基于單片機(jī)的智能照明控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)_說明書論文

1、 . . . 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）作 者:學(xué) 號(hào)：學(xué) 院:電子與電氣工程學(xué)院專業(yè):自動(dòng)化題 目:基于單片機(jī)的LED智能照明驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)-硬件部分28 / 33畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要摘要摘要：LED（即發(fā)光二極管）為半導(dǎo)體二極管的一種，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變成光能的工具。LED作為現(xiàn)代化新型照明燈具和設(shè)施，它集體積小、耗能低、使用壽命長和綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)于一身。LED陣列，控制電路和驅(qū)動(dòng)電路這三部分構(gòu)成LED燈具，其中LED燈具的品質(zhì)和壽命與LED的驅(qū)動(dòng)電路性能有直接關(guān)系。所以在本次設(shè)計(jì)中LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)將十分重要。如今LED驅(qū)動(dòng)電路的功率因數(shù)低和效率低是主要的不足之處，它們分別

2、會(huì)造成諧波污染和降低電能利用。為了解決這些問題，本次設(shè)計(jì)將采取高效率和高功率因數(shù)的LED驅(qū)動(dòng)電路。為了能夠更好地利用電能，本次設(shè)計(jì)將利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能照明，使LED實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，合理的燈光調(diào)節(jié)將更加節(jié)約用電。最終本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了LED智能照明驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的硬件達(dá)成，而且系統(tǒng)運(yùn)行良好，結(jié)果表明各項(xiàng)功能與參數(shù)均滿足本次設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞 LED，單片機(jī)，開關(guān)電源，智能照明ABSTRACTABSTRACT：LED (light emitting diode) it is a semiconductor diode, can convert electric energyinto light energ

3、y. LED as a modern new lighting fixtures and facilities, which combines the advantages of small volume, low power consumption, long service life and environmental protection in a body.The LED array, control circuit and drive circuit which is composed of three parts ofLED lamp, which is directly rela

4、ted to driving circuit of LED lamp quality and lifewith LED. So in the design of LED driving circuit design will be very important.Now the LED drive circuit power factor is low and the low efficiency is the main shortage, which would cause harmonic pollution and reduce energy use. In order to solve

5、these problems, the design will take the high efficiency and high power factor LED drive circuit. In order to better use of electric power, this design will useintelligent lighting, enables the LED to achieve automatic control, reasonable light adjustment will be more save electricity.Finally, the c

6、omplete design of the intelligent lighting control and drive the hardware of the system, and the system is running well, the results show that the functions and parameters can meet the requirements of the design. Keywords: LED; single chip microcomputer; switching power supply; intelligent lighting

7、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要Title Microcontroller-based intelligent LED lighting and drive systemsAbstract :LED ( light-emitting diode ) is a semiconductor diode , is capable of converting an electric energy into light tool. LED lighting and a new modern facility , which combines small size, low power consumptio

8、n, long life and environmental protection and many other advantages in one.LED array , the control circuit and the driver circuit portion constituting the three LED lamps, where the quality and life of the LED driving circuit performance is directly related to LED lamps . Therefore, in this design t

9、he LED driving circuit design is very important .Today, the power factor LED driver circuit is low and inefficiency are major shortcomings, they will cause harmonic pollution and reduce energy use , respectively . To solve these problems , this design will take the high efficiency and high power fac

10、tor LED driver circuit . In order to be able to make better use of energy, this design will use MCU intelligent lighting , the LED to achieve automatic control , lighting adjustment will be more reasonable to conserve electricity .The final design and implementation of the hardware drivers and LED i

11、ntelligent lighting control system to achieve , and the system is running well , the results show that the various functions and parameters are designed to meet this requirement .Keywords LED， SCM ， switching power supply ，intelligent lighting目 錄 1緒論 11.1前言 11.1.1課題研究背景 11.1.2課題研究的目的與意義 21.2 LED照明 2

12、1.2.1發(fā)光原理 21.2.2光源特點(diǎn) 31.2.3優(yōu)點(diǎn) 41.3驅(qū)動(dòng)電路 41.3.1線性穩(wěn)壓電源41.3.2開關(guān)穩(wěn)壓電源 41.4智能照明 5 2開關(guān)穩(wěn)壓電源 52.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 52.1.1非隔離式 62.1.2隔離式 62.2開關(guān)電源的控制方式 92.2.1電壓控制模式102.2.2電流控制模式102.3開關(guān)電源的三種調(diào)制方式102.3.1脈沖寬度調(diào)制 112.3.2脈沖頻率調(diào)制112.3.3混合調(diào)制112.4功率因數(shù)校正11 2.5開關(guān)電源未來發(fā)展123驅(qū)動(dòng)電路133.1臨界導(dǎo)通式單級(jí)PFC反激式變換器原理133.2主電路設(shè)計(jì)143.2.1高頻變壓器設(shè)計(jì)143.2.2濾波電容器設(shè)計(jì)1

13、43.2.3主開關(guān)選擇153.2.4整流輸出二極管設(shè)計(jì)153.3控制電路設(shè)計(jì)163.3.1調(diào)節(jié)電路163.3.2并機(jī)均流電路163.3.3保護(hù)電路163.3.4誤差放大補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)164智能照明控制174.1單片機(jī)174.1.1單片機(jī)的選擇174.12晶振電路194.2熱釋電傳感器與處理電路194.2.1菲涅耳透鏡194.2.2熱釋電紅外傳感器204.2.3信號(hào)處理電路204.3遙控與手動(dòng)模塊224.3.1遙控發(fā)射電路224.3.2遙控接收電路234.3.3手動(dòng)調(diào)光244.4光控與時(shí)空模塊254.4.1光照檢測模塊254.4.2光控與時(shí)控的實(shí)現(xiàn)25 4.5繼電器輸出模塊26結(jié)論27 致28參考文獻(xiàn)

