楊潤光

(中國計量學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)照明控制方式僅僅是執(zhí)行燈具的開關(guān)這一簡單的動作，事實證明其已不能滿足人類對照明的控制需求，智能照明控制系統(tǒng)便應(yīng)運而生［1］?，F(xiàn)在人類需要的不僅僅是簡單的照明，而是照明的形式要豐富多彩，光線的色彩要具有變換的特性，光線的強弱要具有可調(diào)性。這便促使電子設(shè)計人員去開發(fā)更加自動化、智能化的控制系統(tǒng)以滿足不同人群以及市場的需求［2］。LED 是20 世紀(jì)90 年代發(fā)展起來的新一代冷光源，具有傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)勢。它具有轉(zhuǎn)換效率高、反應(yīng)速度快、體積小、耗電量小、壽命長、環(huán)保等優(yōu)點，被稱為繼白熾燈，熒光燈和高強度氣體燈之后的第四代光源［3］。伴隨著LED 應(yīng)用的不斷發(fā)展，LED 驅(qū)動的調(diào)光技術(shù)顯得越來越關(guān)鍵。有線調(diào)控方式需要在墻面上預(yù)留開關(guān)位置，并且相對于無線遙控模式的調(diào)光方式不方便人們隨時隨地對燈光進(jìn)行調(diào)控，便利性較差［4］。

針對以上問題，本文設(shè)計了一款基于高度集成反激型電源拓?fù)涞腖ED 調(diào)光系統(tǒng)，它的電源部分采用基于MAX16802設(shè)計的恒流驅(qū)動電源，以方便實現(xiàn)高效傳輸;調(diào)光控制部分采用ATmeage16 單片機芯片進(jìn)行PWM 調(diào)光，使得其效率和精度均高于目前傳統(tǒng)方式;無線控制部分采用紅外傳感技術(shù)，便于實現(xiàn)無線傳輸。

1 電路設(shè)計

本文設(shè)計的LED 無線智能調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，它是由主電路、PWM 控制電路和無線調(diào)光電路組成的，其中主電路采用恒流驅(qū)動電路，它可以將輸入的交流電轉(zhuǎn)換為供負(fù)載使用的恒流電源;反饋電路為實現(xiàn)穩(wěn)壓功能，對主電路二次整流后的電壓采樣反饋;無線調(diào)光電路根據(jù)紅外遙控器發(fā)出的信號通過ATmeage16 單片機產(chǎn)生不同占空比的PWM 信號調(diào)節(jié)LED 的亮度［5］，從而實現(xiàn)本設(shè)計所需要完成的功能。

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 恒流變換和反激變換電路

2.1 反激變換電路

圖2 是反激變換的主電路。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，變壓器原邊電感電流開始上升，此時由于次級同名端的關(guān)系，輸出二極管截止，變壓器儲存能量，負(fù)載由輸出電容提供能量。當(dāng)開關(guān)管截止時，變壓器原邊電感感應(yīng)電壓反向，此時輸出二極管導(dǎo)通，變壓器中的能量經(jīng)由輸出二極管向負(fù)載供電，同時對電容充電，補充剛剛損失的能量。因為能量是單方向傳遞的，所以稱為反激單端變換器。

圖2 反激變化主電路

2.2 恒流變換電路

基于MAX16802 芯片設(shè)計的恒流驅(qū)動電路如圖3 所示。MAX16802 是高度集成反激型PWM 控制的白光LED 驅(qū)動器，反激型白光LED 驅(qū)動器的輸入電壓可高于或低于所要求的輸出電壓。此外，當(dāng)反激電路工作在非連續(xù)電感電流模式時，能夠保持白光LED 電流穩(wěn)定，無需額外的控制回路。其輸出電流可由高邊檢流電阻調(diào)節(jié)，專用的脈寬調(diào)制(PWM)輸入可實現(xiàn)寬范圍的脈沖式LED 亮度調(diào)節(jié)［6］。PWM 輸入為低電平時，開啟LED 電流;輸入為高電平時，關(guān)掉LED 電源。信號頻率為100～1 000 Hz，峰值在1.5～5.0 V之間，通過改變占空比調(diào)節(jié)LED 亮度。頻率低于100 Hz 時的信號可能會導(dǎo)致輸出閃爍，增大占空比時，LED 亮度減弱，反之亦然。PWM 占空比為0 時，LED 亮度達(dá)到100%。也可以通過改變LIN 輸入電壓的幅度來線性調(diào)節(jié)LED 的亮度。LIN 輸入調(diào)制檢流信號，在不同的電流下輸出到MOS 晶體管，這一過程會進(jìn)一步控制輸出電流，從而達(dá)到控制LED 亮度的目的［7］。圖3 中，R13 為LED 的檢流電阻，該電阻的計算公式為:

