基于紅外遙控的大功率LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008）摘要：LED（發(fā)光二極管）作為一種新型光源，由于具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，并成為照明領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種以AT89S51單片機(jī)為核心的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(dòng)方案與PWM 調(diào)光方式，并運(yùn)用紅外遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 光源的多級(jí)亮度調(diào)節(jié)。本文詳細(xì)給出系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明，該大功率LED 照明系統(tǒng)穩(wěn)定高效，控制便捷，在普通照明應(yīng)用中具有較好的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；大功率LED；PWM調(diào)光；紅外遙控中圖分類(lèi)號(hào)：TP368Desi

2、gn of High-power LED Lighting System Based onInfrared Remote Control TechnologyWang Feng, Liu Yi, He Zhiyuan(School of Information and Electrical Engineering,CUMT,JiangSu XuZhou 221008 Abstract: LED(light emitting diode as the new light source has the merits of energy efficiency, environmental frien

3、dly and longer lifespan, which has developed rapidly in recent years and become the study hotspot in the field of lighting. A high-power white LED lighting system based on AT89S51 single chip computer is presented, which adopts PT4115 as LED constant current drive and infrared remote control technol

4、ogy to achive PWM dimming. The paper also provides the hardware and softerware designing procedures in details. Through experiment, the high-power LED lighting system is proved to be more efficient and convenient, which has the good practical value in the application field for lighting.Keywords:sing

5、le chip computer;high-power LED;PWM dimming;infrared remote control0 引言目前，照明是我國(guó)能源消耗的重要方面，每年的照明用電約為3000億千瓦時(shí)，約占發(fā)電總量的12%。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的照明用電將有大比例的提高；同時(shí)，隨著能源危機(jī)和環(huán)保問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，我國(guó)照明產(chǎn)業(yè)也必須走綠色節(jié)能的發(fā)展道路1。LED 是一種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體發(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(yīng)用前景舉世矚目，尤其高亮度的白光LED 的開(kāi)發(fā)成功，使得LED 在照明領(lǐng)域得以推廣應(yīng)用，也必然引起照明領(lǐng)域一場(chǎng)新的革命。與現(xiàn)行白熾燈、熒光燈等

6、照明設(shè)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1/2）、壽命長(zhǎng)（數(shù)萬(wàn)小時(shí)以上，為熒光燈的10倍）、體積小、無(wú)污染、反應(yīng)速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是被業(yè)界看好在未來(lái)可替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力產(chǎn)品2。同時(shí)，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(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代照明的實(shí)際需求。因此，本文設(shè)計(jì)了一種以AT89S51單片機(jī)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(dòng)方案與紅外遙控技術(shù)，通過(guò)對(duì)一款基于TC9012紅外遙控器的按鍵編碼識(shí)別與解碼處理，可紅外遙控實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 光源的多級(jí)PWM 調(diào)光功能。本設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的同時(shí)，也

7、為實(shí)際照明應(yīng)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(jī)為主控芯片，選用3只3W 大功率白光LED 為光源，采用PT4115芯片實(shí)現(xiàn)LED 恒流驅(qū)動(dòng)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)框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 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(jià)格低廉，且發(fā)射編碼多，可控制實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 光源亮度的多級(jí)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(jī)識(shí)別的TTL 信號(hào)；紅外遙控信息處理則由單片機(jī)AT89S51實(shí)現(xiàn)，

8、其主要完成對(duì)遙控器發(fā)出的紅外編碼進(jìn)行識(shí)別與解碼，然后根據(jù)解碼結(jié)果產(chǎn)生遙控器鍵值所對(duì)應(yīng)的PWM 調(diào)光信號(hào)，從而控制PT4115恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)LED 多級(jí)調(diào)光功能。2 系統(tǒng)原理2.1 PWM調(diào)光原理從LED 伏安特性及數(shù)學(xué)模型可知，LED 在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動(dòng)將引起LED 電流的較大波動(dòng)，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(zhǎng)期工作在大電流下將嚴(yán)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(guān)，所以LED 驅(qū)動(dòng)電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動(dòng)的情況下宜采用恒流驅(qū)動(dòng)方式3。在實(shí)際應(yīng)用中，LED 調(diào)節(jié)亮度一般采用

9、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(duì)比如圖2所示。模擬調(diào)光是通過(guò)改變流過(guò)LED 電流的大小來(lái)調(diào)整光效的，除了亮度會(huì)改變以外，也會(huì)影響LED 的光效質(zhì)量，即電流變化必然導(dǎo)致LED 的色度偏差。PWM 基本原理是保持LED 正向?qū)娏骱愣ǎㄟ^(guò)控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例，可以實(shí)現(xiàn)從0到100%范圍的亮度調(diào)節(jié)。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢(shì)是LED 正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ?，LED 的色度就不會(huì)像模擬調(diào)光一樣會(huì)變化；在精確控制LED 的亮度的同時(shí)，也保證LED 發(fā)光的色度。為了避免人眼能夠看到LED 的導(dǎo)通和關(guān)斷，而感覺(jué)到燈光閃爍，PWM 調(diào)光的頻率要高于100Hz ，由于人眼的

