智能LED频闪_爆闪补光灯控制系统的设计和实现（可编辑）

分 类号学号 M200972867学 校代码 10487 密级硕 士 学 位 论 文 智能 LED 频闪/ 爆闪补光 灯 控制系统 的设计 和实现 学 位 申 请 人 :苏重阳 学科专业 :光电信息 指导教师 : 陈长清 教授 答辩日期 :2012 年 1 月 3 日A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Design and Implementation of Intelligent LED Flash Lamp Control System Candidate : Su ChongyangOptoelectronic and Major: Information Engineering Supervisor : Prof. Chen Changqing Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. ChinaJanuary, 2012 独 创 性 声 明 本 人 声 明 所 呈 交 的 学 位 论 文 是 我 个 人 在 导 师 指 导 下 进 行 的 研 究 工 作 及 取 得 的 研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的外,本论文不包含任何其他 个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、 使用学位论文的规定, 即: 学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查 阅和借阅。 本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 不保密?。 (请在以上方框内打“?” ) 学位论文作者签名:指导教师签名: 日期: 年月日日期: 年 月 日华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着半导体 照明光源光 效的不断提 升和成本的 不断下降 , 半导体照明 的应用越来 越 广泛, 对半导体 照明灯具的调光和智能控制也成为一个热门的研究课题 。 与传统照明灯 具相比, 发光二极管 Light Emitting Diode, LED 作为半导体器件, 在照明领域的调光和 智能控制方面具有不可比拟先天优势。 本论文的主题是设计一个可靠的智能 LED 频闪/ 爆闪补光灯 控制系统。 系统将智能监控系统的摄像拍照闪光功能与低照度下自动补光功 能结合起来,并能 够与上位机通信,实现上位机对系统的设置和控制。本论文 的主要工作如下: 1 介绍了 LED 调光 的各种和特点。 为系统的功能 选择了合适的调光: 为 系统的补光和频闪功能选择了 脉冲宽度调制 Pulse Width Modulation, PWM 调光方案 ; 为系统的爆闪功能选择了模拟 调光方案。 2 结合单 片机 和电子电路理论, 以 单片机 PIC16F873 为核心控制芯片搭建了电路: 以单片机的 PWM 发 生模块实现了系统的频闪补光 PWM 控制信号输出; 以单片机的模/ 2 数 转换模块实现了补光功能所需的亮度检测输入; 以 单片机的 I C Inter -Integrated Circuit 总线 串口通信模块实现了系统的温度采集; 以 单片机的 异步 串 口 通 信 模 块 实 现 了单片机与上位机的 串口通信功能。 3 设计了 实 现系统各功能的软件:使用 MPLAB 软件 ,充分考虑了软件调 试和升 级的需要,以 C 语言编写了程序。 4 完 成 了控 制 系统 软硬 件 的调 试和 频 闪/ 爆闪 补 光灯 的组 装 调试 ,测 试 结果 表明 系 统性能稳定,达到了设计的预期目标。 关键词:半导体照明 脉冲宽度调光 单片机 串口通信 I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ABSTRACT As the continuous development of semiconductor lighting, semiconductor lighting dimming and intelligent control has become a growing research topic. Compared with traditional lighting, as semiconductor devices, Light Emitting Diode LED has an unparalleled natural advantage in lighting dimming and intelligent control. The theme of this paper is to design a reliable, intelligent LED Flash light control system. The system will combine the camera flash function and low light auto fill function together. The system will communication with