LED驱动电源的设计论文

I 摘 要 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。 作为一种新型的光源， LED具有无污染、长寿命、耐震动和抗冲击的鲜明特点。虽然白光 LED 的发光效率正在逐步提高，但是与 LED 灯配套的驱动器性能不佳，故障率高，成了 LED 推广应用的瓶颈。 本文介绍了一种照明用 LED 高效驱动电源的设计方法。本设计的红、绿、蓝三色各自采用单独的驱动电路，通过脉宽调制方式来调节 LED 灯的亮度，便于实现颜色的多样化；采用开关电源供电方式，输入电压范围广、抗干扰性好、驱动效率高，保证了该驱动板在不同场合、不同区域内都能正常使用。 关键词 ： LED， 电源 ， 驱动 II The design of LED drives power ABSTRACT For general lighting, people need more white light sources. As a new light source, LED with pollution-free, long-life, vibration and shock resistant to the distinct characteristics. At present, the luminous efficiency white LED is gradually improving, the commercialization of the device has reached the level of the incandescent lamp, but the fact should not be overlooked that the LED lights and supporting the driver did not keep up with a timely manner, the drive circuit poor performance, fault Rate is high and promote the use of LED become the bottleneck, there are many technical issues need to study and solve. This paper introduces a highly efficient lighting with LED drive the power. Red, green and blue colour of the design use separate drive circuit respectively, through the PWM mode to adjust the brightness LED lights to facilitate realization of the diversity of colors used to switch power supply, input voltage range wid ely, anti - Interference of the good, high-efficiency drive to ensure that the drive plate on different occasions in different regions, is normally available. KeyWords： LED， Power ， Driver III 目 录 1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景 . 1 1.2 课题研究的方案 . 1 2 系统硬件电路设计 . 2 2.1 系统框图及工作原理简介 . 2 2.2 系统所用主要芯片介绍 . 3 2.2.1 PIC16F684 功能介绍 . 3 2.2.2 L6562D 功能介绍 . 10 2.2.3 HV9922 功能介绍 . 11 2.3 系统硬件电路设计 . 12 2.3.1 AC-DC 变换电路 . 12 2.3.2 DC-DC 变换电路 . 13 2.3.3 微控制器及外围电路 . 14 2.3.4 四路驱动电路 . 16 2.3.5 输出过流保护电路 . 17 3 系统程序测试 . 18 3.1 项目 实现功能 . 18 3.2 软件设计思路 . 18 IV 3.3 汇编程序流程 . 19 4 总结 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 21 附录 . 22 测试程序清单 . 24 1 1 绪论 1.1 课题研究的背景 白 炽灯时代即将和我们告别了。整个 20 世纪，爱迪生发明的白炽灯经受住了时间的考验，成为标准的通用照明工具。但新的照明技术尤其是发光二极管必将最终代替白炽灯和荧光灯。 当整个世界都在因为日益上升的能源成本而节省能源预算时，白炽灯照明技术显然站在了错误的一边。一个白炽灯消耗的能源中有 97被浪费。荧光灯虽然稍好一些，但仍然浪费了 85的能量。而且，这两种灯的平均使用寿命都只有大约 5000 个小时。另外，荧光灯还使 用了有毒的汞，发出的光更是颜色粗糙。这两种技术都无法和白光 LED 相比它不仅使用寿命是前者的 10 倍，也不使用有毒物质，而且几乎能发出任何颜色的光。更重要的是，它的光转换效率绝不亚于荧光灯。因此，在通用照明应用领域，向 LED 技术的过渡将大大降低能源消耗。 尽管白光 LED 是当今的大规模照明的一个理想方案，但若要把驱动 LED 的电子设备普及到每一个灯泡中，设计者还面临着不小的挑战。主要问题是目前LED 驱动电路的性能还没有实现高效率转换，其中关键的技术问题是驱动电子系统的电子能量转换效率由于离散范围极大、参数难于控制 ，其高低和稳定性就成了整个 LED 实用技术与产品参数的重中之重。其次，空间的限制要求 LED 驱动器必须小巧且高效。另外，还要考虑散热和 EMI（电磁干扰）因素，两者对于照明设备的可靠性有重要影响，给设计密度带来了限制。 接触过 LED 的人都知道：由于 LED 正向伏安特性非常陡即正向动态电阻非常小，要给 LED 供电就比较困难。不能像普通白炽灯一样，直接用电压源供电，否则电压波动稍增，电流就会增大到将 LED 烧毁的程度。为了稳住 LED 的工 作电流，保证 LED 能正常可靠地工作，各种各样的 LED 驱动电路就应运而生。 