毕业设计--LED路灯智能控制器的设计

本科毕业设计（论文）资料
2014届
本科毕业设计（论文）资料第一部分毕业论文
摘要
LED具有很大的优势，例如：寿命非常的长，使用环保又节省能源。

我国的现状是，人口密集，资源使用率低，人均能源不足，所以从长远发展来看，我们国家必须发展LED路灯照明。

一般意义上的电源开关电路在输入交流电压经整流之后要经过电解电容滤波，之后提供给有智能控制功能的单片机。

而LED的亮度取决于通过本身的电流的大小，电流大小的控制又要通过控制PWM波的占空比来实现。

对于以上这些问题，，本文设计了一款高效新型LED路灯智能控制器，满足了客户群体和国家技术指标的需求。

本文的主要设计要求如下：
1.设计一种带PFC功能的反激式LED路灯恒流驱动电路，取代由PFC升压变换器和DC/DC变换器构成的二级电路，这样简化了电路结构、提高了LED的使用效率
2.设计一个LED故障检测电路，只要有城市路灯的一个LED灯坏掉，那时电路可以在一百五十毫秒内检测出这个故障，并且将电路的输出电流降到LED路灯安全允许程度，以保证其它LED灯工作在安全电流范围之内，保证LED路灯正常运行。

3.设计一个LED亮度检测电路和温度检测电路，当单片机温度很高时可以将电流降到安全允许范围，同时可以同步检测LED的周围环境的亮度并且依据环境亮度智能调节LED路灯的发光亮度，这样即可以节省了我国的能源，解决资源匮乏问题，又可以延长路灯的使用寿命，节省人力物力的费用。

关键词：LED路灯，温度检测，亮度检测，开关控制，恒流控制
ABSTRACT
LED has a great advantage .For example, long service life, more environmentally friendly and energy-saving.The current situation of our country, large population, shortage of resources, energy waste is serious. So from the point of long-term development, our country need to development LED lighting
The pulse high harmonic component, resulting in serious waste of power and power factor is low, but as a harmonic current source may interfere with the grid voltage, the propagation along the wire and into the surrounding radiation, electromagnetic interference. The brightness of the LED depends on the size of the current through itself. For these problems, this paper designed a high efficiency new type LED street lamp intelligent controller, can meet the design requirements. In this paper, the main design requirement is as follows:For these problems, this paper designed a high efficiency new type LED street lamp intelligent controller, can meet the design requirements.In this paper, the main design requirement is as follows:
1. The design of a flyback type LED street lamp with PFC function constant current driver circuit, replace the boost PFC converter and DC/DC converter in the composition of the secondary circuit, which simplifies the circuit structure, improve the use efficiency of LED
2. An LED fault detection circuit design, as long as there is any LED lights to fail, then the circuit can be detected in one hundred and fifty milliseconds and to allow output current levels, ensure the safety of other LED lights work in the current scope, ensure the normal operation of the LED street lamp, prolong its service life.
3. Design an LED brightness detection circuit and temperature detection circuit, when the temperature of the chip is very high to allow current range, at the same time can be a basis of synchronous detection LED brightness and brightness automatically adjust the output brightness of LED lights, which can save energy, and can extend the service life and save money.
Keywords: LED street lamp, the temperature detection, brightness detection, switch control, constant current control
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章LED路灯概述 (4)
1.1 LED路灯的发展前景 (4)
1.2 LED驱动电源特点及介绍 (4)
1.3 单片机 (5)
第2章LED驱动电源原理 (7)
2.1 电源控制技术的发展方向 (7)
2.2开关电源的分类 (7)
2.3调制式（PWM）开关电源的原理 (8)
2.4 PFC控制芯片L6562 (10)
2.5 反馈环路设计原理 (11)
第3章硬件电路的设计 (13)
3.1系统总方案的设计 (13)
3.2 EMI抑制电路和浪涌保护的设计 (14)
3.3 温度检测电路的设计 (15)
3.4亮度检测电路 (15)
3.5万年历芯片和外围电路 (16)
3.6 LED故障检测电路 (16)
3.7 电流控制电路 (17)
第4章软件设计 (19)
4.1 系统软件设计 (19)
4.2 亮度检测软件设计 (20)
4.3温度控制软件设计 (21)
4.4故障检测软件设计 (22)
结论 (25)
参考文献 (26)
致谢 (27)
第1章 LED路灯概述
1.1 LED路灯的发展前景
LED是一个非常实用的新产品，现在是科学家聚焦的一个热点。

