基于红外遥控的LED照明系统Word格式文档下载.doc
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第六章 结论 22
参考文献 23
致谢 24
25
摘要
LED（发光二极管）被认为是继白炽灯、荧光灯后的第三代照明光源，具有发光效率高、寿命长、无污染、体积小、光方向性强、绿色环保等特点，是未来最具有发展潜力的光源之一。
本文设计了一种以AT89S51单片机为核心的红外遥控大功率LED照明系统，其红外遥控系统由TC920发射器与HS0038红外接收器构成，采用PT4115芯片实现LED恒流驱动系统，PWM方式实现调光。
本文详细给出系统的硬件和各部分的电路设计。
实践证明，该大功率LED照明系统高效稳定，控制方便，在普通照明应用中具有较好的实用价值和经济适用性。
关键词：
红外遥控；
大功率LED；
单片机
Abstract
Lightemittingdiode（LED）wasconsideredas3-Genlightingsourcesinceincandescentandfluorescentlamp,whichhadmeritsofhighluminousefficiency,longlifetime,nopollutions,smallsize,strongdirectivityandenvironmentalfriend.LEDisthemostpromisingandperspectivelightsourceinthefuture.Ahigh-powerLEDlightingsystembasedonAT89S51singlechipcomputerispresented,TheinfraredremotecontrolsystemconsistsofatransmitterandHS0038TC920infraredreceiver,usingPT4115chipLEDconstantcurrentdrivesystem,PWMdimmingmode.Thispapergivesthesystem'
shardwareandcircuitdesignofeachpart.PracticehasprovedthatthesystemishighlyefficientandstablepowerLEDlighting,easytocontrol,andhasgoodpracticalvalueandaffordabilityingenerallightingapplications.
Keywords:
infraredremotecontrol;
high-powerLED;
singlechipcomputer
第一章引言
随着科技的不断进步，能源消耗巨大，节约能源是我们未来面临的重要问题。
LED作为一种新型的绿色光源节能产品，广泛应用于各种显示、装饰背光源、普通照明和城市夜景等领域。
LED是英文LightEmittingDiode的缩写，中文就是发光二极管。
它实际上也是一种将电能转换成光能的一种电子元件，也具有一般半导体二极管的特性。
它发出的光波基本涵盖了全部的可见光。
LED是美国在1965年研究制造的，当时也只能发出红外光，不久后出了能发红光的LED，发光强度低，只能作为指示应用。
到了90年代的末期，LED才有了飞跃的发展，光波基本上覆盖了整个可见光。
特别是蓝光的出现，复合白光就诞生了，蓝光通过激发荧光粉发出白光。
进入21世纪后，白光LED更是日新月异，无论是材料技术、芯片尺寸、外观和发光强度、发光效率方面都得到了空前的发展。
各种色温、各种发光角度、高亮超白的以及暖色的LED相继应运而生，给LED广阔的市场带来了无限的商机。
在如今这个更加人性化的社会，不同时间、不同地点、不同人需要不一样的灯光，所以对于现在的照明设备，调光是必不可少的。
PWM调光以其精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度这一优点，是现在人们大多数照明设备中的选择。
随着人们生活品质的提高，对控制开关的要求也越来越多。
遥控技术正在向许多领域渗透,红外线遥控就是其中的一种。
由于其结构简单制作容易在家用电器、工业生产、安全保卫以及人们的日常生活中得到了广泛的应用。
红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点。
本文利用红外遥控控制大功率LED，组成一种新型的照明系统。
这个系统解决了现在普通照明系统中开关位置固定、无法调光等许多问题，无论从经济性还是实用性出发，此系统都优越于现在的照明系统。
第二章设备选择
如今，我们生活中的主要照明设备有两大类：
白炽灯（卤钨灯）类和荧光灯类。
白炽灯类的电光源冷态电阻很小，约为正常工作时的1/10左右。
全压启动时的瞬时冲击电流为正常发光电流的10被左右，对于供电线路及配电设备的安全及寿命都有影响。
