LED台灯设计与实现毕业论文.doc

分类号：tm923.34 u d c：d10621-408-(2013) 1426-0密 级：公 开 编 号：2009072031led台灯设计与实现毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日 led台灯设计摘要在现代城市中，随着人口和能源消耗的急剧增长，总用电量也在日益的增加，而台灯又是家家户户必备的家用电器，如果没有节能措施，便会造成能源被大量浪费，进而造成能源枯竭的不良后果。因此，led智能台灯的设计具有其重要意义。本文针对台灯的省电和使用的方便性进行了设计与研究，介绍了设计的框架结构和组成模块以及各模块的原理，介绍了各部分硬件设计及其电路图，介绍了软件设计及其程序，该设计是以单片机stc15f100为控制核心，利用pwm波调光技术，通过调整pwm波的周期和pwm波的占空比从而控制电流，进而达到对led台灯光度亮暗进行调控的效果，实现对led灯的pwm调光控制。关键词led；单片机；pwm调光；led desk lamp designabstractin modern city, along with population and energy consumption suddenly growth, total electricity consumption also in daily increase, but the desk lamp also is each and every family necessary domestic electric appliances, if has not conserved energy the measure, then can create the energy to waste massively, then creates the energy depletion the adverse consequences.therefore, the led intelligence desk lamp design has its vital significance. this article has carried on the design and the research in view of the desk lamp province electricity and the use conveniences, introduced the design portal frame construction and the composition module as well as various modules principle, introduced various part of hardware design and the circuit diagram, introduced the software design and the procedure, this design is take monolithic integrated circuit stc15f100 as the control core, adjusts the light technology using the pwm wave, thus through adjusts the pwm wave the cycle and the pwm wave dutyfactor the controlling current, then achieved bright carries on regulative darkly to the led desk lamp luminosity the effect, realizes adjusts the light control to led lamp pwm.keywords:led；singlechip；pwm light目录论文总页数：30页1前言1.1 led灯的优缺点1.2 单片机的现状1.3 led智能台灯功能和指标1.4 系统设计的内容2 基本原理介绍2.1 单片机2.1.1 单片机的定义2.1.2 单片机的组成2.2 pwm基本概述2.2.1 pwm简介2.2.2 pwm控制led亮度原理2.3 led灯发光原理3 设备选择3.1 单片机的选择3.2 升压芯片和降压芯片的选择3.2.1 降压芯片的选择3.2.2 升压芯片的选择3.3 led驱动芯片选择4 硬件电路4.1 桥式电路4.2 降压电路4.2.1 基本原理4.2.2 元器件选择4.3 升压电路4.3.1 基本原理4.3.2 元件选择4.4 led恒流驱动电路4.4.1 基本原理4.4.2 元件选择4.5 单片机产生pwm波电路4.6 led灯珠串联电路5 硬件调试5.1 单片机产生pwm波的仿真5.2 整体电路调试6 系统软件设计6.1 系统软件设计6.2 控制程序代码7 总 结参考文献致 谢声 明1前言1.1 led灯的优缺点led的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源，它有着广泛的用途。优点：一、体积小 led基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。