像LED路灯，LED驱动电源，LED照明家用产品等等都得到了非常快速的发展。

下面我们来说说LED路灯。

如果要做LED路灯，那就要实事求是。

LED光源不能匆匆应用到路灯照明有几个因素：第一个就是LED发展还不久发展还不是很成熟。

第二就是LED的性能指标还不能达到路灯照明的要求。

第三个就是LED还没有一个比较完善的智能控制电路，可靠性太低。

第四个就是LED的成本还比较高，目前还不能大范围的推广。

第五就是LED还没有一个国际统一的标准，各个公司的产品不能进行相互之间的调换，维修比较困难，成本比较高。

对于LED有三个实事求是的评价：第一个就是LED是一种很有前途的光源，第二就是LED在显示照明方面已经显现出它的优越性，而且还要在其他方面发出强劲的势头。

第三就是对于大功率LED灯的宣传一定要谨慎，不能过于夸张，我们要把我们的能量集中在LED路灯系统的研发工作上面。

LED路灯并不是一件很容易的事情。

LED路灯有几个关键的技术指标，分别是效率、光型、光衰、寿命。

现在LED发展也不是一帆风顺，它也存在着许多的难点：第一个就是LED路灯的成本还比较高。

第二就是一些部门的思维太过于固执，还缺乏一些关于LED了灯的配套的措施与政策，大家对于LED的认识有一个渐渐的过程，这其中包括一些科学家的认识也是经历从无到有的过程。

展望未来，我们对于LED路灯的发展前景还是挺有信心的。

当然这需要我们对于科研孜孜不倦的追求。

1.2 LED驱动电源特点及介绍
驱动电源是LED路灯中很重要的一部分，它的发展历程将是LED行业发展的一个重要里程碑。

它的性能主要有以下几个方面：
第一，高性能的驱动电源就会给整个LED带来很高的效率，而效率的提高能够节省我们国家的能源，这正是我们国家急需解决的问题。

第二，高性能的驱动电源对LED路灯发光环境有一定的帮助，给LED灯提供一个很好的热环境，不仅能提高驱动电源的使用寿命，而且也能降低LED路灯的光衰，从而很大程度上提高LED路灯的寿命，以至于达到各方面性能的要求。

第三，因为驱动电源的性能比较好，灵敏度非常高，所以能够改变LED
灯的工作方式，使它满足各种照明的需求，所以可以根据环境的不同、时间的不同，实时的改变驱动电源灯电流输出。

因为LED是由半导体元件构成的，所以它的灵敏度非常的高，而且有负温度特性，所以在使用的过程中需要稳定LED的工作状态和对其保护，因此产生了驱动这一概念。

LED元件对驱动电源的技术要求非常的严格。

LED路灯不想普通家用的白炽灯可以直接接到家用220V的电源上，LED是低电压驱动的，必须要设计复杂的电压变换器不同功能的：LED灯，我们需要配备不同电源适配器，就像手机的充电器一样，不同的手机就需要不同的适配器。

