室内遥控LED照明系统的设计与实现

硕士学位论文题 目:室内遥控LED照明系统的设计与实现研究生 专 业 电路与系统 指导教师 _ 完成日期20xx年2月 室内遥控LED照明系统的设计与实现研究生： 指导教师： 20xx年2月 Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi Universityfor the Degree of MasterSystem Design of Indoor Remote LED LightingCandidate: Zhang Can Supervisor: S.E. Qu Liyang Prof. Qin Huibin February，2013 学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。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。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权说明本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：指导教师签名：日期：日期：年年月月日日 摘要近年来，半导体照明技术日趋成熟，正逐步改变人们的生活。LED（light emitting diode）是一种可发光的半导体器件，以其寿命长、易于控制、环保无污染等优点得到了广泛的应用，正逐步取代传统的照明灯具。同时，与 LED照明系统有关的高效 LED驱动器和智能调光控制技术也成为了研究的热点。本文从 LED的发展现状出发，针对人们对于家居照明的实际需求，设计了一款适用于室内的遥控可调光 LED照明系统。该系统中 LED驱动电源采用 40W的双路恒流输出，每路恒流源输出的电流大小能通过遥控器灵活调节。为得到高的功率因数并降低设计成本，LED驱动采用两级式的驱动结构，第一级是 AC/DC的恒压变换，基于 L6562A芯片采用单级 APFC的反激式变换结构，输出的恒定电压作为第二级的输入；第二级是 DC/DC的降压恒流变换，采用带有 PWM调光接口的芯片 LM3404HV设计，实现电流的恒定输出。遥控调光控制部分，分为手持无线发射模块和接收子节点，分析比较了目前主流的无线控制技术后，本控制系统基于 ATmega16单片机和 RF无线发射/接收模块来设计。自定义通信小协议对无线信号进行软件编码和解码，通过调节接收模块输出的 PWM波的占空比来控制LED恒流源输出的电流大小，从而实现对 LED灯亮度的调节。且接收模块带有地址码学习、亮度记忆和关灯延时的功能。本文通过对 LED基本特性的简要分析，设计了高可靠性的反激式恒压电源，给出了详细的电路设计过程；分析了 BUCK电路的工作原理，详细介绍了可 PWM调光的恒流源的设计，并采用仿真软件 SABER仿真分析了该 BUCK电路。从硬件和软件两方面阐述了该照明系统中遥控调光控制部分的设计，给出了手持遥控器和接收子节点的电路图，并详细介绍了调光控制部分的程序设计思想和流程图，并采用 PROTUES软件仿真了该调光控制部分的程序。最后完成了整个遥控照明系统的设计，测试和分析了整个系统的性能参数。测试结果表明 LED驱动电源和调光控制系统均满足设计要求，整个系统运行稳定。还发现了采用PWM调光方式对 LED灯调光时存在的问题，并给出了相应的解决办法。关键词：LED，LED驱动电源，PWM调光，无线遥控，智能照明I ABSTRACTIn recent years, semiconductor lighting technology is gradually changing peoples lives as thetechnology of semiconductor lighting being more and more mature. LED(light emitting diode) isa light-emitting semiconductor component. It has been widely used for its numerous advantagesof long life, high efficiency and energy saving, environmental protection and easy to control, andLED lighting is gradually replacing the traditional lighting. Simultaneously, the efficient LEDdriver and intelligent dimming technology has become a hot research spot.In this