二、耗电量低 led耗电相当低，一般来说led的工作电压是2-3.6v。工作电流是0.02-0.03a。这就是说：它消耗的电能不超过0.1w。三、使用寿命长 在恰当的电流和电压下，led的使用寿命可达10万小时。四、高亮度、低热量 led使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。五、环保 led是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时led也可以回收再利用。六、坚固耐用 led是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固。灯体内也没有松动的部分，这些特点使得led可以说是不易损坏的。led灯高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。寿命长：led光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。多变幻：led光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生25625625616777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，led光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。 缺点：价格贵，需要恒流驱动，散热处理不好容易光衰。 1.2 单片机的现状二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑通常是指个人计算机，简称pc机。还有一类大多数人不怎么熟悉的计算机，这就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里，起着有如人脑的作用。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的这些优点为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、vcd、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。不但如此，他还能大大地提高这些产品的智能性、易用性及节能性等主要性能指标，在给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量，同时，也在很大程度上降低了生产的成本。1.3 led智能台灯功能和指标1、低功耗led光源：本系统采用8个高亮led作为光源，最高功率为3w。而市场上多数台灯的光源功率一般都在10w以上。2、超长寿命光源：半导体芯片发光，无灯丝、无玻璃泡、不怕震动、不易破碎、使用寿命可达10万小时远远超过普通光源寿命。3、健康光源：光源发出的光线多集中在可见光区域，光线中含紫外线和红外线少，产生辐射少。而且以直流供电，没有普通光源因为交流电引起的频闪。5、多级pwm调光：根据自身需求，可通过点触式按键实现光源强度的多级调节。6、指标：工作电压：220v市电工作电流：60ma120ma最大功率：4w工作环境温度：070（单片机工作温度范围）1.4 系统设计的内容本led智能台灯系统主要包括以下四个模块：1）led光源驱动模块利用变压器将220v的交流电转化成12v的交流电源，并使用全桥和电容对其进行整流滤波，使其相对稳定在15v左右。然后使用pt4115电源驱动芯片将其转换成稳定的恒流源。2）单片机外围电路模块利用stc15f104单片机通过两个按键实现对pwm调光。3）二级降压电路模块利用lm2596芯片将15v电源降压为5v提供给单片机使用。4）升压电路模块利用lm2577芯片将15v电源升压为30v给led灯供电。2 基本原理介绍2.1 单片机2.1.1 单片机的定义单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机按用途大体上可分为两类，一种是通用型单片机，另一种是专用型单片机。mcs-51单片机是美国intel公司于1980年推出的产品，与mcs- 48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条。mcs-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，mcs-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与msc-51单片机作为代表进行理论基础学习。mcs-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。2.1.2 单片机的组成1)总线我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两?器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址才能用，分配地址也是以电信号的形给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分的线也较多，这些线被称为地址总线。