10、視覺(jué)殘留效應(yīng)，眼睛就會(huì)對(duì)導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間內(nèi)的亮度進(jìn)行平均，僅僅看到由PWM 占空比決定的有效亮度。對(duì)于PWM 調(diào)光頻率設(shè)置在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。中國(guó) 科技論文在線 2.2 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積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品(家用電器、玩具、通信設(shè)備 中普遍采用紅外遙控。若能將紅外遙控器的按鍵編碼進(jìn)行識(shí)別與解碼，并用作單片機(jī)系統(tǒng)的輸入處理信號(hào)，則解決了常規(guī)矩陣鍵盤(pán)線路板過(guò)大、布線復(fù)雜、占用I/O口過(guò)多的弊病；而且使用遙控器，可實(shí)現(xiàn)人對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)距離操作控制，使用更加便捷高效。本設(shè)計(jì)采用一款基于TC9012芯片的電視機(jī)遙控器作為

11、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(lái)實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制信息的編碼，其發(fā)射編碼格式由引導(dǎo)碼、用戶(hù)碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼和結(jié)束碼構(gòu)成。引導(dǎo)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)中含有32位碼，包含兩次8位用戶(hù)碼，8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼，用戶(hù)碼用于區(qū)分不同類(lèi)型的紅外遙控設(shè)備，數(shù)據(jù)碼即代表實(shí)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(guò)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)射碼的格式如圖3所示。 圖3 TC9012的發(fā)射碼格式紅外二進(jìn)制編碼信息0與1分別

12、由毫秒量級(jí)的高低脈沖組合實(shí)現(xiàn)。以脈寬0.56ms 、間隔0.565ms 、周期為1.125ms 的組合表示二進(jìn)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(hào)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(jìn)制參數(shù)“0”和“1”如圖4所示4。 圖4 數(shù)據(jù)0與數(shù)據(jù)1參數(shù)圖紅外二進(jìn)制信號(hào)的解調(diào)由一體化紅外接收器HS0038來(lái)完成。對(duì)于接收端而言，當(dāng)無(wú)紅外脈沖信號(hào)時(shí)HS0038的數(shù)據(jù)輸出OUT 端輸出高電平，當(dāng)有高脈沖紅外信號(hào)時(shí)OUT 端輸出為低電平，故其輸出信號(hào)電平正好與發(fā)射端相反。這一點(diǎn)在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以注意。 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

13、3.1 單片機(jī)主控系統(tǒng)本設(shè)計(jì)主控系統(tǒng)采用ATMEL 公司的高性能單片機(jī)AT89S51實(shí)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(jī)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(jī)P1.0口作為PWM 信號(hào)的輸出端并連接PT4115芯片DIM 端，用于實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)光控制。單片機(jī)通過(guò)對(duì)紅外遙控器09按鍵以及開(kāi)關(guān)按鍵紅外編碼的識(shí)別與解碼，并根據(jù)解碼結(jié)果產(chǎn)生鍵值對(duì)應(yīng)的PWM 信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)LED 實(shí)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(gè)30PF 電容組成；復(fù)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)電路如圖

14、5所示5。 圖5 單片機(jī)主控系統(tǒng)電路圖3.2 基于PT4115的恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本設(shè)計(jì)LED 光源采用基于PT4115的大功率恒流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。PT4115是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源芯片，其具有以下特點(diǎn)：6V30V寬電壓范圍輸入；輸出電流可達(dá)1.2A ；復(fù)用DIM 引腳進(jìn)行LED 開(kāi)關(guān)、模擬調(diào)光、PWM 調(diào)光；輸出電流精度達(dá)5；轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97；LED 開(kāi)路保護(hù)；輸出可調(diào)的恒流控制方法；內(nèi)部含有抖頻特性，極大的改善EMI 。該芯片適合用于各類(lèi)綠色照明LED 燈的驅(qū)動(dòng)電路，應(yīng)用電路簡(jiǎn)潔，所需外部元器件較少且價(jià)格低廉6。PT4115通過(guò)芯片上的DIM 端，可以方便的進(jìn)行模擬或PWM 調(diào)光。本設(shè)

15、計(jì)采用PWM 調(diào)光方式，通過(guò)在DIM 引腳加入可變占空比的方波脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電流以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。當(dāng)方波電壓幅值低于0.3 V時(shí)關(guān)斷LED 電流，高于2.5 V（且低于5V ）時(shí)完全開(kāi)啟LED 電流。該條件下電流輸出值I OUT 計(jì)算公式為：I OUT =（0.1D）/ Rs (D為方波信號(hào)占空比，Rs 為限流電阻本設(shè)計(jì)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(dá)150lm 。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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：確定輸入電壓Vin 值，當(dāng)Vin 與負(fù)載電壓差值在1.5V 左右時(shí)工作效率較高，由于3只LED 負(fù)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(dòng)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(guò)大，本文驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按LED 工作電流I OUT =625mA設(shè)計(jì)，即Rs=0.1/IOUT ，Rs 選取0.16的高精度電阻。C in 具有續(xù)流和