thesis, we analysis the development situation of LED, and design a dimmable lightingsystem of remote controlled according the demand of people for indoor lighting.The 40Whigh-power LED driver has dual constant current-output, and the current of each channel could beadjustment continuously by remote controlled. The LED driver selected two-stage configurationin order to achieve high power factor and low cost. The first stage is an AC/DC transformation asconstant voltage source, based on L6562A using a single-stage APFC flyback topology, and theoutput is used to be the input of the next stage; the next stage is DC/DC conversion using BUCKtopology as constant current source, based on LM3404HV with PWM dimming interface. Theintelligent lighting control section consists of a handheld wireless transmitting module and thereceiving nodes. Analysis and comparison of the current mainstream wireless control technologyis given,control system is designed based on ATmega16 microcontroller and RF wirelesstransmitter / receiver module. We use the simple communication protocol which is defined byourselves to encode and decode the wireless signal. The current generated by the constant-currentsource is controlled by adjusting the duty-cycle of the PWM,which generated by the receivermodule, to control the brightness of the LED lamp. And receiving module has learning of theaddress codes , the luminance memory and off - delay function .In this paper, we design a flyback voltage source through a brief analysis of the basiccharacteristics of the LED, and the design process is introduced in detail. Secondly, the principleof BUCK conversion is presented, and then introduces the design of constant current source indetail; simulate the BUCK circuit with SABER. Design of dimming control part is expoundedfrom two aspects of hardware and software, Show the hardware schematic diagrams of thehandheld remote controlled and the receiver notes, introduce the design method and the softwareflow charts of program in dimming control part, and simulate the program with PROTUES.Finally, the