毕业设计论文LED照明恒流驱动电源的设计精品.docx

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毕业设计论文LED照明恒流驱动电源的设计精品

兰州工业学院

毕业设计（论文）

题目LED照明恒流驱动电源的设计

系别电气工程系

专业电气自动化技术

班级电自09-1班

姓名

学号

指导教师（职称）

日期2012年2月27日

摘要

本次设计为LED的照明恒流驱动电源，系统大致分为五个模块：

单片机控制模块、数模（D/A）转换模块、恒流源模块、模数（A/D）转换模块、显示模块。

单片机控制模块以单片机AT89S52为核心，通过键盘预置电流值，单片机输出相应的数字信号给D/A转换器，D/A转换器输出的模拟信号送到运算放大器，通过恒流源控制主电路电流大小。

实际输出的电流再通过采样电阻采样变成电压信号，经A/D转换后将信号反馈到单片机中。

单片机将反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。

显示模块采用LED显示屏与8255连接设计成10进制8位数码动态显示电路。

键盘模块采用常见4×4矩阵键盘，用动态扫描方式读取外部按键动作，这样设计可靠，配合AT89S52单片机可以很轻松的实现按键输入。

此外，本设计可实现输出电流100～1000mA且有步进调整功能。

关键词：

单片机；键盘控制；D/A转换；恒流源；A/D转换；译码显示

ABSTRACT

ThedesignfortheLEDlightingconstantcurrentdriver,thesystemcanbedividedintofivemodules:

asingle-chipcontrolmodule,D/A（D/A）conversionmodule,aconstantcurrentsourcemodule,module（A/D）conversionmodule,displaymodule.SinglechipcontrolmoduleonAT89S52single-chipmicrocomputerasthecore,throughthekeyboardtopresetcurrentvalue,theoutputofthesinglechipdigitalsignalcorrespondingtotheD/Aconverter,D/Aconverteroutputanalogsignaltotheoperationalamplifier,throughaconstant-currentsourcecontrolmaincircuitcurrentsize.Theactualoutputcurrentthroughthesamplingresistorsamplingischangedintovoltagesignal,theA/Dconversionsignalfeedbacktothemcu.MCUfeedbacksignalandthepresetvaluewillbecompared,accordingtothedifferencebetweenthetwooutputsignalforadjustingthesizeof.DisplaymoduleusingLEDdisplayscreenandthe8255connectionisdesignedinto10binary8bitdigitaldynamicdisplaycircuit.Keyboardmoduleusesacommon4x4matrixkeyboard,usingdynamicscanningmodetoreadtheexternalbuttonaction,sothedesignofreliable,withAT89S52MCUcaneasilyachievethekeyinput.Inaddition,thedesigncanrealizetheoutputcurrentof100~1000mAandstepadjustmentfunction.

Keywords:

singlechipmicrocomputer;keyboardcontrol;D/Aconversion;constant

1绪论

1．1引言

近年来，世界范围内的能源短缺和环境污染问题越来越严重，节能减排成为全世界共同关注的研究课题。

发达国家照明用电占发电总量的比例是19％，我国也达到10％。

随着经济发展，我国的照明用电将还会逐步提高，因此对绿色节能照明的研究越来越受到重视。

发光二极管（1ightemit—tinsdiode，LED）是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，可以直接把电转化为光，与传统的自炽灯和荧光灯相比，具有光效高、耗能少、寿命长、无辐射等优点。

