LED节能灯的研究与设计毕业论文.doc

西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文） LED节能灯的设计与研究 THE DESIGN AND RESEARCH OF THE LED ENERGY-SAVING LAMP 院 系 电气工程系 专 业 电子信息工程 年 级 2009级 姓 名 高崇波 题 目 LED节能灯的设计与研究 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日 毕业设计（论文）任务书班 级 电子2009级2班 学生姓名 高 崇 波 学 号 20099027 发题日期： 2013 年 02月25日 完成日期： 2013年 06月 21日题 目 LED节能灯的设计与研究 1、 本论文的目的、意义 进入二十一世纪，随着全球经济和人口的快速增加，能源问题显得越来越重要，受到各个国家的高度重视，有些国家甚至为争夺能源而不惜发动战争。像石油，煤炭等资源，随着人类的大力开采，这些不可再生资源的数量越来越少，据估计石油可供开采的年限为60年左右，煤炭可供开采的年限为220年左右。所以节约能源和开发新能源显得更加重要。随着科技的不断进步，人们发明了一种发光效率较高的灯，那就是LED灯，LED被公认为是二十一世纪的新型半导体绿色照明光源，具有能耗低、寿命长、响应时间短、安全低压、环保、应用灵活、调节方便等诸多优点。为此本论文从LED家居照明面临的技术问题展开研究，通过LED的特点及其应用领域的分析，设计出一款适合于家居的LED驱动电源，基于单片机和无线控制模块的LED智能调光系统。整个系统能够接收无线信号实现手动和自动调光，可根据人体的红外信号实现自动开关机功能。 2、 学生应完成的任务（1）了解LED的光学特性，分析LED驱动电源的研究现状。 （2）学习并掌握LED驱动电路的设计以及现有驱动电路的优缺点。 （3）设计并实现应用专用芯片为控制电路的LED驱动电路以及完成无线控制模块、智能调光系统的设计。 （4）用Protel绘制出电路图并进行调试、测试电路，以验证其功能。 （5）撰写毕业设计说明书。毕业论文要介绍LED的原理及特性、驱动电路的设计及应用等。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 14 周）第一部分 查询参考文献、资料 (2周) 第二部分 学习LED驱动电路的原理 (2周) 第三部分 完成电路设计并绘制电路图 (6周)第四部分 制作PCB并调试 (3周) 第五部分 撰写毕业论文 (1周)评阅及答辩 (2周) 论文整改 (1周)备 注 4、参考文献：1 陈永真，陈之勃.实用LED驱动电路的设计详解.北京：机械工业出版社，2010.10 2 周志敏，纪爱华.LED驱动电源设计100例.北京：中国电力出版社，2009 3 沙占友，王彦明，马洪涛.LED驱动电源设计入门.北京：中国电力出版社，2012.1 指导教师： 2013年02月25日审 批 人： 2013年02月25日 摘 要进入21世纪，随着全球经济的快速发展，能源危机越来越受到人们的重视。LED作为一种新型的光源，以其环保、节能、效率高等特点，逐渐受到人们的亲睐。目前，LED照明已经进入各个行业，尤其是在照明领域发挥出出色的能力。现在LED在家居照明方面的成果令人瞩目，LED家居照明是潜力巨大的市场。本文主要从LED家居照明出发，介绍LED的发展以及状况，并对LED设计所涉及的功率因数校正，调光策略，反激变换器等进行详细介绍，以此为基础设计一款基于L6561和AX2005的具有高效率，高功率因数，PWM调光的LED恒流驱动电源。并设计一套智能调光系统，此调光系统以STC12C5620AD为主控器，配合JF24D无线收发器，使该系统具有自适应式调光和手动调光功能，并可以感应人体红外信号实现LED灯的自动开关控制。