基于红外遥控的LED照明系统设计报告图文精.docx
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基于红外遥控的LED照明系统设计报告图文精
基于红外遥控的LED照明系统设计
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技术实现对LED照明系统,其采用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使用价值。
关键词:
红外遥控、PWM调光、LED、单片机
DesignofHigh-powerLEDLightingSystemBasedonInfraredRemoteControlTechnology
Abstract:
LED(lightemittingdiodeasthenewlightsourcehasthemeritsofenergyefficiency,environmentalfriendlyandlongerlifespan,whichhasdevelopedrapidlyinrecentyearsandbecomethestudyhotspotinthefieldoflighting.Ahigh-powerwhiteLEDlightingsystembasedonAT89S51singlechipcomputerispresented,whichadoptsinfraredremotecontroltechnologytoachivePWMdimming.Thepaperalsoprovidesthehardwareandsofterwaredesigningproceduresindetails.Thoughexperiment,thehigh-powerLEDlightingsystemisprovedtobemoreefficientandconvenient,whichhasthegoodpracticalvalueintheapplicationfieldforlighting.
Keywords:
infraredremotecontrol;high-powerLED;PWMdimming;singlechipcompute
目录
摘要·······························································1
Abstract:
·························································1
一、系统方案······················································3
1、方案比较与选择··················································3
2、系统方案描述··················································3
二、理论分析与计算···············································4
1、红外发射电路的设计···············································4
2、接收电路的设计··················································7
3、单片机主控电路的设计·············································7
4、恒流驱动电路的设计················································8
5、PWM调光原理····················································8
三、电路与程序设计·················································8
1、电路设计························································8
2、程序设计·························································10
四、测试方案与测试结果·············································10
1、测试条件:
·····················································10
2、测试方案及主要测试结果·········································10
3、测试结果分析·····················································11
五、总结··························································11
参考文献··························································12
附录1主要元器件清单············································13
附录2仪器设备清单··············································13
附录3程序清单··················································13
一、系统方案
1、方案比较与选择
仔细分析题目要求,本题包括红外遥控系统、恒流驱动系统、单片机等几个模块。
对此,考虑了以下几种方案:
(1)红外遥控系统的确定:
方案一:
红外线光敏二极管PH检测到由红外线发射二极管LE发出的红外线光信号,并将其转换成电信号。
该信号经由IC1A构成有源高通滤波器,滤除外界低频干扰信号;再经IC1B、IC1C两级固定增益放大器的放大、以及IC1D可调增益限幅放大器的放大,进入锁相环单音检测电路。
IC2的第③脚。
IC2检测到与自身振荡频率相同的信号后,其第⑧脚输出低电平,使继电器DL吸合,触点S1、S2接通,控制其他设备。
IC2第⑧脚的最大吸入电流为100mA。
IC2第⑤脚输出的方波信号,经C8、R16组成的微分电路和N1、N2驱动电路,使红外线发射二极管发出该频率调制的红外线光信号。
微分电路使正方波信号变为低占空比的方波信号。
用低占空比方波调制红外线发射管,可提高红外线发射管的工作效率,即其峰值电流很大,而平均工作电流却很小。
这样,有利于红外线光敏二极管的接收。
整体设计难度大,效果差,故不采用。
方案二:
采用一款基于TC9012F芯片的遥控电路作为红外发射单元,其使用普遍,发射码多,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。
整体而言效果更好,故采用该思路。
(2)软件部分
红外遥控信息处理则由单片机AT89S51实现,其主要完成对遥控电路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发射电路键值所对应的PWM调光信号,从而控制实现LED多级调光功能。
方案一:
LED调节亮度采用模拟调光。
