基于单片机的智能照明控制及驱动系统毕业设计说明书论文

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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

2、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 electric energyinto light energy. LED as a

3、 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, which is directly related to driv

4、ing 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 use. In order to solve these probl

5、ems, 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 electricity.Finally, the complete des

6、ign 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; intelligent lighting 毕业设计说明书（论文）

7、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 combines small size, low power consumption, long l

8、ife 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 LED lamps . Therefore, in this design the LED dr

9、iving 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 the high efficiency and high power factor LED d

10、river 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 implementation of the hardware drivers and LED intelligen

11、t 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 lighting2 淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 页 共 页目 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

12、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 5 2开关稳压电源 52.1拓扑结构 5 2.1.1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112.3.3混合调制112.4功率因数校正11 2.5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

13、设计143.2.2滤波电容器设计14 3.2.3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163.3.4误差放大补偿网络163 淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第 页 共 页4智能照明控制174.1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

14、块254.4.2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 第 1 页 共 30 页淮阴工学院毕业设计说明书（论文）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

15、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

16、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，

17、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，我们将追求智第 30 页 共 30页淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 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，

18、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

19、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VIOABCD工作 区反向死区击穿区Vc 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

20、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。发光亮度100%95%90%85%80%75%70%2550751000125150 温度(）图1-2 LED亮度与温度关系曲线图3.02.

21、52.01.51.00.50.0255075100125150波长（nm) 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LED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

22、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。

23、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。

24、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

25、。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

26、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

27、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。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，D2为续流二极管，D3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

28、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。 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N3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N3和一个削反峰二极管D3。当开关管K导通，D3不通；而当K断开的一瞬间，由于线圈绕组N3的存在，在变压器的一次侧线圈绕组中的电流瞬间降为零，D3随之导通，此时N3中流过的电流将会代替

29、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。 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。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N1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

30、对N1绕组施加电压，使得N1中有电流i1流过，所以N1线圈中将产生感应电动势，此时次级线圈N2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，N3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。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

31、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，N2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。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

32、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-

33、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

34、，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。2.3.1 脉冲宽度调制脉冲宽度调制方式(PWM)，其开关周期是恒定的，它由转变脉冲信号的占空比方式，从而节制开关管导通的时间，用此来改变变换器中的电流，达到控制输出功率以及输出电压的目的。PWM调制方法是开关变换器中最广泛使用的一种方法，它由反馈信号与基准信号之间得到的差值然后与内部锯齿波相比较，之后产生一个恒定频率变宽的矩形波信号来控制开关管，并且能够通过负载的调节来控制开关管导通时间，可得到保持平稳的输出电压。2.

35、3.2 脉冲频率调制脉冲频率调制方式（PFM）,其导通脉冲宽度保持恒定，由控制频率的变化来控制开关的占空比，进而实现对能量的掌控。输出电压的可调范围比较大，只需要很小的负载。因为滤波电路要在比较宽的频率之间工作，所以滤波器的体积较大，这是它的缺陷之处。2.3.3 混合调制混合调制的开关工作频率和脉冲宽度均不是固定的，全可以改变，是上述两种调制方法的综合体。在频率变化范围较小的情况下，混合调制方式可以得到可调范围很大的输出电压。因此，这种方式很适合用于实验室电源。2.4 功率因数校正开关电源促进了现代社会生活的极大进步，然而相应的也带来了一些问题，例如谐波与对电网污染的问题。通常开关稳压电源的输

36、入级采用不可控容性整流电路，这种电路优缺点明显，优点是成本低、结构简单等，但同时缺点也很明显，输入的电流不是正弦波。其根本原因在于二极管整流电路不能够控制输入电流，当供电电压比电容电压高时，此时二极管导通，反之则不导通，这就会形成电流脉冲。其解决办法就是压制电流的脉冲幅度，让其波形能够接近于正弦波，我们将这种技术称之为功率因数校正技术。此技术可以分为有源功率因数校正和无源功率因数校正两种。1） 有源功率因数校正技术 有源功率因数校正这种电路采用全控开关器件，由其组成的开关电源能够对输入的电流波形进行有效控制，使其成为正弦波，由此其总谐波可以得到极大的降低，功率因数更是高达0.995，能够很大的