在国际的市场上对于LED 的驱动电源的转化效率，有效功率，电源的使用寿命，恒流的精度，电磁兼容性的要求也是非常高的。

如果我们需要一款非常好的电源，那我们就必须考虑各个方面的因素。

这时应为电源在整个LED路灯智能控制系统中相当与人们的心脏。

但是在如今市场非常发达的情况下，LED产品非常的多，质量也没有一个保证。

因此目前我们主要面临如下几个挑战：
第一个就是驱动电源的使用寿命。

传统的恒压电源会导致LED的光衰加大，寿命就会减小。

LED灯和一般二级管有很大的不同就是它们的温度特性不同。

LED 灯没有采用硅材料，它们采用的是非常特殊的材料。

大功率LED灯的工作电流非常大，并且LED灯的发光效率还比较低。

因此的、一大部分的输入电功率都是转化为热。

所以LED灯的发热很高，如果散热器的达不到要求的话，结温就会升的非常高。

第二就是工作效率不高。

当要驱动LED时其他没有输出的功率都会以热量的形式散发出去，这就造成了能量的浪费，电源的转换效率很低造成了LED路灯的节能效果达不到原来设计的要求。

第三就是要在恒流电源的输出中杨总增加LED温度的负反馈，这样可以防止LED灯的温度过高，以保证LED路灯的正常运行。

普通的LED路灯的抗涌能力较差尤其是抵抗反向电压的能力。

所以我们要加强这方面的保护是非常必要的。

有一部分LED是家用的所以在家里面，不用考虑一些其它因素，但是有一些LED灯是在户外，由于电网的开启和关闭以及雷电的干扰，这会使电网侵入各种浪涌，这些浪涌会导致LED的损坏。

因此LED驱动电源需要有抑制浪涌的功能，以保护LED能够正常运行。

1.3 单片机
单片机是存储器、处理器、定时/计数器，各种输入输出接口都集成在一块电路上的微型计算机。

它与电脑中的微型处理器相比，它更加强调简洁和节约成本。

它有许多优点，最为明显的是它的体积很小，可以放到各种仪表的内部当中去，但是它也有其缺点，就是存储量很小，输出输入接口很简单，功能很低，因
为它的快速发展，旧的单片机已经不能满足现在各行各业的要求，所以在很多的场合被称为微控制器；从上世纪80年代起，由当时的位数很低的单片机发展到现在的32位的单片机。

这款单片机也是以51系列为内核的单片机，它是低功耗、高速、抗干扰的51系列的新一代单片机，他的指令也完全兼容51的指令，可是它的速度却比51快8到12倍，他的内部有4路PWM，对于开关的控制，具有很强的优势。

这款芯片区别于其他单片机的一个重要的特点就是，该单片机带有AD转换口，有8路10位高速AD转换器，速度可以达到100KHz，这些接口可以用作频谱检测温度检测，亮度检测，电压检测。

