關于紅外遙控的大功率LED照明系統(tǒng)設計

1、關于紅外遙控的大功率LED照明系統(tǒng)設計0引言目前，照明是我國能源消耗的重要方面，每年的照明用電約為3000億千瓦時，約占發(fā)電總量的12%。隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高；同時，隨著能源危機和環(huán)保問題的日益嚴峻，我國照明產(chǎn)業(yè)也必須走綠色節(jié)能的發(fā)展道路1oLED是一種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽w發(fā)光器件，屬于固態(tài)光源；其作為一種新型的綠色照明方式，應用前景舉世矚目，尤其高亮度的白光LED的開發(fā)成功，使得LED在照明領域得以推廣應用，也必然引起照明領域一場新的革命。與現(xiàn)行白熾燈、熒光燈等照明設備相比,白光LED具有發(fā)熱低、耗電量少（白熾燈的1/8,熒光燈的M2）、壽命長（數(shù)萬小時以上，為熒

2、光燈的10倍）、體積小、無污染、反應速度快、安全可靠等優(yōu)點，是被業(yè)界看好在未來可替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力產(chǎn)品2。同時，考慮到目前部分照明產(chǎn)品缺少亮度調(diào)節(jié)、紅外遙控等功能，無法滿足現(xiàn)代照明的實際需求。因此，本文設計了一種以AT89s51單片機為核心的可紅外遙控大功率白光LED照明系統(tǒng)，其采用PT4115大功率LED恒流驅(qū)動方案與紅外遙控技術，通過對一款基于TC9012紅外遙控器的按鍵編碼識別與解碼處理，可紅外遙控實現(xiàn)對LED光源的多級PWM調(diào)光功能。本設計在實現(xiàn)高效節(jié)能的同時，也為實際照明應用提供了極大的便捷。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能本照明系統(tǒng)以AT89S51單片機為主控芯片，選用3只3W大功率白光L

3、ED為光源，采用PT4115芯片實現(xiàn)LED恒流驅(qū)動系統(tǒng)，紅外遙控系統(tǒng)則由TC9012遙控發(fā)射器與HS0038紅外接收器構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如所示。本系統(tǒng)以一款采用TC9012芯片的家用遙控器作為紅外發(fā)射單元，其使用普遍，價格低廉，且發(fā)射編碼多，可控制實現(xiàn)對LED光源亮度的多級調(diào)節(jié)；紅外接收器由HS0038構(gòu)成，它是集成有紅外接收頭、放大、解調(diào)和整形電路的一體化部件，可輸出讓單片機識別的TTL信號；紅外遙控信息處理則由單片機AT89s51實現(xiàn)，其主要完成對遙控器發(fā)出的紅外編碼進行識別與解碼，然后根據(jù)解碼結(jié)果產(chǎn)生遙控器鍵值所對應的PWM調(diào)光信號，從而控制PT4115恒流驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)LED多級調(diào)光功能

4、。2系統(tǒng)原理2. 1PWM調(diào)光原理從LED伏安特性及數(shù)學模型可知，LED在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募毿∽儎訉⒁餖ED電流的較大波動，并且環(huán)境溫度、LED老化等因素也將影響LED的電氣特性，若LED電流失控，LED長期工作在大電流下將嚴重影響其可靠性和使用壽命。而LED的光輸出直接與LED電流有關，所以LED驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下宜采用恒流驅(qū)動方式3。在實際應用中，LED調(diào)節(jié)亮度一般采用兩種方法，即模擬調(diào)光或PWM調(diào)光。模擬調(diào)光與PWM調(diào)光對比如所示。模擬調(diào)光是通過改變流過LED電流的大小來調(diào)整光效的，除了亮度會改變以外，也會影響LED的光效質(zhì)量，即電流變化必然導致L

