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大功率LED灯自动调光系统设计

1．本课题的研究内容、重点及难点

研究内容

脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它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，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。利用单片机PWM控制技术来实现大功率LED无极调光，具有极高调光精确度、应用简单、效率高，且调光效果好。

大功率LED自动调光系统主要应用于公司及工厂的照明、家居照明、路灯照明等领域，大功率LED自动调光系统的应用对于绿色环保、节能具有非常重要的作用。因此大功率LED自动调光系统的原理有着很大的现实意义。本课题的研究内容是使用稳压恒流控制PWM调光技术对LED灯进行无极调光，本课题的研究内容主要有以下几个方面：

（1）深入了解LED光源PWM稳压恒流PWM调光技术的工作原理；

（2）了解浪涌电流保护、过压过流短路保护原理；

（3）掌握单片机与功率电路等的接口方法，形成完整的系统技术方案；

（4）完成大功率LED自动调光系统的软硬件设计

研究重点及难点

重点：

(1)大功率LED自动调光基本系统的硬件设计，使基本硬件电路能满足PMW调光要求和基本亮度要求；

(2)选择合适经济的LED驱动芯片,并设计相应合理的控制电路，确保调光系统的精确度；

(3)正确设计PWM自动调光的程序,准确地满足LED调光要求,并且设计出节能环保人性化LED调光模式。

难点：

(1)如何设计根据外部环境光照亮度变化的感应电路，使之能够符合单片机采集数据要求的同时能够对LED照明调节亮度的要求；

(2)如何设计合理的单片机程序，使之能精确的根据外部光照亮度的变化，对LED的发光亮度进行精度的调节；

(3)如何确保数据采集的精确度及消除亮度盲区。                                   

2．准备情况

研究概况及发展趋势

（1）大功率LED调光研究概况

“调光的需求分为三类：一是功能型调节光线的需要，如进门的玄关、会议室等；二是家居生活中舒适性和生活格调的体现，灯光的明暗搭配既可以根据环境的需要进行调节，也可以起到烘托氛围的作用；三是环保节能的需要，同时也是能源之星提出的最新的需求。”晶门科技高级设计工程师潘俊解释道。他认为，驱使调光技术成为LED驱动技术未来发展方向的主要原因是节能。节能是LED最突出的优点之一，也是政府发布政策推动该技术应用的重要依据。在普通照明中，如果引入调光技术，可以更大地发挥LED照明的节能优势。目前市面上LED调光的方式主要有三种：一是线性调光，二是可控硅调光，三是PWM调光。三种调光技术各有优劣。PWM调光技术目前被认为是最有前景的LED调光技术。在进行脉冲宽度PWM调光时，需要提供一个额外的脉冲宽度调节信号源。通过改变输入的脉冲信号占空比来调制LED驱动芯片对功率场效应管的栅极控制信号，从而达到调节通过LED电流大小的目的。这种调光技术的优点在于应用简单、效率高、精度高，且调光效果好，缺点是由于一般LED驱动器都基于开关电源原理，如果PWM调光的频率为200~20kHz之间时，LED驱动器周围的电感和输出电容容易产生人耳听得见的噪声。此外，在进行PWM调光时，调节信号的频率与LED驱动芯片对栅极控制信号的频率越接近，线性效果就越差。

（2）国内的发展趋势及应用

作为近年来最具有革命性意义的技术发明形成的产业,LED被称为继明火和白炽灯之后的第三次照明革命，有着广阔的发展前景。很多国家和地区相继出台各种政策扶持LED产业的发展，以期该产业能够成为国家重要产业的重要组成部分。

   从LED出现以来，人们一直在努力实现固体光源。随着LED制造工艺的不断进步和新型材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发及应用，发白色光的LED固体光源性能不断完善并进入实用阶段。白光LED的出现，使高亮度白光LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场成为可能，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。因此，LED节能照明的技术的研究具有很大的现实意义。

由于超高亮度及白光LED近年来在技术上不断有新的突破，而且具有突出的三大优点：节能、环保、寿命长，其应用领域不断扩展，已进入特种照明领域，因此世界上主要发达国家相关的大集团公司纷纷投入人力、物力研究开发超高亮度LED，并制定发展规划，想尽快突破技术难关，而进入照明领域。我国超高亮度LED产业同样受到各级政府和相关单位的高度重视和大力支持，很多知名大学、研究机构和企业同样投入很大力量进行研究、开发超高亮度LED，想尽快赶上世界先进水平。在世界超高亮度及白光LED的产业中占有一席之地。

我国LED产业从上世纪七十年代开始，一直紧跟着世界LED产业的发展步伐。特别近几年来，由于国家的重视，863光电子项目的投入，大学、科研机构加大研发力度，各级政府及企业投入增加，加快发展速度，到目前为止，已具有一定的规模，并形成LED的产业链。 