performance parameters of the entire system is tested and analyzed after thecompletion of the hardware and software implementation. The test results show that the systemII runs stable, the LED driver power supply and dimming systems meet the design requirements. Inaddition, some problems about PWM dimming are discussed and the solutions are given.Keywords:LED,LED driving power supply,PWM dimming,wireless remote controlled，intelligent lightingIII 目 录摘要.IABSTRACT. II第一章绪论.11.1课题研究背景.11.1.1 LED的发展背景.11.1.2室内智能 LED灯具的应用背景.11.2课题研究意义.21.3课题研究的主要内容.3第二章可调光 LED驱动电源相关知识介绍.42.1 LED的电压和电流特性.42.2 LED驱动电源拓扑选择.52.2.1反激式变换电路工作原理.52.2.2反激式变换电路工作模式.62.3功率因数校正技术.72.3.1功率因数的定义.72.3.2功率因数和总谐波失真率的关系.82.3.3功率因数校正的实现.82.4 LED驱动器的调光方式.112.4.1可控硅（TRIAC）调光方式.112.4.2模拟调光方式.122.4.3脉宽调制（PWM）调光方式.132.5本章小结.14第三章 AC-DC恒压电源的设计 .153.1基于 Boost电路的 APFC变换器 .153.2临界导通模式反激式 APFC变换器原理.163.3临界模式 APFC恒压电源的设计.173.3.1临界模式 APFC电路的设计.193.3.2反激变压器的设计.233.3.3 RCD钳位电路的设计 .253.3.4输出电路的设计.263.3.5基于 L6562A单级 APFC反馈环路的设计 .28IV 3.3.6 EMI滤波器的设计 .303.4本章小结.31第四章可 PWM调光型降压恒流电路的设计.324.1 BUCK型 LED驱动电路分析.324.2恒流电路主控芯片的介绍.334.3恒定导通时间控制电路的原理和优势.344.4基于 LM3404HV恒流电路的设计.354.4.1恒流电路的简要分析.354.4.2恒流电路参数计算.364.5基于 LM3404HV的 BUCK电路仿真.394.6本章小结.41第五章无线遥控调光控制系统的设计.425.1微控制器的介绍.425.2无线发射和接收模块的选择.435.2.1无线通信技术的选择.435.2.2无线收发模块介绍.445.2.3发射遥控器和接收节点的电路设计.455.3系统程序的设计.475.3.1软件开发平台介绍.475.3.2按键程序的设计.495.3.3遥控发射模块编码程序的设计.505.3.4无线接收程序的设计.535.3.5 PWM调光程序的设计.555.3.6基于 PROTUES的程序仿真.575.4本章小结.58第六章系统测试结果和分析.596.1 40W单级 APFC的 LED恒压源测试 .596.1.1电路功率因数、效率和输入电压的关系曲线图.606.1.2 MOS开关管的栅级驱动波形和漏极电压波形.616.1.3输出电压纹波和次级二极管两端电压.616.2可 PWM调光恒流源的测试.616.3遥控调光控制系统的测试.636.4遥控 LED照明系统的总体测试.65第七章结论和展望.667.1本文总结.66V 7.2工作展望.66谢.68致参考文献.69附录.73VI 第一章绪论1.1课题研究背景1.1.1 LED的发展背景在全球能源日益紧张的大背景下，节能减排已经成为当今世界的主题。其中照明用电占人类消耗总能源的很大一部分，约占总发电量的 20%左右。LED照明被认为是继明火、白炽灯和节能灯之后的第四代照明光源，为照明领域及相关领域带来了生机，并得到了广泛的推广1-2。LED是一种能将电能转化成光能的固态半导体器件，其内部有一个半导体晶片，该晶片的一端是空穴占据主导地位的 P型半导体，另一端是电子占据主导地位的 N型半导体，两种半导体连接起来就形成了 P-N结。当有电流通过晶片时，电子就会流向 P区与空穴结合，然后会发出光子，光的颜色是由它的波长决定的，而波长是由构成 P-N结的材料决定，因此改变 LED内部 P-N结的材料就能改变 LED所发出光的颜色3。随着科学技术的发展，LED也得到了快速的发展。