关键字 LED ；L6561 ；PWM ；智能调光系统 ；STC12C5620ADAbstractIn the 21st century, as the economy develope, the energy crisis attracts more attention of people. As a new light source, LED has lots of advantages, such as environmentally friendly, energy-saving, high efficiency which becomes popular around the world. Recently, LED lighting has entered in various industries, especially plays a significant part in the field of lighting. LED has a remarkable achievement of home lighting that is a huge potential market.In this paper, the LED starts from the home lighting to introduce the function and developments of itself and the power factor correction, dimming strategies, flyback converter in details. On a basis of those to design a LED constant current drive power which is based on L6561 and AX2005 with high efficiency, high power factor, PWM dimming. And to design an intelligent dimming system which is based on STC12C5620AD as a controller with JF24D wireless transceiver. So that the system can have the abilities of adaptive dimming , manual dimming. It also can sense the bodys infrared signal to achieve the ability of LED lights automatic switch control.Key word LED；L6561；PWM；Intelligent Light System；STC12C5620AD 目 录第1章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 本课题研究的主要内容2第2章 LED照明分析42.1 LED基础42.1.1 LED结构及基本原理42.1.2 LED的I-V特性42.1.3 LED照明特点及应用62.2 LED驱动72.3 LED调光82.3.1 模拟调光82.3.2 PWM调光92.3.3 TRIAC调光10第3章 功率因数校正及DC/DC变换113.1 功率因数和谐波113.1.1 功率因数的定义113.1.2 功率因数和THD的关系123.1.3功率因数校正方法123.2 DC/DC变换133.3 反激式变换器13第4章 LED驱动器设计154.1 L6561154.1.1 L6561简介154.1.2 L6561引脚及内部结构154.1.4 L6561反激式电源设计184.2 AX2005184.2.1 AX2005简介184.2.2 AX2005工作原理194.2.3 AX2005构成的LED驱动电路20第5章 智能调光系统硬件设计225.1 总体方案225.2 STC12C5620AD单片机简介225.2.1 主要特性225.2.2 内部结构225.3 单片机最小系统及PWM设计245.4 串口设计245.5 人体感应设计255.5.1 BISS0001简介255.5.2 BISS0001工作原理265.5.3 人体红外传感器275.6 光照检测设计285.6.1 光敏电阻简介285.6.2 检测电路285.7 无线发射接收设计295.7.1 JF24D简介295.7.2 JF24D接口电路31第6章 系统软件设计326.1 软件系统功能326.2 主程序326.3 光照采集336.4 PWM实现346.5 无线遥控35第7章 系统测试377.1 30W可调光LED实物图377.2 电源转换效率377.3 输入交流电压及电流波形387.4 MOSFET开关管管栅极驱动电压波形及漏极电压波形387.5高频变压器次级整流二极管正极电压波形和输出电压波形39结 论41致 谢42参考文献43附录一：PCB图44附录二：实物模块图45附录三：单片机源码48第1章 绪 论1.1 课题背景及意义在21世纪，随着全球经济的快速增长和人口的迅速增加，人类对能源的需求越来越大。