LED路灯照明驱动器的设计.doc

江西科技师范学院 毕业设计（论文） 题目(中文): LED路灯照明驱动的设计 (外文): LED Street lighting-driven design 学 院:理工学院专 业:电子信息工程学生姓名:华年学 号:20060312指导教师:曾旺辉 目录摘要-引言-第一章 系统结构及功能介绍- 系统工作原理概述 第二章 设计方案-第三章 硬件设计- 系统硬件基本组成- 各模块单元电路设计- 电源电路- 扩流电路- 恒流电路- 采样电路-系统主要芯片介绍- MAX531- MAX187- AT24C16-第四章 软件设计-主程序结构-MAX531子程序-MAX187子程序-键盘扫描子程序-AT24C16子程序-第五章 系统调试- 硬件设计要点- 共地问题- 采样电阻的选择- D/A及A/D电路处理-参考文献摘要:L ED发光二极管以高效、低耗、发光柔和见长。用它作照明是一个发展方向。L ED 的伏安特性决定了它最好采用恒流源供电;为方便操作、减小机械磨损、降低故障率.为解决停电麻烦增加后备供电也是必要的,此时LED的低耗特性显示出巨大的优势。设计采用特殊的恒流电路、电源管理电路和触摸防抖动电路使L ED 扬长避短 ,工作稳定可靠。 关键词: 恒流;L ED 引言目前应用的LED是半导体光源的驱动方式有恒压驱动和恒流驱动两种，由于半导体光源的正向压降受工艺离散的影响呈现出一定的差异，因此恒压驱动容易造成个体光源的亮度差异，并且容易使流经电源超过安全应用的标称值，在应用中常常需要额外的限流电阻进行过流保护各亮度调节。而恒流驱动的方式则很好的避免了LED半导体由于工艺离散造成的正向压隆差异，使各个半导体淘汰的电流一致辞，亮度均匀，恒定的驱动电流还可以让半导体光源工作于标称电流，延长其使用寿命，恒流驱动的外围电路简单。由于LED是电流特性器件，即在饱和导通的前提下，其亮度随着电流大的变化而变化，不是随着其两端电压的变化而变化，恒流源可保证LED的稳定驱动，消除LED的闪烁现象。LED是一种半导体照明器件 ,随着其研发技术日新月异地提升 ,大功率白光 LED将以其寿命长、响应时间短、 节能、 环保、 结构牢固可靠性好等诸多显著优势逐步被应用于日常照明领域 ,以替代白炽灯、 荧光灯和高压气体放电灯等传统光源。但是由于LED正向伏安特性非常陡 ,要对供电比较困难 , LED工作电压的较小波动就会导致工作电流的急剧变化 ,这将直接影响到其寿命、光功率、光通量、可靠性以及光线色温等 ,从而达不到实际使用要求。因此保证LED正常可靠地工作 ,其驱动电路的设计至关重要。本文设计的驱动电路采用恒流源驱动可以实现更为精准、 可靠地调节和控制。第一章 系统结构及功能介绍系统工作原理概述本系统以主要是通过直流控制的器件,其驱动方式可采用两种方法控制正向电流已达到对LED发光的驱动效果，第一种方法是采用LED V-I 曲线来确定产生预期正向电流所需要向LED 施加的电压。第二种方法也是首选的LED 电流调整方法是利用恒流电源来驱动LED。 开机首先读出前一次设定的电流值和限压值作为这一次的电流输出值和限压值。经过D/A转换器输出模拟量，再经过运算放大器隔离放大，控制输出功率管的基极，随着场效应管基极电压的变化而输出不同的恒 定电流，采样电路采样回来的电压值通过A/D转换把模拟量转化为数据量并显示出输出的电压值，各所设定的限压值进行比较，如果大于限压值则启动报警电路进行报警提示用户进行电流设定，若报警数秒后电压值仍高于限压值，系统则自动把输出电流降为10MA的微小电流，以免长时间工作在限压状态损坏用电器，实际测试结果表明，本系统能有效用于老需要高稳定度的恒流源的领域。通过键盘用户可以方便的输入所需电流值和限压值。并可以通过按键“+”和键“-”进行微调。从而省去了每次都要手动输入进行微调的工作。 第二章 设计方案本项目要求设计一种电流源，要想实现电流必须先设计一个稳定的电压源，其次再设计一个恒流源，因此电压源，恒流源是本项目的核心硬件基础，本项目同时要求电流源可数控制，实现数控的常规方法有；数安逻辑器件构成，可编程器件CPLD，单片机等。方案：主要是以单片机为核心构建控制器，通过键盘对电流值进行置数，单片机输出相应的数字信号，经过D/A转换，信号放大，电平转换，压控恒流源，输出电流信号。实际输出的电流利用精密电阻采样变成电压信号，经过高输入阻抗差动放大器，A/D转换，将信号反馈到单片机将输出反馈信号再与先置数比较，送出调整信号，再输出新的电流，这样就形成了闭环调节，锁定输出电流，提高了输出电流的精度各稳定度。本方案采用单片机进行控制，显示，置数，使得系统灵活方便，电流输出精度和稳定度较高。