1.2 课题研 究的方案 LED 驱动电路中最简单的是串联一只镇流电阻，而复杂的是用许多电子元件构成的恒流驱动器。本课题研究的三基色照明用 LED 高效控制器属于恒流驱 2 动器，它将交流电压转换为恒流电源，同时按照 LED 器件的要求完成与 LED 的电压和电流的匹配。本装置在设计上具有以下特点： (1)采用开关电源供电方式，输入电压范围广、抗干扰性能好、工作电压输出稳定。 (2)采用传统的调光方式 -PWM(脉宽调制 )技术，系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，反复开关 LED 驱动器，即可实现输出电流的宽范围改变，保证LED 的亮度和颜色在不 同的应用场合能够 作相应的变化。 (3)发光体的红、绿、 蓝三色各自具有单独的驱动电路 ，分别通过微控制器的三个脚来独立准确控制，三种颜色可单独发光，也可按照三基色组合标准发稳定的白光。 2 系统硬件电路设计 2.1 系统框图及工作原理简介 图 2.1 系统框图 直流变换 输出保护单元 白光驱动 红光驱动 绿光驱动 蓝光驱动 市电输入 交流抗干扰 控制系统 3 如图 2.1 所示，该装置主要由控制系统、交流抗干扰电路、直流电压变换电路、四路驱动电路组成。交流电源输入经差、共模干扰信号抑制电路和整流滤波后成 260V 直流，再经电压变换电路和三端稳压器得到两个较小的直流电压，分别 给四路驱动电路和 PIC 微控制器供电。照明 LED 的颜色选择及亮度调节由微控制器来控制；四路驱动电路均采用单级 PFC（ 功率因数校正）技术，通过专用PFC 芯片 L6562D 输出 的 PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将直流加到开关变压器的初级上，并对输入电流进行调制，令其与电压尽量同步，提高有效功率；开关变压器的次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；输出部分通过一定的保护电路反馈给控制电路，控制 PWM 占空比，以达到稳定输出的目的。 本设计主要创新点： (1)采用开关电源供电方式，输入电压范围广、抗干扰性好、工作电 压输出稳定； (2)增加了火线输入检测功能，增强了安全保护措施； (3)多种电压输出可选（ 12V， 24V） ； (4)控制模块采用智能控制模块。 2.2 系统所用主要芯片介绍 2.2.1 PIC16F684 功能介绍 控制系统电路中的 MCU(微控制器 )选用了 PIC 系列中档单片机 PIC16F684。 PIC 系列 8 位 CMOS 单片机具有实用、低价、易学、省电、高速和体积小等特点，特别时期独特的 RISC（精简指令集）结构，及独立分开的数据总线和指令总线的哈佛总线（ Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允 许指令码的位数可多于 8 位的数据位数，这与传统的采用 CISC 结构和冯诺依曼结构的8 位单片机相比，可以达到 2:1 的代码压缩和 4:1 的速度提高。 PIC16F684 属于 Microchip 公司开发生产的中级产品，仅需学习 35 条指令，除跳转指令外的所有指令都是单周期的。 振荡器 /时钟的输入频率为 20MHz，指令周期为 200ns。 高精度内部振荡器，双速启动模式，适用于关键应用的晶振故障检测，在节能模式下工作时可进行时钟模式切换，可用软件选择的频率范围为 125 kHz 到 4 8MHz。 可编程代码保护，高耐用性闪存单元，可经 受 10 万次写操作，保存时间超过 40 年。 节能的休眠模式，宽工作电压范围（ 2.0V 到 5.5V）。 具有很好的低功耗特性。电压为 2.0V 时，待机电流典型值为 50nA，频率为1MHz、电压为 2.0V 时，工作电流典型值为 220A。 具有独立方向控制的 12 个 I/O 引脚，高灌 /拉电流可直接驱动 LED。 引脚电平变化中断，独立的可编程弱上拉，超低功耗唤醒。 模拟比较器模块带有两个模拟比较器和可编程的片上参考电 （ CVREF） 模块，可从外部访问的比较器输入和输出。 A/D 转换器有 8 路通道，分别率达到 10 位。 带 8 位周期寄存 器、预分频器和后分频器的 8 位定时器 /计数器。 增强型捕捉、比较和 PWM 模块中有 16 位捕捉模块，最大分辨率为 12.5 ns；16 位比较模块，最大分辨率为 200ns。带有 1、 2 或 4 路输出通道，可编程“死区时间”的 10 位 PWM 模块，输出信号的最大频率为 20 kHz。 看门狗定时器利用片内独立振荡器 ,无需外接元件 ,看门狗定时器溢出时间有8 种选择。 由于单片机 PIC16F684 的资源丰富且功能强大，在本系统中只使用其中的部分功能。下面对使用的片内外设进行详细的分析。 1 振荡器模块 PIC16F684 内部振荡器有多 种时钟源和选择功能，从而使其应用非常广泛，并可最大限度地提高性能和降低功耗。图 2.2 给出了振荡器模块的框图。时钟源可以配置为由外部振荡器、石英晶体谐振器、陶瓷谐振器以及阻容 （ RC） 电路提供。此外，系统时钟源可以配置为由两个内部振荡器中的一个提供，并可以通过软件选择速度。 5 图 2.2 振荡器模块框图 通过配置字寄存器（ CONFIG）的 FOSC 位来配置时钟源模式。内部时钟可用两个内部振荡器产生。 HFINTOSC 是经过校准的高频振荡器。LFINTOSC 是未经校准的低频振荡器。 振荡器控制（ OSCCON）寄存器控制系统时钟和频率选择等选项。 OSCCON寄存器包含以下位： 频率选择位（ IRCF） 频率状态位（ HTS 和 LTS） 系统时钟控制位（ OSTS 和 SCS） 2 PIC16F684 的 I/O 使用 PIC16F684 有 2 个双向 I/O 端口： PORTA 和 PORTC。由于 PIC16F68X 属于 8 位单片机，因此每个端口都由数量不超过 8 个的引脚构成。每个端口中的每个引脚都可以用软件的方式单独编程，设定为输出引脚或者输入引脚。其中有些I/O 引脚和单片机内部的某些功能部件或其它外围模块的外界信号线进行 了复用，也就是说，既可以作为普通 I/O 引脚，又可以作为某些功能部件或外围模块的外接引脚。 PORTA 端口是一个只有 6 根引脚的双向 I/O 端口，它在基本输入、输出功能的基础上，复合了 A/D 转换器的模拟量输入功能、 A/D 转换器所需的外接参考电压输入功能、定时器、计数器 TMR0 的外部时钟输入功能、主同步串行端 6 口 MSSP 的从动选择信号输入功能等。 