5、ED的色度偏差。PWM基本原理是保持LED正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導通和關斷的時間比例，可以實現(xiàn)從。到100%范圍的亮度調(diào)節(jié)。PWM調(diào)光的優(yōu)勢是LED正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ?，LED的色度就不會像模擬調(diào)光一樣會變化；在精確控制LED的亮度的同時，也保證LED發(fā)光的色度。為了避免人眼能夠看到LED的導通和關斷，而感覺到燈光閃爍，PWM調(diào)光的頻率要高于100Hz,由于人眼的視覺殘留效應，眼睛就會對導通和關斷時間內(nèi)的亮度進行平均，僅僅看到由PWM占空比決定的有效亮度。對于PWM調(diào)光頻率設置在軟件設計時應予以注意。3. 2紅外遙控原理紅外線遙控是目前使用最廣的一種遙控手段。紅外遙控裝置具有體

6、積小、功耗低、功能強、成本低等特點，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品（家用電器、玩具、通信設備中普遍采用紅外遙控。若能將紅外遙控器的按鍵編碼進行識別與解碼，并用作單片機系統(tǒng)的輸入處理信號，則解決了常規(guī)矩陣鍵盤線路板過大、布線復雜、占用I/O口過多的弊病；而且使用遙控器，可實現(xiàn)人對設備的長距離操作控制，使用更加便捷高效。本設計采用一款基于TC9012芯片的電視機遙控器作為紅外發(fā)射單元。TC9012采用脈沖寬度調(diào)制編碼格式，以不同的脈寬寬度來實現(xiàn)二進制信息的編碼，其發(fā)射編碼格式由引導碼、用戶碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼和結(jié)束碼構(gòu)成。引導碼由4.5ms的高電平和4.5ms的低電平波形所構(gòu)成，以作為一幀數(shù)據(jù)的起始位；一幀數(shù)據(jù)中

7、含有32位碼，包含兩次8位用戶碼，8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼，用戶碼用于區(qū)分不同類型的紅外遙控設備，數(shù)據(jù)碼即代表實際按下的鍵值信息，數(shù)據(jù)反碼是數(shù)據(jù)碼的各位求反，通過比較數(shù)據(jù)碼與數(shù)據(jù)反碼，可判斷接收到的鍵值數(shù)據(jù)是否正確；最后發(fā)送結(jié)束位(SY),作為一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。發(fā)射碼的格式如所示。紅外二進制編碼信息，0?與，1?分別由毫秒量級的高低脈沖組合實現(xiàn)。以脈寬0.56ms間隔0.565ms、周期為1.125ms的組合表示二進制“0”以脈寬0.56ms、間隔1.69ms、周期2.25ms的組合表示“1。脈沖信號都調(diào)制在占空比為1/3,頻率為38kHz的載波上再發(fā)送出去。二進制參數(shù)“0”“1如所示4。紅

8、外二進制信號的解調(diào)由一體化紅外接收器HS0038來完成。對于接收端而言，當無紅外脈沖信號時HS0038的數(shù)據(jù)輸出OUT端輸出高電平，當有高脈沖紅外信號時OUT端輸出為低電平，故其輸出信號電平正好與發(fā)射端相反。這一點在軟件設計時應予以注意。3系統(tǒng)硬件電路設計3.1 單片機主控系統(tǒng)本設計主控系統(tǒng)采用ATMEL公司的高性能單片機AT89s51實現(xiàn)。使用一款基于TC9012芯片的家用電視遙控器作為系統(tǒng)的紅外發(fā)射器；單片機P3.2口連接一體化紅外接收器HS0038的數(shù)據(jù)輸出OUT端；單片機P1.0口作為PWM信號的輸出端并連接PT4115芯片DIM端，用于實現(xiàn)PWM調(diào)光控制。單片機通過對紅外遙控器09按

9、鍵以及開關按鍵紅外編碼的識別與解碼，并根據(jù)解碼結(jié)果產(chǎn)生鍵值對應的PWM信號，從而驅(qū)動LED實現(xiàn)不同的亮度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)晶振電路由12MHz晶振與兩個30PF電容組成；復位電路則由S1按鍵、10K電阻與10uF電解電容構(gòu)成。主控系統(tǒng)電路如所示5。4. 2基于PT4115的恒流驅(qū)動系統(tǒng)本設計LED光源采用基于PT4115的大功率恒流驅(qū)動系統(tǒng)。PT4n5是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源芯片，其具有以下特點：6V30V寬電壓范圍輸入；輸出電流可達L2A;復用DIM引腳進行LED開關、模擬調(diào)光、PWM調(diào)光；輸出電流精度達5%;轉(zhuǎn)換效率高達97%;LED開路保護；輸出可調(diào)的恒流控制方法；內(nèi)部含有抖頻特性

