系曲線2.1.3 白光led的可調(diào)光特性 我們已經(jīng)知道了白光led的電學(xué)特性具有很大的離散性，白光led的發(fā)光亮度由驅(qū)動(dòng)電流決定，要準(zhǔn)確地控制led亮度，驅(qū)動(dòng)器就必須能夠提供準(zhǔn)確恒定的電流而不是準(zhǔn)確恒定的電壓。因此，led一般采用恒流源驅(qū)，同時(shí)多個(gè)led應(yīng)串聯(lián)，以保證各個(gè)led具有相同的驅(qū)動(dòng)電流，從而保證各個(gè)led發(fā)光亮度一致。而通過(guò)控制電源驅(qū)動(dòng)級(jí)的輸出電流就可以實(shí)現(xiàn)控制led亮度的目的。2.2常用led調(diào)光技術(shù)要對(duì)led光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合led亮度能作出相應(yīng)地變化。這也就意味著，白光led的

19、驅(qū)動(dòng)器需要能夠支持led光亮度的調(diào)節(jié)功能，也就是具有輸出電流調(diào)節(jié)功能。目前調(diào)光技術(shù)主要有三種：pwm調(diào)光、模擬調(diào)光以及數(shù)字調(diào)光5。2.2.1 pwm調(diào)光pwm dimming (脈寬調(diào)制) 調(diào)光方式這是一種利用簡(jiǎn)單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開(kāi)關(guān)白光led的調(diào)光技術(shù)。系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光led的亮度。pwm 調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)在于能夠提供高質(zhì)量的白光，以及應(yīng)用簡(jiǎn)單，效率高。多數(shù)廠商的驅(qū)動(dòng)器都支持pwm調(diào)光。圖2-5：pwm調(diào)光示意圖在pwm調(diào)光中，led正向電流以受控的占空比（ddim）進(jìn)行開(kāi)關(guān)（on/off），以達(dá)到想要的亮度級(jí)別。ddim的動(dòng)態(tài)范圍定義

20、了調(diào)光配置所能實(shí)現(xiàn)的最大亮度級(jí)別。如前所述，led亮度與led正向電流成比例，因此，在使用pwm調(diào)光配置時(shí)所得到的最高和最低led電流平均值分別由式(2-1)和式(2-2)表示。 (2-1) (2-2)其中，iled為led電流，iledmax為led電流的平均最高值，iled_min為led電流的平均最低值，ddim_max為最大調(diào)光占空比，ddim_min為最小調(diào)光占空比。因此，最高和最低led明亮的比率，又被看作pwm調(diào)光范圍，用式(2-3)表示。 (2-3)式(2-3)表示pwm調(diào)光范圍與最大、最小調(diào)光占空比之間的關(guān)系。對(duì)于給定的調(diào)光頻率fdim，ddim_max表示最大占空比，即le

21、d電流在下一個(gè)調(diào)光周期開(kāi)始前，從所需的正向電流降低至零的時(shí)間；ddim_min表示最小占空比，即led電流由零升至所需的正向電流(if)的時(shí)間。在pwm控制使能調(diào)光中，led電流的開(kāi)關(guān)是通過(guò)把開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或者電源fet驅(qū)動(dòng)器設(shè)置成使能(enable)或失效(disable)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。使能調(diào)光的缺點(diǎn)是調(diào)光延遲較大，調(diào)光延遲比較大，如果增加調(diào)光頻率，會(huì)明顯降低調(diào)光范圍，如果利用調(diào)光信號(hào)去開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)器，而不是去開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，則可以消除這種延遲。因此如圖2-5所示，pwm調(diào)光信號(hào)通常加在fet驅(qū)動(dòng)器上。但是，pwm 調(diào)光有其劣勢(shì)。主要反映在：pwm調(diào)光很容易使得白光led的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲（

22、audible noise 或者 microphonic noise）。通常開(kāi)關(guān)電源式的白光led驅(qū)動(dòng)器其開(kāi)關(guān)頻率都在幾百khz甚至上1mhz左右，因此在驅(qū)動(dòng)器的典型應(yīng)用中是不會(huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲。但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行pwm調(diào)光的時(shí)候，如果pwm信號(hào)的頻率正好落在200hz到20khz之間，白光led驅(qū)動(dòng)器周?chē)碾姼泻洼敵鲭娙菥蜁?huì)產(chǎn)生人耳聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲。因此，pwm調(diào)光頻率要避免使用20khz以下低頻段。 2.2.2 模擬調(diào)光圖2-6 buck型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器圖2-7 boost型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器相對(duì)于pwm調(diào)光，在開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中（如2-6和圖2-7所示），如果能夠改變與led串聯(lián)的rs的電阻值，同樣能夠改變

