基于红外遥控的大功率LED照明系统设计

1、（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）摘要：LED（发光二极管）作为一种新型光源，由于具有高效节能、绿色环保、使用寿命长等诸多优点，近年来发展迅速，并成为照明领域研究的热点。本文设计了一种以AT89S51单片机为核心的红外遥控大功率白光LED 照明系统，其采用PT4115大功率LED 恒流驱动方案与PWM 调光方式，并运用红外遥控技术实现对LED 光源的多级亮度调节。本文详细给出系统的硬件与软件设计过程。实验证明，该大功率LED 照明系统稳定高效，控制便捷，在普通照明应用中具有较好的实用价值。关键词：单片机；大功率LED；PWM调光；红外遥控中图分类号：TP368Desi

2、gn of High-power LED Lighting System Based onInfrared Remote Control TechnologyWang Feng, Liu Yi, He Zhiyuan(School of Information and Electrical Engineering,CUMT,JiangSu XuZhou 221008 Abstract: LED(light emitting diode as the new light source has the merits of energy efficiency, environmental frien

3、dly and longer lifespan, which has developed rapidly in recent years and become the study hotspot in the field of lighting. A high-power white LED lighting system based on AT89S51 single chip computer is presented, which adopts PT4115 as LED constant current drive and infrared remote control technol

4、ogy to achive PWM dimming. The paper also provides the hardware and softerware designing procedures in details. Through experiment, the high-power LED lighting system is proved to be more efficient and convenient, which has the good practical value in the application field for lighting.Keywords:sing

5、le chip computer;high-power LED;PWM dimming;infrared remote control0 引言目前，照明是我国能源消耗的重要方面，每年的照明用电约为3000亿千瓦时，约占发电总量的12%。随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高；同时，随着能源危机和环保问题的日益严峻，我国照明产业也必须走绿色节能的发展道路1。LED 是一种将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源；其作为一种新型的绿色照明方式，应用前景举世瞩目，尤其高亮度的白光LED 的开发成功，使得LED 在照明领域得以推广应用，也必然引起照明领域一场新的革命。与现行白炽灯、荧光灯等

6、照明设备相比，白光LED 具有发热低、耗电量少（白炽灯的1/8，荧光灯的1/2）、寿命长（数万小时以上，为荧光灯的10倍）、体积小、无污染、反应速度快、安全可靠等优点，是被业界看好在未来可替代传统照明器具的一大潜力产品2。同时，考虑到目前部分照明产品缺少亮度调节、红外遥控等功能，无法满足现代照明的实际需求。因此，本文设计了一种以AT89S51单片机为核心的可红外遥控大功率白光LED 照明系统，其采用PT4115大功率LED 恒流驱动方案与红外遥控技术，通过对一款基于TC9012红外遥控器的按键编码识别与解码处理，可红外遥控实现对LED 光源的多级PWM 调光功能。本设计在实现高效节能的同时，也

7、为实际照明应用提供了极大的便捷。1 系统结构与功能 本照明系统以AT89S51单片机为主控芯片，选用3只3W 大功率白光LED 为光源，采用PT4115芯片实现LED 恒流驱动系统，红外遥控系统则由TC9012遥控发射器与HS0038红外接收器构成。系统结构框图如图1所示。 图1 系统结构框图 本系统以一款采用TC9012芯片的家用遥控器作为红外发射单元，其使用普遍，价格低廉，且发射编码多，可控制实现对LED 光源亮度的多级调节；红外接收器由HS0038构成，它是集成有红外接收头、放大、解调和整形电路的一体化部件，可输出让单片机识别的TTL 信号；红外遥控信息处理则由单片机AT89S51实现，

8、其主要完成对遥控器发出的红外编码进行识别与解码，然后根据解码结果产生遥控器键值所对应的PWM 调光信号，从而控制PT4115恒流驱动系统实现LED 多级调光功能。2 系统原理2.1 PWM调光原理从LED 伏安特性及数学模型可知，LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED 电流的较大波动，并且环境温度、LED 老化等因素也将影响LED 的电气特性，若LED 电流失控，LED 长期工作在大电流下将严重影响其可靠性和使用寿命。而LED 的光输出直接与LED 电流有关，所以LED 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下宜采用恒流驱动方式3。在实际应用中，LED 调节亮度一般采用

9、两种方法，即模拟调光或PWM 调光。模拟调光与PWM 调光对比如图2所示。模拟调光是通过改变流过LED 电流的大小来调整光效的，除了亮度会改变以外，也会影响LED 的光效质量，即电流变化必然导致LED 的色度偏差。PWM 基本原理是保持LED 正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，可以实现从0到100%范围的亮度调节。PWM 调光的优势是LED 正向导通的电流一直是恒定的，LED 的色度就不会像模拟调光一样会变化；在精确控制LED 的亮度的同时，也保证LED 发光的色度。为了避免人眼能够看到LED 的导通和关断，而感觉到灯光闪烁，PWM 调光的频率要高于100Hz ，由于人眼的