STC具有如下主要性能：
低功耗：它有掉电模式和空闲模式，这可以大大节省能耗。

高速运作：速度是51单片机的8到12倍。

工作频率范围：0-40MHz,实际工作频率可达48MHz。

时钟：内部RC振荡器和外部晶振可选。

工作温度的范围：0-70度/-40度—+85度。

I/O口结构：该单片机将I/O口配置成四种类型，分别为输出、准双向口、输出或输入功能。

定时器：该单片机共有4个16位的定时器。

下图1.1是STC12C5410AD芯片。

图1.1 STC12C5410AD
第2章 LED驱动电源原理
2.1 电源控制技术的发展方向
在过去的老时代现行电源还占据这半壁江山。

随着技术的发展，现代开关电源慢慢的发展起来。

线性电源先经过变压器进行变压，之后经过整流滤波电路得到直流电压，还必须经过电压的反馈调整输出电压。

从性能上来看，这种电源技术很有很久的历史，所以很成熟。

它可以达到很高的稳定度，波文也很小，并且没有开关电源那样的噪音与干扰。

线性电源是将输出电压去取出之后与参考电压一起送到电压放大器。

这个电压放大器的输出是电压调整管的输入，用来调整输出电压。

开关电源是一个高频化的电能转化器件。

它是用的现代电力电子技术去控制开关的开通可关闭的时间比例，保持稳定电压输出的一种电源。

开关电源与线性电源相比，两个的成本随着输出功率的增加而增大，可是两者的增长速率不同。

开关电源现在广泛应用与科研设备、自动化控制、LED照明灯领域。

开关电源技术的发展方向为：
第一就是小型、轻量化。

因为电源小型、轻量化的关键就是高频化，所以目前大家都在致力于开发新型元件，改善二次整流管的损耗，以至于保证它的小型轻量化
第二就是高性能。

电源的高频化可能会使硬开关功耗扩大，效率变小，达不到于其的效益，所以要实现软开关技术将会成为为未来的主攻方向。

并且软开关技术的效率能够达到85%。

第三就是模块化。

模块化可以提高性能的可靠性，可以做成插入式，从而在出现故障时能够快速更换模块，提高了效率。

第四就是低噪声。

开关电源有一个缺点就是噪声很大，如果采用谐振变换技术，可以使高频化，还可以降低噪声。

但是这个技术存在一定的难度。

第五就是抗电磁干扰。

当工作在高频时，噪声通过电源线将会产生干扰
第六就是电源的控制和管理。

用微处理器进行集中管理和控制，能够反映电源环境的变化，处理器单元实现智能控制，可以实现温度检测、亮度检测、故障检测。

2.2开关电源的分类
开关电源可以根据结构的不同分为两种类型：第一种是隔离型，第二种是非
隔离型。

非隔离型又可以分为三种：电压反转拓扑结构，升压拓扑结构和降压拓扑结构。

非隔离型电源输入与输出共地，在LED驱动交流直流变换电路中，会输出带电，这可能不安全，所以一般不会采用。

隔离型也可以分为两种：反激式和正激式。

在小功率的驱动中我们常用反激式，反激式电路结构很简单，而且成本也很低，它在一方面作为储能元件贮藏能量，在另一方面有实现了输出与输入两者之间的隔离，它的峰值电流比正激式高出许多，只应用在功率很小的场合。

调频式和调宽式是开关电源的控制方式，在应用中，大多数是调宽式。

2.3调制式（PWM）开关电源的原理
通过开关电源的控制器来调节脉冲的占空比，只要输入电压变成方波，它的幅值就能通过变压器来降低或升高。

通过增多变压器的绕组数就可以增加输出的电压，这些交流电压经过整流电路整流滤波之后我们就可以得到直流电压，下图2.1为开关电源的模块组成。

图2.1 开关电源的模块组成
首先交流电源输入经过滤波整流之后变成直流电源。

再通过高频信号去控制开关管，把那个直流电源加到开关变压器的开关上。

之后开关变压器通过次级感应出高频电压，高频电压经过滤波整流之后变成直流电压提供给负载。

最后输出的部分通过电路反馈传给控制电路，以此控制PWM的占空比，而控制PWM的占空比采用的是脉宽调制原理，它是通过改变脉冲序列的周期来调节它的频率的，改变脉冲的宽度或者占空比可以调节电压的大小，采用比较适当的控
制方法就可以使频率宇电压协调的变化。

通过调整PWM的占空比、PWM的周期从而达到控制电流大小的目的，电流大小得以控制则就控制了LED路灯的亮度。

图2.2是单管反激式变换器，图2.3单管反激式变换器是初次级电流波形。

Vin
图2.2 单管反击式变换器
图2.3. 单管反激式变换器初次级电流波形
当开关管导通时，变压器初级电流会升高，输入的能量会藏在变压器的磁芯
里面。

这个时候的变压器的次级电压为上负下正 ，二极管会反偏 ；次级没有电流输出。

原边电流：
+=S P I I =∆I P on
in S L T U I + （2.1）
如果原边的电流初始值为零，电路会工作在断续的模式，如果不是零，就是
工作在连续模式。

在连续模式与断续模式分界时候的模式，即当电流输出为零，开关管就又会导通，中间没有延时情况，这就是过度模式。

当开关管断开的时候，原边电流就会变成零，但是因为能量要守恒，所以初
级线圈中的能量转移到次级线圈上,次级电流为： S P PK S
P PK SK N N I L L I I == （2.2） 当电流连续的时候，次级电流的变化量是初级电流变化量的S P N N 倍，所以输出的电压为：
Off P on in S off P S on S P O T N T V N T L L T V N N U ==
in （2.3）
当输入发生变化时或者负载发生变化，可以通过调整Off ON
T T 的比值可以达到
输出电压稳定的目的。

