1、毕业设计说明书（论文）作 者:学 号：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-硬件部分毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要摘要摘要：LED（即发光二极管）为半导体二极管的一种，是一种能够将电能转变成光能的工具。LED 作为现代化新型照明灯具和设施，它集体积小、耗能低、使用寿命长和绿色环保等诸多优点于一身。LED 阵列，控制电路和驱动电路这三部分构成 LED 灯具，其中 LED 灯具的品质和寿命与 LED 的驱动电路性能有直接关系。所以在本次设计中 LED 的驱动电路设计将十分重要。如今 LED 驱动电路的功率因数
2、低和效率低是主要的不足之处，它们分别会造成谐波污染和降低电能利用。为了解决这些问题，本次设计将采取高效率和高功率因数的 LED 驱动电路。为了能够更好地利用电能，本次设计将利用单片机实现智能照明，使 LED 实现自动控制，合理的灯光调节将更加节约用电。最终本次设计实现了 LED 智能照明驱动及控制系统的硬件达成，而且系统运行良好，结果表明各项功能及参数均满足本次设计要求。关键词 LED，单片机，开关电源，智能照明ABSTRACTABSTRACT：LED (light emitting diode) it is a semiconductor diode, can convert electri
3、c energyinto light energy. 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
4、, which is directly related 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
5、 use. In order to solve 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 el
6、ectricity.Finally, the complete 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
7、; intelligent lighting 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Microcontroller-based intelligent LED lighting and drive systems Abstract : 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 co
8、mbines small size, low power consumption, 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
9、LED lamps . Therefore, in this design the 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
10、 the high efficiency and high power factor 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 implement
11、ation of the hardware drivers and LED intelligent 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淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计
12、说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页1目 录 1 绪论 11.1 前言 11.1.1 课题研究背景 11.1.2 课题研究的目的及意义 21.2 LED 照明 21.2.1 发光原理 21.2.2 光源特点 31.2.3 优点 41.3 驱动电路 41.3.1 线性稳压电源41.3.2 开关稳压电源 41.4 智能照明 52 开关稳压电源 52.1 拓扑结构 52.1.1 非隔离式 62.1.2 隔离式 62.2 开关电源的控制方式 92.2.1 电压控制模式102.2.2 电流控制模式102.3 开关电源的三种调制方式102.3.1 脉冲宽度调制 112.3.2 脉冲频率调制112.3
13、.3 混合调制112.4 功率因数校正112.5 开关电源未来发展123 驱动电路133.1 临界导通式单级 PFC 反激式变换器原理133.2 主电路设计143.2.1 高频变压器设计143.2.2 滤波电容器设计143.2.3 主开关选择153.2.4 整流输出二极管设计153.3 控制电路设计163.3.1 调节电路163.3.2 并机均流电路163.3.3 保护电路16淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页23.3.4 误差放大补偿网络16淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页34 智能照明控制174.1
14、单片机174.1.1 单片机的选择174.12 晶振电路194.2 热释电传感器及处理电路194.2.1 菲涅耳透镜194.2.2 热释电红外传感器204.2.3 信号处理电路204.3 遥控与手动模块224.3.1 遥控发射电路224.3.2 遥控接收电路234.3.3 手动调光244.4 光控与时空模块254.4.1 光照检测模块254.4.2 光控与时控的实现254.5 继电器输出模块26结论27致谢28参考文献29淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 30 页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，
15、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
16、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
17、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，我们将追求淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 30 页智淮 阴 工 学 院 毕
18、业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 30 页能化。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
19、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
20、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。淮 阴 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 30 页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
21、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VIOABCD工作 区反向死区击穿区Vc发光亮度100%95%90%85%80%75%70%25 50 75 1000125 150