the host computer. So the host computer can control and set up the systemThe main work of this paper is as follows: 1 This paper describes the various methods of LED dimming and their features. For different modes of the system we selected different dimming methods: Pulse Width ModulationPWM dimming for lighting supplement mode and analog dimming for the flash mode2 Based on microcontroller theory and electronic circuit theory, we selected PIC16F873 as our core processer to build the circuit: The lighting supplement part was build based on the PWM module integrated in the microprocessor; the luminance detection part was based on the A/D converter; the temperature acquisition part was based on the Inter -Integrated Circuit 2 I C module; the communication part was based on the asynchronous serial communication module3 We designed the software for the system using the software MAPLAB. The need for easy upgrade of the software was taking into account during the programming process4 We completed the control system debug and lamp test. The results show that our system performs stably and meet the design target Key words:Semiconductor lightingPulse Width ModulationMicroprocessor Serial communication II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 录 摘 要 I ABSTRACT. II 1 绪论 1.1 研究背 景 和现状. 1 1.2 论文的组 织与内容 3 2 LED 调 光 技术概述 2.1 LED 调 光 技术的意 义. 5 2.2 模拟调光. 5 2.3 脉冲宽度PWM 调光7 2.4 可控硅调 光 9 2.5 本章小结 11 3 方案设计 和工作原 理 3.1 系统功能 及指标12 3.2 调光方式 的设计12 3.3 控制方式 的选择14 3.4 单片机选 型. 15 3.5 本章小结20 4 系统硬件 电路设计 4.1 硬件总体 结构 21 4.2 单片机 PIC16F87322 4.3 单片机的 附加电路. 22 III华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4.4 板内电源 部分 25 4.5 系统的输 入部分26 4.6 系统的输 出部分28 4.7 系统的 485 通信部 分 30 5 系统的软 件部分和 功能实现 5.1 系统的补 光功能的 实现32 5.2 系统的频 闪功能的 实现34 5.3 系统的爆 闪功能的 实现36 5.4 系统的过 热保护功 能的实现 37 5.5 系统的 485 通信功 能的实现 40 5.6 系统的调 试. 42 6 总结和展 望 6.1 系统所实 现的功能. 48 6.2 系统的不 足和展望. 48 致 谢 50 参考文献51 IV华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 研究背景 和现状 利用半导体 P-N 结发光原理制成发光二极管 Light Emitting Diode, LED 问世 于 20 [1] 世纪 60 年代初,1964 年出现第一支红色发光二极管 。1994 年, 蓝色、 绿色 LED 相继 [2] 问世。1996 年,日亚公司成功开发出世界上第一支白光 LED 。2006 年,日亚公司通 过降低器件中的光损失,实验室得到白光 LED 的光效达到 100lm/W 。 全球能源短 缺日益成为 人们不可忽 视的重要问 题,节约能 源已经成为 全球共同关 注 的话题,而人工照明占全球用电需求的 19% 。世界各地都开始投入力量到对 LED 照明 光源的研究中。 早在 1998 年, 日本就开始了名为 “21 世纪之光” 的高效白光 LED 光源 [3] 国家研究项目 。 