因此，白炽灯使用时间一长就会出现烧毁或变黑等问题，同时对供电线路的伤害也很大，已经不怎么适应现在的社会需求。
荧光灯类照明电光源是应用数量最多，范围也最广的高效节能光源。
按照荧光灯电路的原理，可以分为电感式和电子式两大类。
（1）电感式荧光灯
电感式荧光灯由于电感镇流器的作用，启动瞬间有一较强的激磁电流，但是时间很断，时间一般在数个工频周期内。
以常用的36W电感式荧光灯为例，瞬时的冲击电流约为正常工作时的1.5倍。
（2）电子式荧光灯
电子式荧光灯由于电子镇流器输入滤波电容的作用，在启动的瞬间又较强的电容充电流，时间一般在数十个工频周期内。
以常用的36W电子式荧光灯为例，电子镇流器的瞬时冲击电流约为正常工作时的10-20倍。
因此，不管是电感式还是电子式荧光灯都需要合适的软启动电压值，加上生产过程中加入的荧光粉等有毒物质、运输安装过程中的种种不便，荧光灯类照明电光源的诸多问题开始显露出来，一种新的照明设备LED照明开始逐渐步入人们的生活中。
2.1照明现状分析
当前，国民经济持续的高速发展与电力供应相对滞后的矛盾突出，导致几乎全国范围内的电力供应紧张。
许多地方不得不采取了拉电、限电的被动措施，对当地的经济持续发展、人们的日常生活和社会的稳定和谐都造成了一定的影响。
为了缓解供电的压力，提高照明的应用效果，各种照明节电设备应用的范围不断扩大，并取得了积极的效果，为降低日趋高涨的用电需求发挥了积极的作用。
目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%，大大降低照明用电是节省能源的重要途径，为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具，并达到了一定的成效。
但是，距离“绿色照明”的要求还远远不够，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。
LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。
LED发展历史已经几十年，但在照明领域的应用还是新技术，但随着LED技术的迅猛发展，其发光效率的逐步提高，LED的应用市场将更加广泛，特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，LED在照明市场的前景更备受全球瞩目，被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、荧光灯的最大潜力商品。
随着科技的不断发展，我国的用电比例将逐渐加大，与此同时，能源枯竭和节能环保的问题日益严重，这意味着我国的照明必将走绿色节能的发展道路。
2.2LED照明优点
LED从发明到现在，凭借其体积小、寿命长、环保节能等特点，在照明领域受到青睐。
随着LED技术的不断发展和完善，以及人们节能环保意识的逐渐增强，大功率LED必然日渐受欢迎，LED技术预计在未来可能会替代白炽灯、荧光灯的主导地位。
LED相对于白炽灯荧光灯等传统光源的优势不仅体现在发光质量方面，在其生产制造及易用性方面都大大得到改善相对于老一代发光设备，LED的特点主要体现在以下几个方面:
（1）LED为固体树脂结构，抗振动性好，在生产、运输、安装上方便快捷。
（2）LED光线集中度高，色彩纯度高，发光效率高于普通照明设备。
（3）LED属于固体冷光源，不纯在灯丝烧毁问题，寿命长达5万到10万h之间。
（4）LED在生产过程中不添加汞、荧光粉等化学物质，属于绿色环保照明光源。
（5）LED可利用红绿及蓝三基色原理，实现丰富多彩的动态变化效果。
2.3LED照明驱动、调光问题及解决方案
LED作为一种新兴光源，具有高节能、长寿命、利环保等其他光源无法比拟的性能。
因此，对LED的研究具有划时代的意义。
2.3.1LED工作特性
LED具有对电压敏感的特性，当LED两端电压超过其导通电压后。
可近似的认为其正向电压VF和正向电流IF成比例关系。
因此，电压的变化会引起电流的变化。
从LED伏安特性曲线图2.1可知，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的较大波动，并且环境温度、LED老化等因素也将影响LED的电气特性，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将严重影响其可靠性和使用寿命。
而LED的光输出直接与LED电流有关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下宜采用恒流驱动方式。
图2.1LED伏安特性曲线
要进行恒流控制就要在斩波输出端串联一个小电阻，采样其对地电压，然后对其进行放大并反馈到恒压控制端，以进行恒流控制。
由于采样电阻串联在输出回路里，要降低落在电阻上的功耗，就要尽量减小电阻的阻值，通常选0.1电阻。
采用恒流驱动,必须每一路LED灯串有一个恒流源驱动。
当灯串中单颗LED发生短路故障时，由于输出电流不变,因此，并不影响其它LED的光效，采用恒流驱动能大大提高LED的使用寿命。
