基于单片机的LED智能照明驱动及控制系统

淮阴工学院

毕业设计说明书（论文）

作者: 杨家平学号：1101205412

学院: 电子与电气工程学院

专业: 自动化

题目: 基于单片机的LED智能照明驱动及控制

系统

-硬件部分

指导者：

(姓名) (专业技术职务)

评阅者：

(姓名) (专业技术职务)

2014 年 6 月

张涛讲师

毕业设计说明书（论文）中文摘要

毕业设计说明书（论文）外文摘要

目录

1绪论 (1)

1.1前言 (1)

1.1.1课题研究背景 (1)

1.1.2课题研究的目的及意义 (2)

1.2 LED照明 (2)

1.2.1发光原理 (2)

1.2.2光源特点 (3)

1.2.3优点 (4)

1.3驱动电路 (4)

1.3.1线性稳压电源 (4)

1.3.2开关稳压电源 (4)

1.4智能照明 (5)

2开关稳压电源 (5)

2.1拓扑结构 (5)

2.1.1非隔离式 (6)

2.1.2隔离式 (6)

2.2开关电源的控制方式 (9)

2.2.1电压控制模式 (10)

2.2.2电流控制模式 (10)

2.3开关电源的三种调制方式 (10)

2.3.1脉冲宽度调制 (11)

2.3.2脉冲频率调制 (11)

2.3.3混合调制 (11)

2.4功率因数校正 (11)

2.5开关电源未来发展 (12)

3驱动电路 (13)

3.1临界导通式单级PFC反激式变换器原理 (13)

3.2主电路设计 (14)

3.2.1高频变压器设计 (14)

3.2.2滤波电容器设计 (14)

3.2.3主开关选择 (15)

3.2.4整流输出二极管设计 (15)

3.3控制电路设计 (16)

3.3.1调节电路 (16)

3.3.2并机均流电路 (16)

3.3.3保护电路 (16)

3.3.4误差放大补偿网络 (16)

4智能照明控制 (17)

4.1单片机 (17)

4.1.1单片机的选择 (17)

4.1．2晶振电路 (19)

4.2热释电传感器及处理电路 (19)

4.2.1菲涅耳透镜 (19)

4.2.2热释电红外传感器 (20)

4.2.3信号处理电路 (20)

4.3遥控与手动模块 (22)

4.3.1遥控发射电路 (22)

4.3.2遥控接收电路 (23)

4.3.3手动调光 (24)

4.4光控与时空模块 (25)

4.4.1光照检测模块 (25)

4.4.2光控与时控的实现 (25)

4.5继电器输出模块 (26)

结论 (27)

致谢 (28)

参考文献 (29)

1 绪论

1.1 前言

全球能源紧缺是当今世界的热议话题也是各个国家不得不面对的同一问题，所以节能一直是全球共同商讨需要解决的问题。电能目前是世界上能源消耗的一大块，而照明设施的耗电又在电能之中占据了较大的一块，所以照明设施的节能极为重要。相比于其他发达国家，西欧与美国都早已在推行极具节能效果的照明设施，而我国的各类照明工具大多数仍旧使用低效率高耗能的灯具，由此可见，开发一种高效率低耗能的照明灯具迫在眉睫。

LED是目前绿色节能灯具中的佼佼者，是一种将电能到光能进行转化的固态半导体器件。现在LED这种照明工具也是在全世界范围内最普遍推广的节能照明设施。LED这种新型节能绿色光源具有诸多优点，如节能、安全、寿命长等等。在现代社会的发展中，这种高效低耗的照明工具必将取代传统照明工具，其实在我们生活的周边也可以明显地感觉到这些变化。

LED灯由驱动电路、控制电路以及LED阵列组成，其中驱动电路尤为重要，因为它直接关系着LED灯具的使用寿命和电能的利用率。现在的驱动电路效率低和功率因数低是存在的主要问题。所以本次设计将对其进行优化。

我们将首先分析LED的照明原理，以此选择合适的电源结构，最后制定合适的方案来实现LED驱动。

1.1.1 课题研究背景

现如今人类社会文明得到飞速发展，在现代化的大城市中一栋栋高楼大厦整晚灯火通明，看上去大家会觉得灯火辉煌，现在的城市是如何的繁荣与繁华，却不知道在这灯火辉煌的身后是庞大的资源浪费，不得不说这些行为给全世界的节能行动带来了巨大的压力。我们不知道在整栋灯火通明的大楼里，是否真的需要如此之多的照明设施，如不需要为什么还亮着灯，原因何在。好在人们早已认识到能源的可贵，从开始效率极低的白炽灯到现在普遍的荧光灯，都是人们为节约能源做出的贡献。但是科技是不断进步的，现如今我们找到了更为节能高效的照明光源 -LED灯，它的出现引来一番新的研究热潮。不仅如此，我们还将研究如何在无人为因素的情况下实现智能照明，当然人为有效控制手段也必不可少。

