關(guān)于紅外遙控的大功率LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、關(guān)于紅外遙控的大功率LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)0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1oLED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M2）、壽命長(zhǎng)（數(shù)萬(wàn)小時(shí)以上，為熒

2、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L

3、ED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(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)，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

4、。2系統(tǒng)原理2. 1PWM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L(fǎng)ED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L

5、ED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。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。3. 2紅外遙控原理紅外線(xiàn)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(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(xiàn)路板過(guò)大、布線(xiàn)復(fù)雜、占用I/O口過(guò)多的弊??；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

7、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)射碼的格式如所示。紅外二進(jìn)制編碼信息，0?與，1?分別由毫秒量級(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”“1如所示4。紅

8、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)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

9、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)電路如所示5。4. 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)。PT4n5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)L2A;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

10、，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。PT4n5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)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0.3V時(shí)關(guān)斷LED電流，高于2.5V(且低于5V)時(shí)完全開(kāi)啟LED電流。該條件下電流輸出值IOUT計(jì)算公式為：IOUT=(0.1)/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)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(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L5V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IOUT=625mA設(shè)計(jì)，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(dāng)芯片？部MOS管截止?fàn)顟B(tài)時(shí)為儲(chǔ)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(fù)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(dòng)電路如所示。4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(shí)器與外部中斷設(shè)置）、紅外碼值處理程序與鍵值識(shí)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(duì)遙控器發(fā)出一幀脈沖的各個(gè)高、低脈沖時(shí)間的計(jì)時(shí)與存儲(chǔ)，以便在紅外碼值處理程序中通過(guò)分析各個(gè)脈沖的時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外編碼的二進(jìn)制解碼。當(dāng)遙控器無(wú)鍵按下時(shí)，即紅外接收器HS0038在沒(méi)有接收紅外信號(hào)，其OUT端輸出高電平；當(dāng)遙控器有鍵按下時(shí)，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(jī)的外部中斷INTO引腳相連,將會(huì)觸發(fā)單片機(jī)中斷（即設(shè)置為負(fù)跳變沿觸發(fā)中斷。一旦系統(tǒng)檢測(cè)到紅外脈沖中的高電平信號(hào)，即觸發(fā)INTO中斷，定時(shí)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)（定時(shí)時(shí)間為250us,以定時(shí)器T0溢出中斷記錄每次脈沖期間定時(shí)器溢出的次數(shù)；到下一個(gè)高電平脈沖到來(lái)時(shí)，即再次產(chǎn)生中斷時(shí)，先將定時(shí)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(guò)定時(shí)器溢出次數(shù)判斷每次中斷與上一次中斷之間的時(shí)間間隔（時(shí)間間隔即為定時(shí)器溢出次數(shù)與250us的乘積），便可判斷接收到的是引導(dǎo)碼、編碼,0?或，1?。在中斷程序中，首先判斷并跳過(guò)持續(xù)9nl

14、s的引導(dǎo)碼，然后依次采集存儲(chǔ)32位脈沖編碼時(shí)間。紅外解碼中斷流程如所示。定時(shí)器計(jì)時(shí)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(duì)紅外編碼的解碼處理，通過(guò)對(duì)一幀紅外編碼中32位脈沖編碼時(shí)間的分析處理，判斷其對(duì)應(yīng),0?或，1?的二進(jìn)制編碼，從而確定兩次8位用戶(hù)碼、8位數(shù)據(jù)碼和8位數(shù)據(jù)碼的反碼。從TC9012紅外編碼分析可知，“0編碼脈沖時(shí)間為L(zhǎng)125ms,“1編碼脈沖時(shí)間為2.25ms。在實(shí)際程序處理中，應(yīng)考慮由于遙控器晶振參數(shù)等原因存在的誤差，故定時(shí)器T0溢出次數(shù)值取7（即1.75ms）作為,0?或，1?編碼的判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)溢出次數(shù)小于7時(shí)則判斷為，0?編碼，當(dāng)溢出次數(shù)大于7時(shí)則判

15、斷為，1?編碼，并將該32位二進(jìn)制編碼按4個(gè)字節(jié)處理分別得出用戶(hù)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(shí)際按下的紅外遙控器鍵值信息?？衫脝纹瑱C(jī)將解碼出的鍵值數(shù)據(jù)碼通過(guò)數(shù)碼管顯示，通過(guò)得出遙控器鍵值與數(shù)據(jù)碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便用于鍵值識(shí)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(shí)別散轉(zhuǎn)程序鍵值識(shí)別散轉(zhuǎn)程序用于對(duì)正確接收下來(lái)的紅外發(fā)射器鍵值編碼進(jìn)行識(shí)別散轉(zhuǎn)處理，在判斷用戶(hù)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(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)，以實(shí)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L(zhǎng)ED的110級(jí)亮度的選擇按鍵，并將遙控器開(kāi)關(guān)鍵作為L(zhǎng)ED的

16、關(guān)閉按鍵。鍵值識(shí)別散轉(zhuǎn)流程如所示。PWM脈沖信號(hào)則由單片機(jī)利用定時(shí)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(shí)現(xiàn)LED的亮度調(diào)節(jié)。將定時(shí)器T1溢出中斷定為1/2500秒（即400IS每10次脈沖作為一個(gè)周期，即頻率為250HZ。這樣，在每1/250秒的方波周期中，通過(guò)改變方波的輸出占空比，從而實(shí)現(xiàn)LED燈的10級(jí)亮度調(diào)節(jié)，即LED亮度等級(jí)由每個(gè)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(duì)應(yīng)確定P10亮度等級(jí)數(shù)值。定時(shí)器T1生成PWM流程如所示。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用本文設(shè)計(jì)方案對(duì)一處家庭室內(nèi)壁燈進(jìn)行替

17、換改造。原壁燈采用3只220V/20W鹵素?zé)?，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(shí)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?zé)粽彰飨到y(tǒng)可節(jié)約電能90%以上。鹵素?zé)襞c大功率LED實(shí)物對(duì)比如所示。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)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(hù)可根據(jù)需求靈活選擇不同等級(jí)的照明亮度。改造前后照明效果對(duì)比如所示。6結(jié)論本文設(shè)計(jì)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(jī)為控制核心，運(yùn)用恒流驅(qū)動(dòng)方案與PWM調(diào)光技術(shù)以及紅外遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的多級(jí)調(diào)光控制。該照明系統(tǒng)具有控制電路簡(jiǎn)單、亮度調(diào)節(jié)精確、高效節(jié)能、實(shí)用便捷等優(yōu)點(diǎn)，符合現(xiàn)代照明的應(yīng)用要求。LED作為一種新型的綠色光源，必然是未來(lái)照明技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，21世紀(jì)將進(jìn)入以L(fǎng)ED為代表的新型照明光源時(shí)代8。碩士畢業(yè)論文參考文獻(xiàn)1 黎平.LED驅(qū)動(dòng)電源研究D重慶：重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.2 周志敏，