PORTA、 TRISA 寄存器是两个最常用的寄存器。端口数据寄存器 PORTA 是一个可读可写的寄存器，也是一个用户软件与单片机引脚外接电路交换数据的界面。由于该端口只有 6 个 外接引脚，所以，与之对应的数据寄存器也就只有低 6位有效，无效的两位读出时将返回 0。端口方向控制寄存器 TRISA 由它控制端口 RA 的每一个引脚的数据传送方向。当把某一位设置为 1 时，则相应的端口引脚被定义为输入；当把某一位设置为 0 时，则相应的端口引脚被定义为输出。 PORTC 是一个 8 位的双向端口。利用 TRISC 寄存器可将各引脚分别设置为输入或输出。 PORTC 引脚都有施密特触发输入缓冲器。当外设功能使能时，应考虑到每个 PORTC 引脚的 TRIS 位方向设置。有些外设使能时，会超越相应引脚的 TRIS 位方向设置而将引脚 直接定义为输出；而另一些外设使能时 ,也会超越相应引脚的 TRIS 方向设置，但却将引脚直接定义为输入。 图 2.3 PORTC 引脚框图 要将模拟通道配置为数字输入通道就必须对 ANSEL 和 CMCON0 寄存器进行初始化。配置为模拟输入的引脚读为 0。 3 捕捉 /脉宽调制 (CCP) CCP(捕捉 / 比较 / 脉宽调制 )模块有一个 16 位寄存器，它可以用作 16 位捕捉寄存器、 16 位比较寄存器 或 10 位 PWM 主 /从占空比寄存器。除了特殊事件触发 7 器之外，各 CCP 模块的操作是相同的。 每个 CCP 模块含有 3 个寄存器。一个器件中可 能有多个 CCP 模块。下表列出了各种模式下 CCP 模块的定时器资源。 表 2.1 CCP 模式与定时器 CCP 模式 定时器 捕捉 Timer1 比较 Timer1 PWM Timer2 本系统涉及 CCP 模块的脉宽调制模式（ PWM）的应用，下面就简要地介绍一下 PWM 设置及操作方法。 在脉冲宽度调制 (PWM)模式下， CCPx 引脚可输出分辨率高达 10 位的 PWM 输出。因为 CCPx 引脚与端口数据锁存器是复用的，所以相应的 TRIS 位必须清零以使 CCPx 引脚为输出状态。 一个 PWM 输出 (如图 2.7) 包含一个时基 (周期 )和一段输出高电平的时间 (占空比 )。 PWM 的频率是周期的倒数 (1/周期 )。 图 2.4 PWM 输出波形 在 PIC16F 系列单片机中，当 CCP 模块工作于 PWM 模式时，确定 PWM 信号周期所用到的定时器只能是 8 位宽的时基定时器 TMR2,而确定 PWM信号脉宽所用到的定时器则是 10 位宽的时基定时器（由定时器 TMR2 的 8 位和其低端扩展的 2 位共同构成）。 8 (1) PWM 周期可通过写入 PR2 寄存器来规定，可用以下公式计算： PWM 周期 =(PR2) + 1 4 TOSC (TMR2 预分频比 )，用时 间单位表示PWM 频率 (FPWM)。 当 TMR2 等于 PR2 时，在下一递增计数周期中将产生下面三个事件： TMR2被清零 CCPx引脚被置 1 PWM占空比从 CCPRxL 被锁定为 CCPRxH (2) PWM 占空比可通过写入 CCPRxL 寄存器和 DCxB1:DCxB0 (CCPxCON)位来规定。最高分辨率可达 10 位：由 CCPRxL 中的高 8 位和CCPxCON中的低 2 位组成。这一 10 位值由 DCxB9:DCxB0 来表征。计算PWM 占空比的公式如下： PWM 占空比 = (DCxB9:DCxB0) Tosc (TMR2 预分频比 )，用时间单位表示DCxB9:DCxB0 的值可以在任何时候写入，但直到 PR2 与 TMR2 中的值相符 (当前周期结束 )时，占空比的值才被锁存到 CCPRxH。在 PWM 模式下， CCPRxH是只读寄存器。 CCPRxH 寄存器和一个 2 位的内部锁存器用于为 PWM 占空比提供双重缓冲。双重缓冲对 PWM 的无毛刺操作是极其重要的。 当 CCPRxH 和 2 位锁存器的值与 TMR2 和内部 2 位 Q 时钟（或 TMR2 预分频器的 2 位）串接值相符时， CCPx 引脚被清零。此时占空比结束。 对于给定的 PWM 频率， 其最大分辨率（位）为： l o g ( )l o g ( 2 )F o s cF p w mPWM 工作模式的操作步骤 (1) 向周期寄存器 PR2 中写入预定值，以确定 PWM 信号周期。 (2) 向寄存器 CCPR1L 和控制寄存器 CCP1CON 的 bit5、 bit4 中写入预定值，以确定 PWM 信号脉宽。 (3) 将相应的 TRIS 位清零以将 CCPx 引脚设为输出。 (4) 通过对控制寄存器 T2CON 的写入，以设定预分频器分频比和启用定时器 TMR2,如果有必要，还可同时设定后分频器的分频比。 9 (5) 通过写入控制寄存器 CCP1CON 的低 4 位，来设定 CCP 模块位 PWM 模式。 4 定时器 /计 数器 定时器是单片机的一个很重要的部分，用它可以产生很多不同的定时时间，来满足程序设计的不同需求。 PIC16F684 有三个定时器，分别是 Timer0、 Timer1、Timer2。它们的用法不是很相同，下面来分别介绍这三个定时器的用法和设置问题。 Timer0 是一个八位的计数器，它有一个八位的计数寄存器 TMR0， 八位的预分频器 (与看门狗共用 )，可以选择内部或者是外部时钟源，有计数器溢出中断的功能。 Timer0 可以作为一个定时器或者计数器来使用，与 Timer0 有关的寄存器有：TMR0， INTCON， OPTION_REG， TRISA。 当 Timer0 作为定时器来使用的时候，要设置 OPTION_REG 的 T0CS 位为 0，表示用的是内部时钟，每一个指令周期 TMR0的值会增加 (当没有预分频的时候 )，当 TMR0 被赋值的时候，会有两个指令周期的延时。预分频器可以和看门狗共用 ,可以由 OPTION_REG 的 PSA 位来设置，当 PSA 为 0 的时候分频器选择Timer0，当 PSA 为 1 的时候分频器选择看门狗。同时，与分频器的分频值可以通过寄存器 OPTION_REG 来设置，设置的值可以由 1:2 到 1:256。