LED闪光灯的直流直流稳流电源电路设计毕业设计Word文档格式.docx
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LED；
直流-直流转换；
脉冲宽度调制；
恒流控制；
单片机
ABSTRACT
Astheglobalresourceshortage,environmentpollutionproblemincreasinglyserious,energysaving,greenandenvironmentalprotectionhasbecomeasevereissueintoday'
shumansocietyfaces.LEDlampisasemiconductorlightemittingdevicehavingasignificantenergysavingeffect,becauseofitsmanyadvantagesistoreplacethetraditionallightingapplicationsincludingcameraflashsitesandthelampsandlanterns.FortheheatdissipationofLEDlightsworkrequirementsneedtobeconstantcurrentcontrol,andthecameraworkingvoltageislow,sodesigningaLEDflashdc-dccurrentregulatorcircuitisthenecessityofreality.
Onrelatedquestionsofdesigntasks,onthebasisofinvestigationandliteraturereviewonthedeterminationoftheoverallsolution,systemUSESAT89S52singlechipmicrocomputerasmaincontrolchip,giveprioritytowithsinglechipprocessorsystemconstituteandcontrolcircuit,ontheonehandistheneedforthemaincircuitoutputvoltageandoutputcurrentdigitalgivenvalue;
Ontheotherisfromthemaincircuitoftheactualoutputvoltageandoutputcurrentaftersampling,signalconditioning,TLC2543chipthroughtheLCDdisplayafterA/Dconversion;
AthirdisthemaincircuitoutputvoltagevaluethroughApieceofTLC5615chipasAreferencevoltage,afterD/AconversionforPWMpulsecontrolchipSG3524in-phaseinput,whiletheactualoutputvoltagefeedbacktoSG3524invertinginput,formAvoltagefeedbackcontrol,soastorealizePWMvoltagecontrolofdcchoppercircuit;
FouristhemaincircuitoutputcurrentvaluebyanotherTLC5615afterD/AconversionchipasAbenchmark,constantcurrentcontrolforcomposedofoperationalamplifierOP07comparisonoperationsaninputterminalofthecircuit,andtheactualoutputcurrentfeedbacktoOP07anotherinput,formAcurrentfeedbackcontrol,soastorealizetheconstantcurrentcontroloftheoutputloadcurrent.
Completedthedesignofsystemhardwarecircuitdesignandsoftwaredesign,relevantcontentundertheenvironmentofandProteussimulationbasedonMATLABdigitalsimulation,thesimulationresultsshowthattoachievedesigngoalsandrequirementsofthesubject,alsoverifythevalidityofthedesigncontent,ofcourseinsuchaspectsasoverallsystemefficiency,thehardwarecircuitdesignstillexistcanbeimproved.