14、291 緒論1.1 前言 全球能源緊缺是當(dāng)今世界的熱議話題也是各個(gè)國家不得不面對(duì)的同一問題，所以節(jié)能一直是全球共同商討需要解決的問題。電能目前是世界上能源消耗的一大塊，而照明設(shè)施的耗電又在電能之中占據(jù)了較大的一塊，所以照明設(shè)施的節(jié)能極為重要。相比于其他發(fā)達(dá)國家，西歐與美國都早已在推行極具節(jié)能效果的照明設(shè)施，而我國的各類照明工具大多數(shù)仍舊使用低效率高耗能的燈具，由此可見，開發(fā)一種高效率低耗能的照明燈具迫在眉睫。 LED是目前綠色節(jié)能燈具中的佼佼者，是一種將電能到光能進(jìn)行轉(zhuǎn)化的固態(tài)半導(dǎo)體器件?，F(xiàn)在LED這種照明工具也是在全世界圍最普遍推廣的節(jié)能照明設(shè)施。LED這種新型節(jié)能綠色光源具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)

15、能、安全、壽命長等等。在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展中，這種高效低耗的照明工具必將取代傳統(tǒng)照明工具，其實(shí)在我們生活的周邊也可以明顯地感覺到這些變化。LED燈由驅(qū)動(dòng)電路、控制電路以與LED陣列組成，其中驅(qū)動(dòng)電路尤為重要，因?yàn)樗苯雨P(guān)系著LED燈具的使用壽命和電能的利用率?，F(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)電路效率低和功率因數(shù)低是存在的主要問題。所以本次設(shè)計(jì)將對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。我們將首先分析LED的照明原理，以此選擇合適的電源結(jié)構(gòu)，最后制定合適的方案來實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)。1.1.1 課題研究背景現(xiàn)如今人類社會(huì)文明得到飛速發(fā)展，在現(xiàn)代化的大城市中一棟棟高樓大廈整晚燈火通明，看上去大家會(huì)覺得燈火輝煌，現(xiàn)在的城市是如何的繁榮與繁華，卻不知道在這燈火

16、輝煌的身后是龐大的資源浪費(fèi)，不得不說這些行為給全世界的節(jié)能行動(dòng)帶來了巨大的壓力。我們不知道在整棟燈火通明的大樓里，是否真的需要如此之多的照明設(shè)施，如不需要為什么還亮著燈，原因何在。好在人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到能源的可貴，從開始效率極低的白熾燈到現(xiàn)在普遍的熒光燈，都是人們?yōu)楣?jié)約能源做出的貢獻(xiàn)。但是科技是不斷進(jìn)步的，現(xiàn)如今我們找到了更為節(jié)能高效的照明光源 - LED燈，它的出現(xiàn)引來一番新的研究熱潮。不僅如此，我們還將研究如何在無人為因素的情況下實(shí)現(xiàn)智能照明，當(dāng)然人為有效控制手段也必不可少。在高度文明社會(huì)的現(xiàn)在，我們?cè)缫巡粷M足于現(xiàn)在的照明控制系統(tǒng)，我們將追求智能化。什么是智能化，就是要求在幾乎沒有人為的干預(yù)下

17、，燈光能夠自動(dòng)地判別是否該實(shí)現(xiàn)照明。當(dāng)然也可以在人為條件下手動(dòng)調(diào)節(jié)光的亮度，或者不必制約于開關(guān)器件的位置，采用遙控方式來調(diào)節(jié)光亮。如此的話人們將不會(huì)由于遺忘關(guān)燈而導(dǎo)致巨大的電能浪費(fèi)，也可以因地制宜自我選擇光的亮度，同時(shí)還能提高管理效率并且節(jié)省一大筆開支。1.1.2 課題研究的目的與意義1） 節(jié)能是智能照明系統(tǒng)的永恒不變的突出優(yōu)點(diǎn)，它可以根據(jù)使用者的具體要求來實(shí)現(xiàn)照明，例如晚上小區(qū)的路燈，就可以設(shè)置時(shí)間段使其只有在晚上且感應(yīng)到人才能亮，人走后將延遲熄滅，在其他不同場合也可以根據(jù)自身的需要來手動(dòng)調(diào)節(jié)燈光，如果在不方便的情況下亦可采用遙控的方式來調(diào)節(jié)。這很大限度地節(jié)省了電能并同時(shí)增加了LED燈具使用

18、年限。2） 在以前的高樓大廈，為了防止有人遺忘關(guān)燈，公司時(shí)常會(huì)雇傭固定人員巡查大樓來檢查是否有人忘記關(guān)燈，這樣不僅效率低下而且會(huì)加大開支。而使用智能照明系統(tǒng)則極提高了管理效率，不用擔(dān)心有人遺忘關(guān)燈，智能照明時(shí)代的到來將會(huì)使人們的生活更加舒適。3） 為LED燈設(shè)計(jì)一個(gè)合格的驅(qū)動(dòng)電路也是極為重要，它將大大提高電能的使用效率并且減少對(duì)電網(wǎng)的污染，這將從更深的層次上來節(jié)約能源，這目前也是當(dāng)今研究的重點(diǎn)。1.2 LED照明1.2.1 發(fā)光原理LED核心部件是一塊半導(dǎo)體芯片，其中一端為負(fù)，另外一端則連到電源正極端，芯片用環(huán)氧樹脂封裝。半導(dǎo)體芯片由兩個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中一端是空穴占主體的P型半導(dǎo)體，另外一