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。
方案二:
LED调节亮度采用PWM调光。
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。
2、系统方案描述
系统方案框图见图2.1
图2.1系统方案框图
二、理论分析与计算
1、红外发射电路的设计
TC9012是一种专用的红外遥控编码发射。
其内部包括振荡器、分频器时序产生器、系统码锁存、数据寄存、键扫描输入、键扫描输出、载波控制及输出单元。
其内部设置了8位系统码,可实现256只发射器同时同点操作发射而互不干扰。
TC9012F外形引脚图:
管脚图:
管脚说明:
功能说明:
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:
用户编码一共有8种,是利用“SEL”脚与“KO0~KO7”中的任一脚相连接来进行选择的。
参考下图:
TC9012共有8位用户码:
键数据码确定
TC9012遥控器设置4个按键输入端KI0~KI3和8个按键输出端KO0~KO7,由此设置了一个4*8的键盘,共32键。
键盘矩阵如下表所示:
这里共设置了32个键,所有系统的键值均按同一方式编码。
键数据的编码方式如下:
{0,0,0,KO[2:
0],KI[1:
0]}。
例如:
当按下键K13时,其输出键值为K7~K0=00001100,当按下键K24时,其输出键值为K7~K0=00001011,当按下键K22时,其输出键值为K7~K0=00010101,当按下键K31时,其输出键值为K7~K0=00011110。
键一直按着,将一帧码发完后发固定的重复码;当键松开时,等该帧码发完后进入低功耗模式。
用户码和键数据码的发送均是低位在前,高位在后。
2、接收电路的设计
红外接收电路用于接收红外信号并解调遥控器二进制控制脉冲信号。
该红外接收电路采用HS0038。
HS0038集光电转换、解调和放大于一体,只需少量外接元件就能实现从红外接收到输出与TTL电平兼容的所有工作。
HS0038输出高电平,当输入为遥控信号时,HS0038则输出高低电平脉冲。
接收的遥控码是由一个低电平与一个高电平构成,不同脉宽高低电平的组合组成不同控制码。
当无限外脉冲信号时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。
此设计将解调的信号直接输入单片机的P3.2口,实现脉冲的计数和存储。
3、单片机主控电路的设计
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电路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,用于实现PWM调光控制。
单片机通过对红外遥控器0~9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。
4、恒流驱动电路的设计
方案一:
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:
(1)6V~30V宽电压范围输入;
(2)输出电流可达1.2A;(3)复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光、PWM调光;(4)输出电流精度可达5%;(5)转换效率高达97%;(6)LED开路保护;(7)输出可调的恒流控制方法:
(8)内部含有抖频特性,极大地改善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,所需元器件较少且价格低廉。
方案二:
方案一较为优化,但因暂时买不到芯片,故采用一个三极管代替。
5、PWM调光原理
在实际应用中,LED调节亮度一般采用两种方法,即模拟调光或PWM调光。
模拟调光与PWM调光对比如图。
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。
三、电路与程序设计
1、电路设计
红外发射电路:
采用TC9012F芯片,电路图见图3.1。
图3.1红外发射电路
接收电路:
采用HS0038,电路见图3.2。
图3.2接收电路
单片机主控电路:
见图3.3
恒流驱动电路:
见图3.4
图3.3单片机主控系统电路图
图3.4恒流驱动电路
2、程序设计
程序流程图见图3.5。
图3.5系统主程序流程图
四、测试方案与测试结果
1、测试条件:
测试条件:
本系统采用
(1)输入电压为5V
(2)阻碍红外发射的遮挡物。
2、测试方案及主要测试结果
(1)红外发射电路的测试:
加5V电源,每按下按键,示波器输出高频波,指示灯亮。
(2)配合单片机,从K1~K8每按下一次按键,LED亮度逐渐增加,同时液晶显示键值。
从K9~K32每按下一次按键,LED不亮,只是液晶显示键值。
如图4.2
(3)红外接收电路的测试:
用阻碍红外发射的遮挡物遮挡住红外接收管,发现按键不起作用。
3、测试结果分析
红外发射电路发出的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。
因此红外发射电路的测试结果正确。
由于LED最大亮度有限,因此单片机软件设计时K1~K8为LED亮,其他键值时LED灭。
因此总体测试结果正确。
五、总结
系统实现的功能:
1红外发射
2三极管开关控制
3红外接收
4LED调光功能
5液晶显示
本文设计的基于红外调控的大功率白光LED照明系统,采用AT89S51单片机为控制核心,运用PWM调光技术以及红外遥控技术实现对LED的多级调光控制。
该照明系统具有控制电路简单、亮度调节精确、高效节能、实用便捷等优点,符合现代照明的应用要求。
LED作为一种新型的绿色光源,必然是未来照明技术的发展趋势,21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。
参考文献
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高等教育出版社.
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重庆大学硕士学位论文,2007
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[4]杨恒.LED照明驱动器设计[M].北京:
中国电力出版社,2010.
[5]聂诗良,李磊民.采用单片机发送并接收红外遥控信号的方法[J].信息技术,2004。
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[6]楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导[M]北京:
北京航空航天大学出版社,2007.
[7]郑久云,韩志刚,罗胜钦.白光LED的应用与驱动[J].现代显示,2009.8:
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[8]毛兴武,张艳雯,周建军.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].北京:
人民邮电出版社,2009.