自 2010 年起, 美国、 日本等先进国家相继开始执行禁止使用白炽灯泡 的法令,目的是限制发光效率低的光源应用。 与白炽灯、荧光灯等传统光源相比,LED 光 源具有以下优点: 1 LED 光源被称为绿色光源。相同功率的 LED 灯具的亮度是传统光源的数倍 甚至数十倍。目前市场上已经出现发光效率达到 110lm/W 的 LED 照明产品。 2 LED 光源作为半导体器件,可以承受极高频率的快速开关,并且不像传统光源 那样由于灯丝发热老化或者放电器件损 坏而影响寿命,所以 LED 照 明光源的寿命非常 [4] 长,可达 10000 小时以上。这是传统照明灯具所不能比拟的 。 3 自上世 纪 60 年代红光 LED 出现之后,90 年代绿光和蓝光 LED 相继问 世,LED 照明的调色得以实现。 采用红、 绿、 蓝三色 LED 作为光源, 利用 脉冲宽度调制 Pulse Width [5] Modulation, PWM 调光的方法,可以实现对光照颜色的精确控制 。 4 LED 光源被称为绿色光源的另一个重要原因是它的照明过程几乎不产生 污染 。 传统光源中的荧光灯照明时会产生紫外线,而废旧灯管中的汞更是难 以处理。而 LED 光源的照明过程中完全没有这些问题。 5 LED 光源可以很方便的与现在的计算机技术、微控制器技术、通信技术以及控1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 制技术结合起来, 实现对照明的精确智能控制, 达到随心所欲的创造出变化多端的照明 [6] 效果 。 目前国内 LED 照明应 用可以大致分为两类: 一是替换方案, 即将目前正在使用中的 节能灯、白炽灯等灯具直接替换为 LED 灯 具而不用对现有电路进行改造,因此需要对 灯具的供电进行特殊设计; 另一类是非替换方案, 即灯具本身是全新设计的 LED 灯具, 可以整体布局,而不需要顾及现有电路。 替换方案在 实际应用中 会受到 很多 限制, 现有 灯具灯座的 形状严重限 制了电源模 块 的尺寸, 为了进行替换, 大多数厂商都会选择先满足功能, 牺牲掉部分性能。 因此很多 替换方案中的 LED 照 明灯具电磁兼容检测等不达标,转换效率也很难令人 满意。传统 灯 具 电 路 连 接 方 式 和 调 光 方 式 已 经 相 当 成 熟 , 比 如 白 炽 灯 常 用 的 可 控 硅 调 光 , 应 用 于 LED 灯具 时会产生很多问题。 非替换类的 LED 灯 具, 由于可以独立设计使用, 所以并不存在替代方案中的电源和 电路方面存在的问题。因此 是未来 LED 照 明发展的方向。 随着人们生 活质量的逐 渐提高,人 们对于照明 的要求也不 再像过去那 样简单 。对 照 明的需求已 远远超过采光照明的基本需求, 而更注重照明的舒适、 方便和美的享受。 因 此智能照明成为一大新的研究课题。 所谓智能照明系统, 就是根据某一区域的功能、 时 间、 光亮度或者该区域的用途来控制照明。 智能调光系统在普通的照明系统中融入了计 算机技术、 控制技术、 通信技术, 使灯光能够随心所欲的受人控制。 智能控制系统不仅 可以方便的控制灯光, 满足人们各种不同的需求, 使照明环境舒适便利, 还能在很大程 度上节省电能。 LED 是 半 导 体 器 件 , 可 以 工 作 在 高 频 率 的 开 关 状 态 , 因 此 脉 宽 调 制 技 术 运 用 到 了 [7] LED 照明 设计之中来, 成为 LED 照明灯具所独具的 PWM 调光方 式 。 通过改变 PWM 脉冲的占空比, 可以很方便 的实现对 LED 亮 度的控制。 采用红、 绿、 蓝三种颜色的 LED [8] 做光源,结合 PWM 调 光,可以实现绚丽的多彩变化 。 长期以来, 可见光通信一直都是人们的梦想, 利用 PWM 调光技术,LED 灯具 更是 [9] 将日常照明与通信结合起来 。 通过对光亮度的调制,LED 灯具可 以实现可见光的无线 通信, 它能完全避免射频接入的电磁干扰。 这在家居生活中的应用将有无限潜力, 室内2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 照明中,仅仅依靠一只普普通通的 LED 灯 泡就能实现通信功能。而且,在某些传统无 线通信方式无法使用的场合,如乘坐飞机时 ,可见光的无线通信将大有用武之地。 LED 灯具 的智能控制方面的研究,国内尚处于起步阶段。结合单片机对 LED 灯具 进行控制, 可以实现多种功能, 如低照度 自动补光、 自适应调光、 红外人体自动感应等 等功能,国内市场上已经出现很多此类系统。然而,目前国内 LED 照明市场尚无严格 [10] 的标准可用,市场上的产品良莠不齐,仍需进一步规范 。 目前各种监控系统应用相当广泛, 而监控系统拍摄视频和照片需要一定的光照条件, 所以在低照度下需要有照明灯具进行补光。 传统的拍照闪光灯一般气体放电灯, 这种闪 光灯的缺点是若要实现闪光功能必须提供足够 高的电压产生放电。使用 LED 灯 具实现 闪光功能是发展的趋势。LED 闪 光灯如今在相机 、手机上已经应用比较广泛。 因此我们提出设计一种 LED 爆闪/ 频闪补光灯, 利用 LED 实 现拍照爆闪的功能, 并 [11] 在低照度下自动低亮度点亮以补充环境亮度 。 