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1、,第6章 单片机在LED照明中的应用技术,LED可控性强和响应时间短与单片机能够很好地结合。 能源短缺及环境污染日益加剧，可再生能源发电技术及由此供电的LED照明技术越来越受到各国的重视。 太阳能LED照明系统集太阳能发电技术、LED照明技术及单片机智能控制技术于一身，是一种既环保又节能的照明系统。本章将介绍采用单片机控制的市电供电型LED照明系统和独立型太阳能LED照明系统。,单片机的控制作用,采用单片机对LED光源进行必要的控制，可以得到全亮、半亮、轮流亮等丰富多彩的照明效果。 利用单片机控制技术，可以使太阳能极板产生的电能尽可能多地存储到蓄电池中，并对蓄电池的充、放电进行保护。,6.1
2、利用单片机实现LED彩灯控制,LED彩灯由于其丰富的灯光色彩和可控性强等特点，在街道和城市建筑物的装饰中得到了广泛应用。 LED彩灯控制有不带CPU的控制和带CPU的控制两种方案。 不带CPU的控制方案需全部采用硬件电路实现，电路结构复杂，且只能实现几个固定模式的闪亮，不能根据现场的变化来调整闪亮模式。 带CPU的控制方案，可使电路简单，控制灵活，实现多种模式的控制，同时可根据现场需要，调整模式，充分发挥LED的特点。,目前市场上的各种单片机，其功能非常强大，低功耗的单片机也有多种。本节将采用目前市场上广泛使用的单片AT89S51为例，来设计一种彩灯控制方案。 以单片机AT89S51为核心控制
3、器件，配合键盘、显示、驱动等模块组成控制器，实现LED彩灯闪亮模式的控制。 利用单片机的内部定时/计数功能和控制功能，根据闪亮时间的不同，在不同时刻输出灯亮或灯灭的控制信号，实现多种模式，形成五彩缤纷的效果。,两种电源方案,与220V交流市电相连接 经过开关电源变换输出直流工作电压，一方面为LED彩灯模块提供工作电源，另一方面为LED彩灯控制器提供工作电源。 与太阳能供电系统相连接 太阳能电池板与充放电控制器相连接，将太阳能电池板产生的电能存储到蓄电池中，同时将蓄电池的电能释放，以供LED彩灯系统使用。,6.1.1 LED彩灯系统组成,LED彩灯系统包括LED彩灯模块和LED彩灯控制器两部分。
4、 LED彩灯模块主要由LED光源组成，可以采用单一颜色的LED光源，也可以采用多种颜色LED光源，根据可靠性和LED的数量，由恒流源为每个LED串供电。 LED彩灯控制器由单片机、键盘、显示器和控制接口电路组成。,6.1.2 工作原理,控制器可根据使用场合和氛围来改变灯光模式，通过改变LED光源的亮、灭时间，以及改变LED光源的亮度，实现多种形式的彩灯控制。 根据实际需要，可通过键盘选择一种或几种模式循环工作，满足不同场合和不同时间段对彩灯效果的要求。,6.1.3 主控模块电路,主控模块主要由AT89S51单片机、LED显示器、键盘和LED 驱动器等组成。,6.1.4 LED彩灯模块,LED彩
5、灯模块是由LED彩灯构成 根据实际应用中对彩灯亮、灭时间和亮度的需要，以及驱动电源的功率，可将不同数量的LED彩灯进行串联和并联，从而组成一个完整的LED彩灯。 每个LED模块上有3种颜色的LED光源，根据需要可把红、绿、蓝3种颜色的LED光源排列成多种形状，通过软件控制，可形成多种效果。 由于LED光源具有多种颜色，所以实际设计时，还可以将4色、5色，甚至更多颜色的LED光源应用于彩灯模块中。,6.2 采用单片机的LED路灯解决方案,采用太阳能供电的LED路灯具有寿命长、节能、安全、绿色环保、光视效能高等优点，因此，得到了广泛的应用。 本节将给出一种采用单片机控制的太阳能LED路灯解决方案，
6、该系统能自动检测环境光以控制路灯的工作状态，提供恒定电流控制LED，并有蓄电池状态检测与保护电路，用户可自行设定LED路灯的工作时间。,6.2.1 系统组成与工作原理,太阳能电池板产生直流电流，电流在控制器的控制下流向蓄电池控制器根据太阳能电池板产生的电能的强弱，控制充电电流的大小。这样既保护了蓄电池，又最大限度地将电池板的电能存储起来。 控制器工作时，会实时监测LED的状态以及控制工作时间的长短。在设计太阳能供电的路灯时，需要考虑连续阴雨天数和蓄电池的能量等因素。,控制器的控制作用是通过一个单片机来实现的，单片机的主要工作包括以下4点： 1）采用最大功率点跟踪（MPPT）算法来优化太阳能电池