Keywords：
DC-DCconversion；
pulsewithmodulation；
constant-currentcontrol；
singlechipmicrocomputer
1绪论
1.1课题背景与意义
LED已被称为第四代照明光源或绿色光源，是一种能够将电能转化为光能的半导体，无论在结构上还是发光原理上都和传统的白炽灯、节能灯截然不同。
它利用电场发光，因此寿命长、能耗少、热辐射较低、发光效率较高。
在同样照明效果的情况下，LED的耗电量只有白炽灯泡的万分之一，荧光灯的二分之一。
由于灯泡体积小，重量轻，封装材料可以承受高强度机械冲击和震动，所以它不容易破碎，运输搬运更加方便。
LED灯具拥有长达50年的使用寿命,可以大大减小更换灯具的成本。
与传统的灯泡相比,光色柔和,不刺眼,不含有对人体有害的物质如钠、安全性比较高。
逐渐发展成熟的白光技术使得半导体照明技术不仅可以应用于白光照明,并且在许多其他方面被广泛的使用。
LED的应用主要分为两块，照明领域和消费领域，照明领域主要是通用照明、液晶背光以及汽车使用的各种灯具；
消费领域主要是投影机市场、高清显示墙，包括手机上相机闪光灯和手机触摸的一些产品。
1.2国内外发展趋势
LED照明市场规模正在逐步提升，最新的《2016全球LED照明市场趋势》研究报告指出，2015年LED照明市场规模达到257亿美元，渗透率达31%；
2016年将达到305亿美元，渗透率提升至36%；
预测2020年全球LED照明市场规模将高达425亿美元。
LED光源由于与传统光源相比具有诸多优势，被公认为是21世纪最具发展前景的电光源，在全球获得迅速发展。
从各国政策来看，欧洲、美国、日本、澳大利亚等国都启动白炽灯淘汰计划，扶持LED产业的发展。
我国在LED产业政策上相继启动绿色照明、半导体照明工程，鼓励LED光源在各个领域的应用。
2011年11月国家发改委正式发布《中国逐步淘汰白炽灯路线图》，计划到2016年全面禁止白炽灯的进口与销售。
在LED光源的优势特性与各国政策的支持下，LED光源将成为未来电光源的主要发展方向。
随着LED光效、显色性、亮度保持率、颜色稳定性等各方面产品性能的提升，其应用范围也在不断拓展。
应用领域从最早的单色信号指示，逐步发展到交通信号指示、汽车照明灯功能元件，广泛运用到了手机等数码产品、汽车等领域。
逐步扩展的LED应用范围为LED产业的发展提供了更加广阔的空间。
近几年，在国内LED照明市场快速发展的带动下，LED驱动电源的需求量也成倍扩大。
LED驱动电源的发展状况直接关系到LED灯具能否大规模的推广应用。
1.3LED驱动电源的要求
原始电源有很多种形式,但无论是哪种电源,一般都不能直接给LED供电。
因此,要用LED作照明光源首先就要解决就是电源变换的问题。
实际上LED是一个电流驱动的低电压、单向导电器件,驱动电源应具有直流控制、可调光、效率高、过压保护、负载断开、简便易用以及小型尺寸等特点。
根据LED的相关特性，LED驱动电源的设计要注意一些问题：
LED是单向导电的，所以必须用直流电流或单向脉冲电流来驱动LED；
LED内部有一个PN结，形成了一个导通门限电压，加在LED两端的电压必须超过门限电压才能使LED充分导通；
LED的伏安特性是非线性的，所以流过LED的电流与加在LED两端的电压的比值是非线性的；
LED光通量与流过LED上的电流的比值是非线性的，所以必须使LED尽量工作在一个发光效率比较高的电流值之下；
LED的PN结温度系数为负数，所以不能直接用电压源供电，必须要采取一些限流措施，所有LED都不能直接并联使用。
2系统总体方案设计
2.1系统总体设计
采用3V直流电源供电，通过两个XL6009升压模块分别将电压升高至5V和14V，5V给单片机等芯片供电，14V作为DC/DC电路的输入电压，DC/DC电路通过降压实现0～10V的输出。
系统采用AT89S52单片机作为主控芯片，以单片机最小系统为主构成测控回路，一方面是实现对主电路需要的输出电压与输出电流的设定值进行数字化给定；
其三是将主电路输出电压的设定值通过一片TLC5615芯片进行D/A转换后作为基准电压，送到PWM脉冲控制芯片SG3524的同相输入端，而实际的输出电压则反馈到SG3524的反相输入端，形成电压反馈控制，从而实现对直流斩波电路的PWM电压控制；
整体设计框图如图1所示。
图1系统总体设计框图
2.2方案选择
2.2.1常见LED驱动电源
在能源危机日益严峻的今天，高性能的LED驱动电源研究就显得特别重要了，LED驱动电源的应用非常广泛，市场需求量非常大，人们根据不同的需求设计研制了各种不同类型的电源。
目前市场上常见的LED驱动电源包括两类，线性驱动电源和开关电源型驱动电源。
方案一、线性驱动电源
如下图2所示，是一种比较简单常见的LED驱动电源，利用回路中串接的电阻来限制流过LED上的电流，电阻的大小根据LED的伏安特性来确定，所以不能实现恒流控制，当LED的功率较大时，电阻上的损耗就会更加明显，LED驱动电源的效率也会大大减小。