　　（3）2014年LED照明市场三大主流发展趋势

　　功能细分

　　具有不同光照功能、适用于不同场合照明的各种灯具逐应运而生。例如在一般性生产厂房中使用的高悬灯和在爆炸、火灾危险性高的、地区使用的防爆灯等等。上海宏源照明电器有限公司以自主研发的LVD无极灯为光源，近年来相继推出了包括路灯、高悬灯、投光灯、筒灯、防爆灯、庭院灯、埋地灯等在内的100多款配套灯具，可用于办公照明、公共照明、商业照明、工业照明、体育场馆照明等各种照明场所。

　　科技创新

　　由于电子技术被广泛用于灯具的制造，适应不同电压、可调节亮度的照明灯具多起来。无频闪灯、可调光灯、放射远红外光灯等具备保护视力功能的灯具开始推出市场。宏源LVD无极灯具有高光效、高显色性、光线柔和、无眩光无频闪等特点，对人的眼睛和生活环境可以起到保护作用，创造出安全舒适的绿色照明环境。

　　节能环保

　　例如最近被广泛关注的新型节能照明产品无极灯、LED等。环保是灯具生产技术的崭新主题，显示了人们对生态环境的重视，这也是未来照明恒行业的主要发展方向。宏源LVD无极灯无灯丝、无电极使用寿命长达6,0000小时以上，使用固汞技术，汞含量低于5mg，由于无废灯回收和汞污染，在节约能源和管理维护费用的同时又起到了保护的环境作用。

进入2014年以来，随着政策助推、成本下降以及全球白炽灯禁售计划在2014年批量生效，LED照明市场迎来极大发展机遇。据了解，2014将出现LED照明换灯潮，主要基于2014年各区域市场的相关标案与补助政策持续推行，对提升LED照明渗透率产生相当大的帮助，同时，LED照明跟普通照明如节能灯泡等价格相差不大，消费者环保意识抬头，促使全球出现换灯潮。

主要参考文献

[1] 杨清德 康娅.LED及其工程应用. 人民邮电出版社, 2007年

[2] 毛学军，王坚，孙建华 .LED应用技术. 电子工业出版社, 2012.8

[3] 田民波，朱焰焰 .白光LED照明技术. 科学出版社, 2012.5

[4] 周志敏，纪爱华 .零基础学LED工程应用. 机械工业出版社, 2011.9

[5] 周志敏，纪爱华 .LED驱动电路设计要点与电路实例. 化学工业出版社, 2012.7

[6] 杨恒. LED照明驱动电路设计与实例精选. 中国电力出版社, 2007

[7] 陈海晏，51单片机原理及应用. 北京航空航天大学出版社，2010.7

[8] 谭浩强 .C语言设计教程[M]. 北京：清华大学出版社，2007

[9] 叶湘滨 熊飞丽 张文娜 罗武胜. 传感器与测试技术. 国防工业出版社，2012

[10] 倪志莲 . 单片机应用技术. 北京理工大学出版社，2017

[11] 倪志莲 . 单片机应用技术. 北京理工大学出版社，2017

3．实施方案

本课题有三个主要问题需要解决，分别是系统整体设计、系统照明精度控制、系统程序和系统实物设计制作。其中，系统整体设计可以通过查阅相关资料和借鉴工业成品来解决；系统照明精度控制主要通过所学知识和查阅相关资料，通过不断调试和反复试验调整相关参数优化软硬件的结构；软件程序的设计和实物的制作与调试可以根据所学知识进行，对于该过程中所遇到的问题可以通过查阅相关资料，和同学讨论，询问指导老师，到实验室进行试验等手段解决。

具体如下：

（1）硬件设计

本系统包括以下几部分：以单片机STC89C52为核心，周围电路包括光敏检测电路、A/D数模转换电路、LED驱动电路等。

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

采用STC89C52来实现对光敏电阻模拟信号的接收和转换。单片机通过P1.4、P1.5引脚接收数字信号，通过I2C总线进行通信。根据数模转换的信号，来实现对PWM占空比改变系统组成如图1所示：

（2）软件设计

由主程序、延时子程序、数模转换程序及PWM子程序等部分。

首先对系统环境初始化，采用单片机产生PWM波，通过检测外部模拟电压的变化，将数据传输到单片机内部控制程序进行处理，处理后确定PWM输出的频率，进而控制LED的亮度 

　　 主程序框图如图2所示： 

进度实施计划：

第一阶段（2月28日至3月15日）：方案设计，查找资料，画出原理框架图，提交硬件原理草图一份。

第二阶段（3月 15 日至3月25日）：方案论证。

第三阶段（3月26日至4月1日）：硬件设计布局，器件选型，进行调试。提交PCB图源文件一份。

第四阶段（4月 1 日至5月20日）：软件编程并与硬件进行联调，最后提交该电路板。

 