1.2 论文的组 织与内容 本论文介绍了 LED 调 光的几种方式 及其优缺点, 提出了一种 LED 智能频闪/ 爆闪补 光灯系统, 实现监控系统中的低照度自动亮起光、 外部频闪信号到来 时自动频闪、 外部 爆闪信号到来时爆闪、与上位 PC 机之间 485 通信等功能。 设计中的主要 工作如下: 1 结合功 能 需求和各补光方式的优缺点选择了补光、频闪和爆闪功能的调光方式: 系统的补光 功能采用 PWM 调光方式来实现, 可以对补光亮度和补光阈值进行控制,并 方便以后在灯具中加入自适应补光的功能 ; 系统的频闪功能采用 PWM 调光方式 来实现, 采用直接改变补光 PWM 输出脉冲的占空比的方法, 简捷的实现了频闪的功能, 节省了 资源;系统的 爆闪功能通过模拟调光的方式实现,这是瞬间大幅改变 LED 正 向电流的 唯一方式。 2 选择了 以单片机为核心控制芯片的设计方式, 选择了 PIC16F873 作为核心控制芯 片, 与市场上常用的其他类型单片机相比,PIC 单片机具有诸多优 势, 品种齐全方便选 择,资源丰富 ,开发环境方便易学。 3 利用 PIC16F873 单片机为核心控制器件搭建了电路 ,合理的利用了 PIC16F8733华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 单 片 机 系 统 内 部 集 成 的 A/D 转换 、PWM 输 出 模 块 、 通用同步/ 异 步 串 行 接 收/ 发 送 器 2 Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter, USART 和 I CInter - Integrated Circuit 通信 模块实现了系统的各功能。 4 合理选 择外围芯片和器件 , 选择了市场上常用的芯片以方便生产, 根据电路要求 合理的选择了开关管等原件, 根据印制板设计规则设计了电路板的版图, 实现了信号的 高质量传输。并且在电路中加入了输入输出隔离部分和防雷击功能。 5 利用 C 语言编写了单片机的程序,采用 MPLAB 作 为编程软件,以 PIC 单片机 专用的 PICC 作为编程语言,合理的设计了软件,可以很方便的进行软件升级。 6 调试电 路,使电路能够正常稳定工作,完全实现了设计的功能。 4华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 LED 调 光技术 概述 2.1 LED 调 光 技术的意 义 调光技术不仅可以使家居生活中得到舒适的照明环境,在节能减排日益深入人心, 成为全人类的共同话题的今天, 更加具有重要的意义。LED 作为半导体器件, 可以在高 速率下工作的特点使其与传统的白炽灯 、荧光灯、节能灯、高压钠灯相比更容易实现。 目前常用的 LED 调光技术主要有 3 种: 模拟调光、脉冲宽度调光和可控硅调光。 三种 [12] 调光技术各有利弊,脉冲宽度调光和可控硅调光是 目前比较常用的调光方式 。 2.2 模拟调光 2.2.1 模拟 调光 的 实现方法 模拟调光是通过调节 LED 的正向 电流 或正向电压或来调节 LED 的 亮度的, 这种 调 光方式实现 方法简单。LED 的亮度几乎与其输出电流成正比,图 2-1 为某公司单颗 3W 的白光 LED 单颗灯珠的相对输出光通量与正向电流关系。 图 2-1 单颗 3W 白光 LED 相对输出光通量和正向电流关系 由图 2-1 可见, 若控制 LED 正 向电流线性变化, 那么输出的光亮度也基本上呈线性 [13] 变化,达到通过电流调光的目的 。 一般的照明用 LED 驱 动电源都采用电流型, 电源的一般的设计方法是在 LED 回路5华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 中串联一个很小的电阻来检测流过 LED 的 电流,形成一个电压反馈,通过与基准电压 V 比较来来控制 输出电流的大小,若采用某种方法改变此检测电阻的大小, 将很方便 ref 的改变输出电流的大小。 这种方法实现起来并不容易, 因为这个检测电流的电阻通常都 非常小,调节起来比较困 难。所以有些芯片提供了改变基准电压的功能,通过调节 V ref 来实现调光的功能 。 采用恒压源供电,通过将 LED 与 可调电阻串联的方法可以很简单的实现 改变电压 调光的目的 。 图 2-2 单颗 3WLED 灯珠的电压- 电流特性 图 2-2 为某公司单颗 3W 的 LED 单颗灯珠的电压- 电流 特性曲线, 由曲线可以看出, LED 并不 是一个线性的电阻式器件, 在某个阈值电压附近, 电压微小的改变会引起 LED [14] 正向电流的剧烈变化, 这给线性调光带来了巨大的问题 。 但在某些特殊的场合, 我们 需要使 LED 的亮度输出产生剧烈的跳变,这个特性将变得非常有 用。 2.2.2 模拟 调光 的缺点 然而在实际使用过程中, 模拟调光有很多缺点。 模拟调光的缺点之一就是无法实现精确的调光。虽然 LED 的亮度 随电流基本上呈 现线性变化,但实际 使用中,对 LED 驱动电 源的电流进行精确调节在低成本的情况下 [15] 很难实现 。 模拟调光另一个缺点就是 LED 的 光谱会随着驱动电流的不同而改变。 目前白光 LED 都是采用蓝光 LED 激 发荧光粉来产生,当 LED 的正向 电流减小时,蓝光 LED 的亮度 随之减小,光谱会产生一个微小的变化。