目前 LED的光效正在稳步提高，1998年白光 LED的光效只有 5流明/瓦，到了 1999年已达到 15流明/瓦，该指标与普通家用白炽灯相近，而在 2000年白光 LED的光效已达到 25流明/瓦，该指标与卤钨灯相近。2012年白光 LED的光效已达 120流明/瓦，白光 LED作家用照明光源开始推广普及。预计到 2020年时，LED的光效可望达到 200流明/瓦4。同时，随着技术的不断改进与成熟，LED成本也不断下降。由于 LED具有节能减排、绿色环保等优势，已在显示、装饰、背光源和城市夜景等不同领域得到了广泛的应用5。我国在北京奥运会和上海世博会的场馆建设中，都应用了大量的 LED照明，其中在 2010年的上海世博会中约使用了 10.3亿只 LED，比使用普通白炽灯能节省 90%的电能6。目前，美国、日本、德国等国家都相继推出了 LED产业发展的相关扶持政策，加大了 LED产业建设的投资预算。我国政府对 LED产业的发展也给予了大量的财政支持。科技部相继推出了“十城万盏”、“绿色照明城市”等 LED照明系统示范应用方案，推动 LED照明产业的飞速发展，相信在未来几年 LED会成为人类主要的照明光源。1.1.2室内智能LED灯具的应用背景随着经济和科技的飞速发展，人们生活水平不断提高，对家居照明的需求不仅仅局限于普通的亮度照明。人们希望照明系统能向节能、人性化和智能化方向发展，可以根据环境亮度和人们的客观需求等条件，利用智能化控制来自动的调节和控制照明设备。并且结合一定的科学管理和现代艺术，灵活调节 LED灯的颜色和亮度，使现代人的生活更加绚丽多彩。近年来，LED已经在商业照明和户外照明上得到了比较广泛的应用。但是在家居室内1 照明领域，还是以白炽灯和节能灯为主，因此 LED在室内照明领域具有很大的发展空间。室内照明主要是集中在情景照明的应用上，早在 2008年，飞利浦公司就推出了一款可用于制造家居氛围的可变色 LED遥控灯，能够营造出漂亮绚丽的家居氛围，但是售价为 1000人民币左右，价格偏高。同时 LED相对于普通白炽灯和节能灯具有亮度和色温易调、可塑造性强等优点，因此 LED照明灯具通过智能化控制，人们便能随心所欲的调节灯的亮度和颜色，满足不同的照明需要。目前，LED的智能照明控制主要还存在着价格偏高、散热难处理、光学设计经验不够等一系列问题。但是随着科技的快速发展，LED技术会得到进一步的发展，这些问题也会逐渐被弥补和消失6。照明控制方式从传统的机械式开关控制、定时控制、传感器自动控制发展到无线智能控制7。LED灯的调光方式也从可控硅调光、模拟调光发展到了脉冲宽度调制（PWM）调光8,9。智能照明控制系统不仅能使人们的生活更舒适，让室内光环境更美，而且能延长灯的使用寿命，更大程度的节约能源。LED智能照明系统无论是从实用上还是从经济上来说，都具有深远意义。1.2课题研究意义LED已经在户外照明和商业照明方面得到了比较广泛的应用，但是随着经济和科技的发展，人们也开始追求更加舒适和健康的生活，因此将 LED用于家居室内照明具有巨大的潜力，而且 LED灯具具有普通白炽灯和节能灯无可比拟的优势10。目前 LED灯的使用大都停留在普通点亮灯的层面，这样不能很好的利用 LED灯亮度可调的优点，同时调光功能更加体现出 LED灯节能的优势，因此设计一款可以随意调节 LED灯亮度的照明系统在实用和经济上都有重要意义。现在国外 LED智能照明已在很多室内场合得到了广泛的应用，但是在国内还处于研发初期，具有大的市场发展前景 11,12。本设计中，将无线电遥控技术、LED灯和智能控制系统结合在一起，发挥各自的优点，采用遥控器对多个 LED灯进行开、关和亮度调节的控制。而且整个系统成本相对较低，操作简单灵活。室内遥控 LED照明系统摆脱了传统照明系统有线铺设构架，采用科学合理的智能控制方式，最大限度的降低 LED照明系统成本，将有望替代传统的照明系统逐步走进千家万户。室内遥控 LED照明系统的主要意义和优势有：1)安全性较高：在传统的照明系统中，照明灯具和电源之间要铺设冗长的电线来控制，当建筑比较复杂时，会由于线路铺设不当而导致火灾等安全事故 13,14，而本课题采用的是 315MHZ的无线信号来控制，均是在低电压下工作；而且 LED灯的驱动电压和电流均很小，更不会像普通照明灯具那样会烧坏灯丝而引发一系列安全事故。2)照明质量高：传统的照明灯具一般亮度不可调，就算亮度可调，由于是交流供电，会出现频闪的现象；LED灯采用直流驱动不会产生眩光和频闪，有助于保护视力，而且 LED灯光的光谱中不含有紫外线和红外线污染，不会产生辐射；还可以随时调节 LED灯的亮度，满足人们对亮度的最佳需求。2 3)节约资源：LED灯采用直流电驱动，功耗低而且电能转换效率高。采用固定的环氧树脂封装，不会出现灯丝被烧断的现象，使用寿命长达 6-10万小时，是普通白炽灯和节能灯寿命的 10倍以上。