7、板的工作效率，提高太阳能电池板的利用率，或采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式，实现太阳能电池板对蓄电池的控制，通过控制PWM的占空比，优化充电效率。 2）针对蓄电池的不同状态采用不同的充电模式。对蓄电池的充电一般是采用3段模式，在蓄电池欠电压情况下，采用提升充电模式；充电到一定程度后，采用恒流充电模式；再充电到一定程度后，采用涓流充电模式。 3）自动判断白天黑夜，并以此来切换蓄电池充电和放电模式。 4）提供监控保护、温度监测、状态输出和用户控制输入检测等功能。,6.2.2 控制器的主要功能,控制器的主要功能包括两个方面， 即蓄电池充电以及蓄电池给LED供电。 1、 蓄电池充电 蓄电池充电有两个
8、比较重要的电压值，即深度放电电压和浮充充电电压。在设计电路中针对12V蓄电池，分别设置深度放电电压为11V，浮充充电电压为13.8V（皆为室温条件下的电压值，实际电路中，需要对环境温度进行检测，在软件中增加相应的温度补偿参数），具体充电模式见下一页的表。,6.2.2 控制器的主要功能,提升充电模式和恒流充电模式会用到MPPT算法或PWM方式，MPPT算法或PWM方式有很多种方式可以实现。设计电路中采用相对简单的扰动观察法（Perturbance and Observation method）来实现，这个控制方法的基本思想是通过增大或者减小充电电路开关信号的占空比，然后观察输出功率是变大还是变小
9、，以此来决定是增大还是减少占空比。由于太阳能电池板的输出变化相对比较缓慢，而且是单极点，所以这种方式效果较好。,2、蓄电池给LED供电 如果满足条件蓄电池则进入给LED供电模式。LED中流过检测的电流，由单片机通过调整开关信号PWM的占空比来获得恒定输出电流，或直接控制开关管输出，由恒流源完成恒流控制。 可通过检测环境光强来调整流过LED的电流。除了由环境控制LED的明暗外，还可以通过外设开关来控制LED的明暗，或根据时间来调整LED的明暗。,6.3 LED智能照明控制系统的设计,本节以LED路灯为控制对象，设计一种以单片机为控制核心，由RS-485通信、红外检测物体运动和PWM调制恒流驱动模
10、块共同组成的LED路灯控制系统设计方案，并给出具体的实现电路。,6.3.1 系统硬件设计,系统是由传感器单元（A）、控制器单元（B）、LED驱动电路 （C）和照明模块（D）4部分组成的。,6.3.2 传感器单元,1光强传感器 光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长，并且当光照强度减弱时，它的响应时间相对延长，装置在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定。考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感，偏置电路中的电阻可以采用与探测元件温变系数相近的光敏电阻，以防止工作点漂移。,2声控传感器 声控传感器部分由声控传感器、音频放大器、选频电路、延时开启电路和晶闸管电路组成。利用声音的相对比较，判断是否启
11、动控制电路，使用调节器可以调节给定声控传感器的初始值。声控传感器不断地把外界声音的强度与给定强度比较，超过给定的强度时，向主机发送“有声音”信号，否则发送“没有声音”信号。,6.3.3 控制单元,控制单元采用单片机作为照明系统的控制核心，选用美国Silicon LAB公司的C8051F020芯片作为主控模块，该芯片有一个12位A/D转换器，3个10位A/D转换器，一个8位A/D转换器和两个12位D/A转换器，所有的A/D转换器均可通过内部编程实现信号的放大，给系统设计带来了很大的方便。,6.3.4 驱动电路,驱动电路选用合适的多路输出的恒流源作为发光二极管的驱动器，制作一体化半导体灯的专用电源