当 Timer0 的计数器 TMR0 计数从 FFH 到 00H 的时候会产生溢出，同时溢出标志位（ INTCON寄存器的 T0IF 位）会置位（无论 Timer0 的中断是否开启），如果中断已经开启了（ INTCON 寄存器的 T0IE 被置位），那么就会产生溢出中断。 T0IF 位需要软件对其进行清零。 当 Timer0 作为计数器来使用的时候，就要用外部时钟源（ OPTION_REG 的T0CS 置 1），每次当引脚 T0CK1 的沿到来时 Timer0 的 TMR0 会增加 1，上中断和 Timer0 作为定时器使用时一样。在编程序的时候，可以用 Timer0 进行定时或产生定时信息，下面我来解释定时器的定时时间的计算。假设 Timer0 用的时钟源是内部的 4MHZ，那么每条指令的执行时间就是 1us，设 Timer0 的预分频比是 1:256， TMR0 的初值是 6，那么定时时间为： 256(256-6)1us=64ms 10 Timer1 是一个十六位的计数器。它有一个计数寄存器对（ TMR1H： TMR1L），时钟源也是内外可选的，具有一个 2bit 的预分频器，可以同步或者异步操作 ,具有中断功能，但是溢出中断只能在外部时钟、异步的模式才能将单片机从 SLEEP中唤醒 ， Timer1 具有捕获 /比较功能，还有被一些特殊事件触发功能 (ECCP)，比较器的输出可以与 Timer1 的时钟同步。 Timer1 的中断编程：当 Timer1 的计数产生溢出的时候，如果 Timer1 中断允许的话，就会产生中断。中断可以这样设置， Timer1 的中断允许位 TMR1IE（在 PIE1 寄存器中）置 1，寄存器 INTCON 的 PEIE 位置 1，同时总中断位 GIE（位于寄存器 INTCON 中）要置为 1。当定时器产生中断的时候，会把中断标志T1IF 置为 1（位于寄存器 PIR1 中），然后 PC 指针指向 0004H 地址。 T1IF 位必须软件清除。 Timer2 的功能与 Timer1 有些不同， Timer2 是一个八位的计数器，有一个八位的计数寄存器 TMR2， Timer2 具有以下功能：有两个分频器，一个是前分频器，一 个是后分频器。下面来介绍 Timer2 的编程： Timer2 的控制寄存器 T2CON 作用是设置 Timer2 的开启关闭和前后分频的分频系数，寄存器 T2CON 的 TOUTPS 位设置后分频系数，可以被设置成1:1 至 1:16；位 TMR2ON 为 1 时， Timer2 开启，为 0 时， Timer2 关闭；位T2CKPS可以设置前分频系数，可以被设置成 1、 4、 16。 Timer2 的中断可以这样控制，允许 Timer2 中断位 TMR2IE（位于 PIE1 寄存器内）被置 1时， Timer2中断被允许，被置 0时， Timer2中断禁止。寄存器 INTCON的 PEIE 位置 1，同时总中断位 GIE（位于寄存器 INTCON 中）置为 1。通过上面的设置， Timer2 就可以产生中断了。中断标志位 T2IF 必须软件清除。 2.2.2 L6562D 功能介绍 由 于本设计采用的使开关电源供电方式，所以要求装置对电网无污染 ,主要包括谐波含量 、功率因数、波形畸变等。解决这个问题的积极办法是采用功率因数校正技术。为了使电源在满足谐波标准的同时能够实现低成本、高性能 ,对单级 PFC 的需求越来越紧迫 ,特别是在小功率场合。 11 图 2.5 L6562D 内部结构框图 L6562D 的内部结构框图如 图 2.7 所示。 L6562D 的内部乘法器带有 THD 最低化专门电路，能有效控制 AC 输入电流的交越失真和误差放大器输出纹波失真，从而提供高功率因数和非常低的 THD。结合高线性乘法器中的 THD 最优化电路， L6562D 允许在误差放大器反相输入端 INV 脚和输出端 COMP 脚之间 连接 RC 串联补偿网络，以减小误差放大器输出纹波和乘法器输出的高次谐波。另外， L6562D 带有源电流 /灌电流为 -600/800mA 的推挽式输出级，并带有欠压锁定（ UVLO）下拉和 15V 的电压钳位，可驱动功率 MOSFET（绝缘栅极场效应管），从而可使变换器输出功率高达 300W。 2.2.3 HV9922 功能介绍 开关型 LED 灯驱动器芯片 HV9922 是用于控制在连续导电模式 (CCM)工作的降压 (Buck)变换器拓扑的 PWM 峰值电流控制器，它利用 85 264VAC 的交流输入或 20 400VDC 的直流输入工作，可提 供 50mA 的恒流驱动高亮度 LED 灯 ,为设计紧凑低成本通用离线 LED 灯驱动器提供了解决方案。 HV9922 引脚排列及其内部结构如图 2.8 所示 ： 12 图 2.6 HV9922 结构框图 当 20 400V 的电压输入到漏极（ DRAIN）脚时，内部高压线性稳压器产生一个 7V 的 DC 电压出现在 VDD 脚。当 VDD 脚上的电压超过门限电平（ 5V）时，内部 MOSFET 导通。当输入电流超过内部预设置电平时，电流传感比较器复位 RS 触发器， MOSFET 关断。同时，单发（ one-shot）电路被激活，确定关断时间（ 10S）。只要关断时 间结束， RS 触发器则置位，新的开关周期再次开始。 2.3 系统硬件电路设计 2.3.1 AC-DC 变换电路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 21 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :F1 L111 .6m HL211 .6m HC2 C 5647uC322uT209 4 - 91 6D 1 0D9D 1 6D 1 5R 86560X 2 1 0n 2 75 V a cD C + 22 0V图 2.7 AC-DC 变换器 13 如图所示， AC-DC 变换电路由交流抗干扰电路和高压整流滤波电路两部分组成，采取宽电源输入方式，电压输入范围为 AC85265V。 为避免电网中的各种干扰信号影响该装置的正常工作，防止电源开关电路形成高频扰窜，影响电网中的其他电器，所以按照各种电磁、安规认证的要求，在进行交、直流变换时应配有抗干扰电路。 抗干扰电路也称 EMI 滤波电路。电磁干扰按噪声干扰源种 类来分 ,可分为尖峰干扰和谐波干扰两种 ；若按耦合通路来分 ,可分为传导干扰和辐射干扰两种。