4)便于维护和管理：传统的照明灯都通过有线电缆的开关，一对一的控制；但是本系统中的遥控 LED灯可以用遥控器控制不同房间的灯，能整体控制和单独控制，还可以拓展与无线网络连接起来，相对于有线电缆控制的普通照明来说，可移植性和可开发性强。在家居智能化和节能减排的大环境下，本课题的研究有着很强的实用意义和社会意义。1.3课题研究的主要内容基于以上分析，本课题要设计一款用于室内的遥控 LED照明系统，主要完成以下三方面的工作：（1）针对 LED寿命长、低能耗的特点设计高可靠性和高效率的恒压电源；（2）对于 LED亮度可调的特点，设计可调光的恒流驱动源；（3）基于无线通信技术和微控制技术设计无线遥控调光控制系统。具体章节如下：第一章主要介绍了本课题的研究背景、研究意义和研究主要内容。其中课题的研究背景主要介绍了 LED灯的发展背景和室内智能照明系统的发展现状；研究意义简要介绍了本照明系统的优势；第二章主要介绍了 LED驱动器中相关的反激拓扑结构原理、功率因数校正技术和最佳调光方式等关键技术；第三章主要介绍了系统中高效率 AC/DC恒压源的设计，该恒压源采用单级有源功率因数校正的反激拓扑结构；第四章主要介绍系统中可 PWM调光的 DC/DC恒流源的设计，采用自带 PWM调光接口的芯片 LM3404HV；第五章主要介绍系统中无线遥控调光控制系统的设计，包括无线发射/接收模块和单片机的选型，以及无线模块与单片机的外围电路搭建、编码 /解码程序、PWM调光程序的编写等；第六章是整个系统的测试结果和关键波形，包括 LED驱动恒压源、恒流源的测试和无线调光控制系统的测试；第七章是论文的总结与展望部分。3 第二章可调光 LED驱动电源相关知识介绍采用 LED作为照明光源首先要解决 LED驱动电源的问题，为了将 LED作为照明光源的价值发挥出来，LED驱动器应具有高效率、直流控制、过压保护、小尺寸及安全可靠等特性15。本设计中 LED驱动采用两级式的驱动结构，第一级是 AC/DC的恒压变换，恒压输出作为后级降压电路的输入；第二级是两路独立的 DC/DC恒流变换，实现电流的恒定输出，并带有 PWM调光接口。接着是遥控调光控制部分，由发射遥控器和接收模块组成，遥控器包括发射模块和单片机，主要用于对无线信号的编码和发射；接收模块对信号接收和解调，然后单片机对接收到的信号进行解码和处理后输出相应占空比的 PWM波到恒流驱动器，从而调节 LED灯的电流。整个系统的结构图如图 2.1所示。无线发射遥控器单片机Atmega16ON无线接收模块_+DC/DC恒OFFLED流源交流电85V-265VDC/DC恒流源AC/DC 恒压源LED图 2.1整个系统的结构框图2.1 LED的电压和电流特性由于 LED是由电流驱动的低电压器件，具有单向导电性，流过 LED灯的电流会直接影响 LED灯的色温和亮度，因此传统的交流电不能为 LED供电。LED驱动电源的设计直接关系到 LED灯具的效率和可靠性，一般都采用开关电源来驱动 LED灯。开关电源工作在高频状态下，采用电力电子技术控制晶体开关管的通断来保持输出电压或电流的恒定4。LED的驱动电源又可分为恒压驱动和恒流驱动两种。图 2.2是 LED的电压电流特性曲线，可以看出在 LED的正向工作区，正向工作电流 IF与正向工作电压VF几乎成指数关系变化，则如果 LED驱动电源采用恒压驱动方式，则 LED正向工作区电压微小的变化都会引起电流的大变化，进而会影响 LED灯的亮度发生变化，严重会损坏 LED灯15动 LED的开关电源，易选用恒流输出方式。因此，作为驱4 IIF0VRVF反向死区正向死区正向击穿区工作区IR图 2.2 LED的 V-I特性曲线2.2 LED驱动电源拓扑选择在设计开关电源首先要确定采用哪一种拓扑结构，每种拓扑结构都有自己的适用范围。拓扑结构主要与输出功率、输入输出比、输出电压调节范围等有关。而且电源拓扑结构不同，后续电路中变压器、反馈环路、主要器件的选择也不同 16-17。开关电源的拓扑结构主要有以下几大类：正激式变换电路、反激式变换电路、半桥式变换电路、全桥式变换电路、推挽式变换电路和 RCC变换电路。由于本设计中 AC-DC恒压源功率只有 40W，从成本、体积和输入输出比等因数综合考虑，选用反激式拓扑结构来设计。2.2.1反激式变换电路工作原理反激变换电路中变压器的初级绕组极性和次级绕组极性相反，而且反激变换器的变压器与常规变压器不同，它的初级绕组和次级绕组并不是同时导通 18。反激变换电路又分为隔离型和非隔离型，如果输入交流市电或输入电压值较高，考虑到商品的安全性，一般的AC-DC电路都采用隔离型结构。隔离型反激变换器的基本结构如图 2.3所示。反激变换器由于电路较简单，元器件少，还能提供多路输出，一般在 100W以下的开关电源中广泛使用，而且该变换器的最大优点是不需要次级输出电感，因此在成本和体积上有着很大的优势。图 2.3隔离型反激变换器的基本结构图5 杭州电子科技大学硕士学位论文反激变换