10、，極大的改善EMI。該芯片適合用于各類綠色照明LED燈的驅(qū)動電路，應用電路簡潔，所需外部元器件較少且價格低廉。PT4n5通過芯片上的DIM端，可以方便的進行模擬或PWM調(diào)光。本設計采用PWM調(diào)光方式，通過在DIM引腳加入可變占空比的方波脈沖信號調(diào)節(jié)輸出電流以實現(xiàn)調(diào)光。當方波電壓幅值低于0.3V時關斷LED電流，高于2.5V(且低于5V)時完全開啟LED電流。該條件下電流輸出值IOUT計算公式為：IOUT=(0.1)/Rs(D為方波信號占空比，Rs為限流電阻本設計LED光源采用串聯(lián)方式，共由3只3W的大功率白光LED組成；每只LED額定電流約700mA,正向壓降3.3V3.6V,亮度可達1501

11、m。在考慮盡量降低周邊器件自身功耗的前提下，采用PT4115的恒流驅(qū)動系統(tǒng)設計如下：確定輸入電壓Vin值，當Vin與負載電壓差值在L5V左右時工作效率較高，由于3只LED負載電壓約10V,因此選用12V/2A的電源適配器供電。Rs作為限流電阻，其取值決定LED的最大驅(qū)動電流?？紤]到大功率LED的結(jié)溫與散熱要求，其工作電流不易過大，本文驅(qū)動系統(tǒng)按LED工作電流IOUT=625mA設計，即Rs=O.1/IOUT,Rs選取0.16喙勺高精度電阻。Cin具有續(xù)流和濾波功能，選用50V/100uF電容。L1為鎮(zhèn)流電感，選取電感值為68且飽和電流為2A。D1是續(xù)流二極管，當芯片？部MOS管截止狀態(tài)時為儲存

12、在電感L1中的電流提供放電回路；由于工作在高頻狀態(tài)，D1選用正向壓降小且恢復速度快的肖特基二極管SS24,以有效降低系統(tǒng)功耗。LED恒流驅(qū)動電路如所示。4系統(tǒng)軟件設計5. 1系統(tǒng)主程序系統(tǒng)主程序主要包括初始化程序（包括定時器與外部中斷設置）、紅外碼值處理程序與鍵值識別散轉(zhuǎn)程序7。主程序流程如所示。6. 2紅外解碼中斷程序紅外解碼中斷程序用于完成對遙控器發(fā)出一幀脈沖的各個高、低脈沖時間的計時與存儲，以便在紅外碼值處理程序中通過分析各個脈沖的時間實現(xiàn)對紅外編碼的二進制解碼。當遙控器無鍵按下時，即紅外接收器HS0038在沒有接收紅外信號，其OUT端輸出高電平；當遙控器有鍵按下時，0?和，1?編碼中的

13、高電平經(jīng)紅外接收器HS0038倒相后輸出低電平。由于HS0038的OUT端與單片機的外部中斷INTO引腳相連,將會觸發(fā)單片機中斷（即設置為負跳變沿觸發(fā)中斷。一旦系統(tǒng)檢測到紅外脈沖中的高電平信號，即觸發(fā)INTO中斷，定時器T0開始計時（定時時間為250us,以定時器T0溢出中斷記錄每次脈沖期間定時器溢出的次數(shù)；到下一個高電平脈沖到來時，即再次產(chǎn)生中斷時，先將定時器溢出次數(shù)取出，然后將溢出次數(shù)清零后再重新記錄。通過定時器溢出次數(shù)判斷每次中斷與上一次中斷之間的時間間隔（時間間隔即為定時器溢出次數(shù)與250us的乘積），便可判斷接收到的是引導碼、編碼,0?或，1?。在中斷程序中，首先判斷并跳過持續(xù)9nl