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰是在各相线之间传输，属对称性干扰；共模干扰是在电源线与地之间传输，属非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小，频率低，所造成的干扰较小；共模干扰幅度大，频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。 该电路最左边的接口器件为本系统的强电插头。接口的右边是一个 0.25A 的保险丝器件，它将起到过流保护的作用。 L1、 L2 是差模扼流电感， C2 是差模滤波电容 , 也就 是安全标准中所谓的 X 电容 , 一般采用聚丙烯金属化薄膜电容，容量范围在 0.01uF4.7uF； T2 的初次级匝数相等、极性相反 ,交流电流在磁芯中产生的磁通相反 ,因而可有效地抑制共模干扰。 高压整流滤波电路由反向耐压值为 800V的四个快恢复型整流二极管接成全桥的形式，把 220V、 50HZ 的工频电网电压或其它的交流输入电压直接引入，进行全波整流，再由后面的滤波电路变成较为稳定的直流电压输出，给直流变换器提供一个峰值约 260V 的直流电源。 2.3.2 DC-DC 变换电路 DC-DC 变换电路是基于 HV9922 和 MC78L05 而设计的。 在本电路中， HV9922 是作为恒流源使用的。峰值为 260V 的直流输入到 1脚后，在 2 脚输出 16V 的直流电压，再经后续的稳压、滤波环节便得到了一个相对稳定的 +13V 直流电，为四个驱动电路中的 PFC 芯片供电。 PIC 微控制器所需要的 +5V 工作电压由三端稳压器 MC78L05 提供。为了使输出的电压波纹系数更小，增强系统的抗干扰性能，在其后面追加了一个耐压6.3V，容值 10uF 的滤波电容。 14 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 21 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :312VDDD R A I NGNDU 1 1H V 99 22C 7422uC 7222uC 754. 7 uC 7310uC 7110 0 uD 2 5L733 m HD 2 6823176V I NG N DG N D G N DG N DV O U TU2M C 78 L 0 5A C D R 2G C 6810u+ 13 V + 5V+ 13 VD C+图 2.8 DC-DC 变换电路 2.3.3 微控制器及外围电路 在说明该模块的原理之前，我先简要地介 绍一下本装置所驱动的 LED 灯的 内部结构。 为了能提高 LED 发光流明效率，这款 LED 采用了红、绿、蓝三色组合方式，把红光、绿光、蓝光分成三组，每组分别采用 4 个 1W 发光二极管通过矩阵式贴片的排列形式最终组成一个发白光实体，其内部结构如下图所示： 15 图 2.9 LED 灯内部结构图 通过这种方式，白光的最大发光功率可达 8W，流明效率可达 751m/W。 为保证 LED 灯发光颜色的均匀一致，便于实现多种色彩变化，发光体的红、 绿、蓝、白四色 各自采用单独的驱动电路，分别通过 PIC16F684 的四个脚来独立准确控制，四种颜色可单独发光。需要说明的是，白光是按照一定的三基色组合标准发出的，其冷暖色温是可调的。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 21 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :C 1433uR 1610K2341112135678910R A 5/ T 1C K I / O S C 1/ C L K I NR A 4/ A N 3/ T 1G / O S C 2/ C L K O U TR A 3/ M C L R / V ppR A 2/ A N 2/ T O C K I / I N T / C 1O U TR A 1/ A N 1/ C 1I N - / V R E F / 1 C S P C L KR A 0/ A N 0C 1I N + 1C S P D A T / U L P W UR C 5/ C C P 1/ P 1 AR C 4/ C 2O U T / P 1BR C 3/ A N 7/ P 1CR C 2/ A N 6/ P 1DR C 1/ A N 5/ C 2I N -R C 0/ A N 4/ C 2I N +114V D DV S SU3P I C 16 F 6 84R 766K 8R956 0 RR 2222KR 8910KR 9010KC 6522 0 uC 6910 0 uR 4222KR 4322KR 1522KR 2222KR E DM U L TS A WR E DR E D AB L U EM U L TS A WB L U EB L U E AG RE E NM U L TS A WG R E E NG R E E N AW H I T EM U L TS A WW H I T EW H I T E A12345678O R A N G E / W H I T EO R A N G EG R E E N /W H I T EB L U EB L U E / W H I T EG R E E N B R O W N / W H I T EB R O W NAR J 4 5 8* 8C 4210uC810uR A 1R A 0R C 4R A 4R A 1R A 4R A 0R C 4R E DB L U EG R E E NW H I T E+ 5V+ 13 VR 9622 0 KR 3522 0 KR 2922 0 KD C +图 2.10 微控制器及外围电路 16 在设计本模块时，为了加强单片机的抗干扰性，在单片机的电源端口加了一个容值为 10uF 的去耦电容。