基于ZigBee的LED灯调光控制器设计与实现

精品文档 1欢迎下载 5 5 基于基于 ZigBeeZigBee 技术的技术的 LEDLED 灯调光控制器设计与实现灯调光控制器设计与实现 5 15 1 概述概述 LED Light Emitting Diode 发光二极管 是一种能够将电能转化为可 见光的固态的半导体器件 它可以直接把电转化为光 LED 的心脏是一个半导 体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负极 另一端连接电源的正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由两部分组成 一部分是 P 型半 导体 在它里面空穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 在这边主要是电子 但这两种半导体连接起来的时候 它们之间就形成一个 P N 结 当电流通过导 线作用于这个晶片的时候 电子就会被推向 P 区 在 P 区里电子跟空穴复合 然后就会以光子的形式发出能量 这就是 LED 灯发光的原理 而光的波长也就 是光的颜色 是由形成 P N 结的材料决定的 LED 灯最大的优点就是节能环保 光的发光效率达到 100 流明 瓦以上 普 通的白炽灯只能达到 40 流明 瓦 节能灯也就在 70 流明 瓦左右徘徊 所以 同样的瓦数 LED 灯效果会比白炽灯和节能灯亮很多 1 瓦 LED 灯亮度相当于 2 瓦左右的节能灯 5 瓦 LED 灯 1000 小时耗电 5 度 LED 灯寿命可以达到 5 万小 时 LED 灯无辐射 随着社会经济的发展 对 LED 灯的需求越来越高 所以在物联网智能家居 智慧照明系统中研究基于 ZigBee 的 LED 灯驱动控制显得非常重要 5 25 2 LEDLED 灯驱动电路研究设计灯驱动电路研究设计 采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路 由于其具有体积小 成 本低 电流相对恒定等优点 也常应用于 LED 的驱动电路中 图 5 1 为一个实际的采用电容降压的 LED 驱动电路 请注意 大部分应用 电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管 建议连接上 因压敏电阻或 瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间 如雷电 大用电设备起动等 有效地将 突变电流泄放 从而保护二级关和其它晶体管 它们的响应时间一般在微毫秒 级 精品文档 2欢迎下载 图 5 1 LED 驱动原理图 电路工作原理电路工作原理 电容 C1 的作用为降压和限流 大家都知道 电容的特性是通交流 隔直流 当电容连接于交流电路中时 其容抗计算公式为 XC 1 2 fC 式中 XC 表示电容的容抗 f 表示输入交流电源的频率 C 表示降压电容 的容量 流过电容降压电路的电流计算公式为 I U XC 式中 I 表示流过电容的电流 U 表示电源电压 XC 表示电容的容抗 在 220V 50Hz 的交流电路中 当负载电压远远小于 220V 时 电流与电容的关系 式为 I 69C 其中电容的单位为 uF 电流的单位为 mA 表 5 1 为在 220V 50Hz 的交流电路中 理论电流与实际测量电流的比较 表 5 1 在 220V 50Hz 的交流电路中理论电流与实际测量电流的比较 电阻 R1 为泄放电阻 其作用为 当正弦波在最大峰值时刻被切断时 电容 C1 上的残存电荷无法释放 会长久存在 在维修时如果人体接触到 C1 的金属部 精品文档 3欢迎下载 分 有强烈的触电可能 而电阻 R1 的存在 能将残存的电荷泄放掉 从而保证 人 机安全 泄放电阻的阻值与电容的大小有关 一般电容的容量越大 残存的 电荷就越多 泄放电阻就阻值就要选小些 经验数据如表 5 2 供设计时参考 表 5 2 泄放电阻的阻值与电容对比表 D1 D4 的作用是整流 其作用是将交流电整流为脉动直流电压 C2 C3 的作用为滤波 其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电 压 压敏电阻 或瞬变电压抑制晶体管 的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压 电压对地泄放掉 从而保护 LED 不被瞬间高压击穿 LED 串联的数量视其正向导通电压 Vf 而定 在 220V AC 电路中 最多可 以达到 80 个左右 组件选择 电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值 在 220V 50Hz 的 交流电路中时 可以选择耐压为 400 伏以上的涤纶电容或纸介质电容 D1 D4 可 以选择 IN4007 滤波电容 C2 C3 的耐压根据负载电压而定 一般为负载电压的 1 2 倍 其 电容容量视负载电流的大小而定 5 35 3 LEDLED 灯调光电路设计灯调光电路设计 1 1 12V12V 直流电源设计直流电源设计 12V 直流电源设计主要是 AC220 到 DC12V 的转换 如图 5 2 所示 在下图中采用了 LNK306 芯片 LNK306 在一片 IC 上面集成了一个 700 V 的 功率 MOSFET 振荡器 简单的开 关控制电路 高压开关电流源 频率调制 逐周期的电流限制及过温保护电路 精品文档 4欢迎下载 图 5 2 AC220 到 DC12V 的转换电路 输入级由保险电阻 F1 二极管 D10 和 D11 电容 C18 和 C21 以及电感 L2 组 成 电阻 F1 为阻燃可熔的绕线电阻 它同时具备多个功能 a 将整流管 D10 和 D11 的浪涌电流限制在安全的范围 b 差模噪声的衰减 c 在其它任何元件 出现短路故障时 充当输入保险丝的功能 元件故障时必须安全开路 不应产生 任何冒烟 冒火及过热发光现象 功率处理级由 LNK306 续流二极管 D13 输出电感 L1 及输出电容 C19 构成 电容 C19 是输出滤波电容 其主要功能是限制输出电压纹波 