更重要的是,当 LED 的 亮度减 小时,荧光粉6华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的厚度并没有因此按比例减薄, 从而使光谱的主波长增 长, 产生色温的变化。 当然, 在 大部分照明场合,这个变化人眼无法感知,并没有太大的问题。 2.2.3 模拟 调光 与 LED 驱 动电源 照明用 LED 驱动电源 一般均采用 DC-DC 型恒流源。DC-DC 型 恒流源一般可以分 为升压型和降压型两种, 视具体情况选择。 当电源电压低于负载电压时采用升压型, 当 [16] 电源电压高于负载电压时采用降压型 。 如图 2-2 LED 的伏安 特性所示,改变 LED 的正向电流,LED 的 正向电压也随之改 变。当 LED 的正向 电流减小时,正向电压也随之减小,虽然在阈值附近这个电压变化 比较小,但实际中为了方便和减小变压损耗,LED 通常 采用多颗串联的方式进行供电, 这个串联电压的变化为每颗 LED 电压变化的累加。 当驱动电流较低,即调光时将 LED 亮度调到较低值时,这个变化更是不可忽视。 对于升压型 DC-DC 恒流源,当 LED 的 亮度调到比较低时,累加的变化电压很大, 有可能低于电源电压。 输出电压低于输入电压, 对于升压型恒流源, 根本无法工作, 实 [17] 际中我们看到的现象就是,当亮度调低时,LED 产生闪 烁 。 对于降压型 DC-DC 恒流源, 当亮度调低时,LED 的正 向电流减小, 正向电压随之 减小,不会产生升压型电源那样的严重问题。但是当亮度调 到很低时,降压比非常大, 正向电压减小到超出电源的工作范围,LED 仍然为产生闪烁的现象。 模拟调光采用降压型恒流源供电还会产生另一个问题。 降压型电源的效率是与降压 比成反比的, 降压比越大, 效率越低, 电源本身的损耗也就越大 , 发热也就越严重。 调 光时 LED 的亮度越低, 降压比越大, 损耗在电源本身的功率就越大, 电源的温升越大, 严重时会烧毁电源的开关管。 2.3 脉冲宽度PWM 调光 LED 作为 半导体器件,可以在极高的 频率下快速开关。与传统光源相比,LED 的 这一特性在调光应用中具备不可比拟的优势。若为 LED 提供一个脉宽可调节的脉冲电 压 电流 信 号做驱动,在一个脉冲周期内,通过改变 LED 亮起时间与脉冲周期的比值, [18] 可以实现对 LED 亮 度的调节 。 7华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 这是脉宽调制技术在调光方面的应用,与模拟 调光相比,PWM 调光 在 调 节 精 度方 面具有相当大的优势。 2.3.1 脉冲宽度 调光的优 点 脉冲宽度调光 中,LED 的驱动电 压是一个 脉冲电压,因此 LED 总 是工作在亮或者 灭两种状态下,LED 亮起时流过 LED 的电流是相等的,因此不会出现因电流 变化引起 的光谱变化。 与模拟 调光相比,PWM 调光是通过改变脉冲的占空比来调节 LED 亮度的, 而对于 占空比的调节可以做到很高的精度,因此 PWM 调光的调光 精度非常高。 PWM 调 光 即 使 在 将 亮 度 调 到 极 低 的 情 况 下 , 也 不 会 发 生 闪 烁 现 象 , 因 此 可 以 轻松 实现亮度 0 到 100% 调光。而且 PWM 调 光并不会出现电流调光中出现的那种改变了电 [19] 源的升降压比而带来的问题 。 另外,从电 路设计的角 度来看, 在 低成本的情 况下, 控制 一个电路的 开关 与精确 控 制一个电流量相比更加容易实现, 采用单片机或者其他微控制器技术可以很轻松的实现 PWM 调光 。 2.3.2 脉冲宽度 调光的实 现 LED+ 控 制 器图 2-3 PWM 调光的实现方式 控制流过 LED 的电流 的通断, 一般均采用 在电路中串入一个开关管来实现, 开关管8华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的栅极接控制信号, 只需要给栅极提供一个 方波脉冲, 即可控制开关管的 开关, 从而控 制电路中电流的通断, 达到控制 LED 亮灭的 目的, 而单位时间内 LED 亮起的 时间与总 时间的比值等于开关管栅极 矩形波脉冲的占空比。 通过微控制器等手段控制该方波信号 的占空比即可实现 PWM 调光。如图 2-3 所示。 2.3.3 脉冲宽度 调光的缺 点 虽然 PWM 调光可以实现对亮度的精确调节,但仍有缺点。 在脉冲宽度调光中,LED 始终工 作在闪烁的状态, 若调光频率较低, 则会被人眼感 知,所以在 PWM 调 光中选用的工作频率应高于 100Hz 。 在实际应用过程中,调光频率高于 100Hz ,闪烁已无法被人眼感知,但仍存在另一 个无法忽视 的问题。 人耳的听觉范围可以一直高达 20kHz , 当开关管工作于开关状态时, LED 的驱 动或电路会产生噪声问题。 产生这个噪声的主要原因是电路中某些种类的电容 在开关电压的作用下因压电效应而产生机械振动, 振动频率等于开关频率。 解决的方法 是进一步提高工作频率至 20kHz 以上, 但提高工作频率将使电路的控制波形产生比较严 重的形变,从而降低控制精度。 另外,开关 管栅极的输 入脉冲信号 需要专门的 控制电路来 产生。