由于 AC-DC 变换电路输出的并不是标准的 260V 直流电压，它可以看作是一个正弦信号和一个直流信号的叠加，其电压值随时间发生变化，三个 220K 的电阻串联起来，同 C14 组成了一个积分电路， 260V 直流电压通过积分作 用之后得到一个锯齿波信号（ MULT），该信号一方面通过 R9 和R76 限流之后分别得到两个频率为 100HZ 的正弦波，作为单片机内置 A/D 转换器的模拟信号输入，另一方面可作为后面四路驱动电路的控制信号； DC-DC 变换电路得到的 +13V 直流电经 R89 和 R90 分压后得到一个 2.8V 的直流电，送入单片机的 7 脚；通过编程，单片机的 5 脚将输出一个频率 1kHZ、占空比为 50%的方波，经积分电路作用后得到一个三角波控制信号（频率 1kHZ，峰 -峰值 1V，最大值 3V）；单片机的 3脚、 12脚和 13脚由软件设置为数字 I/O，输出频率 225HZ、占空比为 25%的矩形脉冲，分别作为红、绿、蓝三路驱动电路的点亮信号，白光驱动电路的频率 2kHZ、占空比 30%的点亮信号由 6 脚提供。 2.3.4 四路驱动电路 红、绿、蓝三色驱动电路的原理、元件参数基本一致，白光驱动电路部分元件的参数与前者有一定的差别。下面就以绿光驱动电路为例来说明其工作原理。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 22 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :R810 0 KR 1320 0 KC910uR 1715 0 K1 82 73 64 5I N VC O M PM U L TCSV C CGDG N DZ C DU1L 65 62 DR 3147 0 KR 1810 0 RR 2447 0 KR510 0 KC 1310pC 1810uC 2522uC 5122 u HC 1710uQ2D8D74312T316 - 23 0D 1 2L422 u HS A WM U L TG R E E NG R E E NR 1215RD C + 13 17 图 2.11 绿光驱动电路 如图所示，该模块的原理与常见的开关稳压电源类似。 在本电路中，主控芯片 L6562D 的 INV 脚是内置电压误差放大器的输入端，COMP 脚是输出端， SAW 是前级控制 电路输出的频率为 1KHZ，峰值为 3V 的三角波信号， GREEN 是微控制器所提供的频率为 225HZ 的矩形脉冲信号，经 C31之后也得到一个三角波，两者叠加作为 INV 脚的输入信号， R17 跨接在两脚之间，作为反馈电阻使用。从 MULT 脚输入的信号由前级电路提供，可以控制该芯片是否工作。 CS 脚接到了开关管 Q2 的源极， R12 为 Q2 的电流检测电阻，当CS 脚电压达到内部乘法器输出时，通过其内部的触发器控制开关管的关断，并一直保持关断状态到脚 ZCD 检测到反馈电流的过零信号；脚 ZCD 为 L6562D 的过零检测端，此过零检测电路为下降 沿出发，当该脚的电压下降到 1.6V，且 GATE脚输出高电平时，开关管开启。在脚 ZCD 和开关变压器的原级线圈之间连有一个由 R24、 R31 和 C13 组成的反馈网络，起补偿作用；由于开关管在关断瞬间会在漏极产生一个尖峰脉冲，电压高达上千伏，所以在 DC+和开关管的漏极之间连接了一个超快恢复二极管和一个瞬态电压抑制二极管，共同钳制漏极电压，以免污染电网。开关变压器的次级感应出高频电压后，经整流滤波供给负载。 2.3.5 输出过流保护电路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 22 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :U4H 1 1A 81 7BR 8010 0 RD 2 1D 2 2D 2 3D 2 4M U L TR E DB L U EG R E E NW H I T E图 2.12 输出过流保护电路 本部分的电路原理较为简单。如图所示，在系 统正常工作时，该部分不起作用，但当系统输出电流过大时，稳压二极管被反向击穿，电路导通，光耦中的光 18 敏三极管受光导通， MULT 脚电平被强行拉低，使得各路驱动电路停止工作，起到保护作用。由于光耦的输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。同时，由于光耦的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力，所以将它作为本系统的终端隔离元件可以大大提高信噪比。 3 系统程序测试 3.1 项目实现功能 使四路驱动电路同时工作，点亮 LED 灯具内所有的发光二极管，此时 LED发白光且冷暖色温达到最佳。通过编程，单片机将提供各种参数不同的控制信号。根据需求，单片机的 3 脚、 12 脚和 13 脚将提供频率 225HZ、占空比 25%的矩形脉冲信号， 6 脚将提供频率 2kHZ、占空比 30%的矩形脉冲信号，而频率 1kHZ、占空比 50%的主控信号将由 5 脚提供。 3.2 软件设计思路 本设计以振荡频率为 8MHZ 的内部时钟作为振荡源，采用定时中断方式和反复装载初始值的方式来得到所需要的各种控制信号。具体方法是，将各种控制信号周期乘以其对应的占空比，所得到的时间将作为定时器的定时时间。以上述第一种信号为例， 将 4.44ms（频率 225HZ）乘以 25%得 1.11ms，用 Timer0 定时1.11ms，相应的 I/O 口置 1，待 Timer0 超时溢出时，中断处理程序将预先设置的计数变量寄存器（初值为 0）加 1，退出中断后由主程序通过计数值和占空比来判定 I/O 口是否取反，这样在一个周期时间内， Timer0 将产生 4 次中断，从而完成了一个完整波形的输出。上述第二种信号的产生由 Timer1 配合中断方式完成，方法与第一种相同，这里不再赘述。而第三种信号则利用了 CCP 模块的 PWM模式来提供。 需要说明的是，在执行中断处理程序时需要一定的 时间，这样必然会导致定时器的定时时间产生误差，系统运行一段时间后，输出波形的占空比将发生变化，不能满足原先的要求，为此，我在编程是将大量的工作交由主程序完成，以缩短中断处理程序的工作量，使误差降到最低。 19 3.3 汇编程序流程 为增强程序的可读性，特将整个程序划分为三个部分：硬件资源的初始化程序、主程序和中断处理程序。由于单片机的 SFR （特殊功能寄存器）区被分成不同的存储区。在这些存储区间切换时，需要设置状态（ STATUS ）寄存器的 RP0、 RP1 位来选择所需存储区。 1 硬件资源的初始化 初始化程序 包括定时 /计数器初始化、 PWM 模式初始化和 I/O 端口初始化四部分。 Timer0 和 Timer1 的初始化方法类似，都是先将相应的计数寄存器清零，然后再对预分频器进行设置，选则合适的分频比，以便计算定时初值。