式中:VLED為LED 工作電壓;ILED為所要求的LED 電流;VD為D2 的正向電壓。根據(jù)式(1)求得的IPEAK，利用下式計算檢流電阻R13

其中，0.292 V 為檢流門限電壓。R11和R12組成一個電壓分阻器，能夠在檢流引腳之前按比較降低檢流電阻上的壓降。

圖3 基于MAX16802 芯片設(shè)計的恒流驅(qū)動電路

3 反饋電路設(shè)計

整個反饋電路主要是由采樣電路和脈沖寬度調(diào)制控制電路構(gòu)成的。本文設(shè)計的脈沖寬度調(diào)制PWM 控制電路主要是基于TOP 芯片進(jìn)行設(shè)計的。由TOP243Y 芯片及其外圍電路構(gòu)成的PWM 控制電路如圖4 所示。當(dāng)采樣電路的感光端得到的反饋電流增強時，便將反饋信號輸入到TOP243Y 芯片的控制引腳，同時將控制信號轉(zhuǎn)化為TOP243Y 芯片內(nèi)部功率MOS 晶體管開關(guān)輸出的占空比，這樣在正常情況下，功率MOS晶體管的占空比和控制引腳電流成反比關(guān)系［8］。TOP243Y 芯片是將高頻開關(guān)電源中的PWM 控制器和MOS晶體管功率開關(guān)管集成在同一芯片上的，所以在設(shè)計反饋電路時，我們常采用TOP 類芯片，本文的設(shè)計主要采用的是TOP243Y 芯片。

圖4 PWM 控制電路

4 調(diào)光電路設(shè)計

調(diào)光電路的核心芯片選擇AVR 單片機，其已廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表和機器人制作等領(lǐng)域。本文中的調(diào)光電路包括紅外接收和發(fā)射模塊以及單片機控制模塊的設(shè)計，通過AVR 單片機控制后使得單片機接收到不同信號，同時產(chǎn)生不同占空比的PWM，以達(dá)到調(diào)節(jié)LED 亮度的效果。

4.1 紅外發(fā)射接收模塊的設(shè)計

紅外發(fā)射電路是一個共發(fā)射極的放大電路，調(diào)整基極偏置，輸入模擬信號經(jīng)過電壓與功率放大，紅外發(fā)光二極管的輸出功率也隨著模擬信號而改變，從而可以將輸入信號發(fā)送出去。紅外接收模塊采用紅外發(fā)光管接收信號，然后將接收到的紅外信號通過三極管將電壓放大，再通過音頻放大芯片將功率放大，用可變電阻進(jìn)行調(diào)試，使其能達(dá)到較適宜的增益，最后通過輸送到揚聲器。

4.2 單片機控制模塊的設(shè)計

單片機控制模塊包括對紅外信號的解碼部分和產(chǎn)生PWM 部分的設(shè)計。當(dāng)遙控發(fā)射器按下后，即有遙控碼發(fā)出，解調(diào)后，送到單片機的信號輸入端。單片機對16 位的地址碼解碼，解碼的結(jié)果和給定的地址碼一致再控制PWM 占空比的變化，避免了其他信號的干擾。同時為了預(yù)防單片機在開關(guān)電源電路中受到電磁干擾，主要從軟件設(shè)計以及PCB 布局設(shè)計來考慮［9］。在軟件設(shè)計方面，采用雙時限看門狗定時器。PCB 的設(shè)計應(yīng)具有良好的地線層、盡可能縮短元件的引腳長度或選用貼片元件等［10］。

5 系統(tǒng)設(shè)計流程

系統(tǒng)的整體流程如圖5 所示。使用ATmeage16 單片機的定時器輸出PWM 脈沖信號，輸出電平在計數(shù)器等于TL1時復(fù)位，當(dāng)計數(shù)器的值等于TL0 時置位，改變TL0 的值可以改變輸出信號的周期，改變TL1 的值可以改變輸出信號的占空比。

圖5 系統(tǒng)整體流程圖

6 實驗結(jié)論

在單片機輸入的PWM 占空比變化的情況下，電流取樣電阻兩端電壓的占空比準(zhǔn)確地跟隨PWM 占空比的變化而變化，反映了LED 驅(qū)動電流的變化，說明該方案實現(xiàn)了多級調(diào)光功能，并且輸出紋波電壓在精度要求范圍以內(nèi)，輸出電壓穩(wěn)定，恒流精度較高，功率因數(shù)高，驅(qū)動電源轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%以上，滿足了設(shè)計要求。

7 結(jié)束語

文中所設(shè)計的基于AVR 單片機的新型LED 無線智能調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定。它通過紅外發(fā)射模塊發(fā)射無線信號、接收模塊接收信號并解碼后送入單片機，單片機根據(jù)指令的不同輸出不同的占空比的PWM 信號，對LED 進(jìn)行調(diào)光控制。其成本較低，適用范圍廣，有一定的應(yīng)用價值。

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