37、满足如今实行的最为严厉的谐波标准准则，它的使用将会更加广泛。但其电路较为复杂，成本略高，这也是人们不得不考虑的问题。2） 无源功率因数校正技术 此技术由电容与电感等组成的无源网络进行功率因数校正，它经由提高电流的导通角来增加功率因数。它于二极管整流电路中补充添加加了电感和电容等一系列无源器件。 优点：结构简易性能可靠，制作成本低。缺点是：体积重量大，功率因数只能提高到0.9左右，难以满足现行谐波的标准限制。 图2-9 无源功率因数校正电路2.5 开关电源未来发展1） 高频化高频化可以有效减小电源体积并且提高电源的功率，还可以很好地改善开关电源动态响应。2） 高效率化 最近谐振、恒频零开关以及零

38、电流变换器等技术成为热门的研究课题。这些技术在理论上可以使得损耗为零，可以使目前的电源转换率提高10%左右。3） 无污染化由于功率因数校正技术的发展及应用，使得功率因数获得极大的提升，并且谐波对于电网造成的污染也极大地减少。我们在DC/DC变化器与输入整流之间加入了有源功率因数校正技术更是将功率因数接近于100%，输入电流波形无限接近于正弦波而且与电压能够同相。4） 模块化由于分布式供电系统的广泛使用，电源将向模块化方向发展。从而开关电源的可靠性得到提升而且节能高效。能够以低电压和低消耗向超高速集成电路供电；也可以同时用小功率模块组成大功率电源得到大功率输出。3 驱动电路3.1临界导通式单级P

39、FC反激式变换器原理 如图3-1，经过全桥整流后，输入的交流电流转换得到脉动直流电压，之后由分压电阻取样作为乘法器的一个输入信号。同样的输出电压也会被分压电阻取样，经过误差放大器和基准电压放大比较，这样也会得到一路信号作为乘法器的另一路输入信号。两个信号经由乘法器处理得到的输出信号将会成为PWM调制解调器的同相端输入，反向端的输入则为变压器的一次侧电流检测信号。如果检测的电流幅度值大于误差放大器的放大电压幅度值，PWM则会输出低电平信号，导致触发器发生复位，MOS管将会关断，所以变压器存储的能量将会从二次侧线圈绕组输出。当检测到一次侧线圈绕组电流为零时且电压此刻翻转，触发器将输出高电平，然后M

40、OS管导通，此时一次侧的线圈绕组中的电流开始上升。这样将可以重复MOS管的接通与断开动作，使得电流波形跟随整流之后的电压波形，如此可以极大减少电流产生的谐波并且提高功率因数。图3-1临界导通式单级PFC反激变换器电路的原理图3.2 主电路设计3.2.1 高频变压器设计1) 需要满足初级与次级线圈的匝数比的要求。依据变压器工作原理，如完全不考虑到线圈绕组的电阻，一次侧与二次侧的电压比等于两侧匝数比。设变换器二次侧匝数Ns，一次侧匝数NP，最小输入电压Vin min，整流管的压降VDF，输出电压Vo，最大占空比Dmax，对于单端反激变换器必须满足：2) 符合磁不饱和的要求。设输入变压器初级线圈电压