能源危机已经成为世界各国面临的最重要的问题，如何合理开发和高效利用能源成为各国家研究人员优先研究的领域。 LED（Light Emitting Diode；LED）作为新一代光源，以寿命长，发光效率高，无辐射与能耗低等优点被更多国家关注。很多国家相继推出自己的投资计划。例如，韩国政府计划到2015年将投资约279万美元，用来开发LED产业；日本政府推出了“21世纪照明工程“，并计划2011至2015年大力推广使用LED照明设备，并在全国更换”智能电表“，并采用分时段计费的方法让用户节约能源；中国台湾将投资7亿元新台币把现有的53,000盏路灯更换为LED灯源，这一政策将在2012年1月实施;中国现在也在加快发展LED产业，比如深圳市政府制定了2009-2015年深圳市LED发展规划,现在深圳集中了很多的LED制造商，加快促进中国的LED走向世界。相信在不远的将来中国的LED市场将迎来一个飞跃的发展。根据LED在线公司的的一项统计表明，在2010年中国照明市场规模达到120亿美元左右（不包括汽车照明），其中LED照明产值达到10.3亿美元，在今后的几年内仍呈现显着增长趋势。 LED在线公司估计，未来在政策补贴带动下，中国LED照明市场在2020年将超过300亿美元，中国将成为前三大LED照明市场之首，同时中国既是生产大国也是消费大国，中国成为很多制造厂商开拓市的市场之一。由于LED自身特点，原来的电源不在适用于LED驱动。因此，要想使用LED作为光源，需要解决电源转换的问题。在开发的LED驱动器中，驱动器应该具有效率高，过压过流保护，体积小，易安装等特点。这样LED的优势才能发挥出来。灯光照明的主要目的是为了在光线不足的情况下提供照明。但照明用电，在不需要的时候关灯，可以节约能源。但在某些情况下，将亮度调到较暗的程度（25%50），可以显着地减少能量消耗（50-75）。在很多公共场所，如火车站，汽车站等，在晚上不宜将所有的灯熄灭，这样很容易造成安全事故。在一些如走廊，厕所灯场所，只需要保持适当的光线，就可以方便人员的通行和避免安全死角。24小时营业的便利店，加油站，宾馆等，也可以半夜使部分的灯光变暗，以节省电能。为了使LED更充分的体现出它的优势所在，把调光技术应用在LED照明中可以大大提高节能效果。因此，开发出一款高效率，高可靠性，满足电磁兼容（EMC）标准的可调光LED驱动器，对于LED的发展和节能具有重要意义。根据以上可知，在照明领域，LED作为一种新型绿色光源，是未来的发展趋势，在21世纪将进入LED照明为代表的新时代。1.2 国内外研究现状在21世纪光电子技术得到快速的发展，同时是本世纪最具有代表的支柱性产业之一。随着光电子与微电子的结合，光电子产业将逐步走进人们的生活，进一步改善人们的生活水平，使信息的传输更加快捷，可靠，安全。世界上以美国为首的主要发达国家和一些大型半导体公司开始投入大量财力和人力，争取在未来几年之内实现半导体白光照明的产业化。现在，来自全球的很多大学和公司等机构开始着手研究开发LED材料、器件制作工艺等。像日本的日亚、Toyota Goosey（丰田合成）、美国的 Cree、Lumileds等大型公司处于世界领先水平。这些公司都有自己的专利技术但他们都是在自己内部使用，只销售产品，不转让技术。毫无疑问中国是LED照明市场潜力最大的市场，如果能领先进入中国的LED市场，将会给公司带来不菲的利润。有统计表明，中国在2005年LED的需求量已经超过1000亿只，高亮LED占35，普通亮度占40，其余为红外LED。在以后几年中中国的LED呈明显上升的趋势。这足以证明中国的LED市场是非常庞大的。但是由于我国在技术上与发达国家相比还有很大差距，一直都是国外的LED公司占据中国LED的市场，使的LED国产率很低。近些年来我国加大了LED研发的资金投入，有很多大学和研究所逐步加入LED的开发中来。通过科研人员不懈的努力，我国的LED大屏幕产业有了一定的规模。