12、变换器，安装在半导体灯内部，每路可驱动一串（714个）功率为1W的发光二极管。动器使用高频脉宽调制开关变换电路实现恒流控制，变换效率高达90%以上，工作稳定。,要设计56W的LED灯具，需要56个1W的LED串联或并联。56个1W的LED全部串联或者并联都存在一些问题。 从驱动技术和LED的特性来看，LED应该优先使用串联方案。这样，只要驱动器给的电流合适，所有LED的电流都是一样的。 所以，使用LED时应以串联为主，这样LED才有稳定、一致的电流，有利于提高灯具的寿命，56W的LED驱动电路如图下一页图所示。,6.4 LED显示屏的单片机控制,本节将介绍一种采用单片机控制LED显示屏的构成及
13、控制技术，使读者了解LED显示屏的工作原理和控制方法。,LED显示屏的工作原理,动态扫描又分为行扫描和列扫描两种方式，常用的方式是行扫描。 在行扫描工作方式下，每一片LED点阵片都有一组列驱动电路，列驱动电路中有一片锁存器或移位寄存器进行数据锁存，用来锁存待显示内容的字模数据。在行扫描工作方式下，同一排LED点阵片的同名行控制引脚是并接在一条线上的，共8条线，最后连接在一个行驱动电路上。行驱动电路中也有一片锁存器或移位寄存器，用来锁存行扫描信号。,单片机对LED显示屏的控制过程是先读后写。 单片机对LED显示器的各排按行写入信号，然后对各排的行驱动锁存器的第一行写行扫描信号，接着是第二行、第三
14、行对全部8行的控制过程都完成后，LED显示屏也就完成了一帧图像的显示。 虽然按这种工作方式，LED显示屏是一行一行点亮的，每次都只有一行亮，但只要保证每行每秒钟能点亮50次以上，即刷新频率高于50Hz，那么由于人的视觉特性，所看到的LED显示屏显示的图像仍是全屏稳定的图像。,LED显示屏的控制方法,显示控制电路是按行扫描方式工作的，列控制电路分为两大类，一类是用74LS377之类的芯片作为列驱动电路的锁存器，CPU通过并行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据；另一类是用移位寄存器74LS595之类的芯片作为列驱动电路的锁存器，CPU通过串行总线给列驱动电路的锁存器写字模数据。,MCS51系列单片
15、机对LED显示屏进行控制 RAM存储待显示内容的字模数据 74LS377作为行列驱动的锁存器 地址译码电路，用于产生LED点阵片行驱动电路和列驱动电路的片选地址。,控制方案在LED显示屏中的应用,现在商业上用的大屏幕LED显示屏，需要用到成百上千的LED点阵片。单片机对LED显示屏的控制，包括单片机与PC的通信、字模数据的数据处理以及显示控制三个部分。一片单片机既要与PC通信，又要进行数据处理，还要进行显示控制，因此需要用两片单片机来完成此项任务。,其中，单片机与PC的通信、数据处理及显示控制由一片单片机完成。显示控制采用前面的控制方案，电路简单，而且显示控制的效率很高。,对于大屏幕LED显示
16、屏，还有如下一些问题需要考虑： 单片机与PC的通信问题 增加显示场次的问题 字模数据的数据处理问题,6.5 大功率LED智能化照明,超高亮LED需采用恒流源来驱动，以最大限度地发挥LED光源的性能。 本节将介绍一种采用单片机作为控制器的核心器件，通过负反馈调整输出电流达到稳定的恒流输出，从而完成亮度可调的、适合多种大功率LED的智能驱动系统,系统原理框图,恒流源电路,该电路属于电流串联负反馈的拓扑结构，由集成运放和MOS管构成。为了实现可调恒流源控制，在运算放大器的同相输入端引入由D/A输出的可调电压信号Vin，使其成为受控恒流源。在反向输入端连接采样电阻R检测到的电流信号，恒流源的输出电流直接取决于D/A的输出电压和采样电阻R上电压的比值，即 式中，IS是流过LED的电流。,自动控制单元,图6-10 系统自动控制模块电路,采用如下方法控制电流值：