41、方波值为Vin,匝数为N，磁通密度为B。匝数N和磁通密度B的关系式为： 为了使得变压器在占空比最大，输入电压最高时，要使变压器磁芯仍然保持不饱和，对于单管单极性变换器，由上式可得： 3） 满足升温与损耗最小要求。在设计时一次与二次线圈所占面积相等，可以使铜损最小；合理选择磁芯的工作频率和工作磁感密度，可以使铁损最小。4） 减小漏感。减小线圈绕组的厚度并加大其高度；减少匝数，使用低损耗、高Bm磁芯；在安全的条件下，尽可能使线圈绝缘厚度小；线圈绕组一律采用分层式交流绕组。5） 减小分布电容。线圈使用分段绕制；合理安排线圈极性从而减小电位差；绝缘材料的相对介电常数小。3.2.2 滤波电容器设计开关稳

42、压电源绝大部分工作在矩形波或方波状态下工作，因此会含有较多的谐波电流与电压。在输出端增加滤波电容则可以减小输出电压波纹。此滤波电容应该具有较好的阻抗频率特性，所以我们选用铝电解电容。设f为开关频率；PO是输出功率;UO是输出电压；V是输出纹波电压。滤波电容满足下列表达式：3.2.3 主开关管选择足够快的开关速度、足够大的耐压值和足够大的额定电流是选择开关管的必要条件。本次设计中的开关管需要承受初级线圈开关管关断时冲击电压、反射电压和正向导通的峰值电压。而开关管所能承受的电压必须大于上述电压的总和。同时开关管的开关速度要尽量快，因此关断延迟时间和开通延迟时间都必须要短。3.2.4 整流输出二极管

43、设计1）选用正向压降小的整流二极管，在反向额定电压和正向额定电流满足使用条件的情况下，选用正向压降比较小的整流二极管可以大大提高效率并极为有效地减小损耗。2）反向恢复时间短，由于时间短有效地降低了二极管的发热与损耗，并且减小了干扰与噪声。3) 正向恢复电压低，可以减小开通损耗。4）反向漏电流小 ，反向漏电流过大会增加关断损耗并且和反向额定电压与温度有关。5）额定电压的选取6） 额定电流的选取（二次侧占空比Ds=0.4）,二极管中的最大电流、电流有效值分别为：3.3 控制电路设计 3.3.1 调节器电路调节器会将反馈量与给定量进行运算与比较，从而得到一个控制量。它的核心是运算放大器，PWM控制器

44、内部一般都含有运算放大器可以构成调节器。3.3.2 并机均流电路开关电源能够通过并机组成一个整体系统来获得可靠性与更大的容量。在设计中，要注意考虑在联机运行时各个开关电源能够均流运行，且运行时其中一个发生故障不影响其他模块工作，可以采用运算放大器构造的均流电路。3.3.3 保护电路保护电路的存在可以保证不损坏负载且自身电路不被损坏。自我保护功能：输入欠压与过压，输入过流等等。过载保护功能：输出欠压与输出过压等。图3-1 输入过电压保护电路原理图 图3-2 过电流检测及锁存电路3.3.4误差放大补偿网络反馈环路一般不稳定，为了让反馈环路能够稳定可以加入补偿网络。临界导通模式可以提高功率因数，它的

45、电压环增益曲线穿越频率低于输入的电压频率值的一半，这样可以使得误差放大器的输出信号基本不变。本次设计中有两个电阻和一个电容来组成补偿网络，由功率因数和响应时间来确定电阻与电容的选择。4 智能照明控制智能照明的核心使用AT89C51单片机，单片机由输入的软件来提供时间控制信号，继电器的吸合和复位接到开关电源电路中。 图4-1 控制系统功能模块4.1 单片机 单片机是单片微型计算机的简称，它集诸多优点于一身，例如体积轻巧、成本低廉、使用方便、性能可靠等优点。在诸多单片机类型中，MCS-51单片机是较有代表性的一种，在本次设计中所需要实现的功能都能达成。4.1.1 单片机的选择 本次将会使用AT89