在高度文明社会的现在，我们早已不满足于现在的照明控制系统，我们将追求智

能化。什么是智能化，就是要求在几乎没有人为的干预下，灯光能够自动地判别是否该实现照明。当然也可以在人为条件下手动调节光的亮度，或者不必制约于开关器件的位置，采用遥控方式来调节光亮。如此的话人们将不会由于遗忘关灯而导致巨大的电能浪费，也可以因地制宜自我选择光的亮度，同时还能提高管理效率并且节省一大笔开支。

1.1.2 课题研究的目的及意义

1）节能是智能照明系统的永恒不变的突出优点，它可以根据使用者的具体要求来实现照明，例如晚上小区的路灯，就可以设置时间段使其只有在晚上且感应到人才能亮，人走后将延迟熄灭，在其他不同场合也可以根据自身的需要来手动调节灯光，如果在不方便的情况下亦可采用遥控的方式来调节。这很大限度地节省了电能并同时增加了LED灯具使用年限。

2）在以前的高楼大厦，为了防止有人遗忘关灯，公司时常会雇佣固定人员巡查大楼来检查是否有人忘记关灯，这样不仅效率低下而且会加大开支。而使用智能照明系统则极大地提高了管理效率，不用担心有人遗忘关灯，智能照明时代的到来将会使人们的生活更加舒适。

3）为LED灯设计一个合格的驱动电路也是极为重要，它将大大提高电能的使用效率并且减少对电网的污染，这将从更深的层次上来节约能源，这目前也是当今研究的重点。

1.2 LED照明

1.2.1 发光原理

LED核心部件是一块半导体芯片，其中一端为负，另外一端则连到电源正极端，芯片用环氧树脂封装。半导体芯片由两个半导体结构构成，其中一端是空穴占主体的P型半导体，另外一端为主要都为电子N型半导体。当两种半导体连接起来时，将会构成一个P-N结，当晶片有电流流过时，电子将向P区移动，在P区中电子会跟空穴发生复合，最后会将以光子的能量模式放出，LED所发光的颜色种类直接由P-N结的构成材料所决定。

1.2.2 光源特点

图1-1 LED 的电压与电流特性

LED 的正向压降变化幅度较大，由图一可见曲线中工作区内，较小的电压变化可以引起大幅度的电流变化，从而引起LED 灯亮度的大幅度变化，所以LED 通常采用恒流驱动。如果选择使用恒压电源驱动则不能使LED 灯发光亮度保持统一，且会较大的影响LED 灯具自身的寿命与品质。

LED 对温度较为敏感，它的发光亮度与工作温度有直接关系，通常温度越高，LED 发光越弱；温度越低，LED 发光越强。图1-2是发光亮度随温度变化的曲线，由图可知，我们需要严格控制LED 的工作温度以便于得到较高的的亮度。同时温度过高还会影响LED 的主波长，如图1-3所见。

温度(℃）

图1-2 LED 亮度与温度关系曲线图

发 光 亮 度 100% 95% 90% 85% 80%

75% 70% 25 50 75 100125 150

温度(℃）

图1-3 LED 主波长与温度关系曲线图

1.2.3 优点

LED 优点：绿色节能环保、电能与光能之间转化效率极高、工作时需求电压低（3V 左右）、使用时间长（可达10万多小时）、自身体积较为小巧、反复开关不影响使用寿命、照明亮度很高、发出的热量少、容易调光、坚固实用、光束集中且稳定、多种色彩、启动没有延时。 1.3 驱动电路

驱动电路是LED 灯的动力模块，它的性能优劣直接影响到整个系统的品质。稳压电源一直都是作为LE D 灯的驱动电路，而稳压电源则可以分为两类：开关稳压电源和线性稳压电源。

1.3.1 线性稳压电源

线性稳压电源是指调整晶体管稳压电源的线性直流操作。电压取样电路、误差放大器、输出功率管和参考电压电路等几部分构成了线性稳压电源。除此之外还包括一些比如保护电路和启动电路等。大致工作原理：取样电阻在输出电压之中取样，使其和参考电压之间相互比较，之后由误差放大器将结果放大处理，通过改变调整管导通率的大小，保证输出电压的稳定。

线性稳压电源缺点：效率低、发热量大间接导致系统增加热噪声。

线性稳压电源优点：响应速度很快、噪音小、输出纹波小、输出电压小于输入电压。

1.3.2 开关稳压电源

开关稳压电源，简单地称为开关电源，自从开关电源发明问世后，由于它的高效3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