23、流過(guò)白光led的電流，從而改變led的發(fā)光亮度。這種調(diào)光技術(shù)為模擬調(diào)光。 模擬調(diào)光最大的優(yōu)勢(shì)是它避免了由于調(diào)光時(shí)所產(chǎn)生的噪聲，由于不存在pwm頻率，因此調(diào)光不會(huì)引起變壓器音頻噪聲，此外調(diào)光不會(huì)與垂直同步頻率發(fā)生干擾。在采用模擬調(diào)光的技術(shù)時(shí)，led的正向?qū)▔航禃?huì)隨著led電流的減小而降低，使得白光led的能耗也有所降低。但是區(qū)別于pwm調(diào)光技術(shù)，在模擬調(diào)光時(shí)白光led驅(qū)動(dòng)器始終處于工作模式，并且驅(qū)動(dòng)器的電能轉(zhuǎn)換效率隨著輸出電流減小而急速下降。所以，采用模擬調(diào)光技術(shù)往往會(huì)增大整個(gè)系統(tǒng)的能耗。模擬調(diào)光技術(shù)還有個(gè)缺點(diǎn)在于發(fā)光質(zhì)量。由于它直接改變白光led的電流，使得白光led的白光質(zhì)量也發(fā)生了變化。

24、同時(shí)，由于模擬調(diào)光的調(diào)光方式所限，在使用智能控制期間進(jìn)行調(diào)光控制時(shí)更難于進(jìn)行精確地掌控。2.2.3 數(shù)字調(diào)光除了pwm調(diào)光，模擬調(diào)光，目前有些專(zhuān)用led驅(qū)動(dòng)ic支持?jǐn)?shù)字調(diào)光，這是一種間接的調(diào)光方式。具備數(shù)字調(diào)光技術(shù)的白光led驅(qū)動(dòng)器會(huì)有相應(yīng)的數(shù)字接口。該數(shù)字接口可以是spi、i2c、或者是單線式數(shù)字接口。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者只要根據(jù)具體的通信協(xié)議，給驅(qū)動(dòng)器一串?dāng)?shù)字信號(hào)，就可以使得白光led的光亮發(fā)生變化。由于采用分離器件搭建的電路參數(shù)復(fù)雜而且電路難調(diào)，因此以專(zhuān)用電源管理ic為核心，配合適當(dāng)?shù)耐鈬蛛x元器件實(shí)現(xiàn)的電源管理電路方案顯得更加合理，而且性?xún)r(jià)比更高。因此針對(duì)提供調(diào)光數(shù)字接口的led驅(qū)動(dòng)ic設(shè)計(jì)調(diào)光

25、外圍電路也就顯得更為合理和有效。當(dāng)今市場(chǎng)上主流的led驅(qū)動(dòng)ic大多提供有直接供數(shù)字調(diào)光的引腳，通過(guò)對(duì)此引腳輸入一串?dāng)?shù)字信號(hào)（pwm調(diào)光信號(hào)）即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出的目的。下面本文將以ncp1653為例進(jìn)行分析講解。ncp1653是由安申美公司生產(chǎn)的一款具有pfc調(diào)制的電源管理芯片：圖2-8 ncp1653典型應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)從圖2-8中我們可以看出，ncp1653的drv引腳直接輸出在開(kāi)關(guān)fet上，如果輸出drv為0，則開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通，而如果輸出drv為1，則開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，因此調(diào)節(jié)drv輸出電壓占空比變化即可起到調(diào)節(jié)輸出電流的目的。圖2-9 drv輸出腳電壓變化由于，而，因此只需調(diào)節(jié)vcontrol的變化即

26、可調(diào)節(jié)的變化，從而達(dá)到調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管道通的目的。實(shí)際的操作方案是通過(guò)mcu在vcontrol引腳輸入占空比可調(diào)的pwm信號(hào)，通過(guò)對(duì)fet通斷的控制控制輸出電流大小，從而調(diào)節(jié)led亮度大小。第3章 pwm調(diào)光電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)第3章 pwm調(diào)光電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 課題方案選擇前面我們討論了，針對(duì)led調(diào)光可供選擇的現(xiàn)成方案有針對(duì)離散元器件電路的pwm調(diào)光和模擬調(diào)光，還有針對(duì)以專(zhuān)用電源ic為核心的電路的數(shù)字調(diào)光。由于采用分離器件搭建的電路參數(shù)復(fù)雜而且電路難調(diào)，因此以專(zhuān)用電源管理ic為核心，配合適當(dāng)?shù)耐鈬蛛x元器件實(shí)現(xiàn)的電源管理電路方案顯得更加合理，而且性?xún)r(jià)比更高。因此本課題設(shè)計(jì)的控制電路將是針對(duì)以i