19、端為主要都為電子N型半導(dǎo)體。當(dāng)兩種半導(dǎo)體連接起來時(shí)，將會(huì)構(gòu)成一個(gè)P-N結(jié)，當(dāng)晶片有電流流過時(shí)，電子將向P區(qū)移動(dòng)，在P區(qū)中電子會(huì)跟空穴發(fā)生復(fù)合，最后會(huì)將以光子的能量模式放出，LED所發(fā)光的顏色種類直接由P-N結(jié)的構(gòu)成材料所決定。1.2.2 光源特點(diǎn)VIOABCD工作 區(qū)反向死區(qū)擊穿區(qū)Vc 圖1-1LED的電壓與電流特性 LED的正向壓降變化幅度較大，由圖一可見曲線中工作區(qū)，較小的電壓變化可以引起大幅度的電流變化，從而引起LED燈亮度的大幅度變化，所以LED通常采用恒流驅(qū)動(dòng)。如果選擇使用恒壓電源驅(qū)動(dòng)則不能使LED燈發(fā)光亮度保持統(tǒng)一，且會(huì)較大的影響LED燈具自身的壽命與品質(zhì)。LED對(duì)溫度較為敏感，它

20、的發(fā)光亮度與工作溫度有直接關(guān)系，通常溫度越高，LED發(fā)光越弱；溫度越低，LED發(fā)光越強(qiáng)。圖1-2是發(fā)光亮度隨溫度變化的曲線，由圖可知，我們需要嚴(yán)格控制LED的工作溫度以便于得到較高的的亮度。同時(shí)溫度過高還會(huì)影響LED的主波長，如圖1-3所見。發(fā)光亮度100%95%90%85%80%75%70%2550751000125150 溫度(）圖1-2 LED亮度與溫度關(guān)系曲線圖3.02.52.01.51.00.50.0255075100125150波長（nm) 溫度(） 圖1-3 LED主波長與溫度關(guān)系曲線圖1.2.3 優(yōu)點(diǎn)LED優(yōu)點(diǎn)：綠色節(jié)能環(huán)保、電能與光能之間轉(zhuǎn)化效率極高、工作時(shí)需求電壓低（3V左

21、右）、使用時(shí)間長（可達(dá)10萬多小時(shí)）、自身體積較為小巧、反復(fù)開關(guān)不影響使用壽命、照明亮度很高、發(fā)出的熱量少、容易調(diào)光、堅(jiān)固實(shí)用、光束集中且穩(wěn)定、多種色彩、啟動(dòng)沒有延時(shí)。1.3 驅(qū)動(dòng)電路 驅(qū)動(dòng)電路是LED燈的動(dòng)力模塊，它的性能優(yōu)劣直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)。穩(wěn)壓電源一直都是作為LED燈的驅(qū)動(dòng)電路，而穩(wěn)壓電源則可以分為兩類：開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源。1.3.1 線性穩(wěn)壓電源線性穩(wěn)壓電源是指調(diào)整晶體管穩(wěn)壓電源的線性直流操作。電壓取樣電路、誤差放大器、輸出功率管和參考電壓電路等幾部分構(gòu)成了線性穩(wěn)壓電源。除此之外還包括一些比如保護(hù)電路和啟動(dòng)電路等。大致工作原理：取樣電阻在輸出電壓之中取樣，使其和參考電壓

22、之間相互比較，之后由誤差放大器將結(jié)果放大處理，通過改變調(diào)整管導(dǎo)通率的大小，保證輸出電壓的穩(wěn)定。 線性穩(wěn)壓電源缺點(diǎn)：效率低、發(fā)熱量大間接導(dǎo)致系統(tǒng)增加熱噪聲。 線性穩(wěn)壓電源優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度很快、噪音小、輸出紋波小、輸出電壓小于輸入電壓。1.3.2 開關(guān)穩(wěn)壓電源開關(guān)穩(wěn)壓電源，簡單地稱為開關(guān)電源，自從開關(guān)電源發(fā)明問世后，由于它的高效節(jié)能因而漸漸代替了初期的晶閘管相控電源與線性穩(wěn)壓電源?，F(xiàn)如今開關(guān)電源已經(jīng)在通信行業(yè)、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如今脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)得以飛速發(fā)展，使得電源的使用效率得到大幅度提高，能夠達(dá)到百分之八十甚至更高，而線性穩(wěn)壓電源只是約有百分之三十上下。當(dāng)前開關(guān)電源的應(yīng)

23、用越來越廣泛，相對(duì)的開關(guān)電源的進(jìn)一步改良設(shè)計(jì)也將更具挑戰(zhàn)。如今開關(guān)穩(wěn)壓電源被廣泛應(yīng)用于LED燈具的驅(qū)動(dòng)電源，所以必須保持恒電流輸出。因?yàn)長ED是電流驅(qū)動(dòng)元器件，它的前向電流決定了LED的亮度。恒電流源能夠保證避免由于輸入電壓產(chǎn)生的波動(dòng)而導(dǎo)致的電流波動(dòng)，進(jìn)而能夠使得LED光照強(qiáng)度不會(huì)改變。開關(guān)電源在恒壓輸出的基礎(chǔ)上，在輸出端加上恒流輸出模塊即可實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源的恒流與恒壓輸出。1.4 智能照明 當(dāng)代人們的生活水平越來越高，電氣照明工具早已作為最普通的光源進(jìn)入我們生活的每一個(gè)角落?，F(xiàn)如今的人們?cè)缫巡粷M足于普通的燈光照明，各式各樣的燈光效果能夠渲染出不一樣的氛圍，于是我們將追求更加智能化的燈光效果。