目前国内的LED大屏幕供应主要是由国内的厂家生产，几乎覆盖了整个市场。1.3 本课题研究的主要内容本论文针对家居照明LED进行智能调光系统的设计，本系统采用STC12C5620AD单片机，设计基于L6561反激式LED驱动电源，并根据此驱动电源设计LED调光系统。该系统通过 PWM 调制，应用光敏感应、人体感应和无线接收模块，使系统实现：根据外界环境光照强度自动调节LED灯的亮度；根据感应人体红外信号自动控制LED灯开关机功能；接收无线遥控信号，实现模式的切换。本文的主要研究工作分以下三个方面：1. 介绍功率因数校正的概念及其方法，以L6561、AX2005设计一款具有高功率因数，高效率，可调光的30W LED驱动电源。2. 以LED驱动电源为基础，设计以STC12C5620AD为主控器的其他电路，主要包括：光敏传感器模块、人体感应模块、无线遥控模块。光传感器主要用于测量环境中光照强度，通过单片机处理来实现LED灯亮度的自动调节功能。人体感应模块主要用于检测一定范围内的人体热释电红外信号，通过单片机软件处理，实现自动开关LED灯。无线遥控模块主要用于手动模式下调节灯光亮度和切换调光模式。 3.系统的软件设计，主要包括以下三个方面：PWM（Pulse Width Modulayion Dimming） 调光技术的实现：通过改变PWM的占空比，调节LED驱动器的输出电流，从而实现 LED 亮度的调节。 光传感器数据采集与处理软件设计。 无线接收模块软件的设计：主要用切换工作模式，LED亮度调节和开关机功能。 第2章 LED照明分析2.1 LED基础 2.1.1 LED结构及基本原理发光二极管，简称LED（Light Emitting Diode），是一种固态的半导体器件，它使用一个固态半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，电荷载流子在半导体内复合，释放过剩的能量而引起光子发射的可见光，其发光原理可以利用图2-1中的PN结的能带结构来解释。LED结构如图2-2所示，是将半导体材料放在一个有引线支架上，然后用环氧树脂密封。 图2-1 LED发光原理 图2-2 LED结构LED的发光原理简单地说在一个本征半导体的两侧掺杂不同的元素形成N型和P型半导体。N型半导体电子为多数载流子，P型半导体空穴为多数载流子。由于N型和P型半导体浓度的差异，这两种载流子会自主的向对方区域扩散。由于空穴带正电荷，电子带负电荷，两种载流子会在交界面复合，一个空间电荷区在交界面两侧形成，其电场方向由N指向P，这就是PN结。这个内电场阻碍了多数载流子的扩散运动，因此在一定温度下PN结的尺度是一定的。当 PN结外加正向电压时，外电场与内电场作用，其结果是使内电场减弱，从而空穴和电子可以再向对方区域扩散形成稳定的电流。此时带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。2.1.2 LED的I-V特性I-V 特性是用来表征LED性能的一个重要参数。LED 的 I-V 特性是用来描述LED电流随电压变化的特性，从曲线可知LED具有非线性和单向导电性，即外加正向电压时表现为低电阻，加反向电压时为高阻态，如图2-3所示。(1) 正向死区（图2-3中的oa或者o´a´段）。O点对应的V0 为启动电压，当V<V0 ，此时R阻值非常大，是因为外加电场还没有克服由少数载流子形成的势垒电场。启动电压对于不同材料的LED它的启动电压值不一样，GaAs LED为1V，红光GaAsP LED为1.2V，GaP LED为1.8V，GaN LED为2.5V。(2) 正向工作区。工作电流与外加电压是指数关系。 （2-1） 式中为反向饱和电流。 在V>的正向工作区，随成指数规律上升。 （2-2）(3) 反向死区。V<0时PN结痂反偏压；GaP LED的反向漏电流(V=-5V)为0AGaN LED的反向漏电流(V=-5V)为10A。(4) 反向击穿。，称为反向击穿电压，电压对应的电流称为反漏电流。当反向偏压一直增大使时，则突然增大而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压也不同。然而LED的伏安特性并不是固定不变的，是会随着温度的变化而发生改变的。所以在恒定的电压下，LED的电流随温度变化而发生较大变动，将会直接影响LED的使用寿命，因此本文中采用 LED 恒流驱动。 