目    录

 

1 绪论 1

1.1 课题背景，目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 LED自动调光技术的发展方向 2

1.4本章小结 2

2 大功率LED自动调光系统 3

2.1 大功率LED 3

2.2光敏电阻 3

2.3大功率LED调光技术及芯片 4

2.3.1 大功率LED调光技术 4

2.3.2 利用恒流LM3404芯片实现PWM调光原理 4

2.4 外部环境对自动调光的影响 4

2.5 总体方案设计 5

2.5.1 大功率LED系统结构方案设计 5

2.5.2 自动调光系统控制原理 6

2.6 本章小结 6

3 自动调光系统硬件设计 7

3.1 单片机系统 7

3.1.1 单片机系统简介 7

3.1.2 IIC总线概述 8

3.1.3 STC89C52单片机 8

3.2 光检测及A/D转换模块 10

3.2.1 光敏电阻传感器的选择 10

3.2.2 A/D转换芯片的选择 11

3.2.3 光检测模块电路设计 12

3.3 调光模块 13

3.3.1 调光芯片的选择 13

3.3.2 LM3404调光模块电路设计 14

3.3.3 LM3404HV芯片外部电路元件计算 17

3.4 单片机主控系统 18

3.5 本章小结 19

4 系统软件设计 20

4.1 主程序设计 20

4.2 读A/D转换数据的子程序 22

4.3 递推平均滤波法方框图及程序 23

4.4 本章小结 24

5 系统样机调试 25

5.1自动调光系统的硬件调试 25

5.1.1 硬件调试 25

5.1.2 硬件的测试 25

5.1.3 程序与硬件的最后调试 26

5.2 调光闪烁原因分析 27

5.3 本章小结 27

6 结论 28

致  谢 29

参考文献 30

附  录一 大功率LED自动调光系统原理图 31

附  录二 大功率LED自动调光系统PCB图 32

附  录三 大功率LED自动调光系统C语言原程序 33

附  录四 元件清单 42

结论

本系统主要是以单片机作为主控模块的自动调光系统，这个系统的主要功能是实现根据外部光照度的强弱，来控制LED的发光亮度。在未来的应用有着非常大的现实意义。因为LED的环保节能效果是目前市面上任何一款照明灯具所无法比拟的。通过对系统的电路设计及硬件的制作，还有和程序的结合，实现了大功率LED自动调光系统的基本功能。由于个人能力等条件的限制，虽然经历几个月对系统不断的优化和改善。但系统还是有很多可以去改善的地方。未来应该增加更多的功能模块使LED调光更加人性化和智能化，争取早点进入智能照明的领域。因为LED同时和个人的身心健康有着不可忽视的作用。光的强弱和光的色彩。都会使人有着不一样的心境。鉴于现在已具有的功能，我提出一些对整个系统未来可以增加的功能。未来我们可以用线性度更好的光照度传感器，实现更具线性的LED调光。增加变换色彩的模块，使LED可以根据环境和时间段发出不一样色彩的光亮，使人的照明生活更加舒适和人性化。还有增加一个定时模块，让LED具有自动开启和关闭的功能。甚至有闹钟闪烁提醒功能等。

现在对已完成系统的存在的缺点进行总结，由于设计该系统考虑欠佳，所以在元器件的选用上有些不够合理，其中，系统用到了PCF8591A/D转换芯片，虽然这个芯片有着占用I/O口少的特点，但是这个芯片对这个系统来说，有着一个明显的缺点，就是传输数据慢。因为该芯片是用I2C总线通讯方式，因为LED调光是对时间有着严格的要求，一个I2C通讯需要花费至少100us，所以无形中给调光频率的设置带了一定的限制。所以是这个系统有些不够合理的地方。以后可以选用通讯速度更快的A/D芯片。如具有并行通讯的A/D。其次就是电源模块的优化，因为缺少经验，所以在设计电路板时，把12V和5V分开设计，造成这个系统需要两个电源连接线。以后可以增加一个变压模块，将12V转为5V，用一个电源即可。

在这个系统设计的开始到结束，其实遇到蛮多多的问题与困难，刚开始以为这个系统不难，但是真正开始实施去做这个系统时，慢慢的遇到越来越多的问题。而且是自己根本没有预想到的。有些问题是自己的聪明反被聪明误。同时，在解决问题过程中，也学会了很多，通过看书、同学、老师的请教。让我受益非常，虽然最后系统不够完美，但过程真让我觉得充实。而且可以为以后的工作及设计工作埋下一个很好的铺垫。