0.5 0.0

25

50 75 100 125 150 波长

（nm)

节能因而渐渐代替了初期的晶闸管相控电源与线性稳压电源。现如今开关电源已经在通信行业、电子与计算机技术等相关领域广泛应用。如今脉宽调制（PWM）技术得以飞速发展，使得电源的使用效率得到大幅度提高，能够达到百分之八十甚至更高，而线性稳压电源只是约有百分之三十上下。当前开关电源的应用越来越广泛，相对的开关电源的进一步改良设计也将更具挑战。

如今开关稳压电源被广泛应用于LED灯具的驱动电源，所以必须保持恒电流输出。因为LED是电流驱动元器件，它的前向电流决定了LED的亮度。恒电流源能够保证避免由于输入电压产生的波动而导致的电流波动，进而能够使得LED光照强度不会改变。开关电源在恒压输出的基础上，在输出端加上恒流输出模块即可实现开关稳压电源的恒流与恒压输出。

1.4 智能照明

当代人们的生活水平越来越高，电气照明工具早已作为最普通的光源进入我们生活的每一个角落。现如今的人们早已不满足于普通的灯光照明，各式各样的灯光效果能够渲染出不一样的氛围，于是我们将追求更加智能化的灯光效果。

在我们的周围，我们总会发现无人的教室、停车场和马路等等地方灯火通明，这就造成了资源的极大浪费，在能源紧张的今天我们不得不予以重视。所以我们要找寻一种智能照明的方式，让各种灯光只有在需要的时候才工作，如此将能够更好的节约资源。本次设计将会对智能照明进行深入研究。

2 开关稳压电源

2.1 拓扑结构

主回路与控制回路两部分构成了开关稳压电源。

主回路是开关电源中的功率电流流过的路径。主回路基本包括了开关电源中的能量存储装置、电源滤波器、开关元件、整流器、脉冲变压器等各种器件，还有负载端与电源输入端。

开关电源控制回路普遍使用的是PWM调制制方法，通过由比较输出信号与基准，以此为准则来判断控制主回路里开关导通与关断的动作。

开关稳压电源可以根据输入输出部分是否隔离分为隔离式和非隔离式这两大类型。本次设计将采用隔离式。

2.1.1 非隔离式

开关稳压电源的输入端和输出端电气是相通的，不存在电气之间的隔离将其称之为非隔离式拓扑结构。非隔离式拓扑结构往往有升压式电路、降压式电路和升降压式电路。

升压式电路的输出电压比输入电压高；降压式电路的输出电压则比输入电压低；升降压式电路则可以根据需要输出电压或可以比输入电压高，或可以比输入电压低。

变换器具有三种工作模式：临界导通模式、断续导通工作模式和连续导电工作模式。连续导电工作模式中电感上的电流一直是连续的，其中每一个开关周期都只将一部分能量移到输出电容。断续导通工作模式中电感能量将完全移送，也就是在每一个开关周期内，转换电感将从电源中获得的能量全部送到输出电容中。临界导通模式状态位于两者之间，电感会在某一时刻电感能量和电流归零。

2.1.2 隔离式

开关稳压电源输入端与输出端之间电气的不相通称之为隔离式拓扑结构，它通过变压器的磁耦合来实现能量的传输的。根据开关稳压电源变压器两侧同名端的位置划分，主要分为反激式和正激式。

1）正激式：当开关管导通时，能量通过电感或变压器加给负载，而当开关管断开时则停止释放能量。

输出电压的负载与瞬态控制性是正激式变换器的电压输出所具备的特性，所以运行状态稳定，输出电压不会容易出现波动。

工作原理：如果当变压器初级线圈绕组被施加直流电压，则变压器次级线圈绕组将会有功率输出。

D3

D1L

图2-1单端正激DC/DC变换器主电路

图2-1是单端正激DC/DC变换器的工作原理图，图2-1中Ui为输入电压，K为控制开关，T为开关变压器，C为储能滤波电容，L为储能滤波电感，D1为输出二极

管，D 2为续流二极管，D 3为削反峰二极管，R 为负载电阻。

正激式变压器的一次与二次线圈的同名端在同一侧。在其中控制改变开关K 的占空比，能够控制输出电压的均值，但是幅值不变。所以正激式变换器使用于稳压电源时，仅能够使用输出电压平均值的输出方法。

Ui D3

D1

图2-2 正激式开关电源变压器

在正激式变压器中实现礠复位的是N 3线圈，所以它是不可省略的。

当开关管K 被断掉的一瞬间，为了使励磁磁场保持不变，变压器的一级和二级线圈绕组会产生很大的的反电动势。为了保证这个过大的反电动势不会击穿各种电子元器件，所以我们于开关稳压电源变压器中添加了能够将其吸收的反馈线圈N 3和一个削反峰二极管D 3。