2) 数据、地址、指令将这三者放在一起的原因，是由于这三者的本质都是一样的数字，或者说都是串0和1组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关，不可以由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内单元的地址值已由芯设计者规定好，不可更改，外部的单元可以由单片机开发者自行决，但有一些地址单元是一定要有的。数据：这是由微理机处理的象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：1、地址（如mov dptr，#1000h），即地址1000h送入dptr。2、方式字或控制字（如mov tmod，#3），3即是控制字。3、常数（如mov th0，#10h）10h即定时常数。4、实际输出值（如p1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：mov p1，#0ffh，要灯全暗，则执指令：mov p1，#00h）这里0ffh和00h都是实际输出值。又如用于led的字形码，也是实 际输出的值。 理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞，会把数据当成指令来行了。3) p0/p2/p3口功能初学时往往对p0口、p2口和p3口的第二功能用法迷惑不解，认为第二功能和原功能之间要有个切换的过程，或者说要有一条指令，事实上，各端口的第二功能完全是自动，不需要指令来转换。如p3.6、p3.7分别是wr、rd信号，当微片理机外接ram或有外部i/o口 时，它们挥作第二功能，不能作为通用i/o口使用，只要一微处理机一执行到movx指令，就会有相应的信号从 p3.6 或p3.7送出，不需要事先用指令说明。事实上不能作为通用i/o口使用也并不能将其作为通用i/o口使用。你完全可以在指令中按排一条s etb p3.7的指令，并且当单片机执行到这条指令时，也会使p3.7变为高电平，但使用者不会这么做，因为这通常这会导致系统当溃（即死机）。4) 程序执行过程单片机在通电复位后8051内的程序计数器（pc）中的值为0000，所以程序总是从0000单元开始执行，也就是说：在系统的rom中一定要存在0000个单元，并且在0000单元中存放的一定是一条指令。5) 堆栈堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部ram的一份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的先进后出，后进先出，并且堆栈有特的数据传输指令，即push和甈op，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针sp每当执一次 push指令时，sp就（在原来值的基础上）自动加1，每当执行一次pop指令，sp就（在原来值基础上）动减1。由于sp中的值可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了sp值，就可以把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时用一条mov sp，#5fh指令，就时把堆栈设置在从内存单元60h开始的单元中。一般程序的开头总有这么条设置堆栈指针的指令，因为开机时，sp的初始值为07h，这样就使堆栈从08h单元 开始往后8h到1fh这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数的浑乱。不作编写程序时，初始化堆栈指令也不完全相同，这是作者的习惯问题。当设置好堆栈区，并不意味着该区域成为一种专用内存，它还是可以象普通内存区域一样使用，只是一般情下编程者不会把它当成通内存用了。2.2 pwm基本概述2.2.1 pwm简介脉冲宽度调制(pwm)，是英文“pulse width modulation”的缩写，简称脉宽调制，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，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。pwm控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。随着电子技术的发展，出现了多种pwm技术，其中包括：相电压控制pwm、脉宽pwm法、随机pwm、spwm法、线电压控制pwm等。2.2.2 pwm控制led亮度原理对于控制led灯由亮到暗或由暗到亮，采用的是脉宽pwm法。它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作pwm波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整pwm的周期、pwm的占空比而达到控制电流的目的。这次设计利用stc15f100单片机产生占空比可变的矩形波，当产生此矩形波的i/o通过滤波电路再与led灯相连接后，由于输出矩形波占空比不断变化，那么一个周期内有一部分时间led导通，一部分时间截止，从整体来看有一个平均电压，因为pwm信号频率周期很高，我们无法通过肉眼来观察到每一个周期led灯亮灭的变化过程，所以通过平均电压的方式来决定led灯的亮的程度。