图2电阻型LED驱动电源图3线性调整型驱动电源
在图2所示电路的基础上添加几个元器件就构成了一个线性调整型驱动电源。
线性调整型驱动电源主要是实现了LED的恒流驱动，利用一个功率管，引入电流负反馈来实现电路的恒流输出，如图3所示。
电路虽然实现了恒流驱动，但是由于电路中还存在有限流电阻，电流越大的话，限流电阻上损耗的电能也越多，驱动电源的效率也不是很高。
方案二、开关电源型驱动电源
随着世界经济的发展，能源问题日益凸显，人们对于能源的利用效率也更加重视了。
效率低下的线性驱动电源已经不能满足人们的需要，开关电源型驱动电源应运而生，以其高效的传输效率、精准的控制、较宽范围的恒流控制得以迅速发展，渐渐取代了线性驱动电源，成为市场上的主流产品。
现在市场上的开关电源主要有隔离型和非隔离型两大类，非隔离型就是电路中没有进行电气隔离，主要包括Buck型、Boost型、Sepic型等；
隔离型在电路中加了一个隔离变压器来实现电气隔离，主要包括正激型、反激型、半桥型等。
线性驱动电源是一种结构简单、经济、易于实现的LED驱动电源，但是由于限流电阻的存在将会损耗一部分电能，故电源的效率不是很高，不能满足设计需要。
开关电源型驱动电源的效率较高，结构也不是很复杂，还能够实现LED的恒流驱动，能够调节LED的亮度。
基本上可以满足设计的需要，所以系统选择开关电源型驱动电源作为LED的驱动电源。
2.2.2主控制器选择
方案一：
单片机
单片机是计算机技术、大规模集成电路技术和控制技术发展的综合产物。
经过三四十年的发展历程，单片机的应用已经十分广泛和深入。
可以毫不夸张的说，任何设备和产品的数字化、智能化以及自动化都不能离开单片机。
现在，凡是电脑控制的设备和产品，必定有单片机嵌入其中。
单片机的接口性能很强，非常适合工业控制。
这一切表明单片机已经成为人类生活中不可或缺的助手。
另外，单片机品种多样，功能强大，价格也不贵，很适合我们学生用来进行单片机的学习。
方案二：
EDA
EDA即电子设计自动化，它是以计算机作为工具，用EDA软件Quartes对于用硬件描述语言VHDL完成的设计文件自动地逻辑编译、逻辑分割、逻辑化简、逻辑布局布线、逻辑综合及优化、逻辑仿真，直到对于特定的目标得芯片进行适配编译、逻辑影射和编程下载等。
由于单片机是通过串行执行指令来实现特定的功能，速度比较慢，而使用EDA技术则可实现硬件上的并行工作，在高速应用领域、实时测控领域具有广阔的发展前景；
另一方面，FPGA器件在功能开发上是通过软件实现的，但物理机制上却和纯硬件电路一样，非常的可靠。
通过以上的分析比较，两种设计方案各有优缺点而且都能够实现系统要求的控制功能，但是单片机的开发成本也比较低、技术门槛比较低，更适合初学者进行学习使用。
现在市场上常见的单片机主要有MCS-52、AVR、STC、AT89等系列。
其中被最广泛应用的单片机应当算是AT89系列单片机，由于AT89系列单片机的硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势，经常被作为单片机学习的教材。
所以决定选取AT89S52单片机作为测控回路的核心器件。
3硬件电路设计
3.1升压电路设计
采用XL6009升压模块。
XL6009升压芯片有超宽的输入电压范围：
3V-32V，最佳工作电压范围：
5-32V；
具有超宽的输出电压范围：
5V-35V；
内置有4A高效MOSFET开关管，效率最高达到94%；
超高的开关频率400kHz，用较小容量的滤波电容即能达到非常好的效果，纹波很小，体积更小。
本模块比LM2577的三极管推动方式的转换效率更高；
而且是可调节的升压模块，能够通过调节升压模块上面的精密多圈可调电位器来改变输出的电压。
如图4所示。
图4XL6009升压模块
3.0V～3.6V的输入电压分别输入两个XL6009升压模块，一个将电压升为4.4V，用于给单片机供电；
另一个将电压升为14V，作为于降压斩波电路的输入电压。
3.2开关电源电路设计
3.2.1降压斩波电路
Buck型开关调整器也称降压斩波电路。
它正式为了解决线性调整器存在的问题而产生的。
降压斩波电路不用串接输出晶体管，而是通过在输入和输出之间放置一个高速开关切换的开关管，将输入的直流电压斩成方波，并通过调节PWM脉冲的占空比来调节方波的参数，然后通过一个低通输出功率滤波器来得到相对稳定的直流输出电压。
由于结构比较简单，没有复杂的、体积较大的元器件，使得电源的体积大大减小，更加适合大规模的推广使用。
而且开关管通常工作在饱和区或截止区，导通压降小，损耗也很小，因而效率大大提高了，可以达到80%～95%。
系统还引入了负反馈，通过将输出电压的变化反馈到PWM脉冲产生芯片SG3524，来调节PWM脉冲的导通占空比，从而使输出电压保持相对稳定。
下图5所示的即为降压斩波电路。
功率管开通时，电源给负载供电同时给电感充电，电感起储存电能的作用。
功率管关断时，电感储存的能量通过续流二极管形成闭合回路，为负载供电。
图5降压斩波电路
图6工作波形图