24、 在我們的周圍，我們總會(huì)發(fā)現(xiàn)無人的教室、停車場和馬路等等地方燈火通明，這就造成了資源的極大浪費(fèi)，在能源緊的今天我們不得不予以重視。所以我們要找尋一種智能照明的方式，讓各種燈光只有在需要的時(shí)候才工作，如此將能夠更好的節(jié)約資源。本次設(shè)計(jì)將會(huì)對(duì)智能照明進(jìn)行深入研究。2 開關(guān)穩(wěn)壓電源2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 主回路與控制回路兩部分構(gòu)成了開關(guān)穩(wěn)壓電源。主回路是開關(guān)電源中的功率電流流過的路徑。主回路基本包括了開關(guān)電源中的能量存儲(chǔ)裝置、電源濾波器、開關(guān)元件、整流器、脈沖變壓器等各種器件，還有負(fù)載端與電源輸入端。 開關(guān)電源控制回路普遍使用的是PWM調(diào)制制方法，通過由比較輸出信號(hào)與基準(zhǔn)，以此為準(zhǔn)則來判斷控制主回路里開關(guān)

25、導(dǎo)通與關(guān)斷的動(dòng)作。 開關(guān)穩(wěn)壓電源可以根據(jù)輸入輸出部分是否隔離分為隔離式和非隔離式這兩大類型。本次設(shè)計(jì)將采用隔離式。2.1.1 非隔離式開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入端和輸出端電氣是相通的，不存在電氣之間的隔離將其稱之為非隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。非隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往有升壓式電路、降壓式電路和升降壓式電路。 升壓式電路的輸出電壓比輸入電壓高；降壓式電路的輸出電壓則比輸入電壓低；升降壓式電路則可以根據(jù)需要輸出電壓或可以比輸入電壓高，或可以比輸入電壓低。 變換器具有三種工作模式：臨界導(dǎo)通模式、斷續(xù)導(dǎo)通工作模式和連續(xù)導(dǎo)電工作模式。連續(xù)導(dǎo)電工作模式中電感上的電流一直是連續(xù)的，其中每一個(gè)開關(guān)周期都只將一部分能量移到輸出電容。斷

26、續(xù)導(dǎo)通工作模式中電感能量將完全移送，也就是在每一個(gè)開關(guān)周期，轉(zhuǎn)換電感將從電源中獲得的能量全部送到輸出電容中。臨界導(dǎo)通模式狀態(tài)位于兩者之間，電感會(huì)在某一時(shí)刻電感能量和電流歸零。2.1.2 隔離式開關(guān)穩(wěn)壓電源輸入端與輸出端之間電氣的不相通稱之為隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它通過變壓器的磁耦合來實(shí)現(xiàn)能量的傳輸?shù)摹８鶕?jù)開關(guān)穩(wěn)壓電源變壓器兩側(cè)同名端的位置劃分，主要分為反激式和正激式。1） 正激式：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，能量通過電感或變壓器加給負(fù)載，而當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)則停止釋放能量。 輸出電壓的負(fù)載與瞬態(tài)控制性是正激式變換器的電壓輸出所具備的特性，所以運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，輸出電壓不會(huì)容易出現(xiàn)波動(dòng)。工作原理：如果當(dāng)變壓器初級(jí)線圈繞組

27、被施加直流電壓，則變壓器次級(jí)線圈繞組將會(huì)有功率輸出。圖2-1 單端正激DC/DC變換器主電路圖2-1是單端正激DC/DC變換器的工作原理圖，圖2-1中Ui為輸入電壓，K為控制開關(guān)，T為開關(guān)變壓器，C為儲(chǔ)能濾波電容，L為儲(chǔ)能濾波電感，D1為輸出二極管，D2為續(xù)流二極管，D3為削反峰二極管，R為負(fù)載電阻。正激式變壓器的一次與二次線圈的同名端在同一側(cè)。在其中控制改變開關(guān)K的占空比，能夠控制輸出電壓的均值，但是幅值不變。所以正激式變換器使用于穩(wěn)壓電源時(shí)，僅能夠使用輸出電壓平均值的輸出方法。圖2-2 正激式開關(guān)電源變壓器在正激式變壓器中實(shí)現(xiàn)礠復(fù)位的是N3線圈，所以它是不可省略的。當(dāng)開關(guān)管K被斷掉的一瞬間

28、，為了使勵(lì)磁磁場保持不變，變壓器的一級(jí)和二級(jí)線圈繞組會(huì)產(chǎn)生很大的的反電動(dòng)勢。為了保證這個(gè)過大的反電動(dòng)勢不會(huì)擊穿各種電子元器件，所以我們于開關(guān)穩(wěn)壓電源變壓器中添加了能夠?qū)⑵湮盏姆答伨€圈N3和一個(gè)削反峰二極管D3。當(dāng)開關(guān)管K導(dǎo)通，D3不通；而當(dāng)K斷開的一瞬間，由于線圈繞組N3的存在，在變壓器的一次側(cè)線圈繞組中的電流瞬間降為零，D3隨之導(dǎo)通，此時(shí)N3中流過的電流將會(huì)代替之前勵(lì)磁電流的作用，電流的方向與之前一樣，使得變壓器中的磁感應(yīng)強(qiáng)度從巔峰值降到剩磁所相對(duì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，這便是磁復(fù)位。圖2-3 正激式開關(guān)電源工作原理 上圖為二次側(cè)工作情況，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器工作正常，如上方左側(cè)圖所示；當(dāng)開關(guān)管

29、斷開時(shí)，因?yàn)镈1和磁復(fù)位的作用相當(dāng)于開路，其工作方式如上圖右側(cè)圖所示。圖2-4 正激變換器信號(hào)波形圖圖2-4是正激變換器中幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的電壓與電流波形圖。a)是變壓器二次側(cè)線圈繞組N2的整流電壓輸出波形圖，b)是變壓器二次側(cè)線圈繞組N3的整流電壓輸出波形圖，c)為通過變壓器一次側(cè)線圈繞組N1與二次側(cè)線圈繞組N3的電流波形圖。在Ton的期間，K是被接通的，電壓源Ui對(duì)N1繞組施加電壓，使得N1中有電流i1流過，所以N1線圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，此時(shí)次級(jí)線圈N2會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)感生電動(dòng)勢，并且給負(fù)載供能。開關(guān)管K關(guān)斷后，變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈中流過的電流變?yōu)榱?，為保持磁通的恒定，N3線圈繞組將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)