据统计，若是用固体LED光源代替传统照明设备，全球照明能耗将可以节约50％以上，所以LED将会成为最具前景的照明产品。

然而，目前LED照明在应用上仍存在某些问题。

LED驱动电源要求高效率、高功率因数、高电流控制精度、高可靠性、安全隔离、符合EMI标准、体积小、成本低等。

中国质量认证中心于2010年12月发布的《LED筒灯节能认证规则》规定对于5～15W的LED照明产品，要求功率因数必须大于0.7,如此才能进一步达成节能的目的。

本文设计了一种LED照明恒流驱动电源，具有效率高、功率因数高、控制精度高、体积小、成本低等特点。

1．2LED发展现状及应用意义和前景

1．2．1国内外应用及发展现状

20世纪60年代问世的LED在短短的30多年里，取得飞速发展。

第一批产品出现在1968年，工作电流20mA的LED的光通量只有千分之几流明。

相应的发光效率为0.11m/W，而且只有一种光色为650hm的红色光。

20世纪70年代初该技术进步很快，发光效率达到1lm/W，颜色也扩大到红色、绿色和黄色。

LED从诞生至今以每10年亮度提高20倍，价格降低为原来1/100的速度在发展。

伴随着新材料的发明和光效的提高，单个LED光源的功率和光通量也在迅速增加。

到了20世纪90年代，一种代号为“水虎鱼”的LED光源的驱动电流增加到50mA-70mA，而代号为“梭子鱼”的LED光源的驱动电流达到300mA一500mA。

特别是1998年白光LED的开发成功，使得LED应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。

因此各个国家都相当重视LED的发展及应用。

LED光源与传统光源相比较，具有如下的优点：

超长寿命，可达几万小时，传统光源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性能；响应速度快，光通上升时间短；对点灯线路要求低，易实现调光和智能控制；耐开关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效已经超过白炽灯，理论光效可达2001m/W；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。

欧司朗已经发布首款亮度超过50W卤素灯的LED产品，传统光源与LED的光效对比，如图1-1传统光源与LED的光效对比所示。

图1-1传统光源与LED的光效对比

国外LED照明技术的发展速度要超过国内。

在全球能源紧缺，气候变暖和经济危机的情况下，大力发展LED照明产业以成为各国政府的共识。

据美国能源部（DOE）统计，美国22%的电能用于照明。

DOE声称在今后20年中，LED照明将在美国得到快速普及，可以减少62%的照明电能需求。

另外，它能消除2.58亿吨的二氧化硅排放量，少建133座新的电厂。

采用LED照明能使财政节减115多亿美元。

以德国欧司朗，日本日亚公司，美国通用公司为代表的国外公司已经垄断了功率LED发光芯片的生产和封装等技术并推出LED照明设备。

在LED恒流驱动开关电源技术上，国外也发展迅速。

如日本松下电工已经开始生产“袖珍型LED照明灯”，该产品包括筒灯和聚光灯，其驱动电源做在灯头内，可直接用于220V市电，每套售价在100万到200万日元之间，光源寿命达4万小时。

1．2．2课题研究意义

我国是人口众多的泱泱大国，在照明领域消耗的能源相当的巨大，在能源紧缺的当今社会，使用节能、环保的LED照明具有非常重大的意义。

高效LED恒流驱动电源的研制将极大的提高我国在LED照明和LED背光电视等产业上的竞争力。

LED照明有着巨大的市场潜力，各国政府在政策和资金上都给予了极大的支持。

我国是传统的生产大国，LED照明产业在增加出口和拉动内需上都是新的增长点。

LED产业的发展，离不开高效LED恒流驱动电源的支持。

开关电源的发展有三十多年的历史，是比较成熟的技术，国内公司和研究机构在理论和研制方面与国外的差距较小，同时由于国家近几年大力发展微电子产业，使国内有了一批电源管理芯片的设计和生产的公司。

使LED恒流驱动开关电源的研制追赶世界先进水平成为可能。

白光LED照明需要220V市电驱动。

国内市场目前大量使用恒压控制加限流电阻或LED专用驱动芯片的恒流开关电源，研究用传统的恒压电源控制芯片实现恒流控制功能，将降低成本，减小体积，提高效率，增加设计的灵活性。