输出电压的纹波 最主要取决于输出电容的 ESR 而非电容的容量 二极管 D13 和 D12 的正向导通压降是相同的 因此 C22 两端的电压会跟 踪输出电压 连接到 LNK306 FB 引脚由 R26 和 R27 组成的电阻分压器对 C22 的 电压进行检测及稳压 2 2 CC2530CC2530 单片机外围电路设计单片机外围电路设计 1 1 CC2530CC2530 单片机电源设计单片机电源设计 LED 灯需要 12V 直流电源 但是 CC2530 工作需要 3 3V 直流电源 所以这 里还需要进行 DC12V 到 DC3 3V 的转换 这里采用电源芯片 BM1117 3 3 该芯 片可以输入 DC12V 输出 DC3 3V 电路设计如图 5 3 所示 精品文档 5欢迎下载 图 5 3 3 3V 直流电源设计图 该电路图只是在输入输出端分别加入了滤波电容 2 2 CC2530CC2530 单片机电路设计单片机电路设计 芯片的 RF P 和 RF N 引脚为天线接入引脚 M1 为天线接入端 为了节省模 块以及控制板的空间尺寸 这里采用 PCB 天线设计 芯片的 P10 P17 作为 2 位 数码管模块的阴极驱动引脚 芯片的 P00 P01 作为 2 位数码管模块的阳极驱动 引脚 芯片的 P02 作为 4 个 LED 灯指示灯的驱动引脚 芯片的 P06 作为按键 AD 输入 芯片的 P03 作为蜂鸣器控制引脚 P04 作为继电器控制引脚 CC2530 模块设计原理图如图 5 4 所示 图 5 4 CC2530 单片机电路设计图 3 3 基于 基于 PWMPWM 的的 LEDLED 调光电路设计调光电路设计 1 1 PWMPWM 简介简介 脉冲宽度调制 PWM 是英文 Pulse Width Modulation 的缩写 简称脉 精品文档 6欢迎下载 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 PWMPWM 控制控制 LEDLED 亮度原理亮度原理 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 如图 5 5 所示 单片机通过 PWM 调节灯光亮暗基本原理电路图 精品文档 7欢迎下载 图 5 5 CC2530 单片机 PWM 驱动 LED 电路设计 这里加了一个三极管和 MOS 管来驱动 LED 灯 以达到加强亮度的目的 3 3 PWMPWM 驱动电路结构驱动电路结构 PWM 电路的特点是频率高 效率高 功率密度高 可靠性高 然而由于开 关器件工作在高频通断状态 高频的快速瞬变过程本身就是一电磁骚扰源 它 产生的 EMI 信号有很宽的频率范围 又有一定的幅度 如图 5 6 所示 为 PWM 驱动电路结构 图 5 6 利用 PWM 信号控制 LED 亮度的驱动电路 精品文档 8欢迎下载 5 45 4 软件设计软件设计 1 1 ZigBeeZigBee 协议栈协议栈 Z STACK 是美国德州仪器 简称 TI 公司推出的支持 ZigBee 标准的协 议栈 具有开源 稳定可靠等特点 本案将采用此协议栈进行开发 打开 Z STACK 协议栈任何一工程均有如图 5 7 所示 图 5 7 Z STACK 结构图 APP Application Programming 应用层目录 这是用户创建各种不同 工程的区域 在这个目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容 在协 议栈里面一般是以操作系统的任务实现的 HAL Hardware H W Abstraction Layer 硬件层目录 包含有与硬件 相关的配置和驱动及操作函数 MAC MAC 层目录 包含了 MAC 层的参数配置文件及其 MAC 的 LIB 库的函 数接口文件 MT Monitor Test 实现通过串口可控各层 于各层进行直接交互 NWK ZigBee Network Layer 网络层目录 含网络层配置参数文件及网 络层库的函数接口文件 APS 层库的函数接口 OSAL Operating System OS Abstraction Layer 协议栈的操作系统 Profile AF Application Framework 层目录 包含 AF 层处理函数文 精品文档 9欢迎下载 件 Security 安全层目录 安全层处理函数 比如加密函数等 Services 地址处理函数目录 包括着地址模式的定义及地址处理函数 Tools 工程配置目录 包括空间划分及 ZStack 相关配置信息 ZDO ZigBee Device Objects ZDO 目录 ZMac MAC 层目录 包括 MAC 层参数配置及 MAC 层 LIB 库函数回调处理 函数 ZMain 主函数目录 包括入口函数及硬件配置文件 Output 输出文件目录 这个 EW8051 IDE 自动生成的 2 2 PWMPWM 驱动驱动 LEDLED 灯驱动设计灯驱动设计 调节 LED 灯亮度本案采用 PWM 输出模式来实现 PWM 的产生这里采用定时 器 3 来定时实现 Timer34int 定时器 3 初始化 PERCFG 0 x20 Timer3 管脚关联 P1SEL 0 x40 P16 功能选择 P1DIR 0 x40 P16 设置为输出 P1 6 0 P16 置零 有必要研究下定时器 3 初始化函数 在 hal timer34 c 源文件中 static void Timer3int void T3CTL 清除分频位 T3CTL TIMER3 TICK 置分频系数 T3CTL 关溢出中断 中断是否开启 if defined TIMER3 INTERRUPT EN 溢出中断开启 endif 设置定时器工作模式 T3CTL T3CTL if defined TIMER3 CHANNEL0 EN endif if defined TIMER3 CHANNEL1 EN endif interrupt void TIMER3 ISR void if TIMIF if TIMIF 停止定时器 3 T3CC0 ch 为 T3CC0 赋值 Timer3Start 启动定时器 3