30、勵(lì)磁電流，其中電流的強(qiáng)弱將會(huì)隨著時(shí)間的推移而減小。2） 反激式：與正激式相反，K被接通，變壓器電感會(huì)存貯能量，只有K斷開，反激式變換器將會(huì)向負(fù)載供能。圖2-5 反激變換器的開關(guān)電源電路圖圖2-5為反激變換器的開關(guān)電源電路圖。Ui為輸入電壓，T為變壓器，K為開關(guān)管，D為二極管用來阻斷反向電流，C為儲(chǔ)能濾波電容。在Ton期間，輸入電壓會(huì)給初級(jí)線圈繞組施加電壓，使線圈繞組N1中有電流，與此同時(shí)兩端會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，相應(yīng)的線圈繞組N2也將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，但是兩個(gè)線圈的同名端沒有在同一側(cè)，所以二極管沒能夠被導(dǎo)通，所以變壓器的二次側(cè)是相當(dāng)于開路，沒有電流流過，之后變壓器開始儲(chǔ)能。當(dāng)開關(guān)管由接通變?yōu)閿嚅_的

31、瞬間，變壓器初級(jí)線圈中的電流突然變?yōu)榱悖捎诖磐ú荒軌蛲蛔?，所以在Toff期間，磁通將會(huì)由N2線圈繞組中電流產(chǎn)生的磁通來維持，N2中會(huì)有反激電流，變壓器將釋放能量，經(jīng)由二極管向電容和負(fù)載供能。圖2-6 臨界導(dǎo)通各點(diǎn)電壓當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷瞬間，線圈繞組N2產(chǎn)生了反激電流與電壓，假設(shè)此時(shí)N2線圈繞組直接接在負(fù)載電阻R上，將產(chǎn)生一個(gè)很大的脈沖。但因?yàn)镹2線圈繞組經(jīng)過了整流濾波，并且負(fù)載電阻R與濾波電容C的時(shí)間常數(shù)很大，所以輸出電壓穩(wěn)定。在開關(guān)管斷開期間，二次側(cè)電壓平穩(wěn)地向負(fù)載電阻R與電容C供能。開關(guān)管接通，變壓器二次側(cè)開路，一次側(cè)充能，電容C給負(fù)載電阻R放電。2.2 開關(guān)電源的控制方式在控制系統(tǒng)中，開關(guān)電

32、源的參考電壓與輸出電壓相比較，獲得的誤差信號(hào)表明了輸出電壓偏離參考電壓的方向與程度，控制器將會(huì)根據(jù)誤差調(diào)整控制量。如誤差是“+”，表明了輸出電壓低于參考電壓，控制器使其增加并提高到參考值輸出電壓；如果誤差為“-”，則與其相反。這樣的控制方式稱為反饋控制，它可以使開關(guān)電源的輸出電壓與參考電壓的相對(duì)誤差小于1%至0.5%，甚至更高。2.2.1 電壓控制模式如圖2-7所示反饋控制中系統(tǒng)僅出現(xiàn)一個(gè)電壓反饋控制環(huán)，所以稱之為電壓控制模式。 圖2-7 電壓反饋控制圖2-7是電壓控制模式的開關(guān)穩(wěn)壓電源反饋控制系統(tǒng)，它是較早出現(xiàn)的的一類控制模式，其最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但也有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)，它不能有效地控制

33、電流，當(dāng)電路過載或短路時(shí)，需要用過電流保護(hù)電路來停止工作，從而得以保護(hù)電路。2.2.2 電流模式控制由于電壓模式控制存在明顯缺點(diǎn)，于是研究并發(fā)明了電流模式控制方式。圖2-8為電流模式控制系統(tǒng)框圖，在電壓反饋控制環(huán)增加了電流反饋控制環(huán)，電壓控制器的給出信號(hào)會(huì)作為電流控制環(huán)的參考信號(hào)，由電流控制環(huán)設(shè)置一個(gè)上下限，由此可以有效地控制電路中的電流，起到保護(hù)電路的作用，并且實(shí)現(xiàn)恒流控制。圖2-8 電流模式控制2.3 開關(guān)電源的三種調(diào)制方式 按照時(shí)間比率控制原理，開關(guān)電源有三種調(diào)制方式，即脈沖寬度調(diào)制方式、脈沖頻率調(diào)制方式以與混合調(diào)制方式。2.3.1 脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制方式(PWM)，其開關(guān)周期是恒

34、定的，它由轉(zhuǎn)變脈沖信號(hào)的占空比方式，從而節(jié)制開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間，用此來改變變換器中的電流，達(dá)到控制輸出功率以與輸出電壓的目的。PWM調(diào)制方法是開關(guān)變換器中最廣泛使用的一種方法，它由反饋信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)之間得到的差值然后與部鋸齒波相比較，之后產(chǎn)生一個(gè)恒定頻率變寬的矩形波信號(hào)來控制開關(guān)管，并且能夠通過負(fù)載的調(diào)節(jié)來控制開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間，可得到保持平穩(wěn)的輸出電壓。2.3.2 脈沖頻率調(diào)制脈沖頻率調(diào)制方式（PFM）,其導(dǎo)通脈沖寬度保持恒定，由控制頻率的變化來控制開關(guān)的占空比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的掌控。輸出電壓的可調(diào)圍比較大，只需要很小的負(fù)載。因?yàn)闉V波電路要在比較寬的頻率之間工作，所以濾波器的體積較大，這是它的缺陷