27、c核心電路的控制方案?？刂萍?jí)電路最初主要負(fù)責(zé)為整體電路提供pwm信號(hào)進(jìn)行調(diào)光控制。最初針對(duì)諧振式式開(kāi)關(guān)變換器的方案為在pfc控制芯片的vcontrol引腳輸入占空比可調(diào)的方波信號(hào)從而改變?cè)撘_的平均電壓最終達(dá)到改變輸出電流大小而改變led亮度的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，諧振式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對(duì)來(lái)說(shuō)比較好，同時(shí)諧振式變壓器開(kāi)關(guān)電源的負(fù)載能力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較強(qiáng)，輸出電壓的紋波比較小。但是，正激式變換器開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)也是非常明顯的。首先它比反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源多用一個(gè)大儲(chǔ)能濾波電感，以及一個(gè)續(xù)流二極管。此外，正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源輸出電壓受占空比的調(diào)制幅度，相對(duì)于反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)要

28、低很多，正激式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓：整個(gè)周期 （3-1）反激式開(kāi)關(guān)電源輸出電壓：k關(guān)斷周期 （3-2）從(3-1)和(3-2)可以明顯地看出來(lái)，反激式開(kāi)光電源電源更容易用pwm信號(hào)調(diào)制，因而調(diào)控占空比的誤差信號(hào)幅度可以比較低，誤差信號(hào)放大器的增益和動(dòng)態(tài)范圍也可以控制得比較小。另外，正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源為了減少變壓器的勵(lì)磁電流，提高工作效率，變壓器的伏秒容量一般都取得比較大（伏秒容量等于輸入脈沖電壓幅度與脈沖寬度的乘積），并且為了防止變壓器初級(jí)線圈產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)把開(kāi)關(guān)管擊穿，正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的變壓器要比反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的變壓器多一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)吸收繞組，因此，正激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的變壓器的體積要

29、比反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源的變壓器的體積大6。對(duì)于用于路燈照明的led電源模塊，對(duì)于小體積和pwm調(diào)節(jié)的性能要求顯得更重要。因此反激式取代諧振式成為路燈照明電源的方案。然而實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于100w輸出的反激式開(kāi)關(guān)恒流輸出電路，其輸出效率僅為87%，而在加上控制電路后效率更低，而對(duì)于恒壓輸出電路效率卻可達(dá)到93%，高能量利用效率是led照明區(qū)別與白熾燈照明的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，因此高效率是設(shè)計(jì)追求的一個(gè)很重要指標(biāo)。然而在路燈照明系統(tǒng)中，為了保持在任何環(huán)境下，不管級(jí)聯(lián)的led數(shù)量的多少，都可以盡可能地保持led亮度的恒定，因此在最后的輸出需要恒流輸出。因此恒流輸出又是必須的。面對(duì)兩難的境地，最后本課題

30、創(chuàng)造性的提出兩級(jí)式開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)，前級(jí)保持恒壓輸出以求得高的功率利用效率，后級(jí)的控制電路同時(shí)負(fù)責(zé)將前級(jí)輸出通過(guò)極低功耗的dc-dc芯片轉(zhuǎn)換為恒流輸出，在實(shí)現(xiàn)恒流輸出的同時(shí)求得較高的功率利用效率。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，管理員需要根據(jù)季節(jié)和天氣的變化能夠方便地實(shí)時(shí)對(duì)調(diào)光設(shè)置進(jìn)行調(diào)節(jié)，比如在冬天的時(shí)候由于天黑得較遲，路燈系統(tǒng)需要較早進(jìn)入亮燈狀態(tài)，而在夏天則需要較晚地亮燈，以便在滿(mǎn)足需求的同時(shí)盡可能地節(jié)約電能。通過(guò)對(duì)現(xiàn)在市場(chǎng)使用的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，可行的方案主要包括以下幾種：管理員通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)zigbee進(jìn)行人工遠(yuǎn)程控制；光敏傳感器對(duì)外界亮度進(jìn)行感知，由mcu自動(dòng)控制；管理員通過(guò)總線（iic，串口通信

31、等）通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行人工控制。本課題考慮到前面兩種方案將會(huì)引入較昂貴設(shè)備，而且第二種方案完全不使用人工也大大降低就業(yè)率，因此最終選擇采用價(jià)格便宜，適于控制的第三種方案，采用串口通信進(jìn)行控制。3.2 功耗分析與元器件選擇led照明相比于白熾燈照明的一個(gè)很顯著的優(yōu)點(diǎn)就是功耗低，功率利用效率高，具體表現(xiàn)在發(fā)光效率高，燈具效率高，以及電源效率高。事實(shí)上，半導(dǎo)體照明發(fā)展到今天，光效已經(jīng)由2001年標(biāo)準(zhǔn)型白光led(20ma)發(fā)光效率25lm/w，發(fā)展到了2009年初nichia發(fā)表的白光led在20ma電流下，其發(fā)光效率可達(dá)249lm/w，為目前業(yè)界之最7。高功率白光led(350ma)發(fā)光效率也由200