增强国内LED照明产业的国际竞争力。

传统开关电源大多是恒压控制的，恒流控制电源属于特种电源，现在LED照明的迅速推广，使得恒流控制电源成为常规电源。

因为恒流控制理论和技术方面的研究相对较少，所以恒流驱动方式将提供新的角度去研究恒流控制电源。

2总体结构设计与论证

2．1提出方案与论证

（1）通过专门的恒流/恒压芯片LT1769和简单的控制线路来实现压控电流源方案

这种恒压芯片具有集成度高，使用起来控制系统的软硬件都变得相对简单的优点。

但缺点是方案实现不够灵活；由于该芯片精度不高（5%），设备性能被局限在这种专用芯片性能指标所允许的范围内。

所以这种设计一般只适合于精度要求不高，但集成度和便携性要求高的场合。

事实证明，这不是最理想的数控电流源实现方案。

（2）通过编码开关来控制

通过编码开关来控制存储器的地址,先根据地址输出对应的数字量送数模（D/A）进行转换,再根据输出的电压量来控制电流的变化。

同时通过四个编码开关的BCD码送给数码管显示。

此方案的优点是电路简单，缺点是数据量大且存储器存储容量有限，在实验过程中发现编码开关不稳定，所以不宜采用。

其电路方框图如图2-1所示：

图2-1方案四方框图

（3）采用开环电路

即利用微处理器做控制电路，D/A转换器和V/I转换电路来实现，系统框图见下图2-2所示：

在这种实现方法中，微处理器通过控制D/A的输出直接调控电流大小，由于无反馈环节，会造成电流输出效果不理想，精度差，量程范围小等问题。

尤其在需要高精度，宽量程的电流输出时达不到要求。

（4）采用闭环电路

在传统电路设计的基础上，利用控制系统中反馈与控制原理，给电路加上反馈电路，使整个电路构成一个闭环。

这种方法设计的电流源性能稳定、带负载能力强。

系统的控制过程为：

通过键盘预置电流值，单片机输出相应的数字信号给D/A转换器，D/A转换器输出的模拟信号送到运算放大器，通过恒流源控制主电路电流大小。

实际输出

图2-2智能电流源开环系统框图

的电流再通过采样电阻采样变成电压信号，经A/D转换后将信号反馈到单片机中。

单片机将反馈信号与预置值比较，根据两者间的差值调整输出信号大小。

比较以上几种方案的优缺点，方案五采用闭环电路简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案五来实现。

图2-3数控直流电流源系统框图

2．2系统原理与基本框图

结合以上各部分模块电路方案，本设计系统框图如图2-3所示。

该系统由稳压电路电源、单片机、D/A转换电路、电压电流（V/I）转换电路、A/D转换电路、键盘显示电路组成。

3硬件电路设计

3．1单片机模块的设计

3．1．1单片机的选择

对单片机的要求：

只要能够方便地扩展显示器、键盘、A/D转换器、D/A转换器等外设即可，其他并无特殊要求。

常见的单片机有8051系列的单片机、8096系列的单片机、SPCE061A的凌阳单片机。

这里采用AT89S52，AT89S52相比于AT89C51价格基本不变，甚至比AT89C51更低，具有更高的性价比。

3．1．2AT89S52单片机功能特性描述

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

3．1．3AT89S52引脚功能描述

AT89S52引脚封装图图3-1所示。

（1）VCC：

电源。

（2）GND：

地。

（3）P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

（4）P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表3-1所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

图3-1AT89S52引脚封装图

表3-1AT89S52引脚功能表

引脚号

第二功能

P1.0

T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1

T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5

MOSI（在系统编程用）

P1.6

MISO（在系统编程用）

P1.7

SCK（在系统编程用）

（5）P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

（6）P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3-2所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

表3-2引脚功能表

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT0（外部中断0）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器写选通）

