基于ZigBee的LED灯调光控制器设计与实现

5 基于ZigBee技术的LED灯调光控制器设计与实现

5.1 概述

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED灯发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

LED灯最大的优点就是节能环保。光的发光效率达到100流明/瓦以上，普通的白炽灯只能达到40流明/瓦，节能灯也就在70流明/瓦左右徘徊。所以，同样的瓦数，LED灯效果会比白炽灯和节能灯亮很多。1瓦LED灯亮度相当于2瓦左右的节能灯， 5瓦LED灯1000小时耗电5度，LED灯寿命可以达到5万小时，LED灯无辐射。

随着社会经济的发展，对LED灯的需求越来越高。所以在物联网智能家居、智慧照明系统中研究基于ZigBee的LED灯驱动控制显得非常重要。

5.2 LED灯驱动电路研究设计

采用电容降压电路是一种常见的小电流电源电路，由于其具有体积小﹑成本低﹑电流相对恒定等优点，也常应用于LED的驱动电路中。

图5-1为一个实际的采用电容降压的LED驱动电路：请注意，大部分应用电路中没有连接压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管，建议连接上，因压敏电阻或瞬变电压抑制晶体管能在电压突变瞬间(如雷电﹑大用电设备起动等)有效地将突变电流泄放，从而保护二级关和其它晶体管，它们的响应时间一般在微毫秒级。

图5-1 LED驱动原理图

电路工作原理：

电容C1的作用为降压和限流：大家都知道，电容的特性是通交流﹑隔直流，当电容连接于交流电路中时，其容抗计算公式为：

XC=1/2πfC

式中，XC表示电容的容抗﹑f表示输入交流电源的频率﹑C表示降压电容的容量。

流过电容降压电路的电流计算公式为：

I = U/XC

式中I表示流过电容的电流﹑U表示电源电压﹑XC表示电容的容抗。在220V ﹑50Hz的交流电路中，当负载电压远远小于220V时，电流与电容的关系式为：I=69C，其中电容的单位为uF，电流的单位为mA

表5-1为在220V﹑50Hz的交流电路中，理论电流与实际测量电流的比较。

表5-1 在220V﹑50Hz的交流电路中理论电流与实际测量电流的比较

电阻R1为泄放电阻，其作用为：当正弦波在最大峰值时刻被切断时，电容

C1上的残存电荷无法释放，会长久存在，在维修时如果人体接触到C1的金属部分，有强烈的触电可能，而电阻R1的存在，能将残存的电荷泄放掉，从而保证人﹑机

安全。泄放电阻的阻值与电容的大小有关，一般电容的容量越大，残存的电荷就越多，泄放电阻就阻值就要选小些。经验数据如表5-2，供设计时参考：

表5-2 泄放电阻的阻值与电容对比表

D1~D4的作用是整流，其作用是将交流电整流为脉动直流电压。

C2﹑C3的作用为滤波，其作用是将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压。

压敏电阻（或瞬变电压抑制晶体管）的作用是将输入电源中瞬间的脉冲高压电压对地泄放掉，从而保护LED不被瞬间高压击穿。

LED串联的数量视其正向导通电压（Vf）而定，在220V AC电路中，最多可以达到80个左右。

组件选择：电容的耐压一般要求大于输入电源电压的峰值，在220V,50Hz的交流电路中时，可以选择耐压为400伏以上的涤纶电容或纸介质电容。D1~D4可以选择IN4007。

滤波电容C2﹑C3的耐压根据负载电压而定，一般为负载电压的1.2倍。其电容容量视负载电流的大小而定。

5.3 LED灯调光电路设计

（1）12V直流电源设计

12V直流电源设计主要是AC220到DC12V的转换（如图5-2所示）。

在下图中采用了LNK306芯片。LNK306在一片IC上面集成了一个700 V的功率MOSFET、振荡器、简单的开/关控制电路、高压开关电流源、频率调制、逐周期的电流限制及过温保护电路。

图5-2 AC220到DC12V的转换电路

输入级由保险电阻F1、二极管D10和D11、电容C18和C21以及电感L2组成。电阻F1为阻燃可熔的绕线电阻，它同时具备多个功能：a)将整流管D10和D11的浪涌电流限制在安全的范围；b)差模噪声的衰减；c)在其它任何元件出现短路故障时，充当输入保险丝的功能(元件故障时必须安全开路，不应产生任何冒烟、冒火及过热发光现象)。

功率处理级由LNK306、续流二极管D13、输出电感L1及输出电容C19构成。电容C19是输出滤波电容，其主要功能是限制输出电压纹波。输出电压的纹波最主要取决于输出电容的ESR而非电容的容量。

二极管D13和D12的正向导通压降是相同的。因此，C22两端的电压会跟踪输出电压。连接到LNK306 FB引脚由R26和R27组成的电阻分压器对C22的电压进行检测及稳压。

（2）CC2530单片机外围电路设计

1）CC2530单片机电源设计

LED灯需要12V直流电源，但是CC2530工作需要3.3V直流电源，所以这里还需要进行DC12V到DC3.3V的转换。这里采用电源芯片BM1117-3.3，该芯片可以输入DC12V，输出DC3.3V。电路设计如图5-3所示：

图5-3 3.3V直流电源设计图

该电路图只是在输入输出端分别加入了滤波电容。

2） CC2530单片机电路设计

芯片的RF-P和RF-N引脚为天线接入引脚，M1为天线接入端；为了节省模块以及控制板的空间尺寸，这里采用PCB天线设计。芯片的P10~P17作为2位数码管模块的阴极驱动引脚；芯片的P00~P01作为2位数码管模块的阳极驱动引脚；芯片的P02作为4个LED灯指示灯的驱动引脚；芯片的P06作为按键AD输入；芯片的P03作为蜂鸣器控制引脚、P04作为继电器控制引脚。

CC2530模块设计原理图如图5-4所示。

图5-4 CC2530单片机电路设计图

（3）基于PWM的LED调光电路设计

1） PWM简介

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