随着波形占空比的不断变化，led灯也会有着由暗到亮或由亮到暗的不断变化。2.3 led灯发光原理led灯是一个在热平衡状态下的pn结。扩散和漂移运动相等时，内建电场稳定，此时n区有很多迁移率很高的电子，p区有较多的迁移率较低的空穴。由于pn结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，当pn结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由n区扩散到p区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷)捕获，尔后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。也就是说这些不发光的载流子将可能被杂质能级(或缺陷)所捕获，最后以发热的形式消耗掉。pn结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。pn结半导体材料相对于空气有较高的折射率，因此半导体内部发出的光子只有极少数能逸出半导体材料与空气的界面，大多数被反射回到半导体内部，最终被吸收。我们定义逸出效率为逸出发光二极管的光子数与pn结所产生的光子数之比。为了提高逸出效率，可以选择不同的封装材料、封装几何形状。这样，从晶片透出的光子首先进入封装透镜，然后再逸出，因为封装材料的折射率在半导体材料和空气折射率之间，因此光子逸出率大大提高，同时，封装透镜还起到保护半导体晶片和控制输出光的分布。3 设备选择3.1 单片机的选择要实现led台灯的亮度可调节，可采用单片机产生pwm波，通过改变pwm波的占空比，从来改变流过led灯的电流来改变led灯的亮度，所以这里需要选择一个合适的单片机。由于考虑到led台灯的小巧性，应该考虑体积小，外部引脚少，外部电路不复杂的单片机，通过查询资料我选择了体积很小的stc15f100系列单片机，该系列单片机内部集成高精度r/c时钟，常温下温漂5%，5mhz-35mhz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振。内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，可彻底省掉外部复位电路，使得外部电路更加精简。以下是该系列单片机的部分特点。1. 增强型8051cpu，1t，单时钟/机器周期，速度比普通的8051快6-12倍2. 工作电压：stc15f100系列工作电压：5.5v-3.8v（5v单片机）stc15l100系列工作电压：3.6v-2.4v（3v单片机）3. 内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路4. 内部高精度r/c时钟，内部时钟从5mhz-35mhz可选5. 工作频率范围：5mhz-35mhz,相当于普通8051的60mhz-420mhz6. 低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式（可有外部中断唤醒）图3.1为stc15f104e封装图。图3.1 stc15f104e封装图由上图可见stc15f104e结构简单，引脚较少，较为适合led台灯。3.2 升压芯片和降压芯片的选择3.2.1 降压芯片的选择由于降压芯片的作用是为单片机提供一个合适的工作电压，所以降压芯片的选择应该首先考虑其输出电压能够满足单片机所需要的工作电压，然后再考虑其外部电路尽量简单，价格便宜，功耗较低等。通过查询资料比对我选择了lm2596开关电压调节器，lm2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3a的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有3.3v、5v、12v， 可调版本可以输出小于37v的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150khz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了lm2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在4%的范围内，振荡频率误差在15%的范围内；可以用仅80a的待机电流， 实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）特点： 3.3v、5v、12v的固定电压输出和可调电压输出 可调输出电压范围1.2v37v4% 输出线性好且负载可调节 输出电流可高达3a 输入电压可高达40v 采用150khz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高 低功耗待机模式，iq的典型值为80a ttl断电能力 具有过热保护和限流保护功能 封装形式：to-220（t）和to-263（s） 外围电路简单，仅需4个外接元件， 且使用容易购买的标准电感 图3.2是该芯片的一般外接电路图。