图2-3 LED的I-V特性2.1.3 LED照明特点及应用1.特点：(1) 发光效率高。LED是一种固态冷光源，大部分释放的能量转化为可见光，LED照明的发光效率可达到50200lm/W，普通白炽灯仅有1224lm/ W，荧光灯5070lm/ W，在相同的发光效率下,LED耗电量仅为日光灯的1/3，白炽灯的1/10。中国在2010发电量总量为41410亿千瓦时，其中照明占总发电量的10，如果使用LED照明则可以节省一半的电量，可以节省大约2000多亿度电，节约7000万吨标准煤。(2) 使用寿命长。具有良好散热性的LED照明灯的寿命为1000050000小时（由驱动器的影响），是普通白炽灯的5至25倍，以正常的家居环境为列，发光二极管可以使用长达20年，从而减少更换灯泡造成的人力和物力。(3) 容易调光控制。LED驱动器可采用模拟调光、TRIAC调光或脉宽调制(PWM)调光。充分考虑LED调光特点，在不同光线强度调节适当的LED亮度，可以进一步降低能耗，体现LED低碳环保的功能。(4) 绿色环保。LED照明灯不含汞、氙、铅等有害元素，不污染环境，同时降低了弃置成本。(5) 发光响应速度快。LED灯响应时间为s。(6) 使用灵活。LED具有体积小，可根据不同的需要由多只LED构成灯具；LED的发光亮度由驱动器工作的电流确定，色彩由端线控制，可以很方便地实现数字化调光。2.应用LED的应用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等，可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域。（1）汽车部分：在汽车内部仪表盘，照明等，在汽车外部，转弯灯，射灯等。现在很多品牌的高档轿车包括宝马、奔驰等都使用高亮度LED。（2）背光源部分：现在市场上的智能手机基本上都是LED背光源，液晶电视的背光源绝大部分也使用LED背光源，从这里可以看出LED的市场非常庞大。（3）随着科技的发展，大规模集成电路和计算机技术越来成熟，LED显示器正在快速发展中，与传统的显示器相比LED显示器亮度较高，色彩效果好，能耗低等优点。相信在不远的将来LED显示器将完全替代传统显示器。（4）在指示方面几乎所的指示灯都是LED灯，因为LED具有体积小，能耗低，寿命长等诸多优点，已经是电子设备指示灯的首选。2.2 LED驱动LED的驱动方法一般可分为恒压和恒流驱动。恒压驱动：在早期的LED驱动中多数采用恒压驱动方式，但存在诸多弊端。在人们的长期实践中发现LED的正向压降受结温变化的影响相当显著，结温每升高1，正向压降就降低4.0mV，以此类推。若因LED散热不良而导致结温迅速升高，则其光通量显著下降，实践表明当结温升高到=150，相对光通量就降到70%以下，这就意味着LED照明灯还没来来的及使用，寿命已经终结了。此外采用恒压驱动方式无法为LED提供恒定的电流，尽管利用限流电阻可分别设定每个LED灯串的工作电流值，但限流电阻R会造成功耗。恒流驱动：最简单的LED恒流驱动器，可利用开关（或线性）稳压器的反馈端来实现从恒压驱动到恒流的转换，转换原理如图2-4 （a），（b）所示。图2-4（a）为开关或线性稳压器的典型应用电路，FB为反馈端，,为取样电阻。令反馈电压为,在数字上它应等于芯片内部的基准电压，在设计稳压器时一般取1.25、2.50等数值。其特点是输出电压保持恒定，而输出电流是可变的。输出电压由下式确定 （2-3） (a) 恒压驱动的原理 （b）恒流驱动的原理 图2-4 LED驱动方式图2-4（b）是用LED灯串来代替取样电阻,将该做电流设定电阻。其特点是输出电流保持恒定，而输出电压时可变的。输出电流由下式子确定 (2-4)2.3 LED调光 LED主要有5种调光方式：模拟调光，PWM调光，数字调光，TRIAC调光（双向晶闸管），无线调光。其中数字调光是微控制器通过单线借口、SMBus、SPI等串行借口给LED驱动器发出数字信号，来调节LED照明灯亮度，可实现渐进调光。渐进调光是一种连续的调光方式，使电流以指数曲线形式，逐渐调光，能很好地补偿人眼的敏感度。此外可利用数字电位器和单片机实现数字调光。无线调光是在数控恒流驱动器的基础上外加红外遥控发射器、红外遥控接收器来进行调光。2.3.1 模拟调光模拟调光也称线性调光。