当开关管导通后，那么整流管就会反偏不通，输出电容会以输出电流放电，
所以电压为： F
C D I V O OP *=* （2.4） 2.4 PFC 控制芯片L6562
L6562芯片是电流式的PFC 控制器，它采用的是PWM 控制技术，就是导通时
间相对固定而已，可以通过改变频率实现对PWM 的控制。

这种控制方式的电路比较简单，外围的元件数量少，大大 降低了成本。

但是因为它的电流峰值高，所以它只是应用在小功率场合。

它的主要特点：
过压保护功能，能处理启动和负载断开时产生的过电压。

内部有低通滤波器，可以减少PCB 面积和元件的数量。

电压范围比较宽，具有安全电压范围。

含有低启动电流，而且含有截止功能。

通过误差放大器，可以控制DC 电压保持高度稳定。

L6562的THD最优化电路
由于THD的恶化，所以在L6562内部乘法器单元中，嵌入了THD最优化电路。

这个电路能够处理ＡＣ线路电压的能量，从而导致高频滤波器电容能够充分放电，减少失真，降低THD。

下图是L6562的引脚图。

图2.4 L6562的引脚图
L6562的引脚功能如下：
COMP：这个引脚是芯片内部的乘法器和电压误差放大器输出端的一个输入端，反馈补偿网络接在引脚INV和这个引脚之间。

INV：这个引脚是输出电压过压保护输入端和电压误差放大器的反向输入端。

MULT：这个引脚是芯片的内部乘法器的另一输入端口。

CS：这个引脚是芯片内部的PWM比较器的反相输入端口，可以通过电阻来测试MOS管的电流。

ZCD：这个引脚是电感电流过零检测端口，可以用一个限流电阻接在电感的二次绕组。

电阻的选取应该保证电流不会超过3mA。

GND：这是芯片的接地引脚，芯片内部的所有信号都是以这个引脚为参考。

GD：是MOS管的驱动信引脚，为了避免驱动信号的震荡，因此在MOS管极和GD引脚之间接一个电阻，而电阻的大小有实际工作的电路去决定。

VCC：这是电源引脚。

2.5 反馈环路设计原理
负反馈是开关电源和线性电源的核心部分，它可以使电源输出保持一定。

为了实现负反馈环路设计，我们采用误差放大器减少理想电压与输出信号的误差。

理论上来看，我们用反相放大器就行了，但是在我们实际应用的过程中，负载会发生变化，电压也会浮动，这些就要求放大器对这些情况能够快速响应，但是因为电源功率部分的响应是很慢的，这就把这个问题变的复杂了，因此反馈设计是一个难题。

输入是频率为50HZ的交流电压信号，经过桥式整流电路之后，变成100HZ的正弦信号，因为功率因素和正弦信号成正比。

当功率因数升高时会
导致较高的纹波。

纹波是不可以消除的，所以要保证控制系统的闭环响应的频带要小于100HZ，这样不会引起自己震荡，保证系统工作的稳定。

下图2.5是L6562芯片单管反激式电路的等效控制环的方框图。

图2.5 控制方框图
第3章硬件电路的设计
3.1系统总方案的设计
为了满足系统要求的各项技术指标以及效率。

如果采用两PFC控制，这将很难达到技术要求。

故我们采用一级PFC控制方案。

这个技术的主要思路就是把直流和交流变换器和源PFC变换器合二为一，它们用同一个开关，并且用同一个控制电路，因为功率的实现是一次性变换，因此能够得到比较高的可靠性和效率。

如果与传统的两级直流交流变换器相比较的话，单级PFC变换器更有优势，因为它能够承受很高的电压应力，同时输出的波纹也比较大。

但是我们的LED路灯多纹波的要求并不算高，如果把开关电源的电容容量设计的比滤波电容的容量小一点，这就可以减小电压纹波的输出。

下图3.1.是系统框图。

图3.1 系统框图
该控制系统主要有两个部分组成。

第一个是STC单片机的微处理器电路，它配备有一个温度传感器用于对温度的检测，一个光传感器用于检测光的亮度，一个故障检测电路用于对LED灯的故障检测，一个实时时钟电路用于对时间的检测。