若想 进一步 实现 对 亮度的精确可控 的智能调节, 实际应用过程中一般采用单片机或其他微控制器并需要进 行软件设计,从而提高了电路的体积和成本。 2.4 可控硅调 光 可控硅调光 在白炽灯和 卤素灯的调 光中应用较 广 ,原因是 白炽灯和卤 素灯可以看 做 纯阻性元件, 对电压电流的的波形要求很低 。 通过可控硅器件改变输入电压的波形, 从 [20] 而改变输入电压的有效值 即可改变输入功率,从而改变输出的光亮度 。 LED 作为 新兴照明灯具,普及率还远比不上传统照明灯具,因此目前 LED 市 场的 很大一部分在于直接替换原有的传统灯具。 在一些已经存在可控硅调光的地方, 直接将 传统灯具替换为 LED 灯具而不需要改变原有外部电路和调光方案,就需要运用到 LED 的可控硅调光技术。 2.4.1 可控硅调 光的原理 9华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 可控硅是采用相位控制的方法来实现调压或调光的。 可控硅的 正式名称为 晶体闸流 管, 简称晶闸管。 对于普通反向阻断型的可控硅, 当给可控硅加上合适的正向阳极电压 , 同时又加上正向的门极控制电压时, 可控硅就导通; 当门极控制电压被撤去后, 可控硅 仍然导通, 只有给可控硅加上反向的阳极电压或者可控硅正向阳极电压消失时, 可控硅 才会关断。 U ωt 3 ωt ωt ωt 0 1 2 ωt图 2-4 可控 硅前沿触发的相控调压 利用可控硅的 这一特性,可以实现前沿正弦波触发式的 相控调压。如图 2-4 所示。 为可控硅加入一个交流正弦输入,正弦波过零点后, ωt 时刻 为可控硅的门控制极加 一 1 个正向电压 脉冲做触发,则可控硅导通。而此后一直到 ωt 时刻,可 控硅的阳极一直都 2 加有正向电压,因此可控硅一直保持在导通状态。 从 ωt 开始,正弦波进入负半周期, 2 可控硅的阳极正向电压消失,可控硅的导通结束。在 ωt 时刻,在反向连接的另一组可 3 控硅的门控制极加一个反向的电压脉冲做触发, 则这个反向的可控硅导通, 一直持续到 负半周期结束。从时刻 ωt 开始 ,到时刻 ωt 为止,可 控硅一直保 持在截止状态,截止 0 1 范围 ωt ~ ωt 称之为控制角 α ;从时刻 ωt 到 时刻 ωt , 可控硅一直保持在导通状态,导 0 1 1 2 通范围 ωt ~ ωt 称之为 导通角 φ 。改变门控制极正向控制脉冲的施加时间,就可以改变 1 2 可 控 硅 导通角 的 大 小 即 改 变 了可控 硅 导 通时间 占 总 时间的 比 值 ,从 而 改 变输入 到 电 路 中得功率, 达到改变亮度的目的。 导通角越大, 可控硅输出的电压平均值就越高 , 电路 中输入的功率就越大, 灯就越亮。 从上述可控硅调光原理可知, 调光器输 出的 正弦电压 波形被破坏。 2.4.2 可控硅 LED 调光的 缺点 由以上可控 硅的工作原 理可以看出 ,可控硅在 工作时破坏 了正常 的正 弦电压波形 ,10华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 因此降低了功率因数, 并且 导通角越小, 即调光亮度越低, 波形破坏越严重, 功率因数 [21] 也就越低 。 非正弦电压波形同时还带来另一个问题 ??会在线路上产生严重的电磁干扰。 除此之外, 更为严重的是, 若将可控硅调光器直接接入到普通 LED 电源的前端, 因 为电压波形产生了严重的变化,很可能导致 LED 驱动电 源无法正常工作而产生音频噪 声和闪烁, 严重时甚至会直接烧坏电源。 因此, 某些芯片厂商推出了 兼容现有可控硅调 光的芯片和解决方案。 但 实 际 上 这 些 兼 容 芯 片 和 解 决 方 案 也 是 通 过 某 种 手 段 比如检测可控硅导通角 将可 控硅调光转变为最终的调节 LED 的正向电流调光。所以从实质上来讲,它们仍然有 模 拟调光中常见的光谱偏移和电源发热等问题。 而且现有的可控硅 LED 调光兼容芯片效率都较低, 并且并未从根本上解决可控硅调 光带来的功率因数问题。更重要的是,市场上这种兼容芯片的种类和适用范围都较小。 可控硅调光 作为传统灯 具的调光手 段,实际上 已并不适应 现在绿色电 网对于效率 和 功率因数以及电磁兼容方面的要求,未来必将被高效精确的 PWM 调 光取代。 2.5 本章小结 LED 调光 方式中 模拟调光具有成本低、 简便易实现的特点, 比较适用于调光精度及 幅度要求都不大的场合。其 中直接改变加在 LED 两端电 压的调光方式具有可以实现电 流突变的特点, 在某些特殊场合将有特殊的作用, 比如我们后面将提到的 拍照爆闪补光。 PWM 调 光 是 一 种 高 效 精 确 的 调 光 方 式 , 改 变 脉 冲 宽 度 的 调 光 方 式 可 以 直 接 与 数字 技术如微控制器技术等相结合,实现对 LED 灯具的智能控制。比如遥控调光、红外感 应控光、自适应调光等。 可控硅调光作为传统的白炽灯、 卤素灯常用的调光方式, 在 LED 照 明产 品替代传统 灯具的场合仍有一定的生存空间。 11华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 方案设 计和工 作原理 3.1 系统功能 及指标 LED 频闪 补光灯应用于道路或者路口监控, 起到低照度下自动补光、 外部 频闪信号 输入时频闪、外部爆闪信号输入时爆闪、多台灯具可级联同步工作以及与上位 PC 机之 间实现串口通信 等功能。