14、s的引導碼，然后依次采集存儲32位脈沖編碼時間。紅外解碼中斷流程如所示。定時器計時流程如所示。7. 3紅外碼值處理程序紅外碼值處理程序主要完成對紅外編碼的解碼處理，通過對一幀紅外編碼中32位脈沖編碼時間的分析處理，判斷其對應,0?或，1?的二進制編碼，從而確定兩次8位用戶碼、8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼。從TC9012紅外編碼分析可知，“0編碼脈沖時間為L125ms,“1編碼脈沖時間為2.25ms。在實際程序處理中，應考慮由于遙控器晶振參數(shù)等原因存在的誤差，故定時器T0溢出次數(shù)值取7（即1.75ms）作為,0?或，1?編碼的判斷標準。當溢出次數(shù)小于7時則判斷為，0?編碼，當溢出次數(shù)大于7時則判

15、斷為，1?編碼，并將該32位二進制編碼按4個字節(jié)處理分別得出用戶碼、數(shù)據(jù)碼以及數(shù)據(jù)反碼，其中數(shù)據(jù)碼即代表實際按下的紅外遙控器鍵值信息?？衫脝纹瑱C將解碼出的鍵值數(shù)據(jù)碼通過數(shù)碼管顯示，通過得出遙控器鍵值與數(shù)據(jù)碼的對應關系，以便用于鍵值識別散轉(zhuǎn)程序的判斷處理，具體鍵值解碼結(jié)果，本文不再贅述。紅外碼值處理流程如所示。8. 4鍵值識別散轉(zhuǎn)程序鍵值識別散轉(zhuǎn)程序用于對正確接收下來的紅外發(fā)射器鍵值編碼進行識別散轉(zhuǎn)處理，在判斷用戶碼正確的前提下，根據(jù)不同的按鍵數(shù)據(jù)碼控制生成對應的PWM信號，以實現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)功能。本程序采用紅外遙控器的09按鍵作為LED的110級亮度的選擇按鍵，并將遙控器開關鍵作為LED的

16、關閉按鍵。鍵值識別散轉(zhuǎn)流程如所示。PWM脈沖信號則由單片機利用定時器T1中斷控制PL0口輸出產(chǎn)生，其輸出的高低電平輸入PT4115芯片DIM端以控制LED電流的通斷狀態(tài)，從而實現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。將定時器T1溢出中斷定為1/2500秒（即400IS每10次脈沖作為一個周期，即頻率為250HZ。這樣，在每1/250秒的方波周期中，通過改變方波的輸出占空比，從而實現(xiàn)LED燈的10級亮度調(diào)節(jié)，即LED亮度等級由每個周期內(nèi)的高電平脈沖數(shù)目決定，其中高電平脈沖數(shù)目由紅外遙控器鍵值確定，即09按鍵對應確定P10亮度等級數(shù)值。定時器T1生成PWM流程如所示。5實驗結(jié)果采用本文設計方案對一處家庭室內(nèi)壁燈進行替

17、換改造。原壁燈采用3只220V/20W鹵素燈，總功率約為60W;現(xiàn)壁燈采用本文大功率白光LED照明方案實現(xiàn)，最低功率（即LED最低亮度狀態(tài)）約為0.83肌最大功率（即LED最高亮度狀態(tài)）約為6.52肌相比于原鹵素燈照明系統(tǒng)可節(jié)約電能90%以上。鹵素燈與大功率LED實物對比如所示。實驗證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調(diào)光精確，高效節(jié)能，且紅外遙控功能方便快捷，用戶可根據(jù)需求靈活選擇不同等級的照明亮度。改造前后照明效果對比如所示。6結(jié)論本文設計的基于紅外遙控的大功率白光LED照明系統(tǒng)，采用AT89s51單片機為控制核心，運用恒流驅(qū)動方案與PWM調(diào)光技術以及紅外遙控技術實現(xiàn)對LED的多級調(diào)光控制。該照明系統(tǒng)具有控制電路簡單、亮度調(diào)節(jié)精確、高效節(jié)能、實用便捷等優(yōu)點，符合現(xiàn)代照明的應用要求。LED作為一種新型的綠色光源，必然是未來照明技術的發(fā)展趨勢，21世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代8。碩士畢業(yè)論文參考文獻1 黎平.LED驅(qū)動電源研究D重慶：重慶大學碩士學位論文，2007.2 周志敏，