（7）ST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。

看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。

特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。

DISRTO默认状态下，复位高电平有效。

（8）ALE/PROG：

地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。

在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。

在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。

然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。

如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。

这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。

否则，ALE将被微弱拉高。

这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。

（9）PSEN：

外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。

当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。

（10）

/VPP：

访问外部程序存储器控制信号。

为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。

为了执行内部程序指令，

应该接

。

在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。

（11）XTAL1：

振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。

（12）XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3．1．4AT89S52基本连接图

AT89S52基本连接图如图图3-2所示：

图3-2AT89S52基本连接图

3．2D/A与A/D电路设计

3．2．1D/A转换器

由于本次设计的LED照明恒流电源要求能够完成设定输出值。

因此若设定步进为4mA。

则根据题目要求输出10mA～1000mA，以4mA为步进。

需要的级数为：

因

，由此可见采用8的转换芯片即可满足要求。

本设计中采用了8位的DAC0832模块，提供高精度的基准电压。

（1）DAC0832芯片介绍

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。

它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。

一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。

输入可有

=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。

图3-3是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。

图3-3是DAC0832的逻辑框图和引脚排列

（2）DAC0832引脚与应用简介

D0~D7：

数字信号输入端。

ILE：

输入寄存器允许，高电平有效。

CS：

片选信号，低电平有效。

WR1：

写信号1，低电平有效。

XFER：

传送控制信号，低电平有效。

WR2：

写信号2，低电平有效。

IOUT1、IOUT2：

DAC电流输出端。

Rfb：

是集成在片内的外接运放的反馈电阻。

Vref：

基准电压（-10～10V）。

Vcc：

是源电压（+5～+15V）。

AGND：

模拟地NGND：

数字地，可与AGND接在一起使用。

（3）D/A转换电路

DAC0832输出的是电流，一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。

实验由于DAC0832芯片数据输入可采用双缓冲、点缓冲和直通三种方式。

我们让DAC0832芯片处于直通工作方式，数据量一旦输入，就直接进入D/C寄存器，进行D/A转换。

电路如图3-4所示：

图3-4D/A转换电路

DAC0832以电流形式输出，再输出级后加了一级运算放大器，运放的输出为Uout，运算放大器实现了将DAC0832输出的电流信号转换成电压的信号。

3．2．2A/D转换器

（1）ADC0804主要技术指标如下：

高阻抗状态输出

分辨率：

8位（0～255）

存取时间：

135ms

转换时间：

100ms

总误差：

-1～+1LSB

工作温度：

ADC0804C为0度～70度；ADC0804L为-40度～85度

模拟输入电压范围：

0V～5V

参考电压：

2.5V

工作电压：

5V

输出为三态结构

（2）ADC0804引脚功能

接脚说明见下图3-5所示，ADC0804为一只具有20引脚8位CMOS连续近似的A/D转换器。

引脚功能说明如下:

PIN1（CS）：

ChipSelect，与RD、WR接脚的输入电压高低一起判断读取或写入与否，当其为低位准（low）时会active。

PIN2（RD）：

Read。

当CS、RD皆为低位准（low）时，ADC0804会将转换后的数字讯号经由DB7～DB0输出至其它处理单元。

PIN3（WR）：

启动转换的控制讯号。

当CS、WR皆为低位准（low）时ADC0804做清除的动作，系统重置。

当WR由0→1且CS＝0时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR设定为高位准（high）。

图3-5ADC0804引脚图

PIN4、PIN19（CLKIN、CLKR）：

频率输入/输出。

频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100kHz至800kHz。

而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。

若在CLKR及CLKIN加上电阻及电容，则可产生ADC工作所需的时序，其频率约为：

100kHz至800kHz。

PIN5（INTR）：

中断请求。

转换期间为高位准（high），等到转换完毕时INTR会变为低位准（low）告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。

PIN6、PIN7（VIN（+）、VIN（-））：

差动模拟讯号的输入端。

输入电压VIN＝VIN（+）－VIN（-），通常使用单端输入，而将VIN（-）接地。

PIN8（AGND）:

模拟电压的接地端。

3．3显示模块设计

3．3．1显示模块方案论证

数码管是数码显示器的俗称。

常用的数码显示器有半导体数码管，荧光数码管，辉光数码管和液晶显示器等。

（1）方案一：

使用LED数码管显示

数码管采用BCD编码显示数字，对外界环境要求低，易于维护。

LED显示屏采用了低电压扫描驱动，具有耗电省、使用寿命长、成本低、亮度高、视角大、可视距离远、防水、规格品种多等优点，可以满足各种不同应用场景的需求，发展前景非常广阔，被公认为最具增长潜力也是发展最快的的LED应用市场。

（2）方案二：

使用LCD液晶显示

LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示数字字符，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，且设计简单等特点。

但是使用寿命较短，限制了液晶显示器色彩的发挥且结构复杂、亮度输出均匀性差。

综上所述，选择方案一。

采用LED显示模块同时显示电流给定值和实测值。

3．3．2LED显示器的工作原理

本设计所选用的是半