32、4年約30lm/w，發(fā)展到2008年年底cree發(fā)表的161lm/w產(chǎn)品，目前為業(yè)界之最?，F(xiàn)在無(wú)論led光效還是光衰，都有了根本性的改善。而提高led整體效率的關(guān)鍵和核心競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)就在于電源效率了。因此后級(jí)控制電路應(yīng)該盡可能小的引入功耗，將功率利用效率保持在較高的范圍內(nèi)。表 3-1 各種常用燈類(lèi)發(fā)光效率比較不同燈種白熾燈鹵鎢燈熒光燈瓦鈉燈led發(fā)光效率12-24流明/瓦12-24流明/瓦50-70流明/瓦90-140流明/瓦50-200流明/瓦現(xiàn)今市場(chǎng)上，在沒(méi)有引入控制級(jí)電路的情況下，led的電源效率通常高達(dá)90%，一個(gè)18w的led日光燈只要20w的輸入功率。功率因素也可以達(dá)到0.9以上。而且甚

33、至有些公司（比如東莞石龍富華電子有限公司地uel300系列）效率可高達(dá)95%，所以在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)極其激烈的情況之下，保持整體電路的高效率是必須的。前級(jí)恒壓輸出效率可達(dá)93%，因此在不考慮控制電路的情況下還是不錯(cuò)的，所以控制電路設(shè)計(jì)的一個(gè)核心就在于選擇自身功耗極小的元器件，盡可能小的引入元器件功耗。本電路主要包括電源電路，程序下載電路，mcu主電路，調(diào)光控制輸出電路，串口控制電路，時(shí)鐘產(chǎn)生電路（補(bǔ)充電路），在實(shí)際設(shè)計(jì)的時(shí)候，我都注意使用所有方案中能實(shí)現(xiàn)基本功能的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單電路，盡可能少的使用元器件，對(duì)于不需要的芯片引腳浮空處置，不引入額外功耗。電源電路使用高效率的阻容降壓電路，程序下載電路使用幾乎不

34、引入功耗的isp下載電路，mcu選用在5v標(biāo)準(zhǔn)電壓的情況下典型直流輸出電流僅為15ma的at89s51單片機(jī)，調(diào)光控制電路選用極低功耗的lm3404dc-dc轉(zhuǎn)換芯片，串口控制電路采用美信公司生產(chǎn)的一款兼容rs232標(biāo)準(zhǔn)的芯片max232，在5v電源供電情況下，典型輸入電流僅有8ma，而補(bǔ)充的時(shí)鐘/日歷電路采用的是典型功耗低于5mw的ds1307時(shí)鐘/日歷芯片。經(jīng)計(jì)算和測(cè)試均表明后級(jí)效率可以高達(dá)95%，整體效率可達(dá)到88%。3.3 電源電路實(shí)現(xiàn)控制部分電源要把交流220v轉(zhuǎn)換為直流5v供mcu和其它外圍元器件工作，考慮到整個(gè)led驅(qū)動(dòng)電路體積因素，該電源電路體積不能太大，故不能用工頻變壓器。另

35、外，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的效率，該部分電源電路的效率還必須高。由于控制部分的功耗不是很大，本文選用阻容降壓電路來(lái)提供控制部分電源。在輸出電流很小的情況下，阻容降壓電路效率高，工作很穩(wěn)定，已被廣泛應(yīng)用于充電式剃須刀、手電筒等便攜設(shè)備。其電路原理圖如圖3-1所示。圖3-1 控制部分電源電路電容c1的作用為降壓和限流，電阻r1為泄放電阻，其作用為：當(dāng)正弦波在最大峰值時(shí)刻被切斷時(shí)，電容c1上的殘存電荷無(wú)法釋放，會(huì)長(zhǎng)久存在，在維修時(shí)如果人體接觸到c1的金屬部分，有強(qiáng)烈的觸電可能，而電阻r1的存在，能將殘存的電荷泄放掉，從而保證人，機(jī)安全。b1起整流作用。穩(wěn)壓管d1把輸出電壓穩(wěn)定在5v，供mcu使用。c3、c4

36、、c5為濾波電容，將整流后的脈動(dòng)直流電壓濾波成平穩(wěn)直流電壓。降壓電容c1的取值是按照負(fù)載所需電流值來(lái)設(shè)計(jì)，采用全波整流時(shí)，輸出電流的大小io與電容c1的關(guān)系式為： （3-3）其中，c1單位為uf，io單位為ma。圖3-2 電源電路實(shí)物圖3.4 程序下載電路早些時(shí)候，在開(kāi)發(fā)mcs-51系列單片機(jī)的時(shí)候，需要高價(jià)購(gòu)買(mǎi)編程器，但是編程器價(jià)格昂貴，常見(jiàn)51單片機(jī)編程器價(jià)格浮動(dòng)在50-200元之間，而且編程器需要將單片機(jī)從電路中取下插入編程器中待程序下載完成之后再重新插入電路中，十分麻煩，這樣的操作也只適合于新手上路時(shí)學(xué)習(xí)單片機(jī)，對(duì)于需要在生產(chǎn)制造中重復(fù)檢測(cè)程序并修改的實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)，以及在使用中隨時(shí)可能