因此，本设计的大功率LED照明系统采用恒流驱动。
2.3.2调光措施
PWM调光措施相对于传统的线性调光，不影响LED的光效。
PWM调光的基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，即控制每个周期电流导通的时间。
PWM调光的优势是LED正向导通的电流一直是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光一样会变化。
PWM调光可以在精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度。
线性调光是通过改变流过LED的电流来调整光效的，流过LED的电流的变化必然会影响LED的色度。
因此，PWM调光相对传统的线性调光具有很大的进步，也符合本设计的要求。
第三章控制方式
如今，照明设备的控制方式有很多。
有最普通的墙壁固定开关、有楼梯口用的联动开关、有声控开关、有光控开关还有许多特殊地方的用的温控等开关。
但这些控制方式都有位置固定使用不方便，价格昂贵易损坏等问题。
红外遥控以其结构简单、成本低、可靠性高等优点被人们所接受。
3.1红外遥控技术
红外遥控本质属于红外信息传输的一种应用形式。
红外传输大体分为数据的传输和控制信息（指令）的传输二类。
红外遥控就属于控制信息传输类，信息量小，但可靠性高。
红外遥控由于其发射和接收方便、结构简单、成本低、可靠性较高,因而早已在家用电器中得到广泛应用。
红外遥控由发送和接收两个部分组成。
发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。
红外接收完成对红外信号的接收、放大、检波、整形，并解调出遥控编码脉冲。
为了减少干扰，采用的是价格便宜性能可靠的一体化红外接头接收红外信号，它同时对信号进行放大、检波、整形得到TTL电平的编码信号，再送给单片机，经单片机解码并执行去控制相关对象。
3.2红外遥控优点
红外遥控和照明系统的结合时时代发展的产物。
红外遥控与普通照明控制开关相比有以下优点：
（1）抗干扰能力强，能适应各种环境。
（2）体积小，稳定性和寿命长。
（3）功耗低，普通的5号电池就可以给他长期供电。
（4）成本低，有广阔的市场和很大的发展空间。
（5）灵敏度高，调节方便、快捷。
红外遥控由于其发射和接收方便、结构简单、成本低、可靠性较高,因而早已在家用电器中得到广泛应用。
在照明设备中的应用也在不断的发展和完善中。
红外遥控的照明系统，适用于现在人们高效、快捷、多变的生活方式，将是以后照明控制方式的主流。
3.3系统方案描述
本设计采用一款基于TC9012芯片的电视机遥控器作为红外发射单元，红外二进制信号的解调由一体化红外接收器HS0038来完成，主控系统采用ATMEL公司的高性能单片机AT89S51，LED光源采用基于PT4115的大功率恒流驱动系统，最后，采用PWM调光方式，通过在DIM引脚加入可变占空比的方波脉冲信号调节输出电流以实现调光。
系统方案框图如图3.1。
图3.1系统方案框图
第四章硬件分析
本照明系统以AT89S51单片机为主控芯片，选用大功率白光LED为光源，采用PT4115芯片实现LED恒流驱动系统，红外遥控系统则由TC9012遥控发射器与HS0038红外接收器构成。
4.1红外发射电路的设计
TC9012是一块用于东芝系列红外遥控系统中的专用发射集成电路。
其内部包括振荡器、分频时序产生器、系统码锁存、数据寄存、键盘扫描输入、键盘扫描输出、载波控制及输出单元。
内部设置了8位系统码，可实现256发射器同时同点操作发射而互不干扰。
图4.1为TC9012外部引脚图，图4.2为管脚图。
图4.1TC9012外部引脚图
管脚说明：
管脚号
名称
类型
描述
1-4
K10-K14
IN
4位输入脚用于键盘扫描输入
（平时为低电平，内置下拉电阻）
5
REM
OUT
带载波的遥控信号输出
6
VDD
电源正端（2.0V-4V）3V（典型）
7
NC
空脚
8
OSCO
晶振输出
9
OSCI
晶振输入
10
VSS
电源负端（接地）
19-12
K00-K07
8位输出脚
用于键盘扫描输出
11
LMP
只是灯输出
20
SEL
用于用户编码选择跳线（平时为高电平，内置下拉电阻）
图4.2管脚图
功能说明：
TC9012采用脉冲宽度调制编码格式，以不同的脉宽宽度来实现二进制信息的编码，其发射编码格式由引导码、用户码、数据码、数据反码和结束码构成。
引导码由4.5ms的高电平和4.5ms的低电平波形所构成，以作为一帧数据的起始位；
一帧数据中含有32位码，包含两次8位用户码，8位数据码和8位数据码的反码，用户码用于区分不同类型的红外遥控设备，数据码即代表实际按下的键值信息，数据反码是数据码的各位求反，通过比较数据码与数据反码，可判断接收到的键值数据是否正确；
最后发送结束位（SY），作为一帧数据的结束。
TC9012的发射码的格式如图4.3所示.
