基于紅外遙控的大功率LED照明系統(tǒng)設(shè)計
與現(xiàn)行白熾燈、熒光燈等照明設(shè)備相比，白光LED 具有發(fā)熱低、耗電量少（白熾燈的1/8,熒光燈的1/2）、壽命長（數(shù)萬小時以上，為熒光燈的10 倍）、體積小、無污染、反應(yīng)速度快、安全可靠等優(yōu)點，是被業(yè)界看好在未來可替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力產(chǎn)品。
同時，考慮到目前部分照明產(chǎn)品缺少亮度調(diào)節(jié)、紅外遙控等功能，無法滿足現(xiàn)代照明的實際需求。因此，本文設(shè)計了一種以AT89S51 單片機為核心的可紅外遙控大功率白光LED 照明系統(tǒng)，其采用PT4115 大功率LED 恒流驅(qū)動方案與紅外遙控技術(shù)，通過對一款基于TC9012紅外遙控器的按鍵編碼識別與解碼處理，可紅外遙控實現(xiàn)對LED 光源的多級PWM 調(diào)光功能。本設(shè)計在實現(xiàn)高效節(jié)能的同時，也為實際照明應(yīng)用提供了極大的便捷。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能本照明系統(tǒng)以AT89S51 單片機為主控芯片，選用3 只3W 大功率白光LED 為光源，采用PT4115 芯片實現(xiàn)LED 恒流驅(qū)動系統(tǒng)，紅外遙控系統(tǒng)則由TC9012 遙控發(fā)射器與HS0038紅外接收器構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。
本系統(tǒng)以一款采用TC9012 芯片的家用遙控器作為紅外發(fā)射單元，其使用普遍，價格低廉，且發(fā)射編碼多，可控制實現(xiàn)對LED 光源亮度的多級調(diào)節(jié)；紅外接收器由HS0038 構(gòu)成，它是集成有紅外接收頭、放大、解調(diào)和整形電路的一體化部件，可輸出讓單片機識別的TTL信號；紅外遙控信息處理則由單片機AT89S51 實現(xiàn)，其主要完成對遙控器發(fā)出的紅外編碼進(jìn)行識別與解碼，然后根據(jù)解碼結(jié)果產(chǎn)生遙控器鍵值所對應(yīng)的PWM 調(diào)光信號，從而控制PT4115 恒流驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)LED 多級調(diào)光功能。
2、系統(tǒng)原理
2.1 PWM 調(diào)光原理從 LED 伏安特性及數(shù)學(xué)模型可知，LED 在正向?qū)ê笃湔螂妷旱募?xì)小變動將引起LED 電流的較大波動，并且環(huán)境溫度、LED 老化等因素也將影響LED 的電氣特性，若LED電流失控，LED 長期工作在大電流下將嚴(yán)重影響其可靠性和使用壽命。而LED 的光輸出直接與LED 電流有關(guān)，所以LED 驅(qū)動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下宜采用恒流驅(qū)動方式。
在實際應(yīng)用中，LED 調(diào)節(jié)亮度一般采用兩種方法，即模擬調(diào)光或PWM 調(diào)光。模擬調(diào)光與PWM 調(diào)光對比如圖2 所示。模擬調(diào)光是通過改變流過LED 電流的大小來調(diào)整光效的，除了亮度會改變以外，也會影響LED 的光效質(zhì)量，即電流變化必然導(dǎo)致LED 的色度偏差。
PWM 基本原理是保持LED 正向?qū)娏骱愣?，而通過控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比例，可以實現(xiàn)從0 到100%范圍的亮度調(diào)節(jié)。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢是LED 正向?qū)ǖ碾娏饕恢笔呛愣ǖ?，LED 的色度就不會像模擬調(diào)光一樣會變化；在精確控制LED 的亮度的同時，也保證LED 發(fā)光的色度。
為了避免人眼能夠看到LED 的導(dǎo)通和關(guān)斷，而感覺到燈光閃爍，PWM 調(diào)光的頻率要高于100Hz,由于人眼的視覺殘留效應(yīng)，眼睛就會對導(dǎo)通和關(guān)斷時間內(nèi)的亮度進(jìn)行平均，僅僅看到由PWM占空比決定的有效亮度。對于PWM調(diào)光頻率設(shè)置在軟件設(shè)計時應(yīng)予以注意。