图3.2 lm2591外接电路图3.2.2 升压芯片的选择升压芯片的选择和降压芯片的选择类似，升压后输出电压给led灯供电，由于我用了8颗led灯珠串联，每颗灯珠电压为4v左右，所以需要30v左右电压，所以我选择了一个可以调节输出电压的升压芯片lm2577，图3.2为该芯片的外接电路。图3.3 lm2577外接电路其输出电压由r1和r2的比值来确定，所以我可以将r1换成一个滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来改变输出电压的值。lm2577的性能特点：1. 输入电压范围为3.540v2. 内有52khz固定频率振荡器3. 输出级npn型开关晶体管的耐压为65v，额定电流为3a4. 具有抑制启动时冲击电流的软启动功能5. 具有过流保护，低电压锁定和过热保护功能3.3 led驱动芯片选择led工作的主要是恒流，驱动方法和芯片的种类有很多，目前led驱动芯片按类型可分为：恒压式驱动芯片、恒流式驱动芯片以及脉冲式驱动芯片三类。其中恒压式驱动芯片一般就是我们常见的dc/dc升压芯片居多。这种方案的优点是芯片成本便宜没有复杂的外围电路。但只能恒定电压驱动led就会造成驱动输出时电路电流的不可控。无法保证led亮度的一致性。 恒流式驱动芯片则解决了之前恒压式驱动的电流不可控问题。目前比较好的恒流芯片可以做到1%左右的恒流精度，而且有简易的外围控制接口可灵活设置所需输出的电流大小所以倍受欢迎。但是这类芯片价格比恒压芯片价格高许多且外围电路复杂。同时因为恒定输出电流所以整个芯片的在电池作为供电的时候放电会比较快。目前脉冲式驱动芯片则是以高频率的脉冲发生器输出接口向led灯供电。因为是脉冲信号频率很高所以人眼根本无法感觉到led的频闪，所以这个方式即符合了视觉需要又能有效节约电能输出。而且这类型芯片的工作频率一般可由外部接口控制（则可进一步靠外围电路设置输出电流大小）。但是目前该类型芯片震荡频率一般在100khz500khz范围。所以目前的驱动能力仅仅适合小功率应用。但是相信在不久的将来会提升到大功率led驱动的场合。pt4115 是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联led。pt4115 输入电压范围从6 伏到30 伏，输出电流可调，最大可达1.2 安。据不同的输入电压和外部器件，pt4115 可以驱动高达数十瓦的led。pt4115 内置功率开关，采用高端电流采样设置led平电流，并通过dim引脚可以接受模拟调光和很宽范围的pwm调光。当dim的电压低于0.3伏时，功率开关关断，pt4115进入极低工作电流的待机状态。其特点如下：特点： 极少的外部元器件 很宽的输入电压范围：从 6v 到30v 最大输出 1.2a 的电流 复用 dim 引脚进行led 开关、模拟调光和pwm 调光 5%的输出电流精度 led 开路自然保护 高达 97%的效率 输出可调的恒流控制方法 增强散热能力的 esop8 封装可用于大功率驱动图3.4为该芯片的典型应用电路图3.4 pt4115典型应用电路pt4115和电感（l）、电流采样电阻（rs）形成一个自振荡的连续电感电流模式的降压恒流led控制器。vin上电时，电感（l）和电流采样电阻（rs）的初始电流为零，led输出电流也为零。这时候，cs比较器的输出为高，内部功率开关导通，sw的电位为低。电流通过电感（l）、电流采样电阻（rs）、led和内部功率开关从vin流到，电流上升的斜率由vin、电感（l）和led压降决定，在rs上产生一个压差vcsn， 当(vin-vcsn) 115mv时，cs比较器的输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感（l）、电流采样电阻（rs）、led和肖特二极管（d），当(vin-vcsn) 85mv时，功率开关重新打开，这样使得在led上的电流为：iout= 0.085+ 0.115/2rs=0.1/rs4 硬件电路该led台灯总体硬件电路如下图图4.1 总体硬件电路该电路由一个桥式电路，一个二级降压电路，一个升压电路，一个led恒流驱动器电路，一个单片机产生pwm波电路和一个led灯珠串联电路共六个部分组成。4.1 桥式电路由于led灯是工作在低压直流恒流的环境下，所以首先要考虑将220v交流电转变为led工作所需的低压直流恒流，通过一个变压器将220v高压交流电流降压为12v的低压交流电流，再通过一个电容滤波的单相桥式整流电路将12v低压交流电转换为12v低压恒流直流电流。图4.2为该电容滤波单相桥式整流电路。图4.2 电容滤波的单相桥式整流电路图中con2的两个接口接变压器低压端对应的两个接口，即输入电流为12v交流电，下图为输入电流的波形。图4.3 输入电流波形图当电流在wt轴以上时，二极管d1和d4导通，d2和d3不导通，输出端的电流波形不变，当电流在wt轴以下时，二极管d2和d3导通，d1和d4不导通，输出端电流与输入端电流正负相反，所以处于wt下半轴的电流波形被翻转到了上半轴，电压大小不变，转换之后的波形如下图。图4.4经过二极管转换之后的电流波形图此时的电流虽然全为正值，但并不是直流恒流，所以通过一个有储能作用的电容来对该电流进行滤波。