所不同的是， Timer1 是 16 位的定时器，所以要分别对其计数寄存器的高字节和低字节赋初值。 PWM 模式初始化方法是固定的，输出信号的周期和占空比都有专门的公式进行计算。在 I/O 端口的初始化中，根据需要将 RA2、 RC2、 RC3 和 RC5 设置为模拟输入， RA0、 RA1、 RA4 和 RC4 设置为数字输出。 Timer0 初始 化程序流程： Timer1 初始化程序流程： 清 TMR0 选择存储体 0 选择存储体 1 将预分频器分配给Tiemr0 模块，预分频比 设为 1:32 选择存储体 0 TMR0 赋初值 选择存储体 0 TMR1 计数寄存器清零 设置计数寄存器内容 暂时不打开 TMR1 预分频比设为 1： 1 TMR1 赋初值 选择存储体 1 开放 TMR1 中段使能位 20 2 主程序部分 在主程序中，先将看门狗定时器清零，以免产生不必要的复位，然后关闭所有的中断，对所需各种寄存器的控制字进行设置，最后再使能全局中断，启动定时器等待中断。 主程序流程： 21 3 中断处理部分 当某个定时器超时产生中断后，中断处理程序 先判断是哪个定时器产生的中断，然后再进行相应的处理，实现各种功能。 中断处理子程序流程： N N Y Y Y Y N 关闭所有中断 计数标志检测位设置 清零看门狗定时器 选用振荡频率为8MHZ 的内部时钟 计数变量寄存器清零 四个 I/O 口置 1 使能全局中断 启动 三个定时器 PORTA的三个 I/O口清零 进 /借位标志位还原 将 COUNT1中的值存入 W寄存器 COUNT0 清零 PORTA的三个 I/O口重新置 1 RC4 清零 COUNT1 清零 COUNT0=1? COUNT0=4? COUNT1=3? 将 COUNT1中的值存入 W寄存器 COUNT1=10? RC4 重新置 1 N 进 /借位标志位还原 等待各定时器超时溢出中断 开始 22 4 总结 本论文主要论述本设计的硬件部分，并结合软件进行结构优化设计。使得本Y Y N N 清除 TMR0中断标志位 关闭 TMR0计数器 COUNT0+1 重新启动 TMR0 TMRO 重新赋初值 关闭 TMR1计数器 返回 清除 TMR1中 断标志位 入口 TMR1 溢出 中断否 ？ TMR2 溢出 中断否 ？ COUNT1+1 TMR1赋初值 重新启动 TMR1 清 TMR2中断标志位 23 硬件设计的到很好的简化，同时也提高了本系统设计的抗干扰性能。同时，结合PCB 检查设计技术以及一些设计规范，再一步提升系统的电气特性。 此次毕业设计是大学学习过程中一个非常重要的环节。通过这个环节的训练，我逐步掌握了一个电子产品的基本开发流程，学到了很多书本上学不到的知识，提高 了自己理论联系实际和动手实践的能力。在此期间，我深深地体会到产品研发是一个不断配合和取舍的过程，包括电子与结构的配合、电子硬件与软件的配合，而每一种配合中都需要一些数据进行参考与验证，最后再综合考虑各方面的因素来优化产品的成本、质量和研发时间。同时，我也懂得了基础知识的重要性，试想，一个连元件类别和性能都不清楚的人又怎能设计出现实中可用的产品呢。所以，一个人要想真正搞出点东西来，就必须脚踏实地，从一点一滴做起。 致谢 本论文的完成是在导师的精心指导和热情帮助下完成的，在将近半年的时间里，老师在我对课题的学习 和研究以及学习和生活方面都给与了无微不至的帮助和关心。导师渊博的学识，敏锐的科学洞察力，严谨的治学态度，强烈的创新思想和对科研教育事业的执著追求都给我留下难忘的印象，并将激励我在今后的工作中勇敢地面对困难和挑战。 在我做毕业设计期间，得到了很多人的关心和支持，是它们无私的爱才使我能够在学习上不断进取，取得今天的成绩。也要感谢和我一起做毕业设计的舍友，在他们的帮助下我完成了毕业设计，再次感谢所有在我做毕业设计期间给我帮助的老师和同学们。 最后，我要感谢担任我论文评审和评阅的各位老师，谢谢他们提出的宝贵意见和建 议。 21 参考文献 1 杨恒 . LED 照明电路设计与实例精选 .北京：中国电力出版社， 2008.1 2 李学海 . PIC 单片机使用教程 提高篇 . 北京：北京航空航天大学出版社， 2007.2 3 方大千，鲍俏伟 . 实用电源及其保护电路 . 北京：人民邮电出版社， 2003.2 4 Microchip. 14-Pin, Flash-Based 8-Bit CMOS Microcontrollers with nanoWatt Technology - PIC16F684. Microchip Technology Inc.,MAY.2007 5 三恒星科技 . PIC 单片机易学通 .北京：科学出版社， 2004.5 6 李朝青 . 单片机原理及接口技术 M北京：北京航空航天大学出版社， 2005 7 ST semiconductors. L6562D Transition-Mode PFC Controller. ST Microelectronics Group of Companys,MAR.2002 8 王水平，付敏江 . 开关稳压电源 原理、设计与实用电路 . 西安：西安 电子科技大学出版社， 1997 .1 9 赵广林 . 常用电子元器件 识别 /检测 /选用一读通 . 北京：电子工业出版社， 2007.7 10 童诗白，华成英 . 模拟电子技术基础 (第三版 ). 北京：高等教育出版社 ,2004 11 徐大诚，邹丽新等微型计算机控制技术及应用北京：高等教育出版社， 2003.5 12 Myke Predko . PIC 微 控制器基础与实践 DIY. 北京：科学出版社， 2007.5 13毛兴武 张艳雯 . 新一代绿色光源 LED及其应用技术 . 北京：人民邮电出版社， 2008.5 14 陈凯良 ,竺树声 . 恒流源及其应用电路 . 杭州 ： 浙江科学技术出版社 , 1992.8 15 周邦雄 . 实用电源技术手册 . 辽宁 ： 辽宁科学技术出版社 ， 2008.1 16 Myke Predko . PIC 微控制器基础与实践 DIY-图解电子创新制作 . 北京：科学出版社，2007.5 22 附录 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 19 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :F1L111 .6m HL211 .6m HC2C 1433uC 5647uC322uT209 4 - 91 6D 1 0D9D 1 6D 1 5R 86560312VDDD R A I NGNDU 1 1H V 99 22C 7422uC 7222uC 754. 