2.2 紅外遙控原理紅外線遙控是目前使用最廣的一種遙控手段。紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點，在現(xiàn)代電子產(chǎn)品（家用電器、玩具、通信設(shè)備） 中普遍采用紅外遙控。
若能將紅外遙控器的按鍵編碼進(jìn)行識別與解碼，并用作單片機系統(tǒng)的輸入處理信號，則解決了常規(guī)矩陣鍵盤線路板過大、布線復(fù)雜、占用I/O 口過多的弊??；而且使用遙控器，可實現(xiàn)人對設(shè)備的長距離操作控制，使用更加便捷高效。
本設(shè)計采用一款基于TC9012 芯片的電視機遙控器作為紅外發(fā)射單元。TC9012 采用脈沖寬度調(diào)制編碼格式，以不同的脈寬寬度來實現(xiàn)二進(jìn)制信息的編碼，其發(fā)射編碼格式由引導(dǎo)碼、用戶碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼和結(jié)束碼構(gòu)成。引導(dǎo)碼由4.5ms 的高電平和4.5ms 的低電平波形所構(gòu)成，以作為一幀數(shù)據(jù)的起始位；一幀數(shù)據(jù)中含有32 位碼，包含兩次8 位用戶碼，8位數(shù)據(jù)碼和8 位數(shù)據(jù)碼的反碼，用戶碼用于區(qū)分不同類型的紅外遙控設(shè)備，數(shù)據(jù)碼即代表實際按下的鍵值信息，數(shù)據(jù)反碼是數(shù)據(jù)碼的各位求反，通過比較數(shù)據(jù)碼與數(shù)據(jù)反碼，可判斷接收到的鍵值數(shù)據(jù)是否正確；最后發(fā)送結(jié)束位（SY），作為一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。發(fā)射碼的格式如圖3 所示。紅外二進(jìn)制編碼信息‘0’與‘1’分別由毫秒量級的高低脈沖組合實現(xiàn)。以脈寬0.56ms、間隔0.565ms、周期為1.125ms 的組合表示二進(jìn)制“0”,以脈寬0.56ms、間隔1.69ms、周期2.25ms 的組合表示“1”.脈沖信號都調(diào)制在占空比為1/3,頻率為38kHz 的載波上再發(fā)送出去。二進(jìn)制參數(shù)“0”和“1”如圖4 所示。
紅外二進(jìn)制信號的解調(diào)由一體化紅外接收器HS0038 來完成。對于接收端而言，當(dāng)無紅外脈沖信號時HS0038 的數(shù)據(jù)輸出OUT 端輸出高電平，當(dāng)有高脈沖紅外信號時OUT 端輸出為低電平，故其輸出信號電平正好與發(fā)射端相反。這一點在軟件設(shè)計時應(yīng)予以注意。
3、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3.1 單片機主控系統(tǒng)本設(shè)計主控系統(tǒng)采用ATMEL 公司的高性能單片機AT89S51 實現(xiàn)。使用一款基于TC9012 芯片的家用電視遙控器作為系統(tǒng)的紅外發(fā)射器；單片機P3.2 口連接一體化紅外接收器HS0038 的數(shù)據(jù)輸出OUT 端；單片機P1.0 口作為PWM 信號的輸出端并連接PT4115 芯片DIM 端，用于實現(xiàn)PWM 調(diào)光控制。單片機通過對紅外遙控器0~9 按鍵以及開關(guān)按鍵紅外編碼的識別與解碼，并根據(jù)解碼結(jié)果產(chǎn)生鍵值對應(yīng)的PWM 信號，從而驅(qū)動LED 實現(xiàn)不同的亮度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)晶振電路由12MHZ 晶振與兩個30PF 電容組成；復(fù)位電路則由S1 按鍵、10K 電阻與10uF 電解電容構(gòu)成。主控系統(tǒng)電路如圖5 所示。