由于电容有充放电功能，所以当输入端电流处于下降状态时，电容将对负载进行供电，如果电容足够大，放电足够慢，则在输入电流下降到回升至与电容电压相等期间，提供给负载的电压基本不变，之后输入电流再继续对电容充电到达最大值，如此反复则得到如下图所示波形。图4.5 经过电容滤波之后的波形图由上图可见转换之后的电流几乎接近于直流恒流，满足led灯的工作环境。由于输出电压值与输入电压值有误差，所以需要进行一定的计算，以下为引自电力电子第四版63页的计算方法。输出电压平均值：空载时，r=无穷大，放电时间常数为无穷大，输出电压最大，ud=。通常在设计时根据负载的情况选择电容c值，使rc，t为交流电源的周期，此时输出电压为。所以这里的输出电压。4.2 降压电路 4.2.1 基本原理由于该led台灯所用的单片机需要一个5v的电源电压，所以需要通过一个降压电路来使之前得到15v电压转变为5v电压，通过3.2.1已经知道我选择的是一个lm2596的降压芯片，该降压芯片可以将不同的输入电压转换为12v，5v，3v三种不同的电压值。由于考虑到直接将15v电压通过芯片lm2596降压为5v，芯片的发热较为严重，容易损坏芯片，再加之由12v电压降为5v电压的时候芯片效率较高，所以我选择了一个二级降压电路，下表为该芯片分别降压为12v和降压为5v的参数。表4.1 lm2596参量表符号参量条件典型值极限值单位lm2596-5.0vout输出电压7vvin40v， 0.2aiload3a 5.04.800/4.750 5.200/5.250 v v（min） v（max） 效率vin=12v，iload=3a 73%lm2596-12vout输出电压15vvin40v， 0.2aiload3a 12.011.52/11.40 12.48/12.60 v v（min） v（max） 效率vin=25v，iload=3a 88%该二级降压电路图如下图所示：图4.6 二级降压电路图第一级降压将vcc=15v降压为12v电压，第二级降压将12v电压降压为5v电压。 4.2.2 元器件选择输入电容的选择：为了防止在输入端出现大的瞬态电压，在输入端和地之间要加一个低等效电阻的铝或钽电容作为旁路电容，这个电容要靠近ic。另外，输入电容电流的均方根值至少要为直流负载电流的一半。要确保所选的电容的这个参数不能低于直流负载电流的一半。对铝电解电容其耐压值要为最大输入电流的1.5倍，所以这里我选择了一个220uf/50v的电解电容，可以满足以上要求。吸纳二极管的选择：a. 吸纳二极管的最大承受电流能力至少要为最大负载电流的1.3倍，如果设计的电源要承受连续的短路输出，则吸纳二极管的最大承受电流能力要等于lm2596的极限输出电流。对吸纳二极管来说，最坏的情况是过载或输出短路。b. 吸纳二极管的反向耐压至少要为最大输入电压的1.25倍。c. 吸纳二极管必须是快恢复的且必须靠近lm2596，此二极管的管脚要短，连接的铜线也要短。由于所需的二极管开关速度快、正向压降低，所以，肖特基二极管是首选，同时，它的性能和效率都很好，特别是在低输出电压情况下更是如此。使用超快恢复或高效整流二极管效果也很好。超快恢复二极管的典型恢复时间为50ns或更快，象in5400系列的整流二极管速度很慢，通常不用。所以这里我选择了一个肖特基二极管1n5819，该二极管的最大整流电流为1a而点亮led灯珠只需要200ma的电流，该二极管的最大反向电压为40v，而这里最大电压不超过15v，所以满足要求。输出电容的选择：在大多数的应用中，低等效电阻的电解电容值在82f到820f之间，而低等效电阻钽电容值在10f到470f之间效果最好。电容应该靠近ic，同时，电容的管脚要短，连接的铜线也要短，电容值不要大于820f。电解电容的耐压至少应是输出电压的1.5倍，为了得到纹波更低的输出电压，需要更高耐压值的电容器。由于一级降压输出电压为12v，所以需要一个耐压值大于的电容，所以我选择了一个220uf/25v的电解电容作为一级降压的输出电容。二级降压输出电压为5v，所以需要一个耐压值大于的电容，所以我选择了一个100uf/25v的电容作为二级降压的输出电容。4.3 升压电路由于led恒流驱动器需要一个30v的输入电压，所以要将12v电压通过一个升压电路转换为30v，该升压电路的电路图如下。图4.7 升压电路图4.3.1 基本原理由3.2.2知道我选择的是一个lm2577的降压芯片来进行降压，lm1577以52khz固定频率控制npn晶体管vt通断工作，将能量储存在外接电感中。当晶体管导通时，外接电感线圈电流以vll速率增加，并储存于电感中，储存的电流(能量)与vt导通的时间成正比；当晶体管vt截止时，电感蓄积的电流以(v0一vi)l速率经外接二极管vd泄放并将能量转存到输出电容co中。这样，在vt导通时存储在电感中的能量，在 截止时又被传送到输出端。传送到输出端能量的多少就决定了输出电压的大小。所以只要控制开关管导通和截止的时间比例(占空比)，使占空比跟随着负载的变化而变化，就能控制电感储存和传送的能量，从而得到稳定的输出电压。占空比的调节是通过外接的反馈网络r1和r2(图3)将输出电压按比例反馈至误差放大器的反相端，误差放大器把此电压与123v基准电压之差放大，误差放大器的输出与电流传感电压(此电压与vt导通时的电流成正比)进行比较。