10、视觉残留效应，眼睛就会对导通和关断时间内的亮度进行平均，仅仅看到由PWM 占空比决定的有效亮度。对于PWM 调光频率设置在软件设计时应予以注意。中国 科技论文在线 2.2 红外遥控原理 红外线遥控是目前使用最广的一种遥控手段。红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，在现代电子产品(家用电器、玩具、通信设备 中普遍采用红外遥控。若能将红外遥控器的按键编码进行识别与解码，并用作单片机系统的输入处理信号，则解决了常规矩阵键盘线路板过大、布线复杂、占用I/O口过多的弊病；而且使用遥控器，可实现人对设备的长距离操作控制，使用更加便捷高效。本设计采用一款基于TC9012芯片的电视机遥控器作为

11、红外发射单元。TC9012采用脉冲宽度调制编码格式，以不同的脉宽宽度来实现二进制信息的编码，其发射编码格式由引导码、用户码、数据码、数据反码和结束码构成。引导码由4.5ms 的高电平和4.5ms 的低电平波形所构成，以作为一帧数据的起始位；一帧数据中含有32位码，包含两次8位用户码，8位数据码和8位数据码的反码，用户码用于区分不同类型的红外遥控设备，数据码即代表实际按下的键值信息，数据反码是数据码的各位求反，通过比较数据码与数据反码，可判断接收到的键值数据是否正确；最后发送结束位（SY ），作为一帧数据的结束。发射码的格式如图3所示。 图3 TC9012的发射码格式红外二进制编码信息0与1分别

12、由毫秒量级的高低脉冲组合实现。以脉宽0.56ms 、间隔0.565ms 、周期为1.125ms 的组合表示二进制“0”，以脉宽0.56ms 、间隔1.69ms 、周期2.25ms 的组合表示“1”。脉冲信号都调制在占空比为1/3，频率为38kHz 的载波上再发送出去。二进制参数“0”和“1”如图4所示4。 图4 数据0与数据1参数图红外二进制信号的解调由一体化红外接收器HS0038来完成。对于接收端而言，当无红外脉冲信号时HS0038的数据输出OUT 端输出高电平，当有高脉冲红外信号时OUT 端输出为低电平，故其输出信号电平正好与发射端相反。这一点在软件设计时应予以注意。 3 系统硬件电路设计

13、3.1 单片机主控系统本设计主控系统采用ATMEL 公司的高性能单片机AT89S51实现。使用一款基于TC9012芯片的家用电视遥控器作为系统的红外发射器；单片机P3.2口连接一体化红外接收器HS0038的数据输出OUT 端；单片机P1.0口作为PWM 信号的输出端并连接PT4115芯片DIM 端，用于实现PWM 调光控制。单片机通过对红外遥控器09按键以及开关按键红外编码的识别与解码，并根据解码结果产生键值对应的PWM 信号，从而驱动LED 实现不同的亮度调节。系统晶振电路由12MHZ 晶振与两个30PF 电容组成；复位电路则由S1按键、10K 电阻与10uF 电解电容构成。主控系统电路如图

14、5所示5。 图5 单片机主控系统电路图3.2 基于PT4115的恒流驱动系统本设计LED 光源采用基于PT4115的大功率恒流驱动系统。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源芯片，其具有以下特点：6V30V宽电压范围输入；输出电流可达1.2A ；复用DIM 引脚进行LED 开关、模拟调光、PWM 调光；输出电流精度达5；转换效率高达97；LED 开路保护；输出可调的恒流控制方法；内部含有抖频特性，极大的改善EMI 。该芯片适合用于各类绿色照明LED 灯的驱动电路，应用电路简洁，所需外部元器件较少且价格低廉6。PT4115通过芯片上的DIM 端，可以方便的进行模拟或PWM 调光。本设

15、计采用PWM 调光方式，通过在DIM 引脚加入可变占空比的方波脉冲信号调节输出电流以实现调光。当方波电压幅值低于0.3 V时关断LED 电流，高于2.5 V（且低于5V ）时完全开启LED 电流。该条件下电流输出值I OUT 计算公式为：I OUT =（0.1D）/ Rs (D为方波信号占空比，Rs 为限流电阻本设计LED 光源采用串联方式，共由3只3W 的大功率白光LED 组成；每只LED 额定电流约700mA ，正向压降3.3V3.6V，亮度可达150lm 。在考虑尽量降低周边器件自身功耗的前提下，采用PT4115的恒流驱动系统设计如下：确定输入电压Vin 值，当Vin 与负载电压差值在1.5V 左右时工作效率较高，由于3只LED 负载电压约10V ，因此选用12V/2A的电源适配器供电。Rs 作为限流电阻，其取值决定LED 的最大驱动电流。考虑到大功率LED 的结温与散热要求，其工作电流不易过大，本文驱动系统按LED 工作电流I OUT =625mA设计，即Rs=0.1/IOUT ，Rs 选取0.16的高精度电阻。C in 具有续流和