3.2 基于 PT4115 的恒流驅(qū)動系統(tǒng)本設(shè)計 LED 光源采用基于PT4115 的大功率恒流驅(qū)動系統(tǒng)。PT4115 是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源芯片，其具有以下特點：①6V~30V 寬電壓范圍輸入；②輸出電流可達(dá)1.2A;③復(fù)用DIM 引腳進(jìn)行LED 開關(guān)、模擬調(diào)光、PWM 調(diào)光；④輸出電流精度達(dá)5%;⑤轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%;⑥LED 開路保護；⑦輸出可調(diào)的恒流控制方法；⑧內(nèi)部含有抖頻特性，極大的改善EMI.該芯片適合用于各類綠色照明LED燈的驅(qū)動電路，應(yīng)用電路簡潔，所需外部元器件較少且價格低廉。
PT4115 通過芯片上的DIM 端，可以方便的進(jìn)行模擬或PWM 調(diào)光。本設(shè)計采用PWM調(diào)光方式，通過在DIM 引腳加入可變占空比的方波脈沖信號調(diào)節(jié)輸出電流以實現(xiàn)調(diào)光。當(dāng)方波電壓幅值低于0.3 V 時關(guān)斷LED 電流，高于2.5 V（且低于5V）時完全開啟LED 電流。
該條件下電流輸出值IOUT 計算公式為：
IOUT =（0.1×D）/ Rs （D 為方波信號占空比，Rs 為限流電阻）本設(shè)計LED 光源采用串聯(lián)方式，共由3 只3W 的大功率白光LED 組成；每只LED 額定電流約700mA,正向壓降3.3V~3.6V,亮度可達(dá)150lm.在考慮盡量降低周邊器件自身功耗的前提下，采用PT4115 的恒流驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計如下：①確定輸入電壓Vin 值，當(dāng)Vin 與負(fù)載電壓差值在1.5V 左右時工作效率較高，由于3 只LED 負(fù)載電壓約10V,因此選用12V/2A的電源適配器供電。②Rs 作為限流電阻，其取值決定LED 的最大驅(qū)動電流?？紤]到大功率LED 的結(jié)溫與散熱要求，其工作電流不易過大，本文驅(qū)動系統(tǒng)按LED 工作電流IOUT=625mA設(shè)計，即Rs=0.1/IOUT,Rs 選取0.16 Ω 的高精度電阻。③Cin 具有續(xù)流和濾波功能，選用50V/100uF 電容。④L1 為鎮(zhèn)流電感，選取電感值為68μ H,且飽和電流為2A.⑤D1 是續(xù)流二極管，當(dāng)芯片內(nèi)部MOS 管截止?fàn)顟B(tài)時為儲存在電感L1 中的電流提供放電回路；由于工作在高頻狀態(tài)，D1 選用正向壓降小且恢復(fù)速度快的肖特基二極管SS24,以有效降低系統(tǒng)功耗。LED 恒流驅(qū)動電路如圖6 所示。
4、系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 系統(tǒng)主程序系統(tǒng)主程序主要包括初始化程序（包括定時器與外部中斷設(shè)置）、紅外碼值處理程序與鍵值識別散轉(zhuǎn)程序。主程序流程如圖7 所示。
4.2 紅外解碼中斷程序紅外解碼中斷程序用于完成對遙控器發(fā)出一幀脈沖的各個高、低脈沖時間的計時與存儲，以便在紅外碼值處理程序中通過分析各個脈沖的時間實現(xiàn)對紅外編碼的二進(jìn)制解碼。
當(dāng)遙控器無鍵按下時，即紅外接收器HS0038 在沒有接收紅外信號，其OUT 端輸出高電平；當(dāng)遙控器有鍵按下時，‘0’和‘1’編碼中的高電平經(jīng)紅外接收器HS0038 倒相后輸出低電平。由于HS0038 的OUT 端與單片機的外部中斷INT0 引腳相連，將會觸發(fā)單片機中斷（即設(shè)置為負(fù)跳變沿觸發(fā)中斷）。一旦系統(tǒng)檢測到紅外脈沖中的高電平信號，即觸發(fā)INT0中斷，定時器T0 開始計時（定時時間為250us），以定時器T0 溢出中斷記錄每次脈沖期間定時器溢出的次數(shù)；到下一個高電平脈沖到來時，即再次產(chǎn)生中斷時，先將定時器溢出次數(shù)取出，然后將溢出次數(shù)清零后再重新記錄。通過定時器溢出次數(shù)判斷每次中斷與上一次中斷之間的時間間隔（時間間隔即為定時器溢出次數(shù)與250us 的乘積），便可判斷接收到的是引導(dǎo)碼、編碼‘0’或‘1'.在中斷程序中，首先判斷并跳過持續(xù)9ms 的引導(dǎo)碼，然后依次采集存儲32 位脈沖編碼時間。紅外解碼中斷流程如圖8 所示。定時器計時流程如圖9 所示。