37、根據(jù)情況變化修改程序的實(shí)際使用，編程器是不適用的。近年來(lái)，隨著isp（in-system programming）技術(shù)的出現(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了一種全新的單片機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程8。isp是指在線編程或在線下載，有了這種技術(shù)，技術(shù)員和工程師就可以在計(jì)算機(jī)控制下，隨心所欲把程序在線下載到目標(biāo)芯片中。而且成本也大大降低，isp在線編程組件的制作成本可以控制在10元以?xún)?nèi)。isp下載基于串行傳輸方式，并且符合spi協(xié)議。在spi協(xié)議中，數(shù)據(jù)的接受與發(fā)送是同步進(jìn)行的，即在同步時(shí)鐘的作用下，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)也接受數(shù)據(jù)。at89s51單片機(jī)的isp引腳共有4個(gè)：rst，mosi，miso和sck。各引腳的功能如下：rst為在線編

38、程輸入引腳端，僅在isp下載過(guò)程中保持高電平，在系統(tǒng)正常工作時(shí)該引腳為系統(tǒng)復(fù)位端，保持低電平狀態(tài)。mosi為主機(jī)輸出/從機(jī)輸入的數(shù)據(jù)端，系統(tǒng)正常工作時(shí)，該引腳為通用i/o p1.5口線。miso為主機(jī)輸入/從機(jī)輸出的數(shù)據(jù)端。系統(tǒng)正常工作時(shí)，該引腳為通用i/o p1.6口線。sck為串行編程的時(shí)鐘端，可實(shí)現(xiàn)主從機(jī)時(shí)序的同步，該時(shí)鐘頻率不得超過(guò)系統(tǒng)時(shí)鐘的1/16。系統(tǒng)正常工作時(shí)，該引腳為通用i/o p1.7 口線，at89s51單片機(jī)的引腳功能如圖3-3所示。圖3-3 at89s51單片機(jī)isp引腳功能圖at89s51單片機(jī)的在線編程（isp）電路設(shè)計(jì)如下：計(jì)算機(jī)并行接口共有25個(gè)口線，主要包括數(shù)

39、據(jù)端口d0-d7（端口發(fā)地址為378h，用于數(shù)據(jù)輸出）；狀態(tài)端口busy,nack,pe,select,nerror（端口地址為379h，用于數(shù)據(jù)輸入）；控制端口nselin,ninit,anrtofeed,nstrobe（端口地址為37ah,用于輸出控制）。從中選出四個(gè)口線來(lái)模擬isp所需的引腳，非常靈活，只需考慮數(shù)據(jù)的輸入，輸出方向和操作方便，但要注意同一端口的數(shù)據(jù)方向必須一致，例如數(shù)據(jù)端口是8位同時(shí)操作的，只能全部作為輸入或者輸出，而不能將一部分作為輸入，另一部分作為輸出。電路圖3-4可實(shí)現(xiàn)isp下載：圖3-4 isp下載電路該電路在計(jì)算機(jī)并行接口部分，用第6腳模擬sck，第7腳模擬mo

40、si，第9腳模擬rst，第10腳模擬miso。3.5 mcu主電路mcu(microcontrollerunit)中文名稱(chēng)為微控制單元，又稱(chēng)單片微型計(jì)算機(jī)(singlechipmicrocomputer)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的cpu、ram、rom、定時(shí)數(shù)器和多種i/o接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。當(dāng)前市場(chǎng)上單片機(jī)種類(lèi)繁多，功能和使用場(chǎng)合各有不同，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)和銷(xiāo)售公司網(wǎng)絡(luò)咨詢(xún)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前市場(chǎng)上最常見(jiàn)最普遍的單片機(jī)型包括atmel公司生產(chǎn)的51系列單片機(jī)，microchip公司推出的pic系列單片機(jī)，德州儀器公司生產(chǎn)的msp

41、430單片機(jī)，atmel公司生產(chǎn)的avr系列單片機(jī)，這幾種系列使用廣泛，產(chǎn)量巨大，在互聯(lián)網(wǎng)上有大量的相關(guān)學(xué)習(xí)資料和網(wǎng)絡(luò)論壇，因此學(xué)習(xí)和使用相對(duì)更加方便，出現(xiàn)問(wèn)題也更容易找到解決的辦法。pic單片機(jī)采用精簡(jiǎn)指令集（risc），數(shù)據(jù)線和指令線分離，使得取指令和取數(shù)據(jù)可同時(shí)進(jìn)行，且由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其指令較同類(lèi)cisc單片機(jī)指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度亦更快。同時(shí)，這種單片機(jī)指令多為單字節(jié)，程序存儲(chǔ)器的空間利用率大大提高，有利于實(shí)現(xiàn)超小型化。其中，pic12c508單片機(jī)僅有8個(gè)引腳，是世界上最小的單片機(jī)，圖3-5 世界上最小的單片機(jī)pic12c508外型pic最大的特點(diǎn)是不