46、C51单片机来作为智能照明控制系统的主控芯片，此单片机属于艾特梅尔公司生产的MCS-51系列。 图4-2 AT89C51单片机引脚图AT89C51单片机各个引脚作用说明：VCC输入电源电压。GND连接到地。P0口八位漏极开路双向I/O端口。P1口为自身提供的上拉电阻八位双向I/O端口。P2口在编程与校验的同时接能够收高8位地址与控制信号。P3口八个自带上拉电阻的双方向I/O端口。P3口同时也能当作某些特殊功能端口。P3.0 RXD串行输入端口P3.4 T0计时器0的外部输入P3.1 TXD串行输出端口P3.5 T1计时器1的外部输入P3.2 /INT0外部中断0P3.6 /WR外部数据存储器写

47、选通P3.3 /INT1外部中断1P3.7 /RD外部数据存储器读选通RST复位输入。ALE/PROG访问外部存储器的时候，地址锁存同意输出电平信号用来锁存地址的低位字节。/PSEN外部程序存储器的选通信号。/EA/VPP保持低电平时及接地时，那么在此时仅访问外部程序存储器（0000H-FFFFH）。XTAL1反相振荡放大器的输入端口和内部时钟电路的输入端口。XTAL2反相振荡器输出端口。4.1.2 晶振电路晶振在每一个单片机中都是具备的，其在单片机中具有很重要的作用，晶振电路提供时钟频率，单片机的所有命令得到执行都架构在其基础之上，同时单片机的运行速率也和它息息相关。图4-3 晶振电路与单片

48、机的连接4.2 热释电传感器及处理电路4.2.1 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜，又名螺纹透镜。大多是由聚烯烃压成的薄片，其中一面是光面，另一面是从大到小的的同心圆。它在大多时刻作为红外线的凸透镜，效果较好。菲涅尔透镜具有两个作用：1.具备聚焦功能，可以把检测到的红外信号折射在PIR上。2.将探测区划分为数个暗区和明区，使进入检测范围内的物体通过温度变化的方式在红外线探测器上产生一个变化的红外信号。图4-4信号输出示意图4.2.2 热释电红外传感器热释电传感器可以很好地检测人体辐射的红外线，并将其转为电压信号加以检测。热释电传感器成本低廉而且灵敏度高，它本身没有任何类型辐射隐蔽性也较好。如果加安菲涅尔

49、透镜则可以进一步提高其检测范围与灵敏度。这种感器的输出信号变化较为缓慢，所以不能够被直接作为控制信号，因此需要一个信号处理电路将输出信号转化为能够被单片机识别的信号。 图4-5 人体热释电检测电路框图4.2.3 信号处理电路由热释电传感器的产生输出信号用BIS0001来进行处理，它由运放电路、电压比较器、延迟时间定时器与状态控制器等组成。其引脚图如下图4-6 BIS001引脚图1） 管脚说明：引脚编 号名称I/O口引脚说明1AI能够重复触发与不能重复触发的选择端口。如A的输入信号是“1”，则重复触发；相反，则不可以重复触发。2VOO控制信号的输出端口。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端口。4R

50、C1-功能与RR1相同。5RC2-触发封锁时间Ti的调节端口。6RR2-功能与RC2相同。7VSS-芯片工作时电源的负端。8VRFI参考电压和复位的输入端口。通常会接到VDD，要是定时器复位可使其接“0”信号。9VCI触发的禁止端口。如果Vc小于VR则禁止触发发生；如果Vc大于VR时则允许触发发生。10IB-运放器的偏置电流的设置端口。11VDD-芯片工作时电源的正极。122OUTO第二级运放器的输出端口。132IN-第二级运放器的反相输入端口。141IN+第一级运放器的同相输入端口。151IN-第一级运放器的反相输入端口。161OUT第一级运放器的输出端口。2） 信号处理电路图图4-7 热释