4.3 紅外碼值處理程序紅外碼值處理程序主要完成對紅外編碼的解碼處理，通過對一幀紅外編碼中32 位脈沖編碼時間的分析處理，判斷其對應(yīng)'0’或‘1’的二進(jìn)制編碼，從而確定兩次8 位用戶碼、8 位數(shù)據(jù)碼和8 位數(shù)據(jù)碼的反碼。
從 TC9012 紅外編碼分析可知，“0”編碼脈沖時間為1.125ms,“1”編碼脈沖時間為2.25ms.在實際程序處理中，應(yīng)考慮由于遙控器晶振參數(shù)等原因存在的誤差，故定時器T0溢出次數(shù)值取7（即1.75ms）作為‘0’或‘1’編碼的判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)溢出次數(shù)小于7 時則判斷為‘0’編碼，當(dāng)溢出次數(shù)大于7 時則判斷為‘1’編碼，并將該32 位二進(jìn)制編碼按4 個字節(jié)處理分別得出用戶碼、數(shù)據(jù)碼以及數(shù)據(jù)反碼，其中數(shù)據(jù)碼即代表實際按下的紅外遙控器鍵值信息?？衫脝纹瑱C將解碼出的鍵值數(shù)據(jù)碼通過數(shù)碼管顯示，通過得出遙控器鍵值與數(shù)據(jù)碼的對應(yīng)關(guān)系，以便用于鍵值識別散轉(zhuǎn)程序的判斷處理，具體鍵值解碼結(jié)果，本文不再贅述。紅外碼值處理流程如圖10 所示。4.4 鍵值識別散轉(zhuǎn)程序鍵值識別散轉(zhuǎn)程序用于對正確接收下來的紅外發(fā)射器鍵值編碼進(jìn)行識別散轉(zhuǎn)處理，在判斷用戶碼正確的前提下，根據(jù)不同的按鍵數(shù)據(jù)碼控制生成對應(yīng)的PWM 信號，以實現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)功能。本程序采用紅外遙控器的0~9 按鍵作為LED 的1~10 級亮度的選擇按鍵，并將遙控器開關(guān)鍵作為LED 的關(guān)閉按鍵。鍵值識別散轉(zhuǎn)流程如圖11 所示。
PWM 脈沖信號則由單片機利用定時器T1 中斷控制P1.0 口輸出產(chǎn)生，其輸出的高低電平輸入PT4115 芯片DIM 端以控制LED 電流的通斷狀態(tài)，從而實現(xiàn)LED 的亮度調(diào)節(jié)。將定時器T1 溢出中斷定為1/2500 秒（即400μ S），每10 次脈沖作為一個周期，即頻率為250HZ.
這樣，在每1/250 秒的方波周期中，通過改變方波的輸出占空比，從而實現(xiàn)LED 燈的10 級亮度調(diào)節(jié)，即LED 亮度等級由每個周期內(nèi)的高電平脈沖數(shù)目決定，其中高電平脈沖數(shù)目由紅外遙控器鍵值確定，即0~9 按鍵對應(yīng)確定1~10 亮度等級數(shù)值。定時器T1 生成PWM 流程如圖12 所示。
5、實驗結(jié)果采用本文設(shè)計方案對一處家庭室內(nèi)壁燈進(jìn)行替換改造。原壁燈采用3 只220V/20W 鹵素?zé)簦偣β始s為60W;現(xiàn)壁燈采用本文大功率白光LED 照明方案實現(xiàn)，最低功率（即LED最低亮度狀態(tài)）約為0.83W,最大功率（即LED 最高亮度狀態(tài)）約為6.52W,相比于原鹵素?zé)粽彰飨到y(tǒng)可節(jié)約電能90%以上。鹵素?zé)襞c大功率LED 實物對比如圖13 所示。實驗證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調(diào)光精確，高效節(jié)能，且紅外遙控功能方便快捷，用戶可根據(jù)需求靈活選擇不同等級的照明亮度。改造前后照明效果對比如圖14 與圖15 所示。
6、結(jié)論本文設(shè)計的基于紅外遙控的大功率白光LED 照明系統(tǒng)，采用AT89S51 單片機為控制核心，運用恒流驅(qū)動方案與PWM 調(diào)光技術(shù)以及紅外遙控技術(shù)實現(xiàn)對LED 的多級調(diào)光控制。
該照明系統(tǒng)具有控制電路簡單、亮度調(diào)節(jié)精確、高效節(jié)能、實用便捷等優(yōu)點，符合現(xiàn)代照明的應(yīng)用要求。LED 作為一種新型的綠色光源，必然是未來照明技術(shù)的發(fā)展趨勢，21 世紀(jì)將進(jìn)入以LED 為代表的新型照明光源時代。
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