当开关管K 导通，D 3不通；而当K 断开的一瞬间，由于线圈绕组N 3的存在，在变压器的一次侧线圈绕组中的电流瞬间降为零，D 3随之导通，此时N 3中流过的电流将会代替之前励磁电流的作用，电流的方向与之前相同，使得变压器中的磁感应强度从巅峰值降到剩磁所相对的磁感应强度值，这便是磁复位。

L

L

图2-3 正激式开关电源工作原理

上图为二次侧工作情况，当开关管导通时，变压器工作正常，如上方左侧图所示；当开关管断开时，因为D1和磁复位的作用相当于开路，其工作方式如上图右侧图所示。

u t a)t

U -Ui b)c)i

i I0

t 0

图2-4 正激变换器信号波形图 图2-4是正激变换器中几个关键点的电压与电流波形图。a)是变压器二次侧线圈绕组N2的整流电压输出波形图，b)是变压器二次侧线圈绕组N3的整流电压输出波形图，c)为通过变压器一次侧线圈绕组N 1与二次侧线圈绕组N3的电流波形图。 在Ton 的期间内，K 是被接通的，电压源Ui 对N 1绕组施加电压，使得N 1中有电流i 1流过，所以N 1线圈中将产生感应电动势，此时次级线圈N 2会相应地产生一个感生电动势，并且给负载供能。开关管K 关断后，变压器初级和次级线圈中流过的电流变为零，为保持磁通的恒定，N 3线圈绕组将会产生一个励磁电流，其中电流的强弱将会随着时间的推移而减小。

2） 反激式：与正激式相反，K 被接通，变压器电感会存贮能量，只有K 断开，反激式变换器将会向负载供能。

Ui

T D

图2-5 反激变换器的开关电源电路图

图2-5为反激变换器的开关电源电路图。Ui 为输入电压，T 为变压器，K 为开关管，D 为二极管用来阻断反向电流，C 为储能滤波电容。

在Ton 期间，输入电压会给初级线圈绕组施加电压，使线圈绕组N1中有电流，与此同时两端会产生感应电动势，相应的线圈绕组N2也将会产生感应电动势，但是两个线圈的同名端没有在同一侧，所以二极管没能够被导通，所以变压器的二次侧是相当于开路，没有电流流过，之后变压器开始储能。

当开关管由接通变为断开的瞬间，变压器初级线圈中的电流突然变为零，由于磁通不能够突变，所以在Toff 期间，磁通将会由N2线圈绕组中电流产生的磁通来维持，N 2中会有反激电流，变压器将释放能量，经由二极管向电容和负载供能。

t t

a)

b)

图2-6 临界导通各点电压

当开关管关断瞬间，线圈绕组N2产生了反激电流与电压，假设此时N2线圈绕组直接接在负载电阻R 上，将产生一个很大的脉冲。但因为N2线圈绕组经过了整流滤波，并且负载电阻R 与滤波电容C 的时间常数很大，所以输出电压稳定。在开关管断开期间内，二次侧电压平稳地向负载电阻R 与电容C 供能。开关管接通，变压器二次侧开路，一次侧充能，电容C 给负载电阻R 放电。

2.2 开关电源的控制方式

在控制系统中，开关电源的参考电压与输出电压相比较，获得的误差信号表明了输出电压偏离参考电压的方向与程度，控制器将会根据误差调整控制量。如误差是“+”，表明了输出电压低于参考电压，控制器使其增加并提高到参考值输出电压；如果误差为“-”，则与其相反。

这样的控制方式称为反馈控制，它可以使开关电源的输出电压与参考电压的相对误差小于1%至0.5%，甚至更高。

2.2.1 电压控制模式

如图2-7所示反馈控制中系统仅出现一个电压反馈控制环，所以称之为电压控制模式。

图2-7电压反馈控制

图2-7是电压控制模式的开关稳压电源反馈控制系统，它是较早出现的的一类控制模式，其最大的优点是结构简单，但也有一个很明显的缺点，它不能有效地控制电流，当电路过载或短路时，需要用过电流保护电路来停止工作，从而得以保护电路。

2.2.2 电流模式控制

由于电压模式控制存在明显缺点，于是研究并发明了电流模式控制方式。图2-8为电流模式控制系统框图，在电压反馈控制环内增加了电流反馈控制环，电压控制器的给出信号会作为电流控制环的参考信号，由电流控制环设置一个上下限，由此可以有效地控制电路中的电流，起到保护电路的作用，并且实现恒流控制。

图2-8 电流模式控制

2.3 开关电源的三种调制方式

按照时间比率控制原理，开关电源有三种调制方式，即脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式以及混合调制方式。