42、搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號(hào)來(lái)滿(mǎn)足不同層次的應(yīng)用要求。就實(shí)際而言，不同的應(yīng)用對(duì)單片機(jī)功能和資源的需求也是不同的。比如，一個(gè)摩托車(chē)的點(diǎn)火器需要一個(gè)i/o較少、ram及程序存儲(chǔ)空間不大、可靠性較高的小型單片機(jī)，若采用40腳且功能強(qiáng)大的單片機(jī)，投資大不說(shuō)，使用起來(lái)也不方便。pic系列從低到高有幾十個(gè)型號(hào)，可以滿(mǎn)足各種需要。然而也正是因?yàn)閜ic單片機(jī)種類(lèi)繁多，各種類(lèi)之間功能，結(jié)構(gòu)差異較大，使得學(xué)習(xí)起來(lái)非常麻煩，同時(shí)由于pic單片機(jī)功能指向性極強(qiáng)，使得選型苦難，在本課題下不是非常適用。msp430 系列單片機(jī)是一個(gè) 16 位的單片機(jī)，與其他同類(lèi)單片機(jī)相比具有極

43、其強(qiáng)大的處理能力，它采用了精簡(jiǎn)指令集（ risc ）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8mhz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns9。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。同時(shí)在運(yùn)算速度方面， msp430 系列單片機(jī)能在 8mhz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn) 125ns 的指令周期。 16 位的數(shù)據(jù)寬度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如 fft 等）。 ms

44、p430 系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)求將它喚醒只用 6us 。因此msp非常適合用在對(duì)功能要求很高的應(yīng)用場(chǎng)合。不過(guò)msp單片機(jī)因?yàn)槌霰姷男阅?，因此價(jià)格也很高，其各型號(hào)價(jià)格在30元至100元不等，在本課題中使用msp430性?xún)r(jià)比顯然不是最優(yōu)的。片上資源豐富。mega系列片上具備jtag仿真和下載功能。片內(nèi)含有看門(mén)狗電路、片內(nèi)程序 flash、片內(nèi)數(shù)據(jù)ram、同步串行接口spi、異步串口uart、內(nèi)嵌ad轉(zhuǎn)換器、eeprom、模擬比較器、pwm定時(shí)計(jì)數(shù)器、twi（iic）總 線接口、硬件乘法器、獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器rtc、片內(nèi)標(biāo)

45、定的rc振蕩器等片內(nèi)外設(shè)，可以滿(mǎn)足各種開(kāi)發(fā)需求。性?xún)r(jià)比高。在高性能的前提下，并沒(méi)有增加芯片的價(jià)格，價(jià)格可以和51相比。但是近年來(lái)avr由于使用者越來(lái)越多，市場(chǎng)逐漸出現(xiàn)了供不應(yīng)求的趨勢(shì)，因此價(jià)格持續(xù)上漲，同時(shí)訂貨較難；另外盡管avr運(yùn)行速度非?？欤菍?shí)際上單片機(jī)的速度并非越快越好，芯片跑的速度越快它的抗干擾能力越差，功耗越高。而且同時(shí)由于avr單片機(jī)里沒(méi)有分頻的部件，所以速度就快了，但是它是以犧牲抗干擾為代價(jià)的。課題最終選擇了atmel公司的89s51單片機(jī)，at89s51單片機(jī)是與mcs-51系列兼容的產(chǎn)品，具有相同的指令集。它是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程f

46、lash存儲(chǔ)器，256字節(jié)ram，32個(gè)可編程i/o口，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，八個(gè)中斷源，工作頻率可高達(dá)33mhz。該控制器在擁有這么多資源和功能的情況下，價(jià)格還很便宜，實(shí)際上51單片機(jī)幾乎是當(dāng)前市場(chǎng)上價(jià)格最便宜的單片機(jī)，完全可以勝任該led驅(qū)動(dòng)器的各種控制功能。mcu系統(tǒng)電路如圖3-6所示。isp下載接口用作微控制器的程序下載和調(diào)試；c2、r4一起構(gòu)成了上電自動(dòng)復(fù)位電路； io口p1.3輸出信號(hào)控制繼電器jk1的閉合與斷開(kāi)，從而控制驅(qū)動(dòng)電路部分的電源的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈；io口p2.4產(chǎn)生pwm信號(hào)，通過(guò)光電耦合器耦合到驅(qū)動(dòng)部分控制芯片的vcontrol進(jìn)行調(diào)光，更實(shí)現(xiàn)了控制部分和驅(qū)動(dòng)