具体功能如下: 1 频闪触 发与抓拍主机频闪信号输出相连,通过频闪信号控制 LED 灯的一定频率 的亮灭,达到同步为视频补光的效果,同时人眼辨识出的是 LED 灯 常亮状态。 输入信 号为低电平脉冲 , 每输入一个低电平脉冲, 则频闪灯爆闪一次。 输入信号由外部的摄像 机或者其他设备提供。 2 某些场 合需要多个频闪灯同步工作, 所以在灯具上需要提供一个同步的频闪输出 信号, 频闪同步输出功能用于一台抓拍相机对应多个闪光灯的情况, 该 频闪同步输出信 号可以作为另一台频闪灯的频闪输入信号 ,达到多车道同步补光的效果。 3 爆闪触 发与抓拍主机爆闪信号输出相连, 通过爆闪信号控制 LED 灯瞬间的高亮, , 达到同步为图片抓拍补光的效果。 输入信号为低电平脉冲, 每输入一个低电平脉冲, 则 频闪灯爆闪一次。输入信号由外部摄像机或其他设备提供。 4 提供 RS485 通信功能,可对闪光灯内部参数进行设置。 3.2 调光方式 的设计 在前文中所 提到的电流 调光、脉冲 宽度调光和 可控硅调光 各有不同的 使用场合, 因 此在我们的系统中首先应该进行调光方式的选择。 3.2.1 频闪功能 调光方式 的设计 频闪, 即使 LED 按照 一定的频率亮起或熄灭, 这一功能可以很容易的通过控制 LED 回路的通断来实现。因此 PWM 调 光成为唯一合适的选择。 12华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 LED+ LED+ 信 号 处 理 a b图 3-1 频闪 PWM 调光电路方案设计 该 功 能必 须由 如 图 3-1a 所 示的方 式 来实 现, 因 为系 统要 求 输入 的频 闪 信号 为 低电 平触发,而我们又希望可以实现对 LED 频 闪亮度 进行有效的控制,因此,输入信号必 须经过处理才能输出给控制 LED 电流回路通断的开关管的栅极。 具体的实现过程是, 输入信号中每一个低电平脉冲来临时,经过处理后产生一个输入到控 制 LED 电 流回路 的开关管栅极的高电平脉冲输出,通过控制此高电平的脉冲持续时间来控制频闪亮度 , [22] 如图 3-1b 。 3.2.2 补光功能 调光方式 的设计 亮度检测 信号处理 补光输出 图 3-2 补光 功能理论框图 所谓补光,即在环境光亮度较低的情况下,LED 灯具自动亮起照明。如图 3-2 ,这 个系统必须包括三个部分:亮度检测、信号处理和 LED 补光输出。 此功能比较容易实现,原理简单,控制方便,因为只存在 LED 亮 起或 LED 熄灭 2 个状态,本不需要进行 LED 调 光设计,但考虑到 系统同时具有频闪和爆闪的 功能,未 来产品升级还可能需要根据环境光亮度实现多级补光或自适应补光, 因此补光也采用脉 冲宽度调制的方式。 而且可以使用频闪功能已经使用了的开关管进行控制, 并不会使电 路复杂化, 只需在电路前端加入一个亮度检测模块既可。 3.2.3 爆闪 功能的调 光设计 13华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 所谓爆闪, 即 能 是 在 很 短 时 间 内 发 出 很 高 的 亮度 , 是 照 相 感 光 的 摄 影 配 件 。 多 用于光线较暗的场合瞬间照明,也用于光线较亮的场合给被拍摄对象局部补光 。 因 为 爆 闪 时 灯 具 的 亮 度 可 能 达 到 灯 具 正 常 补 光 或 者 频 闪 时 亮 度 的 数 倍 甚 至 十 数 倍,而灯具不可能采用两套光源和电源,因此我们在选择光源时应该满 足 爆 闪 时 的 电 压 电 流 条 件 , 而 频 闪 和 补 光 功 能 可 以 在 此 基 础 上 进 行 进 一 步 设 计 。 图 2-2 所示的 LED 伏 安 特 性 曲 线 显 示 , 若 在 阈 值 附 近 突 然 改 变 LED 的 电 压 , 则 可 以 实 现 瞬 间 大 幅 度 改 变 LED 的 电 流 , 从 而 实 现 对 LED 亮 度 的 瞬 间 剧 变 。 Vcc 信 号 处 理 频 闪 输 入 T T 信 号 处 理 2 1 爆 闪 输 入 R图 3-3 频闪 、爆闪电路实现 因 此 , 我 们 在 图 3-1b 的 基 础 上 稍 作 改 进 , 在 原 电 路 中 加 入 一 个 分 压 电 阻 , 并 加 入 另 一 个 旁 路 开 关 管 , 即 可 实 现 这 个 功 能 , 电 路 使 用 恒 压 源 供 电 。 如 图 3-3 所 示 , 在 正 常 补 光 或 频 闪 功 能 中 , 电 流 通 过 开 关 管 T , 此 时 加 在 LED 两 端 的 电 压 等 于 电 1 源 电 压 V 减 去 分 压 电 阻 两 端 的 电 压 V 。 当 频 闪 信 号 到 来 时 , 我 们 给 开 关 管 T 一 R 2 个 高 电 平 脉 冲 , 此 时 开 关 管 T 导 通 , 分 压 电 阻 R 被 短 路 , 加 在 LED 两 端 的 电 压 2 等 于 电 源 电 压 V , 从 而 实 现 了 LED 两 端 电 压 的 瞬 间 改 变 。 