第二个是PFC单管反激开关电路用于将交流电压转化成24V的直流电压，以致驱动LED灯。

所以可以根据这些传感器，可以智能控制LED路灯的亮度和开关，
实现设计要求，达到设计目的，使LED路灯智能化并且节省能源。

3.2 EMI抑制电路和浪涌保护的设计
由于LED灯工作在恶劣的环境之中，有时候会遇到雷电天气，而雷电易引起浪涌电压，综合各方面的考虑，我们选择压敏电阻。

因为压敏电阻的响应速度很快，他的吸收能力的大小，由它的自身的尺寸大小决定。

电磁干扰有两种模式，第一种是共模干扰，就是在地线与相线，地线与中线之间的干扰。

第二种就是差模干扰，就是在电源的相线与中线之间的干扰。

若果从传播途径上去分的话，电磁干扰又可分为辐射干扰和传导干扰。

辐射干扰的传播途径是空间传播，传导干扰的传播途径是导线传播。

在生活中我们抑制干扰的方法有滤波，屏蔽和接地。

一方面要抑制系统本身对外界的干扰，另一方面要抑制外界对系统本身的干扰。

屏蔽技术主要用于辐射干扰的抑制，对于整个LED路灯系统来说，因为它的工作频率不高，所以辐射并不强烈，主要考虑传导干扰的抑制。

抑制传导的方法有滤波和接地技术。

接地技术主要是在设计PCB电路时要注意，系统需要用单点接地。

同时也要注意将小电流地线和大电流地线分开，将大电流的环路面积最小化，这样干扰就变小了。

滤波电路如图3.2.所示。

图3.2 滤波电路
电阻R2并联在中线与火线上，当电路中出现差模高压时，它以极高的速度提供一条高电流道路，可以使电阻两端的电压快速下降，这可以使元件和设备免受大电压的冲击。

压敏电阻R4、R3分别并联在地线与中线和地线与火线之间，这就为雷电带来的共模电压提供了一条通道。

在中线与火线上串联电感可以将由电网送过来的电流控制住，同时也抑制了瞬变电流传回给电网。

地线与火线及地线与中线之间的电容可以共模高压提供一条通道，以此来减少通道。

3.3 温度检测电路的设计
如下图3.3所示为温度检测电路，LED 的温度检测电路由温度传感器，电容和电阻组成，而温度传感器的主要元件就是热敏电阻，它是一种半导体感温元件，具有许多的优点，如体积小、寿命长，灵敏度高等。

热敏电阻的温度曲线与电阻的大小成指数型，非线性比较高，所以在实际应用中我们要进行线性化处理，如果温度升高或者降低，则电阻R49的值将会改变，然而它两端的电压也会改变。

微处理器会根据原来设定好的温度与电压的曲线就能知道芯片的温度的大小。

由于两端的电压是微弱信号，故需要把信号放大，传感器加运算放大器加处理器是典型的应用电路，由于电路需要抗干扰能力强且输入的主抗较小，我们可以使用方向放大器。

下图3.3是温度检测电路。

R2
RES2
图3.3 温度检测电路
3.4亮度检测电路
下图3.4.是亮度检测电路。

光敏电阻一端接STC 单片机的AD 转换输入口，并且通过电阻和电容接地。

在晚上，光敏电阻的数值大小很高，当有光照到光敏电阻时，电阻的数值会快速降低。

光照越大，阻值就会越低。

对于不同型号的光敏电阻，它的灵敏度是不同的。

这个电路可以讲电阻的变化转换成电压的变化，经过STC 单片机的模数转换口，微处理器会依据原先设定好的电压曲线和亮度去判断，能够知道当时周围的亮度了。

同样由于信号过于微弱，需要一个运算放大器进行放大。