47、部分電氣隔離，增強(qiáng)了控制部分的抗干擾能力。io口p2.5 、p2.6用作設(shè)置和讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘。圖3-6 mcu主電路圖3.6 串口通信控制電路3.6.1 串口通信基本原理串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議（不要與通用串行總線universal serial bus或者usb混淆）。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于rs232的串口。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多gpib兼容的設(shè)備也帶有rs-232口。同時(shí)，串口通信協(xié)議也可以用于獲取遠(yuǎn)程采集設(shè)備的數(shù)據(jù)。 串口通信的概念非常簡(jiǎn)單，串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。盡管比按字節(jié)（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)

48、用另一根線接收數(shù)據(jù)。它很簡(jiǎn)單并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。比如ieee488定義并行通行狀態(tài)時(shí)，規(guī)定設(shè)備線總常不得超過(guò)20米，并且任意兩個(gè)設(shè)備間的長(zhǎng)度不得超過(guò)2米；而對(duì)于串口而言，長(zhǎng)度可達(dá)1200米。 典型地，串口用于ascii碼字符的傳輸。通信使用3根線完成：（1）地線，（2）發(fā)送，（3）接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。其他線用于握手，但是不是必須的。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對(duì)于兩個(gè)進(jìn)行通行的端口，這些參數(shù)必須匹配： a，波特率：這是一個(gè)衡量通信速度的參數(shù)。它表示每秒鐘傳送的bit的個(gè)數(shù)。例如300波特表示每秒鐘發(fā)送3

49、00個(gè)bit。當(dāng)我們提到時(shí)鐘周期時(shí)，我們就是指波特率例如如果協(xié)議需要4800波特率，那么時(shí)鐘是4800hz。這意味著串口通信在數(shù)據(jù)線上的采樣率為4800hz。通常電話(huà)線的波特率為14400，28800和36600。波特率可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這些值，但是波特率和距離成反比。高波特率常常用于放置的很近的儀器間的通信，典型的例子就是gpib設(shè)備的通信。 b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實(shí)際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)信息包，實(shí)際的數(shù)據(jù)不會(huì)是8位的，標(biāo)準(zhǔn)的值是5、7和8位。如何設(shè)置取決于你想傳送的信息。比如，標(biāo)準(zhǔn)的ascii碼是0127（7位）。擴(kuò)展的ascii碼是0255（8位）。如果數(shù)據(jù)使用簡(jiǎn)單的文本（標(biāo)準(zhǔn)

50、ascii碼），那么每個(gè)數(shù)據(jù)包使用7位數(shù)據(jù)。每個(gè)包是指一個(gè)字節(jié)，包括開(kāi)始/停止位，數(shù)據(jù)位和奇偶校驗(yàn)位。由于實(shí)際數(shù)據(jù)位取決于通信協(xié)議的選取，術(shù)語(yǔ)“包”指任何通信的情況。 c，停止位：用于表示單個(gè)包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。由于數(shù)據(jù)是在傳輸線上定時(shí)的，并且每一個(gè)設(shè)備有其自己的時(shí)鐘，很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步。因此停止位不僅僅是表示傳輸?shù)慕Y(jié)束，并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。適用于停止位的位數(shù)越多，不同時(shí)鐘同步的容忍程度越大，但是數(shù)據(jù)傳輸率同時(shí)也越慢。 d，奇偶校驗(yàn)位：在串口通信中一種簡(jiǎn)單的檢錯(cuò)方式。有四種檢錯(cuò)方式：偶、奇、高和低。當(dāng)然沒(méi)有校驗(yàn)位也是可以的。對(duì)于偶和奇

51、校驗(yàn)的情況，串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位（數(shù)據(jù)位后面的一位），用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶個(gè)或者奇?zhèn)€邏輯高位。例如，如果數(shù)據(jù)是011，那么對(duì)于偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位為0，保證邏輯高的位數(shù)是偶數(shù)個(gè)。如果是奇校驗(yàn)，校驗(yàn)位位1，這樣就有3個(gè)邏輯高位。高位和低位不真正的檢查數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單置位邏輯高或者邏輯低校驗(yàn)。這樣使得接收設(shè)備能夠知道一個(gè)位的狀態(tài)，有機(jī)會(huì)判斷是否有噪聲干擾了通信或者是否傳輸和接收數(shù)據(jù)是否不同步3.6.2 單片機(jī)串口通信原理mcs-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)全雙工串行接口。一般來(lái)講，只能接受或只能發(fā)送的稱(chēng)為單工串行口；既可接受又可發(fā)送的，但不能同時(shí)進(jìn)行的稱(chēng)為半雙工；能同時(shí)接受和發(fā)送的串行口稱(chēng)為全雙工串行口10。單片機(jī)