但此方案存在稳定性受限于单片机处理数据的能力。流程图：第三章 硬件系统设计1，系统硬件基本组成系统主要包括 核心控制部分单片机电路，D/A转换电路，电源电路，恒流稳压电路，电压采样电路，A/D转换电路，存储电路，键盘输入电路和报警电路及显示电路。2，各模块单元电路设计电源电路为了使整个设计显得清洁美观，系统所需电源电路集成在同一块板上，因为恒流源部分所需电源要求是稳定的，所以在设计电源时电源时应该注意对其进行足够的滤波和稳压，想到本系统所需功率比较大，所以发号避开普通整流桥堆的功率局限，采用了常用的低频整流管IN5408，该整流管反向电压为1000V，电流为3A。可是满足本系统的需要，由于通过整流后的电压还不是很平稳，所以要有一定的滤波电路平滑电压，这也为最后系统有较小的纹波电流各纹波电压打下坚实的基础，再者，恒定的电压值也给予系统提供了稳定，所以本系统采用了三端稳压管7818的7918即作为恒流源部分的电源供，也可以作为运放所需的稳定双电源供电。扩流电路本系统采用了三端稳压对电压进行稳压，但7818最大只能输出1A的电流，对本系统来说并不达到要求，为了保证能得到稳定的电压和足够大的电流，本系统使用了三端稳压管进行稳压的基础上进行扩流，扩流采用了大功率三极管。电路的优点：1电路简单，稳定，调试方便。2价格便宜，适合于对成本要求苛刻的产品3电路中几乎没有产生高频或者低频信号的元件，工作频率低，电磁干扰等方面易于控制。恒流电路恒流电路原理如下图所示：恒流电路是整个电路中的主要路之一，其工作原理是由可数控的D/A转换器给U4运算放大器的12脚同相输入端，由运算放大器的虚短原理可知，13脚反相输入端的电压和12脚同相输入端是一样的，所以电阻R1对地电压即为我们输入的电压值是可控的，再由I=U/R可知，流经R1的电流即为一恒定的值，由于运算放大器有高阻搞，所以电流只能由Q1来担供，因为R1两端的电压恒定，运放放大提供给Q1的基极，使其在一定的导通状态下，当负载变化时，虽然反馈也是变化，导致Q1的导通状态在改变，但R1两面三刀端电压不会改变，所以流过R1的电流是恒定的，所以系统将可以得到恒定的电流值，并且受到用户输入的电压值所决定，形成数控恒流源。采样电路采样电路即为采样输出电压值，运用一个电压跟随器对输出电压进行采样，因陋就简电压跟随器的输入阻抗很高，基本上没有电流流入，所以不会因为采样面改变输出 电压值。经过跟随器后可用A/D对采样信号进行数字化，但我们知道，系统的输出功率会随着输出电流各负载的变化而变化。输出电压有可能大于10V，所用A/D无法直接输入这么高的电压，因此必须采取一定的降压措施，为了方便，这里使用了精密多圈电位器进行分压，采用4：1进行采样，即当输出为4V时A/D采到的电压值即为1V，只要在进行显示时再给采样得回数据乘4就可以得到原来的数据，这样计算电压输出16V时对A/D都无影响，但本系统输出是如上图所示的P1，它并不是对地电压，所以在软件包件编程时须用所测得的电压值减去我们输入不敷的电压值，经理论和实验证实，此方法可以运用在此系统中。3系统主要芯片介绍AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器，有8K 在系统可编程FLASH存储器，使用ATMEL公司同密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令各引脚完全兼容。片上FLASH允许和序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥用灵巧的8位CPU各在系统可编和FLASH，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供灵活，超有效的解决方案。主要性能:1 与MCS-51单片机产品兼容2 8K字节在系统可编程FLASH存储器3 1000次擦写周期4 全静态操作：0HZ-33HZ5 三级加密程序存储器6 32个可编程I/O口线7 三个16位定时器8 八个中断源9 全双式UART串行通道10 低功耗空闲和掉电模式11 掉电后中断可唤醒12 看门狗定时器13 双数据指针14 掉电标标识符MAX531MAX531芯片是MAXIM公司推出的性能优越，D/A转换集成电路，它有功耗低，转换频率快，内部带基准电压等特点，能完成12位D/A转换，数字输入为串行，采用“反向”R-2R的梯形电阻网络结构，内置单电源CMOS运算放大器，其最大工作电流仅为26UA，有很好的电压偏侈，增益各线性度，内部运算放大器根据需要可配置成+1或+2的增益，也可作四象限乘法器。 