51、电红外开关应用电路图 图4-6中，运放器OP1会将传感器给出的信号进行一级放大，之后传输到运放器OP2二级放大，二级放大后由两个电压比较器处理信号，当检测出触发信号，延迟定时器将会被启动，输出信号再由T1放大将继电器J1接通。R3用来检测周围环境的亮度，其为光敏电阻。如果周围环境较为明亮，则R3阻值下降，芯片9号脚接收到低电平信号使得封锁触发信号。4.3 遥控与手动模块4.3.1 遥控发射电路本次设计使用BA5104进行红外遥控，它工作时既可靠又稳定且没有必要另外增加电源开关。 图4-8 BA5104引脚图BA5104引脚说明：引脚号引脚名称I/O引脚说明1,2C1,C2I用户码3-7,9-1

52、1K1-K8I遥控按键输入8VSS-接地12,130SC1,0SC2I/O输入与输出脚14LEDO信号发射状态显示15D0O载波信号输出16VDD-电源正极如图4-9所示为其电路原理图，当K1到K8中的某一个键被按下，芯片内部的振荡电路将开始起振。芯片将会对输入信息进行编码，之后会由芯片的15号引脚输出信号，输出信号经过放大后将会启动红外发射管，由其发出红外脉冲信号。图4-9 遥控发射电路4.3.2 遥控接收电路红外脉冲信号解调及接收器、记忆驱动器、指令译码器等几部分共同组成了遥控接收电路。使用红外信号一体化接收头来接受红外脉冲信号，并且能够进行调制解调。解码芯片我们将采用SM5032芯片，它

53、接收由三极管放大与反相之后的信号，经过内部解码后输出控制信号。因为SM5032的HP1、HP2与HP3脚将会持续高电平，但其驱动能力不够，所以我们在其之后加上加上驱动电路，芯片选CD4013。图4-10 SM5032与CD4013引脚图 图4-11 遥控接收电路4.3.3 手动调光手动调光是通过有按键来控制接收电路中解码芯片来实现的，手动调光有三个按键，这些按键一端接电源，另外一端接在解码器的三个相应引脚，这些按键将会控制引脚的高低电平。 图4-12 手控图4.4 光控与时控和模块图4-13 控制电路4.4.1 光照检测模块 光照检测模块中芯片采用LM324，本次设计将其分为三个工作亮度。通过

54、检测周边环境的亮度来决定LED灯工作在哪个亮度范围。如果周围环境亮度达到一定范围则LED不工作，外界亮度较低时则工作于第二档次，当外界完全黑暗时则LED开启最大亮度工作。4.4.2 光控与时控的实现光亮的时间段控制由输入单片机的软件来控制。这次的设计光控与时控相结合，光亮的时间控制将分为白天模式与黑夜模式。具体控制软件由制作软件部分人员完成。4.5 继电器输出模块图4-14 继电器控制电路如图4-12，继电器控制电路是由三个继电器LS1、LS2、LS3与三个电阻R21、R22、R23组成。LS1的两端分别与P1.0口和+5V电压相连。当P1.0为低电平，继电器两端电压是+5V，内部线圈会产生电

55、磁力从而是继电器工作，常闭断开，常开接通。LS2、LS3与LS1原理相同。结论本次论文对LED的照明系统进行了研究，设计内容主要分为驱动电路部分与智能控制部分。驱动电路部分选用了开关电源为驱动电路，开关电源技术大大提高了系统的功率因数，使得电能的利用率得到提高同时也减少了对电网的污染。智能照明控制采用多种控制方法以实现智能化，通过本次设计实现了LED灯具在人为控制的情况下实现可控照明，也同时考虑到在无人干预下LED灯具能够自启与自灭。本次设计充分检查了在大学四年期间所学知识的实践与运用，在设计阶段也遇到诸多问题，在导师的指导与翻阅资料的情况下大多能予以解决。最后整个照明系统基本完成，LED灯具运行稳定，智能控制基本实现。结果证明设计结果达到了预期要求。致谢本次论文的工作在张涛导师的悉