52、串口通信采用的是異步傳送方式。異步傳送是通過(guò)一個(gè)通用異步收發(fā)器uart實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)于接受方來(lái)說(shuō)就有一個(gè)如何判斷新字符到來(lái)的問(wèn)題。在異步通信時(shí)，收發(fā)雙方應(yīng)達(dá)成協(xié)議，一是規(guī)定字符格式：采用幾位數(shù)據(jù)，是否進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，幾位停止位等。二十規(guī)定波特率。mcs-51單片機(jī)的串行口有兩個(gè)物理空間上各自獨(dú)立的發(fā)送緩沖器和接收緩沖器。這兩個(gè)緩沖器公用一個(gè)地址99h。發(fā)送緩沖器只寫(xiě)不讀，接收緩沖器只讀不寫(xiě)。接收緩沖器式雙緩沖的，以避免在接收下一幀數(shù)據(jù)之前，cpu未能即使響應(yīng)接收器中斷，而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)重疊問(wèn)題。3.6.3 串口電路設(shè)計(jì)pc機(jī)的電平與單片機(jī)電平是不能直接兼容的，因此需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片完成串口通信。

53、max232是美信公司生產(chǎn)的一款兼容rs232標(biāo)準(zhǔn)的芯片，它能夠在pc機(jī)的串口tia/eia-232-f電平與單片機(jī)引腳間的ttl電平之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換11。圖3-7 串口通信電路3.7 調(diào)光控制輸出電路調(diào)光控制輸出電路即是本電路最核心的子電路，它接入第一級(jí)的電源驅(qū)動(dòng)部分電路恒壓輸出，并通過(guò)dc-dc轉(zhuǎn)換得到直接驅(qū)動(dòng)大功率led的恒流輸出，并提供一個(gè)pwm信號(hào)輸入端口，允許mcu在此輸入占空比可調(diào)的方波信號(hào)，調(diào)節(jié)最后輸出的電流大小。lm3404hv是一款由降壓型調(diào)節(jié)器（buck型電路）衍生出來(lái)的受控電流源，它內(nèi)部集成了能承受最大電流為1.5a功率開(kāi)關(guān)管，專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)正向電流高達(dá)1.2a的大功率led而設(shè)

54、計(jì)。3.7.1 芯片特點(diǎn)lm3404hv采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式無(wú)需外接環(huán)路補(bǔ)償，其輸入電壓可由6v到75v，提供獨(dú)立的pwm調(diào)光端口，且有過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等功能。芯片整體具有高效率，電路簡(jiǎn)單，成本低等特點(diǎn)。典型應(yīng)用圖3-8 lm3404典型應(yīng)用3.7.2 芯片原理恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式工作原理lm3404hv采用的恒定導(dǎo)通時(shí)間控制模式。圖3-9 恒定導(dǎo)通時(shí)間控制原理圖：比較器與觸發(fā)器圖3-9展示了一個(gè)用于控制流過(guò)led陣列電流的反饋系統(tǒng)，電流流過(guò)感應(yīng)電阻產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。電壓反饋到芯片的cs端，然后與一個(gè)200mv的基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)?shù)陀跁r(shí)比較器輸出高電平使功率管開(kāi)啟。功率管一旦開(kāi)

55、啟將持續(xù)一個(gè)固定的導(dǎo)通時(shí)間,導(dǎo)通時(shí)間的大小由外接電阻和輸入電壓共同決定12，其公式為： (3-4)當(dāng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，功率管將關(guān)斷等待下一個(gè)周期的開(kāi)啟。遲滯控制模式由前面分析知道，在圖3-8中，電流流過(guò)感應(yīng)電阻產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。電壓反饋到芯片的cs端，然后與一個(gè)200mv的基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)?shù)陀跁r(shí)比較器輸出高電平使功率管開(kāi)啟。功率管開(kāi)啟后，在遲滯控制模式下，流過(guò)電感電流持續(xù)增大，而同時(shí)電壓持續(xù)反饋到芯片的cs端，然后與另外一個(gè)300mv的基準(zhǔn)電壓相比較，當(dāng)增大到大于時(shí)比較器輸出高電平使功率管關(guān)斷，之后周而復(fù)始，輸出電流即電感電流基本穩(wěn)定在200mv/到300mv/之間。圖3-10 遲滯比較器結(jié)合上述

56、分析,比較cot控制模式和一般的遲滯控制模式。一般的遲滯控制模式由電壓下限和電壓上限來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。cot控制模式保留了電壓下限的比較,引入了恒定導(dǎo)通時(shí)間來(lái)取代電壓上限以實(shí)現(xiàn)控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。因此cot控制模式既保留了遲滯控制模式中因無(wú)誤差放大器和環(huán)路補(bǔ)償元件而瞬態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn),又改善了遲滯控制模式中開(kāi)關(guān)頻率大小易受其他電路參數(shù)變化影響的缺點(diǎn),提高了頻率穩(wěn)定性。紋波電流和平均電流在cot工作模式中，最低電流由式（3-5）給出： （3-5）在上式中，表示的是遲滯比較器的傳播延遲，這個(gè)延遲大約是220。而平均電感電流和平均led電流則等于再加上電感紋波電流的一般： (3-6)輸出電壓范圍在cot控制模式中，300的關(guān)斷時(shí)間限制了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的最大工作占空比，,然后因此也就限制了最大輸出電壓，和由式(3-7)，（