主要技术性能：1 只要调整零点和满度就可确定其线性度2 分辨率：12位二进制裁数3 电源电压：+5V4 采用可变的基准电压5 功髦：典型值2.6W6 有四象限乘法功能7 可直接与CMOS，TTL电路接口8 内部有输出放大器MAX187 MAX187串行12位模数转换器可以单5V电源下工作，接受0-5V的模拟输入。MAX187为逐次逼近式ADC，快速采样，片内时钟，高速3线串行接口。 MAX187转换速度为75KSPS。通过一个部时钟从内部读取数据，并可省却外部硬件而与绝大多数的数字信号或控制通讯。接口与SPI，QSPI，和MICROWIRE兼容。MAX187内部基准，MAX189则需要一个外部基准。MAX187和MAX189采用节空间的8脚DIP各16脚S0封装。电源消耗为7.5MW，在关断模式下可以减少至10UW。 优异的ACA特性和极低的电源消耗，同时及其容晚的使用和较小的封装使得MAX187/189能理想的应用于远程DSP和传感器，或者应用于对电源消耗各空间极为苛刻的地方。应用范围：移动式数据处理远程数字信号处理隔离数据获取高精度处理控制特性：112位精度2完整非线性3内部采样/保持电路，75KHZ采样速率4单5V电源工作5低功耗：关断模式下2UA65MA操作电流7内部4。096基准8线串行接口，SPI，QSPI和MICROWIRE兼容9小管脚8脚DIP各16脚S0封装AT24C16CAT24C16是一个16K位串行EPRM内部含有2048个8位字节CATALYST公司的先进CMOS技术实质减少了器件的功耗，AT24C16有一个16字节页写缓冲器该器件通过总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。 特性：1 与4000KHZ 总线兼容2 1.8到6.0伏工作电压范围3 低功耗CMOS技术4 写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态5 页写缓冲器6 自定时擦写期7 可保存数据8 8脚DIP SOIC或TSSOP封装9 温度范围商业级工业级和汽车级第四章 软件设计概述整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可以分为两大类：一是临控软件，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块各操作者的关系，二是执行软件，它是用来完成各种实质性的功能如输入，控制，采样，报警，显示等。每一个执行软件也就是一个小的功能执行模块。这里将各执行模块一一列出，并为每一个执行模块进行功能定义和接口定义。各执行模块规划好后，就可以规划临控程序了。 首先要根据系统的总体功能各键盘设置先择一种最合适的临控制程序结构，然后根据实时性的要求，合理地安排临控软件和各执行模块之间地调度关系。主程序结构系统软件编程总设计框图如下所示：MAX531子程序:void max531(unsinged int in-data) unsigned int i=0; cs-531=0;if(in-data&0x8000) din-531=1;else din-531=0;clk-531=1;delay1(1);in data=in-data1;cs-531=1;max187子程序:unsigned int max187(void) char i;unsigned int result;unsigned int 1byte;cs-187=0; /delay1(1);clk-187=1;clk-187=0;1 byte=0;for(i=0;i12;i+)clk-187=1;if(dout-187)1byte=0x01;clk-187=0;if(i!=11)1byte0;n-);return;void i2c-start(void) SDA=1; SCL=1;Sdelay();SDA=0;Sdelay();SCL=0;void i2c-stop(void) SDA=0; Sdelay(); SCL=1; Sdelay(); SDA=1;bit i2c-ack(void) bit ack;SDA=1;SCL=1;if(SDA=1) ack=1;else ack=0;SCL=0;return(ack);void i2c-send8bit(unsigned char ch)unsigned char I;for (i=0;i8;i+) SDA=(bit)(ch&0x80)-nop-();ch=1;SCL=1;-nop-();return;unsigned char i2c-receive8bit(void) unsigned char a; unsigned