7 uC 7310uC 7110 0 uD 2 5L733 m HD 2 6R 9622 0 KR 3522 0 KR 2922 0 KR 1610K823176V I NG N DG N D G N DG N DV O U TU2M C 78 L 0 5A C D R 2GC 6810u2341112135678910R A 5/ T 1C K I / O S C 1/ C L K I NR A 4/ A N 3/ T 1G / O S C 2/ C L K O U TR A 3/ M C L R / V ppR A 2/ A N 2/ T O C K I / I N T / C 1O U TR A 1/ A N 1/ C 1I N - / V R E F / 1 C S P C L KR A 0/ A N 0C 1I N + 1C S P D A T / U L P W UR C 5/ C C P 1/ P 1 AR C 4/ C 2O U T / P 1BR C 3/ A N 7/ P 1CR C 2/ A N 6/ P 1DR C 1/ A N 5/ C 2I N -R C 0/ A N 4/ C 2I N +114V D DV S SU3P I C 16 F 6 84R 766K 8R956 0 RR 2222KR 8910KR 9010KC 6522 0 uC 6910 0 uR 4222KR 4322KR 1522KR 2222KR E DM U L TS A WR E DR E D AB L U EM U L TS A WB L U EB L U E AG RE E NM U L TS A WG R E E NG R E E N AW H I T EM U L TS A WW H I T EW H I T E A12345678O R A N G E / W H I T EO R A N G EG R E E N /W H I T EB L U EB L U E / W H I T EG R E E N B R O W N / W H I T EB R O W NAR J 4 5 8* 8C 4210uC810uU4H 1 1A 81 7BR 8010 0 RD 2 1D 2 2D 2 3D 2 4X 2 1 0 n 2 7 5 V a cR A 1R A 0R C 4R A 4R A 1R A 4R A 0R C 4R E DB L U EG R E E NW H I T E+ 13 V + 5VD C + 5V 22 0V+ 13 V+ 13 V 23 红、绿、蓝光驱动电路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 22 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :R810 0 KR 1320 0 KC910uR 1715 0 K1 82 73 64 5I N VC O M PM U L TCSV C CGDG N DZ C DU1L 65 62 DR 3147 0 KR 1810 0 RR 2447 0 KR510 0 KC 1310pC 1810uC 2522uC 5122 u HC 1710uQ2D8D74312T316 - 23 0D 1 2L422 u HS A WM U L TG R E E NG R E E NR 1215RD C + 13白光驱动电路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 22 - M a y - 20 09 S he e t o f F i l e : D : 高昌星 原理图 M yD e s i g n. dd b D r a w n B y :R 2710 0 KR 1020 0 KC 1610uR 1715 0 K1 82 73 64 5I N VC O M PM U L TCSV C CGDG N DZ C DU4L 65 62 DR 3147 0 KR610 0 RR 2447 0 KR 1110 0 KC 1310pC 2010uC 2511uC 5111uC 1510uQ1D6D54312T316 - 23 0D 1 2L411 u HS A WM U L TW H I T EW H I T ER 1915RD C + 13R 2610K 24 测试程序清单 LIST P=16F684,F=INHX8M ；列表伪指令 INCLUDE ；将头文件含入源文件中 ；- COUNT0 EQU 0x20 ；计数变量寄存器定义 COUNT1 EQU 0x21 ； TMR0A EQU 0BBH ；TMR0寄存器初始值定义 TMR1LB EQU 9CH ；TMR1低字节寄存器初始值定义 TMR1HB EQU 0FFH ；TMR1高字节寄存器初始值定义 RA0 EQU 0 ；I/O端口位定义 RA1 EQU 1 ； RA4 EQU 4 ； RC4 EQU 4 ； ；- ORG 0 ；设置复位向量地址 NOP ；用 ICD调试时需要加入 NOP指令 GOTO INITIALIZE ；跳转到初始化程序入口处 ORG 0x04 ；中断矢量 ；- INT BCF STATUS,RP0 ；Bank 0 BTFSC PIR1,TMR1IF ；TMR1溢出中断否？ GOTO TMR1INT ；是！转入 TMR1中断处理子程序 BTFSC PIR1,TMR2IF ；否！ TMR2溢出中断否？ GOTO TMR2INT ；是！转入 TRM2中断处理子程序 TMR0INT BCF INTCON,T0IF ；清除 TMR0中断标志位 BCF INTCON,T0IE ；关闭 TMR0计数器 INCF COUNT0,1 ；COUNT0+1 25 MOVLW TMR0A ；TMRO重新赋初值 MOVWF TMR0 BSF INTCON,T0IE ；重新启动 TMR0 RETFIE ；返回 TMR1INT BCF PIR1,0 ；清除 TMR1中断标志位 BCF T1CON,0 ；关闭 TMR1计数器 INCF COUNT1,1 ；COUNT1+1 MOVLW TMR1LB