35、之處。2.3.3 混合調(diào)制混合調(diào)制的開關(guān)工作頻率和脈沖寬度均不是固定的，全可以改變，是上述兩種調(diào)制方法的綜合體。在頻率變化圍較小的情況下，混合調(diào)制方式可以得到可調(diào)圍很大的輸出電壓。因此，這種方式很適合用于實(shí)驗(yàn)室電源。2.4 功率因數(shù)校正開關(guān)電源促進(jìn)了現(xiàn)代社會(huì)生活的極大進(jìn)步，然而相應(yīng)的也帶來了一些問題，例如諧波與對(duì)電網(wǎng)污染的問題。通常開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸入級(jí)采用不可控容性整流電路，這種電路優(yōu)缺點(diǎn)明顯，優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡單等，但同時(shí)缺點(diǎn)也很明顯，輸入的電流不是正弦波。其根本原因在于二極管整流電路不能夠控制輸入電流，當(dāng)供電電壓比電容電壓高時(shí)，此時(shí)二極管導(dǎo)通，反之則不導(dǎo)通，這就會(huì)形成電流脈沖。其解決辦法

36、就是壓制電流的脈沖幅度，讓其波形能夠接近于正弦波，我們將這種技術(shù)稱之為功率因數(shù)校正技術(shù)。此技術(shù)可以分為有源功率因數(shù)校正和無源功率因數(shù)校正兩種。1） 有源功率因數(shù)校正技術(shù) 有源功率因數(shù)校正這種電路采用全控開關(guān)器件，由其組成的開關(guān)電源能夠?qū)斎氲碾娏鞑ㄐ芜M(jìn)行有效控制，使其成為正弦波，由此其總諧波可以得到極大的降低，功率因數(shù)更是高達(dá)0.995，能夠很大的滿足如今實(shí)行的最為嚴(yán)厲的諧波標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)則，它的使用將會(huì)更加廣泛。但其電路較為復(fù)雜，成本略高，這也是人們不得不考慮的問題。2） 無源功率因數(shù)校正技術(shù) 此技術(shù)由電容與電感等組成的無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率因數(shù)校正，它經(jīng)由提高電流的導(dǎo)通角來增加功率因數(shù)。它于二極管整流電

37、路中補(bǔ)充添加加了電感和電容等一系列無源器件。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡易性能可靠，制作成本低。缺點(diǎn)是：體積重量大，功率因數(shù)只能提高到0.9左右，難以滿足現(xiàn)行諧波的標(biāo)準(zhǔn)限制。 圖2-9 無源功率因數(shù)校正電路2.5 開關(guān)電源未來發(fā)展1） 高頻化高頻化可以有效減小電源體積并且提高電源的功率，還可以很好地改善開關(guān)電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2） 高效率化 最近諧振、恒頻零開關(guān)以與零電流變換器等技術(shù)成為熱門的研究課題。這些技術(shù)在理論上可以使得損耗為零，可以使目前的電源轉(zhuǎn)換率提高10%左右。3） 無污染化由于功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使得功率因數(shù)獲得極大的提升，并且諧波對(duì)于電網(wǎng)造成的污染也極減少。我們?cè)贒C/DC變化器與輸入整

38、流之間加入了有源功率因數(shù)校正技術(shù)更是將功率因數(shù)接近于100%，輸入電流波形無限接近于正弦波而且與電壓能夠同相。4） 模塊化由于分布式供電系統(tǒng)的廣泛使用，電源將向模塊化方向發(fā)展。從而開關(guān)電源的可靠性得到提升而且節(jié)能高效。能夠以低電壓和低消耗向超高速集成電路供電；也可以同時(shí)用小功率模塊組成大功率電源得到大功率輸出。3 驅(qū)動(dòng)電路3.1臨界導(dǎo)通式單級(jí)PFC反激式變換器原理 如圖3-1，經(jīng)過全橋整流后，輸入的交流電流轉(zhuǎn)換得到脈動(dòng)直流電壓，之后由分壓電阻取樣作為乘法器的一個(gè)輸入信號(hào)。同樣的輸出電壓也會(huì)被分壓電阻取樣，經(jīng)過誤差放大器和基準(zhǔn)電壓放大比較，這樣也會(huì)得到一路信號(hào)作為乘法器的另一路輸入信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)

39、經(jīng)由乘法器處理得到的輸出信號(hào)將會(huì)成為PWM調(diào)制解調(diào)器的同相端輸入，反向端的輸入則為變壓器的一次側(cè)電流檢測信號(hào)。如果檢測的電流幅度值大于誤差放大器的放大電壓幅度值，PWM則會(huì)輸出低電平信號(hào)，導(dǎo)致觸發(fā)器發(fā)生復(fù)位，MOS管將會(huì)關(guān)斷，所以變壓器存儲(chǔ)的能量將會(huì)從二次側(cè)線圈繞組輸出。當(dāng)檢測到一次側(cè)線圈繞組電流為零時(shí)且電壓此刻翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器將輸出高電平，然后MOS管導(dǎo)通，此時(shí)一次側(cè)的線圈繞組中的電流開始上升。這樣將可以重復(fù)MOS管的接通與斷開動(dòng)作，使得電流波形跟隨整流之后的電壓波形，如此可以極大減少電流產(chǎn)生的諧波并且提高功率因數(shù)。圖3-1臨界導(dǎo)通式單級(jí)PFC反激變換器電路的原理圖3.2 主電路設(shè)計(jì)3.2.1