由图6波形可知，在t=0时刻功率管开始导通，电源E开始向负载供电，负载上的电压
=E，负载上的电流
呈指数曲线上升。
当t=
时刻，功率管关断，电感开始放电，经过续流二极管形成闭合回路，负载上的电压
近似为0，负载上的电流呈指数曲线下降。
通常为了避免负载电流不连续且脉动较大，都要串接电感值较大的电感。
当一个周期T结束后，就驱动功率管再次导通，然后重复上一周期的工作。
当电路的工作状态趋于稳定时，流过负载上的电流在同一个周期内的初值和终值是相等的，如图6所示。
负载电压的平均值为
（公式1）
式中，
为功率管在关断状态的时间；
为功率管在导通状态的时间；
T为开关周期；
为导通占空比，简称占空比或导通比。
由公式1可以得出，负载上的电压平均值
最大为E，若将占空比
减小，则负载上的电压平均值
也会随着减小。
因此将该电路称为降压斩波电路。
系统所用的降压斩波电路如下图7所示。
电路中需要确定参数的元器件有功率管、电感、电容、续流二极管、负载电阻值的确定，其参数确定如下：
（1）负载电阻：
因为当输出电压为14V时，输出电流为0～0.2A。
所以由欧姆定律可得负载电阻值在70Ω以上，因此负载电阻值取70Ω。
（2）功率管：
当功率管截止时，回路通过二极管续流，此时功率管两端承受最大正压为14V；
而当α=1时，电流值最大为0.2A。
故需选择漏极最大连续电流
>
0.2A，最大漏源电压
14V的功率管。
选择功率管的型号为IRF9540。
（3）二极管当：
α=1时，其承受最大反压14V；
其承受最大电流趋近于0.2A，故需选择
≥14V，
≥0.2A的二极管。
因此选择续流二极管的型号为SS54。
（4）电感：
为了避免电流断续根据经验选择大电感L为100μH。
（5）电容：
加在电容两端的最大电压为14V，故选择470μF，耐压值为25V的电容。
图7系统降压斩波电路
3.2.2PWM控制电路
SG3524是一种开关电源脉宽调制型控制器。
主要应用于极性转换器，开关稳压器，电压倍增器，变压器耦合的直流变换器等。
通常都有固定的频率，输出允许推挽或单端输出。
芯片的内部电路包括电压调节器，误差放大器，脉冲指导触发器，高增益的比较器，两个末级输出晶体管，可编程振荡器，以及限流和关断电保护电路。
图8所示为SG3524的引脚图和结构框图。
图8SG3524的引脚图和结构框图
表1SG3524引脚功能说明
引脚编号
引脚功能
1
反相输入端
9
校正
2
同相输入端
10
关闭控制端
3
振荡器输出端
11
发射极输出A
4
检测端
12
控制A
5
13
控制B
6
Rt
14
发射极输出B
7
Ct
15
Vin
8
接地端
16
基准电压
在DC/DC电路的输出端接一个取样电阻，将取样电压经集成运放OP07放大后送到PWM控制芯片SG3524的反相输入端，与同向输入端的电压进行比较，调节PWM控制芯片SG3524输出的PWM脉冲的占空比，从而调节DC/DC电路的输出电压，实现恒压输出。
PWM控制电路的整体接线如图9所示。
图9PWM控制电路
3.2.3恒流控制电路
将场效应管Q5的漏极D与DC/DC电压输出端相连，栅极G与集成运放OP07的输出端相连。
OP07集成运放的四号引脚接负电压，从而保证集成运放OP07能够输出负电压控制场效应管断开。
在场效应管源极S串接一个电流采样电阻将电压经差分放大器AD620放大后反馈到OP07集成运放正相输入端，当输出负载端电流减小时，场效应管源极电位减小，集成运放反相输入端电压减小，使集成运放输入电压增大，输出电压增大，场效应管栅极电压增大，从而使负载端输出电流增大，反之当负载输出端电流增大时，通过电流负反馈，又会使输出的电流减小，最终使负载输出端恒流输出。
其电路如图10所示。
图10恒流控制电路
3.3测控电路设计
系统主控制器采用AT89S52单片机，系统主控制电路由单片机最小系统，D/A转换电路，A/D转换电路等部分构成。
单片机最小系统如图11所示。
图11单片机最小系统
3.3.1单片机简介
单片机是将各种部件集成在一块芯片上的微型计算机，这些部件包括中央处理器、定时器/计数器、内部程序存储器、内部数据存储器和并行I/O口电路。
单片机的最小系统主要是由复位电路、时钟电路组成。
其中复位电路单片机初始化操作所必须的电路，向单片机的RST复位引脚上送持续两个机器周期以上的复位信号，就可以使AT89S52单片机完成初始化。
而时钟电路也是AT89S52单片机正常工作所必需的，在时钟信号的控制下，单片机的内部电路才能严格地按照程序执行指令。
其引脚如图12所示。
图12单片机的引脚图
3.3.2复位电路
复位操作是AT89S52单片机在启动运行或者死机时必须要进行的操作，复位操作可以使中央处理器和其他功能部件回到初始的状态，PC的初始化值为0000H，AT89S52单片机正是从这个状态开始执行程序。
另外当系统程序运行出错、操作不当而使整个系统处于“锁死”状态时，也要进行复
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