附录
附录1
部分元器件清单
芯片:
TC9012FHS0038AT89S52
其它器件:
贴片电阻、电容若干,肖特基二极管,排针,短路帽,导线若干
附录2
仪器设备清单
电烙铁万用表函数信号发生器示波器
附录3
部分程序清单
#include"nokia_5110.h"
#include"bmp_pixel.h"
#definedelay_time25767
voidfun1(void
{
LCD_write_english_string(0,0,"TESTPROGYZL";
LCD_write_english_string(0,1,"NOKIA5110LCD";
LCD_write_english_string(0,2,"amy-";
LCD_write_english_string(0,3,"Nokia5110LCD";
LCD_write_chinese_string(12,4,12,4,0,5;}
voidmain(void
{
LCD_init(;//初始化液晶
LCD_clear(;
while(1
{
//fun1(;delay_nms(500;LCD_clear(;delay_nms(500;
LCD_draw_bmp_pixel(0,0,gImage_bmp1,40,40;delay_nms(500;LCD_clear(;
//LCD_draw_bmp_pixel(0,0,AVR_bmp,66,40;//x,y,*pointer,pixx,pixy
LCD_write_chinese_string(0,0,12,4,0,0;delay_nms(500;LCD_clear(;
}
}
#include
#include
#include
#include"nokia_5110.h"
#defineTURE1
#defineFALSE0
sbitIR=P3^2;//红外接口标志
sbitLEDEN=P0^0;
unsignedcharirtime;//红外用全局变量
bitirpro_ok,irok;
unsignedcharIRcord[4];
unsignedcharpwmt,genepwm;
unsignedcharirdata[33];
voidDelay(unsignedcharmS;
voidIr_work(void;
voidIrcordpro(void;
voidgeneratewave(unsignedchara
{
if(pwmt<(a+1LEDEN=1;
else{if(pwmt<10LEDEN=0;else{pwmt=0;}}
pwmt++;
}
voidtim0_isr(voidinterrupt1using1//定时器0中断服务函数
{
irtime++;
if(genepwm{generatewave(IRcord[2];}
}
voidex0_isr(voidinterrupt0using0//外部中断0服务函数
{
staticunsignedchari;
staticbitstartflag;
if(startflag
{
if(irtime<42&&irtime>=33//引导码TC9012的头码
i=0;
irdata[i]=irtime;//一次存储32位电平宽度
irtime=0;
i++;
if(i==33
{
irok=1;
i=0;
}
}
else
{irtime=0;startflag=1;}
}
voidTIM0init(void//定时器0初始化
{
TMOD=0x02;//定时器0工作方式2,TH0是重装值,TL0是初值
TH0=0x00;//reloadvalue
TL0=0x00;//initialvalue
ET0=1;//开中断
TR0=1;
}
voidEX0init(void
{
IT0=1;//Configureinterrupt0forfallingedgeon/INT0(P3.2
EX0=1;//EnableEX0Interrupt
EA=1;
}
/*****************************************************************/
voidIrcordpro(void//红外码值处理函数
{
unsignedchari,j,k;
unsignedcharcord,value;
k=1;
for(i=0;i<4;i++//处理4个字节
{
for(j=1;j<=8;j++//处理1个字节8位
{
cord=irdata[k];
if(cord>7//大于某值为1
{
value=value|0x80;
}
else
{
value=value;
}
if(j<8
{
value=value>>1;
}
k++;
}
IRcord[i]=value;
value=0;
}irpro_ok=1;//处理完毕标志位置1
}
unsignedchari8;
unsignedchari7[4]={1,2,3,4};
voidmain(void
{LEDEN=0;
LCD_init(;//初始化液晶
LCD_clear(;
EX0init(;//EnableGlobalInterruptFlag
TIM0init(;//初始化定时器0
while(1//主循环
{
//LEDEN=0;for(i8=0;i8<250;i8++;
//LEDEN=1;for(i8=0;i8<250;i8++;
if(irok//等待按键
{
Ircordpro(;//码值处理
irok=0;
}
if(irpro_ok{LCD_write_english_string(0,0,"KEYVALUE:
";//wr4char(0,0,IRcord;Ir_work(;
wr2hex(64,0,(IRcord[2]+1;
if(IRcord[2]<8{genepwm=1;}else{genepwm=0;LEDEN=0;}}//码值识别散转i7
}
}
#include"nokia_5110.h"
#include"english_6x8_pixel.h"
#include"write_chinese_string_pixel.h"
/*-----------------------------------------------------------------------
LCD_init:
3310LCD初始化
编写日期:
2004-8-10
最后修改日期:
2004-8-10
-----------------------------------------------------------------------*/
voiddelay_1us(void//1us延时函数
- 配套讲稿:
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