40、高頻變壓器設(shè)計(jì)1) 需要滿足初級(jí)與次級(jí)線圈的匝數(shù)比的要求。依據(jù)變壓器工作原理，如完全不考慮到線圈繞組的電阻，一次側(cè)與二次側(cè)的電壓比等于兩側(cè)匝數(shù)比。設(shè)變換器二次側(cè)匝數(shù)Ns，一次側(cè)匝數(shù)NP，最小輸入電壓Vin min，整流管的壓降VDF，輸出電壓Vo，最大占空比Dmax，對(duì)于單端反激變換器必須滿足：2) 符合磁不飽和的要求。設(shè)輸入變壓器初級(jí)線圈電壓方波值為Vin,匝數(shù)為N，磁通密度為B。匝數(shù)N和磁通密度B的關(guān)系式為：為了使得變壓器在占空比最大，輸入電壓最高時(shí)，要使變壓器磁芯仍然保持不飽和，對(duì)于單管單極性變換器，由上式可得：3） 滿足升溫與損耗最小要求。在設(shè)計(jì)時(shí)一次與二次線圈所占面積相等，可以使銅損

41、最??；合理選擇磁芯的工作頻率和工作磁感密度，可以使鐵損最小。4） 減小漏感。減小線圈繞組的厚度并加大其高度；減少匝數(shù)，使用低損耗、高Bm磁芯；在安全的條件下，盡可能使線圈絕緣厚度??；線圈繞組一律采用分層式交流繞組。5） 減小分布電容。線圈使用分段繞制；合理安排線圈極性從而減小電位差；絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)小。3.2.2 濾波電容器設(shè)計(jì)開關(guān)穩(wěn)壓電源絕大部分工作在矩形波或方波狀態(tài)下工作，因此會(huì)含有較多的諧波電流與電壓。在輸出端增加濾波電容則可以減小輸出電壓波紋。此濾波電容應(yīng)該具有較好的阻抗頻率特性，所以我們選用鋁電解電容。設(shè)f為開關(guān)頻率；PO是輸出功率;UO是輸出電壓；V是輸出紋波電壓。濾波電容滿

42、足下列表達(dá)式：3.2.3 主開關(guān)管選擇足夠快的開關(guān)速度、足夠大的耐壓值和足夠大的額定電流是選擇開關(guān)管的必要條件。本次設(shè)計(jì)中的開關(guān)管需要承受初級(jí)線圈開關(guān)管關(guān)斷時(shí)沖擊電壓、反射電壓和正向?qū)ǖ姆逯惦妷?。而開關(guān)管所能承受的電壓必須大于上述電壓的總和。同時(shí)開關(guān)管的開關(guān)速度要盡量快，因此關(guān)斷延遲時(shí)間和開通延遲時(shí)間都必須要短。3.2.4 整流輸出二極管設(shè)計(jì)1）選用正向壓降小的整流二極管，在反向額定電壓和正向額定電流滿足使用條件的情況下，選用正向壓降比較小的整流二極管可以大大提高效率并極為有效地減小損耗。2）反向恢復(fù)時(shí)間短，由于時(shí)間短有效地降低了二極管的發(fā)熱與損耗，并且減小了干擾與噪聲。3) 正向恢復(fù)電壓低

43、，可以減小開通損耗。4）反向漏電流小 ，反向漏電流過大會(huì)增加關(guān)斷損耗并且和反向額定電壓與溫度有關(guān)。5）額定電壓的選取6） 額定電流的選?。ǘ蝹?cè)占空比Ds=0.4）,二極管中的最大電流、電流有效值分別為：3.3 控制電路設(shè)計(jì)3.3.1 調(diào)節(jié)器電路調(diào)節(jié)器會(huì)將反饋量與給定量進(jìn)行運(yùn)算與比較，從而得到一個(gè)控制量。它的核心是運(yùn)算放大器，PWM控制器部一般都含有運(yùn)算放大器可以構(gòu)成調(diào)節(jié)器。3.3.2 并機(jī)均流電路開關(guān)電源能夠通過并機(jī)組成一個(gè)整體系統(tǒng)來獲得可靠性與更大的容量。在設(shè)計(jì)中，要注意考慮在聯(lián)機(jī)運(yùn)行時(shí)各個(gè)開關(guān)電源能夠均流運(yùn)行，且運(yùn)行時(shí)其中一個(gè)發(fā)生故障不影響其他模塊工作，可以采用運(yùn)算放大器構(gòu)造的均流電路。

44、3.3.3 保護(hù)電路保護(hù)電路的存在可以保證不損壞負(fù)載且自身電路不被損壞。自我保護(hù)功能：輸入欠壓與過壓，輸入過流等等。過載保護(hù)功能：輸出欠壓與輸出過壓等。圖3-1 輸入過電壓保護(hù)電路原理圖圖3-2 過電流檢測與鎖存電路3.3.4誤差放大補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)反饋環(huán)路一般不穩(wěn)定，為了讓反饋環(huán)路能夠穩(wěn)定可以加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。臨界導(dǎo)通模式可以提高功率因數(shù)，它的電壓環(huán)增益曲線穿越頻率低于輸入的電壓頻率值的一半，這樣可以使得誤差放大器的輸出信號(hào)基本不變。本次設(shè)計(jì)中有兩個(gè)電阻和一個(gè)電容來組成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，由功率因數(shù)和響應(yīng)時(shí)間來確定電阻與電容的選擇。4 智能照明控制智能照明的核心使用AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)由輸入的軟件來提供時(shí)

45、間控制信號(hào)，繼電器的吸合和復(fù)位接到開關(guān)電源電路中。 圖4-1 控制系統(tǒng)功能模塊4.1 單片機(jī) 單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱，它集諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，例如體積輕巧、成本低廉、使用方便、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。在諸多單片機(jī)類型中，MCS-51單片機(jī)是較有代表性的一種，在本次設(shè)計(jì)中所需要實(shí)現(xiàn)的功能都能達(dá)成。4.1.1 單片機(jī)的選擇本次將會(huì)使用AT89C51單片機(jī)來作為智能照明控制系統(tǒng)的主控芯片，此單片機(jī)屬于艾特梅爾公司生產(chǎn)的MCS-51系列。圖4-2 AT89C51單片機(jī)引腳圖AT89C51單片機(jī)各個(gè)引腳作用說明：VCC輸入電源電壓。GND連接到地。P0口八位漏極開路雙向I/O端口。P1口為自身提供的上拉電阻八