char b=0;for(a=0;a8;a+) scl=1;b=b1;if (SDA=1)b=b|0x01;SCL=0;return(b)void i2c-write(unsigned char Address, unsigned char *date)unsigned char I;for (i=0;i+)doi2c-send8bit(Address+i);i2c-ack();i2c-send8bit(*data);i2c-ack();i2c-stop();data+;if(*data)=0)break;void i2c-read(unsigned char Address,unsigned char *p, unsigned char n) unsigned char I,c;for (i=0;i2*n;i+)do i2c-start();i2c-send8bit(0xA0);i2c-send8bit(Address+i);i2c-ack();do i2c-start();i2c-send8bit(0xA1);while(i2c-ack();c=i2c-receive8bit();i2c-ack();i2c-stop();*p=c;P+;第五章 系统调试硬件设计要点由于系统要求输出电流高达2.2A，而且精度要求达到1MA，因为采样电阻在取值为1欧，因此只要采样电阻两端的电压能控制精度为1MV即能达到精度要求，所以在布线时首先得考虑线宽，除了大电流通过的线路线宽要达到要求外，焊接时还得考虑在大电流电路上加上焊锡，以减小线电阻降低线间压降。同是要注意A/D和D/A信号走线各大电流走线距离尽量短。其次，散热系统也是本设计要考虑在内的问题之一，因为通过2.2A的大电流给予散热，因为器件的热特性产生漂移从而产生误差。使得整个系统性能下降，在本系统中采用大散热片各风扇进行散热，使系统不会因为温度过高产生温度漂移。1共地问题本设计要求是高精度，精度要达到1MA级，则一定得考虑共地问题，从而给电路有一个共同的参考点。布线时将各元件的地，信号地，模拟地各连在一起后分别相连于一点，以此点为系统的公共地。2采样电阻的选择 恒流源大部分使用的是通过调整控制电压来转换为电流输出，本系统也是用同样的方法，通过控制采样电阻两端的电压来转换为恒定的电流，可见采样电阻的阻值是决定着系统能否达到一定精度的关键。因为D/A采用12位的MAX531，其最大的输出电压为4.096V，要能达到2A电流，采样电阻不能大于2欧，为了方便计算，采1欧标准电阻。但通过如下式子可以计算出采样电阻的功率大小。 W=I2*R=2*2=4W 可风要求电阻的功率比较大，普通的电阻或可调精密电阻都无法胜任。水泥电阻因为功率比较在，可以作为采样电阻，但经多次测量各数据统计知，水泥电阻阻值会随着温度的变化而变化。而且水泥电阻精度不高，阻不能精确1欧，因此用本系统中达不到要求。3D/A及A/D电路处理D/A是将数字量转换为模拟量供给运放进行电压放大去变化场效应功率管基极电压从而改变场效应管的导通状态。所以D/A值的精确度直接影响输出的电流，所以在D/A信号输出到运放之间应该使信号损髦达到最小，使得输进运放的电压电压值即为用户输入的数值。这样才能很好的控制场效应功率管的导通状态。A/D与D/A刚好相反，即是将模拟量转换为数字量，采样电路采样输出电压值，经A/D转换为数字量供给单片机与设定的限压值进行比较，如果超过限压值则启动报警系统，提醒用户采取措施，和D/A一样，为了使信号损耗达到最小，从输出端到采样系统到A/D信号输出端的路线要尽量短。同时，因为信号传输过程中可能会有波动，所以一定的滤波措施很有必要的，在A/D中如果不采取任何措施，则采样回来的电压值会有很大的跳动，以至于把数字量显示出来时用户无法看清数据值。所以在电路中加入了滤波电容，大大改善了A/D采样值的跳动情况。 结束语在本设计各制作过程中,我得到了老师和同学的大力帮助和支持.学校领导给我们提供了及其便利的工作环境,特别感谢曾旺辉老师在百忙之中抽出宝贵的休息时间,仔细耐心为我指导.在设计开发的同时,和同学之间的相互探讨也给我得到了知识上的长进,他们在我的毕业设计调试过程中都给了我很大的帮助.在此特向给了我帮助的所有人表示诚挚的谢意.论文可能还有许多不尽如人意的地方,希望能够得到老师和同学们的批评和指导意见.导师严谨,求实的治学精神及对学生的耐人教诲,宽厚待人和无微不至的关怀,都将是我以后工作和学习的榜样.最后,我还要感谢各位评审老师在百忙之中,抽出时间来阅读我的论文. 参考文献【1】胡逢康. 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