LED闪光灯的直流直流稳流电源电路设计

2016 届毕业设计说明书（论文）LED闪光灯的直流-直流稳流电源电路设计院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 黄三伟 职称 高级实验师 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 完成时间： 2016 年 6 月 摘 要随着全球资源短缺、环境污染问题的日益严重，节能、绿色和环保问题已成为当今人类社会面临的严峻课题。LED 灯是一种具有显著节能效果的半导体发光器件，因其多方面的优势目前正在取代包含照相机闪光灯在内的应用场所中的传统照明灯具。由于 LED 灯工作时的散热等要求需要对其进行恒流控制，而且照相机工作电压较低，因而设计一种 LED 闪光灯的直流-直流稳流电源电路就有现实的必要性。针对于设计任务的相关问题，在调研与文献查阅的基础上进行了整体方案的确定，系统采用 AT89S52 单片机作为主控芯片，以单片机最小系统为主构成测控回路，一方面是实现对主电路需要的输出电压与输出电流的设定值进行数字化给定；其二是对来自于主电路的实际输出电压与输出电流在经过取样、信号调理、TLC2543 芯片进行 A/D 转换后通过 LCD 进行显示；其三是将主电路输出电压的设定值通过一片 TLC5615 芯片进行 D/A 转换后作为基准电压，送给PWM 脉冲控制芯片 SG3524 的同相输入端，而实际的输出电压则反馈到 SG3524的反相输入端，形成电压反馈控制，从而实现对直流斩波电路的 PWM 电压控制；其四是将主电路输出电流的设定值通过另一片 TLC5615 芯片进行 D/A 转换后作为恒流控制基准，送给由运算放大器 OP07 构成的比较运算电路的一个输入端，而实际的输出电流则反馈到 OP07 的另一输入端，形成电流反馈控制，从而实现对输出负载电流的恒流控制。设计中完成了系统硬件电路设计和程序设计，相关的内容在基于 MATLAB和 Proteus 的仿真环境下进行了数字仿真，仿真结果显示达到了课题的设计目标与要求，也验证了设计内容的正确性，当然在系统整体效率、硬件电路设计等方面还存在着可以改进的地方。关键词：LED；直流-直流转换；脉冲宽度调制；恒流控制；单片机IABSTRACTAs the global resource shortage, environment pollution problem increasingly serious, energy saving, green and environmental protection has become a severe issue in todays human society faces. LED lamp is a semiconductor light emitting device having a significant energy saving effect, because of its many advantages is to replace the traditional lighting applications including camera flash sites and the lamps and lanterns. For the heat dissipation of LED lights work requirements need to be constant current control, and the camera working voltage is low, so designing a LED flash dc - dc current regulator circuit is the necessity of reality.On related questions of design tasks, on the basis of investigation and literature review on the determination of the overall solution, system USES AT89S52 single chip microcomputer as main control chip, give priority to with single chip processor system constitute and control circuit, on the one hand is the need for the main circuit output voltage and output current digital given value; On the other is from the main circuit of the actual output voltage and output current after sampling, signal conditioning, TLC2543 chip through the LCD display after A/D conversion; A third is the main circuit output voltage value through A piece of TLC5615 chip as A reference voltage, after D/A conversion for PWM pulse control chip SG3524 in-phase input, while the actual output voltage feedback to SG3524 inverting input, form A voltage feedback control, so as to realize PWM voltage control of dc chopper circuit; Four is the main circuit output current value by another TLC5615 after D/A conversion chip as A benchmark, constant current control for composed of operational amplifier OP07 comparison operations an input terminal of the circuit, and the actual output current feedback to OP07 another input, form A current feedback control, so as to realize the constant current control of the output load current.Completed the design of system hardware circuit design and software design, relevant content under the environment of and Proteus simulation based on MATLAB digital simulation, the simulation results show that to achieve design goals and requirements of the subject, also verify the validity of the