46、位雙向I/O端口。P2口在編程與校驗(yàn)的同時(shí)接能夠收高8位地址與控制信號(hào)。P3口八個(gè)自帶上拉電阻的雙方向I/O端口。P3口同時(shí)也能當(dāng)作某些特殊功能端口。P3.0 RXD串行輸入端口P3.4 T0計(jì)時(shí)器0的外部輸入P3.1 TXD串行輸出端口P3.5 T1計(jì)時(shí)器1的外部輸入P3.2 /INT0外部中斷0P3.6 /WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通P3.3 /INT1外部中斷1P3.7 /RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通RST復(fù)位輸入。ALE/PROG訪問外部存儲(chǔ)器的時(shí)候，地址鎖存同意輸出電平信號(hào)用來鎖存地址的低位字節(jié)。/PSEN外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。/EA/VPP保持低電平時(shí)與接地時(shí)，那么在此時(shí)僅訪問外部程序

47、存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH）。XTAL1反相振蕩放大器的輸入端口和部時(shí)鐘電路的輸入端口。XTAL2反相振蕩器輸出端口。4.1.2 晶振電路晶振在每一個(gè)單片機(jī)中都是具備的，其在單片機(jī)中具有很重要的作用，晶振電路提供時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的所有命令得到執(zhí)行都架構(gòu)在其基礎(chǔ)之上，同時(shí)單片機(jī)的運(yùn)行速率也和它息息相關(guān)。圖4-3 晶振電路與單片機(jī)的連接4.2 熱釋電傳感器與處理電路4.2.1 菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡，又名螺紋透鏡。大多是由聚烯烴壓成的薄片，其中一面是光面，另一面是從大到小的的同心圓。它在大多時(shí)刻作為紅外線的凸透鏡，效果較好。菲涅爾透鏡具有兩個(gè)作用：1.具備聚焦功能，可以把檢測到的紅外信號(hào)折射在P

48、IR上。2.將探測區(qū)劃分為數(shù)個(gè)暗區(qū)和明區(qū)，使進(jìn)入檢測圍的物體通過溫度變化的方式在紅外線探測器上產(chǎn)生一個(gè)變化的紅外信號(hào)。圖4-4信號(hào)輸出示意圖4.2.2 熱釋電紅外傳感器熱釋電傳感器可以很好地檢測人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)加以檢測。熱釋電傳感器成本低廉而且靈敏度高，它本身沒有任何類型輻射隱蔽性也較好。如果加安菲涅爾透鏡則可以進(jìn)一步提高其檢測圍與靈敏度。這種感器的輸出信號(hào)變化較為緩慢，所以不能夠被直接作為控制信號(hào)，因此需要一個(gè)信號(hào)處理電路將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠被單片機(jī)識(shí)別的信號(hào)。 圖4-5 人體熱釋電檢測電路框圖4.2.3 信號(hào)處理電路由熱釋電傳感器的產(chǎn)生輸出信號(hào)用BIS0001來進(jìn)行處理

49、，它由運(yùn)放電路、電壓比較器、延遲時(shí)間定時(shí)器與狀態(tài)控制器等組成。其引腳圖如下圖4-6 BIS001引腳圖1） 管腳說明：引腳編 號(hào)名稱I/O口引腳說明1AI能夠重復(fù)觸發(fā)與不能重復(fù)觸發(fā)的選擇端口。如A的輸入信號(hào)是“1”，則重復(fù)觸發(fā)；相反，則不可以重復(fù)觸發(fā)。2VOO控制信號(hào)的輸出端口。3RR1-輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端口。4RC1-功能與RR1一樣。5RC2-觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端口。6RR2-功能與RC2一樣。7VSS-芯片工作時(shí)電源的負(fù)端。8VRFI參考電壓和復(fù)位的輸入端口。通常會(huì)接到VDD，要是定時(shí)器復(fù)位可使其接“0”信號(hào)。9VCI觸發(fā)的禁止端口。如果Vc小于VR則禁止觸發(fā)發(fā)生；如果Vc大于

50、VR時(shí)則允許觸發(fā)發(fā)生。10IB-運(yùn)放器的偏置電流的設(shè)置端口。11VDD-芯片工作時(shí)電源的正極。122OUTO第二級(jí)運(yùn)放器的輸出端口。132IN-第二級(jí)運(yùn)放器的反相輸入端口。141IN+第一級(jí)運(yùn)放器的同相輸入端口。151IN-第一級(jí)運(yùn)放器的反相輸入端口。161OUT第一級(jí)運(yùn)放器的輸出端口。2） 信號(hào)處理電路圖圖4-7 熱釋電紅外開關(guān)應(yīng)用電路圖圖4-6中，運(yùn)放器OP1會(huì)將傳感器給出的信號(hào)進(jìn)行一級(jí)放大，之后傳輸?shù)竭\(yùn)放器OP2二級(jí)放大，二級(jí)放大后由兩個(gè)電壓比較器處理信號(hào)，當(dāng)檢測出觸發(fā)信號(hào)，延遲定時(shí)器將會(huì)被啟動(dòng)，輸出信號(hào)再由T1放大將繼電器J1接通。R3用來檢測周圍環(huán)境的亮度，其為光敏電阻。如果周圍環(huán)境較為明亮，則R3阻值下降，芯片9號(hào)腳接收到低電平信號(hào)使得封鎖觸發(fā)信號(hào)。4.3 遙控與手動(dòng)模塊4.3.1 遙控發(fā)射電路本次設(shè)計(jì)使用BA5104進(jìn)行紅外遙控，它工作時(shí)既可靠又穩(wěn)定且沒有必要另外增加電源開關(guān)。圖4-8 BA5104引腳圖BA5104引