模拟调光是利用直流电压使LED驱动器的输出电流逐渐的变化，以达到线性调光的目的。其特点是调光信号为模拟量，而且输出电流是连续变化的，使LED的亮度能连续调节。模拟调光比最高只能达到50：1，一般在10:1.模拟调光的优点是电路结构简单，容易实现，闪烁现象，成本低，可通过调节线性电位器的电阻值，来改变通过LED的电流，进而调节LED的亮度。但LED也存在以下缺点：（1） 容易发生色偏，因为LED的色谱由LED电流决定。（2） 模拟调光比较窄，例如MT7201型LED恒流驱动器的模拟调光电压范围是0.32.5V，调光比仅为2.5V:0.3V=8.3：1<10：1；SN 3910型HB-LED恒流驱动控制器的调光比为240mV/5mV=48:1;远低于PWM调光，后者可达到几百到几千倍。（3）因为LED驱动器的效率跟电流的大小有一定的关系，当电流减小时效率会迅速下降，所以当采用模拟调光时LED驱动器的功率损耗会被进一步加大。 2.3.2 PWM调光在实际的生活中，人们发现我们的肉眼对于亮度的变化并不敏感，如果亮度变化的频率超过100Hz,人肉眼几乎就看不到闪烁，所以根据这一特性采用PWM方式来调节LED的输出电流，从而可以改变LED的亮度。PWM调节非常方便只需要控制LED的亮灭的时间，即可实现亮度的调节。这种方法通过把频率固定，占空比可调的PWM信号加LED驱动器PWM端口上方可实现调光。PWM 调光原理是把脉宽调制信号加到LED驱动器上使LED反复不停的开/关，来调节LED的平均电流。设流过LED的最大电流为，流过最大直流电流的时间为t，脉宽调制信号的周期为T，则当 PWM 信号的占空比为D时，LED 的平均电流为 （2-5） 由式（2-5）可知，LED 的输出平均电流与 PWM 信号的占空比D成正比。同时，LED 的亮度与流过 LED 的电流成比例，即调节 PWM 信号的占空比，即可调节 LED 的亮度。与模拟调光相比，PWM调光具有以下特点：（1）无论调光比有多大，LED一直在恒流条件下工作。（2）颜色一致性好，亮度级别高。（3）能够提供更大调光范围和更好的线性度。PWM调光频率一般为200Hz（低频调光）20KHz（高频调光），只要PWM调光频率高于100Hz，就观察不到LED闪烁现象。（4）低频调光时的占空比调节范围可高达1%100%。2.3.3 TRIAC调光TRIAC即三端双向可控硅，常用在传统的白炽灯调光技术中，其电路如图 2-5 所示。输入交流电源通过滑动电阻 RP和 电阻R为电容 C充电，当 C上电压达到双向触发二极管 DIAC 的触发电压（约 32V）时，DIAC 击穿导通，从而使 TRIAC 导通。图 2-6 为 AC 线路电压和调光波形。电阻 RP、R和 C使可以控制TRIAC 的导通时间。当RP向下移动，电容C充电时间增加，延迟控制角增大，TRIAC 的导通角 减小，灯光将会变暗。当RP向上移动，充电时间减少，延迟控制角减小，则 TRIAC 的导通角 增大，灯光将会变亮。由图 2-2 可知，TRIAC的控制角为 180-。 图2-5 TRIACA典型调光电路 (a)输入波形 (b) 调光波形 图2-6 输入波形与调光波形TRIAC调光的主要优点是电压调节速度快，调光精度高，调光比为100:1，调光参数能够分时段、实时调整，体积小，成本低。但由于TRIAC调光工作在斩波方式，调光器无法实现正玄波电压输出，因此会出现大量的谐波，造成电磁干扰。因此，TRIAC调光会导致电源的效率和功率因数的降低。 通过以上的介绍可知LED驱动采用恒流方式是非常不错的一个选择，在调光方面才采用PWM调光方式能够很好的到达调光效果。所以本文采用恒流驱动方式，PWM调光方式来进行设计。第3章 功率因数校正及DC/DC变换3.1 功率因数和谐波3.1.1 功率因数的定义开关电源等电力电子装置在工作过程中由于存在大量的电感电容等元件很容易产生谐波，对电网的质量产生严重的影响，所以我们必须正确认识功率因素等概念。在纯阻性电路中功率因数（Power Factor，PF）习惯用表示，其中是正弦电压和正弦电流的相位差。在开关电源中，存在大量的二极管和电容等非线性器件使得输入电流的相位和波形发生变化，所以纯阻性电路中的功率因数不在适用于开关电源中。为此，在开关电源中一般用PF表示网侧输入功率因数。定义功率因数为有功功率与视在功率的比值，如下式所示：