由 LED 的 伏 安 特 性 图 2-2 所示 可 以 看 出 , 在 阈 值 附 近 , 要 瞬 间 大 幅 度 改 变 LED 的 正 向 电 流 , 只 需 使 LED 的 正 向 电 压 稍 作 改 变 既 可 , 因 此 分 压 电 阻 R 实 际 上 阻 值 很 小 即 可。 3.3 控制方式 的选择 14华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 由系统的工作原理和功能可以看出,本系统有 2 个外部 输入信号:频闪输入和爆闪 输入; 一个待测信号: 亮度检测信号。 输出 信号有频闪同步输出信号 , 而系统控制部分 必须产生频闪脉冲、爆闪脉冲和补光脉冲 3 个脉冲信号提供给控制 LED 电流回路通断 的开关管。 另外, 系统 还要实现与上位 PC 机 的单片机通信。 控制部 分的功能比较简单, 因此本方案采用成本低廉、灵活易用的单片机进行控制。 2 个外部输 入信号频闪 输入和爆闪 输入因为是 低电平脉冲 信号,因此 可以使用单 片 机的外部中断功能进行处理。 亮度检测信号是模拟量, 需要进行 AD 转换再交由单片机 进行处理。 [23] 使用单片机进行系统控制有如下特点 : 单片机的生 命周期长, 即使是问世 多年的单片 机类型,至 今仍有其存 活的空间和 价 值, 而且大多数同种类型的单片机都采用相同的内核和指令系统, 因此采用单片机进行 控制可以使产品在很长时间内具有持续更新和升级的优势。 单片机具有低电压和低功耗的优点。几乎所有的单片机都有 wait 、stop 等省电运行 方式,且单片机允许使用的电源电压范围也越来越宽。 当今单片机 的接口功能 不断丰富, 这里所说的 借口包括各 种传感器接 口、工业对 象 的电气接口、 驱动功率接口、 通信网络接口等。 如今, 单片机可以轻松的和一些工业总 线 如 RS232 、RS485 接 口 。 单 片 机 的 速 度 越 来 越 快 。 一 方 面 在 软 件 设 计 上 , 通 过改善 单片机内部的时序, 在不提高时钟频率的条件下, 运算速度得到了提高; 另一方面, 随 [24] 着硬件技术的进步,高速单片机不断出现 。 3.4 单片机选 型 当今通用 型 单片机的生 产厂家已不 下几十家, 种类有几百 种之多。比 较常用的单 片 机大都是 Intel 公司、TI 公司、Motorola 公 司、MicroChip 公司、Atemel 公司等生产的 单片机。这些单片机按照 CPU 和 存储器的构成,可以分成两种架构:冯?诺 依曼架构 和哈佛架构。 按照指令和它们的执行过程, 也可以分成两种架构: 复杂指令集架构和精 简指令集架构。 在这几百种通用型单片机产品中, 我们选择美国微芯MicroChip 公司成 产的 PIC 单片机作为本系统的控制器件。 15华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 美国 MicroChip 公司生产的 PIC 单片机 基于哈佛结构的存储器和总线结构构建系统, 采用了精简指令集, 指令具有单字节、 两级流水线结构的特点 。 另外,PIC 单片 机与其 他公司的同类产品相比, 其功耗高、 驱动能力大、 外围模块设计方便快捷等特点使其成 为了一款方便实用的高性价比单片机。 与其他类型的单片机相比,PIC 单片机具有以下 [25] 优越性 : 1 采用了 哈佛总线结构 。 哈佛结构是 指程序存储 器和数据存 储器位于不 同的物理空 间,两者独 立编址,采 用 不同的寻址和不 同的总线。 与之相对的是冯? 诺依曼结构。 冯? 诺依曼结构又成为普林 斯顿结构,程序存储器和数据存储器在同一物理空间,统一寻址,共用总线。 冯?诺依曼 结构程序存 储器和数据 存储器共用 总线的特点 限制了单片 机工作时的 带 宽, 而且数据读取的可靠性得不到很好的保证。 而哈佛结构将程序存储器和数据存储器 分开,使用不同的总线进行寻址,从而避免了这种劣势。 国内常用的因特尔公司生产的 MCS-51 系列单片机在存储器上采用了哈佛结构,即 MCS-51 系 列 单 片 机 的 程 序 存 储 器 和 数 据 存 储 器 是 分 开 的 , 位 于 不 同 的 物 理 空 间 。 但 MCS-51 系列的单片机程 序和数据共用一条总线。因此可以说 MCS-51 系列的单片机在 存储空间上采用哈佛结构, 但在总线上仍然是冯? 诺依曼结构 , 仍然具有冯? 诺依曼结 构在存取上的劣势。 内 总 线 数 据 总 线 指 令 程 序 数 据 输 入 程 序 数 据 输 入 总 存 储 CPU 存 储 输 出 存 储 CPU 存 储 输 出 线 器 器 接 口 器 器 接 口 a 哈 佛 总 线 结 构 b 普 通 总 线 结 构 图 3-4 两种 总线结构 而 PIC 单片机的程序存储器和数据存储器位于不同的存储空间, 且数据存储器和程 序存储器采用不同的总线访问,因此 PIC 系列单片机不仅采用了哈佛体系的存储结构, 还采用了哈佛体系的总线结构。 它充分发挥了哈佛结构的优越性, 大大提高的整个系统16华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 的运行效率,保证了数据读取的可靠性,如图 3-4 所示。 2 采用了精简指令集 在 20 世纪 80 年代初到中期,复杂指令集CISC 架构是计算机的架构 。在复杂指令 中, 大量的复杂指令都是通