当负载变化引起输出电压变化时，若输出电压偏低，则比较器的输出通过逻辑电路控制开关晶体管导通时间延长，占空比增大，电感线圈转移能量增加，输出电压上升；若输出电压偏高，则晶体管导通时间缩短，占空比减小，输出电压下降，如此实现输出电压的稳定输出。过流时，内部过流电阻反馈信号关断开关晶体管vt，实现对电路的保护；温度过高时，器件内部热敏元件反馈信号关断开关晶体管vt，实现对电路的过温保护。输入屯压过低时，相应的检测电路禁止开关晶体管vt导通。4.3.2 元件选择升压芯片的元件选择原则与降压芯片的几乎相同，这里就不一一阐述，不同地方是该升压芯片的输出电压是可以调节的，其输出电压为：。所以我选择了一个20k的滑动变阻器作为r1，一个2k的固定电阻作为r2，通过调节滑动变阻器r1的阻值来改变输出电压vout。4.4 led恒流驱动电路由3.3可知，该驱动电路我选择的是一个pt4115作为驱动芯片，该芯片的输入电压范围为6伏到30伏，输出电流可调，最大为1.2a，远远超过点亮led灯珠所需的200ma电流，该驱动电路图如下。图4.8 led恒流驱动电路图4.4.1 基本原理该电路要实现的功能是，提供适当电流使led灯发光，并可以改变电流大小，使led灯实现亮度可调节，图4.4中电阻r2为采样电阻，通过选择采样电阻的阻值大小，可以确定输出电流的最大电流值，最大输出电流值与采样电阻r2之间的关系是:。因为我采用的是8个led灯珠串联，其最大允许的电流为230ma，超过230ma会烧坏led灯，这里我选择输出电流为100ma，所以采样电阻的阻值为：。是dim端浮空或外加dim端电压高于2.5v（但必须低于5v）。实际上，rs是设定了led的最大输出电流，通过dim端，led实际输出电流能够调小到任意值。图4.4中dim端输入的是一个pwm波，通过在dim管脚加入可变占空比的pwm信号可以调节输出电流以实现调光，当dim端电压，其输出电流为（d为pwm波占空比，范围为0%100%）。当dim端电压，其输出电流为（d为pwm波占空比，范围为0%100%）。这样，就可以通过改变输入占空比从0%到100%的变化，来调节led的亮度。由图4.4中可见pwm3端接有一个开关s3，当s3接通时，则输入一个pwm波给驱动芯片的dim端，则可实现调光，当s3断开时，pwm波直接接地，则芯片dim端没有输入，则不能给led灯供电，led灯此时熄灭。所以通过开关s3可以对led灯的亮和灭进行控制。4.4.2 元件选择选取电感：pt4115推荐使用的电感参数范围为27uh 100uh。电感的饱和电流必须要比输出电流高30%到50%。led输出电流越小，则采用的电感值越大。这里的输出电流较为小，所以选择尽量大一些的电感，我选择了一个67uh的电感。在电流能力满足要求的前提下，希望电感取得大一些，这样恒流的效果会更好一些。电感器在布板时请尽量靠近vin和sw，以避免寄生电阻所造成的效率损失。选取二极管：为了保证最大的效率以及性能，二极管（d）应选择快速恢复、低正向压降、低寄生电容、低漏电的肖特基二极管，电流能力以及耐压视具体的应用而定，但应保持30%的余量，有助于稳定可靠的工作。另外值得注意的一点是应考虑温度高于85c时肖特基的反向漏电流。过高的漏电会导致增加系统的功率耗散。ac12v整流二极管（d）一定要选用低压降的肖特基二极管，以降低自身功率耗散。这里我选择了一个1n4148的肖特基二极管。4.5 单片机产生pwm波电路为了调节led灯的亮度，由4.4.1可知恒流驱动芯片需要输入一个pwm波，所以采用单片机stc15f104来产生一个pwm波，电路图如下。图4.9 单片机pwm电路图因为台灯亮度要求可调，所以在p3.3和p3.5接了两个按键，通过按key2和key3来增加和减小台灯的亮度。p3.4作为输出口来输出一个pwm波。4.6 led灯珠串联电路由4.4可知，led的横流驱动芯片的最大输出电流为1.2a，所以这里选择了8个led灯珠串联，其最大电流值为200ma，电路图如下。图4.10 led灯珠串联电路由上图可见该电路为8个led灯珠串联，两端接有一个10uf的电解电容，储存能量，可以避免台灯闪烁。5 硬件调试 5.1 单片机产生pwm波的仿真下图为该单片机产生pwm波的仿真图。图5.1 单片机产生pwm波仿真图图中p3.3连接的是按键1，p3.5连接的是按键2，p3.4是输出端。通过按下按键1可增加pwm波的占空比，使台灯亮度增加，通过按下按键2可减少pwm波的占空比，使台灯的亮度减弱。下面3个图可以看见按下按键之后pwm波波形的改变情况。图5.2 波形图1上图为pwm波占空比为90%的时候的波形。此时的pwm波占空比为最高，台灯亮度为最亮，此图是在按下按键1两次之后的波形图。最初的pwm波占空比为50%。所以按下按键1是可以使pwm波占空比增加的，从而使台灯亮度增加的。下面再来看波形图2。图5.3 波形图2上图为在波形图1的基础上按下按键2一次之后的波形图，可见其占空比减少了，此时的占空比为70%。很明显可以得到按下按键2一次可以减少20%的pwm波占空比。此时台灯的亮度就相对于之前的亮度减弱了一些。再来看波形图3。.图5.4 波形图3上图为在波形图2的基础上再按了两次按键2所产生的pwm波，此时的占空比为30%。进一步证实了按下按键2可以减少pwm波占空比，减弱台灯亮度。上面的波形图2和波形图3为按下按键2的效果，减少占空比。反过来按下按键1则会增加pwm波占空比，这里就不一一列图了。还有一点需要说明，当pwm