design content, of course in such aspects as overall system efficiency, the hardware circuit design still exist can be improved.IIKey words：LED；DC-DC conversion；pulse with modulation；constant-current control；single chip microcomputerIII目 录1 绪论 .11.1 课题背景与意义 .11.2 国内外发展趋势 .11.3 LED驱动电源的要求 .22 系统总体方案设计 .32.1 系统总体设计 .32.2 方案选择 .32.2.1 常见 LED驱动电源 .32.2.2 主控制器选择 .53 硬件电路设计 .63.1 升压电路设计 .63.2 开关电源电路设计 .63.2.1 降压斩波电路 .63.2.2 PWM控制电路 .83.2.3 恒流控制电路 .103.3 测控电路设计 .103.3.1 单片机简介 .113.3.2 复位电路 .113.3.3 时钟电路 .123.3.4 报警电路 .123.3.5 显示电路 .123.3.6 键盘电路 .143.4 D/A转换电路 .143.5 A/D转换电路 .164 系统程序设计 .184.1 主程序设计 .184.2 D/A转换程序设计 .184.3 A/D转换程序设计 .194.4 LCD显示程序设计 .205 仿真实现 .22IV5.1 开关电源电路仿真 .225.1.1 Simulink仿真环境介绍 .225.1.2 建立 Simulink仿真模型 .225.1.3 Simulink仿真结果分析 .235.2 程序部分仿真 .255.2.1 Proteus仿真软件介绍 .255.2.2 建立 Proteus仿真电路图 .255.2.3 Proteus仿真结果分析 .26结束语 .28参考文献 .29致 谢 .31附 录 .32附录 A 元器件清单 .3211 绪论1.1 课题背景与意义LED 已被称为第四代照明光源或绿色光源，是一种能够将电能转化为光能的半导体，无论在结构上还是发光原理上都和传统的白炽灯、节能灯截然不同。它利用电场发光，因此寿命长、能耗少、热辐射较低、发光效率较高。在同样照明效果的情况下，LED 的耗电量只有白炽灯泡的万分之一，荧光灯的二分之一。由于灯泡体积小，重量轻，封装材料可以承受高强度机械冲击和震动，所以它不容易破碎，运输搬运更加方便。LED 灯具拥有长达 50 年的使用寿命,可以大大减小更换灯具的成本。与传统的灯泡相比,光色柔和,不刺眼,不含有对人体有害的物质如钠、安全性比较高。逐渐发展成熟的白光技术使得半导体照明技术不仅可以应用于白光照明,并且在许多其他方面被广泛的使用。LED 的应用主要分为两块，照明领域和消费领域，照明领域主要是通用照明、液晶背光以及汽车使用的各种灯具；消费领域主要是投影机市场、高清显示墙，包括手机上相机闪光灯和手机触摸的一些产品。1.2 国内外发展趋势LED 照明市场规模正在逐步提升，最新的2016 全球 LED 照明市场趋势研究报告指出，2015 年 LED 照明市场规模达到 257 亿美元，渗透率达31%；2016 年将达到 305 亿美元，渗透率提升至 36%；预测 2020 年全球 LED 照明市场规模将高达 425 亿美元。LED 光源由于与传统光源相比具有诸多优势，被公认为是 21 世纪最具发展前景的电光源，在全球获得迅速发展。从各国政策来看，欧洲、美国、日本、澳大利亚等国都启动白炽灯淘汰计划，扶持 LED 产业的发展。我国在 LED 产业政策上相继启动绿色照明、半导体照明工程，鼓励 LED 光源在各个领域的应用。2011 年 11 月国家发改委正式发布中国逐步淘汰白炽灯路线图 ，计划到 2016 年全面禁止白炽灯的进口与销售。在 LED 光源的优势特性与各国政策的支持下，LED 光源将成为未来电光源的主要发展方向。随着 LED 光效、显色性、亮度保持率、颜色稳定性等各方面产品性能的提升，其应用范围也在不断拓展。应用领域从最早的单色信号指示，逐步发展到交通信号指示、汽车照明灯功能元件，广泛运用到了手机等数码产品、汽车等领域。逐步扩展的 LED 应用范围为 LED 产业的发展提供了更加广阔的空间。近几年，在国内 LED 照明市场快速发展的带动下，LED 驱动电源的需求量也成倍2扩大。LED 驱动电源的发展状况直接关系到 LED 灯具能否大规模的推广应用。1.3 LED驱动电源的要求原始电源有很多种形式,但无论是哪种电源,一般都不能直接给 LED 供电。因此,要用 LED 作照明光源首先就要解决就是电源变换的问题。实际上 LED 是一个电流驱动的低电压、单向导电器件,驱动电源应具有直流控制、可调光、效率高、过压保护、负载断开、简便易用以及小型尺寸等特点。根据 LED 的相关特性，LED 驱动电源的设计要注意一些问题：LED 是单向导电的，所以必须用直流电流或单向脉冲电流来驱动 LED；LED 内部有一个 PN 结，形成了一个导通门限电压，加在 LED 两端的电压必须超过门限电压才能使 LED充分导通；LED 的伏安特性是非线性的，所以流过 LED 的电流与加在 LED 两端的电压的比值是非线性的；LED 光通量与流过 LED 上的电流的比值是非线性的，所以必须使 LED 尽量工作在一个发光效率比较高的电流值之下；LED 的 PN 结温度系数为负数，所以不能直接用电压源供电，必须要采取一些限流措施，所有LED 都不能直接并联使用。32 系统总体方案设计2.1 系统总体设计采用 3V 直流电源供电，通过两个 XL6009 升压模块分别将电压升高至 5V和 14V，5V 给单片机等芯片供电，14V 作为 DC/DC 电路的输入电压，DC/DC 电路通过降压实现 010V 的输出。系统采用 AT89S52 单片机作为主控芯片，以单片机最小系统为主构成测控回路，一方面是实现对主电路需要的输出电压与输出电流的设定值进行数字化给定；其二是对来自于主电路的实际输出电压与输出电流在经过取样、信号调理、TLC2543 芯片进行 A/D 转换后通过 LCD 进行显示；其三是将主电路输出电压的设定值通过一片 TLC5615 芯片进行 D/A 转换后作为基准电压，送到 PWM 脉冲控制芯片 SG3524 的同相输入端，而实际的输出电压则反馈到 SG3524 的反相输入端，形成电压反馈控制，从而实现对直流斩波电路的PWM 电压控制；其四是将主电路输出电流的设定值通过另一片 TLC5615 芯片进行 D/A 转换后作为恒流控制基准，送给由运算放大器 OP07 构成的比较运算电路的一个输入端，而实际的输出电流则反馈到 OP07 的另一输入端，形成电流反馈控制，从而实现对输出负载电流的恒流控制。整体设计框图如图 1 所示。3V直流输入DC/DC升压直流斩波 恒流控制LED负载电流 取样P W M 控制电压 取样信号 调理D / A 转换 A / D 转换比较 放大D / A 转换差分 放大信号 调理微控制器工作 电源报警指示键盘 输入显示模块A / D 转换图 1 系统总体设计框图2.2 方案选择2.2.1 常见 LED驱动电源在能源危机日益严峻的今天，高性能的 LED 驱动电源研究就显得特别重要4了，LED 驱动电源的应用非常广泛，市场需求量非常大，人们根据不同的需求设计研制了各种不同类型的电源。目前市场上常见的 LED 驱动电源包括两类，线性驱动电源和开关电源型驱动电源。方案一、线性驱动电源如下图 2 所示，是一种比较简单常见的 LED 驱动电源