红外二进制编码信息‘0’与‘1’分别由毫秒量级的高低脉冲组合实现。
以脉宽0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制“0”，以脉宽0.56ms、间隔1.69ms、周期2.25ms的组合表示“1”。
脉冲信号都调制在占空比为1/3，频率为38kHz的载波上再发送出去。
二进制参数“0”和“1”如图4.4所。
图4.3TC9012发射码的格式
图4.4数据0与数据1参数图
4.2接收电路的设计
红外接收需要先进行解调，解调的过程是通过红外接收管进行接收的。
其基本工作过程为：
当接收到调制信号时，输出高电平，否则输出低电平，是调制（图4.5调制）的逆过程（图4.6解调）。
红外接收电路用于接收红外信号并解调遥控器二进制控制脉冲信号，该红外接收电路采用HS0038（它接收红外信号的频率为38kHz，周期约为26s）。
HS0038集光电转换、解调和放大于一体，只需少量外接元件就能实现从红外接收到输出与TTL电平兼容的所以工作。
对于接收端而言，当无红外脉冲信号时HS0038的数据输出OUT端输出高电平，当有高脉冲红外信号时OUT端输出为低电平，故其输出信号电平正好与发射端相反。
图4.5二进制码的调制
图4.6二进制码的解调
4.3单片机主控电路的设计
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价位AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
AT89S51引脚如图4.7。
所用引脚介绍：
P1口：
Pl
是一个带内部上拉电阻的8
位双向I／O
口，Pl
的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4
个TTL
逻辑门电路。
对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。
P3口：
P3
口是一组带有内部上拉电阻的8
位双向I／0
口。
口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4
对P3
口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
作输入端时，被外部拉低的P3
口将用上拉电阻输出电流（I）。
P3.2口第二功能INT0（外中断0）。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST
引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
XTAL1：
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大的输出端。
本设计主控系统采用ATMEL公司的高性能单片机AT89S51实现。
单片机P3.2口连接一体化红外接收器HS0038的数据输出OUT端；
单片机P1.0口作为PWM信号的输出端并连接PT4115芯片DIM端，用于实现PWM调光控制。
单片机通过对红外遥控器0~9按键以及开关按键红外编码的识别与解码，并根据解码结果产生键值对应的PWM信号，从而驱动LED实现不同的亮度调节。
系统晶振电路由12MHZ晶振与两个30PF电容组成；
复位电路则由S1按键、10K电阻与10uF电解电容构成。
图4.7AT89S51引脚
4.4恒流驱动电路的设计
本设计LED光源采用基于PT4115的大功率恒流驱动系统。
PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源芯片，其具有以下特点：
①6V~30V宽电压范围输入；
②输出电流可达1.2A；
③复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光、PWM调光；
④输出电流精度达5％；
⑤转换效率高达97％；
⑥LED开路保护；
⑦输出可调的恒流控制方法；
⑧内部含有抖频特性，极大的改善EMI。
该芯片适合用于各类绿色照明LED灯的驱动电路，应用电路简洁，所需外部元器件较少且价格低廉。
PT4115管脚如图4.8。
图4.8PT4115管脚
管脚描述：
管脚名称
1SW
功率开关的漏端
2GND
信号和功率地
3DIM
开关使能、模拟和PWM调光端
4CSN
电流采样端，采样电阻接在CSN和VIN端之间
5VIN
电源输入端，必须就近接旁路电容
ExposedPAD
散热端，内部接地，贴在PCB板上减小热阻
PT4115采用PWM调光措施,当DIM引脚电压低于0.3V时关断LED电流,高于2.5V时开启LED电流。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。
在实际应用中，LED调节亮度一般采用两种方法，即模拟调光或PWM调光。
模拟调光是通过改变通过LED电流的大小来调整光效的，除了亮度会改变外，也会影响LED的光效质量，即电流变化必然导致LED的色度偏差。
PWM基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，可以实现从0到100%范围的亮度调节。
PWM调光的优势是LED正向导通的电流一直是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光一样变化：
在精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度。
第五章电路与程序设计
5.1电路设计
本文设计了一种以AT89S51单片机为核心的红外遥控大功率白光LED照明系统，其采用PT4115大功率LED恒流驱动方案与红外遥控技术，通过对一款基于TC9021红外遥控器的按键编码识别与解码处理，可红外遥控实现对LED光源的PWM调光功能。
5.1.1红外发射电路
采用TC9012F芯片的红外发射电路，如图5.1。
图5.1红外发射电路
5.1.2接收电路
采用HS0038的接收电路，如图5.2。
图5.2接收电路
5.1.3单片机主控电路
采用AT89S51单片机的主控电路，如图5.3。
图5.3主控电路
5.1.4恒流驱动电路
采用PT4115，如图5.4。
图5.4驱动电路
5.2程序设计
系统主程序主要包括初始化程序（包括定时器与外部中断设置）、红外码值处理程序与键值识别散转程序。
5.2.1系统主程序
主程序流程如图5.5。
图5.5系统主程序流程图
5.2.2红外解码中断程序
红外解码中断程序用于完成对遥控器发出一帧脉冲的各个高、低脉冲时间的计时与存储，以便在红外码值处理程序中通过分析各个脉冲的时间实现对红外编码的二进制解码。
当遥控器无键按下时，即红外接收器HS0038在没有接收红外信号，其OUT端输出高电平；
当遥控器有键按下时，‘0’和‘1’编码中的高电平经红外接收器HS0038倒相后输出低电平。
由于HS0038的OUT端与单片机的外部中断INT0引脚相连，将会触发单片机中断（即设置为负跳变沿触发中断）。
一旦系统检测到红外脉冲中的高电平信号，即触发I
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