基于AVR 的新型LED 无线智能调光系统设计

杨润光

(中国计量学院，浙江 杭州 310018)

随着计算机技术、自动化技术、电子技术、通信技术的发展，传统照明控制方式仅仅是执行灯具的开关这一简单的动作，事实证明其已不能满足人类对照明的控制需求，智能照明控制系统便应运而生［1］。现在人类需要的不仅仅是简单的照明，而是照明的形式要丰富多彩，光线的色彩要具有变换的特性，光线的强弱要具有可调性。这便促使电子设计人员去开发更加自动化、智能化的控制系统以满足不同人群以及市场的需求［2］。LED 是20 世纪90 年代发展起来的新一代冷光源，具有传统光源无可比拟的优势。它具有转换效率高、反应速度快、体积小、耗电量小、寿命长、环保等优点，被称为继白炽灯，荧光灯和高强度气体灯之后的第四代光源［3］。伴随着LED 应用的不断发展，LED 驱动的调光技术显得越来越关键。有线调控方式需要在墙面上预留开关位置，并且相对于无线遥控模式的调光方式不方便人们随时随地对灯光进行调控，便利性较差［4］。

针对以上问题，本文设计了一款基于高度集成反激型电源拓扑的LED 调光系统，它的电源部分采用基于MAX16802设计的恒流驱动电源，以方便实现高效传输;调光控制部分采用ATmeage16 单片机芯片进行PWM 调光，使得其效率和精度均高于目前传统方式;无线控制部分采用红外传感技术，便于实现无线传输。

1 电路设计

本文设计的LED 无线智能调光系统结构图如图1 所示，它是由主电路、PWM 控制电路和无线调光电路组成的，其中主电路采用恒流驱动电路，它可以将输入的交流电转换为供负载使用的恒流电源;反馈电路为实现稳压功能，对主电路二次整流后的电压采样反馈;无线调光电路根据红外遥控器发出的信号通过ATmeage16 单片机产生不同占空比的PWM 信号调节LED 的亮度［5］，从而实现本设计所需要完成的功能。

图1 电源系统结构

2 恒流变换和反激变换电路

2.1 反激变换电路

图2 是反激变换的主电路。当开关管导通时，变压器原边电感电流开始上升，此时由于次级同名端的关系，输出二极管截止，变压器储存能量，负载由输出电容提供能量。当开关管截止时，变压器原边电感感应电压反向，此时输出二极管导通，变压器中的能量经由输出二极管向负载供电，同时对电容充电，补充刚刚损失的能量。因为能量是单方向传递的，所以称为反激单端变换器。

图2 反激变化主电路

2.2 恒流变换电路

基于MAX16802 芯片设计的恒流驱动电路如图3 所示。MAX16802 是高度集成反激型PWM 控制的白光LED 驱动器，反激型白光LED 驱动器的输入电压可高于或低于所要求的输出电压。此外，当反激电路工作在非连续电感电流模式时，能够保持白光LED 电流稳定，无需额外的控制回路。其输出电流可由高边检流电阻调节，专用的脉宽调制(PWM)输入可实现宽范围的脉冲式LED 亮度调节［6］。PWM 输入为低电平时，开启LED 电流;输入为高电平时，关掉LED 电源。信号频率为100～1 000 Hz，峰值在1.5～5.0 V之间，通过改变占空比调节LED 亮度。频率低于100 Hz 时的信号可能会导致输出闪烁，增大占空比时，LED 亮度减弱，反之亦然。PWM 占空比为0 时，LED 亮度达到100%。也可以通过改变LIN 输入电压的幅度来线性调节LED 的亮度。LIN 输入调制检流信号，在不同的电流下输出到MOS 晶体管，这一过程会进一步控制输出电流，从而达到控制LED 亮度的目的［7］。图3 中，R13 为LED 的检流电阻，该电阻的计算公式为:

式中:VLED为LED 工作电压;ILED为所要求的LED 电流;VD为D2 的正向电压。根据式(1)求得的IPEAK，利用下式计算检流电阻R13

其中，0.292 V 为检流门限电压。R11和R12组成一个电压分阻器，能够在检流引脚之前按比较降低检流电阻上的压降。

图3 基于MAX16802 芯片设计的恒流驱动电路

3 反馈电路设计

整个反馈电路主要是由采样电路和脉冲宽度调制控制电路构成的。本文设计的脉冲宽度调制PWM 控制电路主要是基于TOP 芯片进行设计的。由TOP243Y 芯片及其外围电路构成的PWM 控制电路如图4 所示。当采样电路的感光端得到的反馈电流增强时，便将反馈信号输入到TOP243Y 芯片的控制引脚，同时将控制信号转化为TOP243Y 芯片内部功率MOS 晶体管开关输出的占空比，这样在正常情况下，功率MOS晶体管的占空比和控制引脚电流成反比关系［8］。TOP243Y 芯片是将高频开关电源中的PWM 控制器和MOS晶体管功率开关管集成在同一芯片上的，所以在设计反馈电路时，我们常采用TOP 类芯片，本文的设计主要采用的是TOP243Y 芯片。

图4 PWM 控制电路

4 调光电路设计

调光电路的核心芯片选择AVR 单片机，其已广泛地应用于军事、工业、家用电器、智能玩具、便携式智能仪表和机器人制作等领域。本文中的调光电路包括红外接收和发射模块以及单片机控制模块的设计，通过AVR 单片机控制后使得单片机接收到不同信号，同时产生不同占空比的PWM，以达到调节LED 亮度的效果。

4.1 红外发射接收模块的设计

红外发射电路是一个共发射极的放大电路，调整基极偏置，输入模拟信号经过电压与功率放大，红外发光二极管的输出功率也随着模拟信号而改变，从而可以将输入信号发送出去。红外接收模块采用红外发光管接收信号，然后将接收到的红外信号通过三极管将电压放大，再通过音频放大芯片将功率放大，用可变电阻进行调试，使其能达到较适宜的增益，最后通过输送到扬声器。

4.2 单片机控制模块的设计

单片机控制模块包括对红外信号的解码部分和产生PWM 部分的设计。当遥控发射器按下后，即有遥控码发出，解调后，送到单片机的信号输入端。单片机对16 位的地址码解码，解码的结果和给定的地址码一致再控制PWM 占空比的变化，避免了其他信号的干扰。同时为了预防单片机在开关电源电路中受到电磁干扰，主要从软件设计以及PCB 布局设计来考虑［9］。在软件设计方面，采用双时限看门狗定时器。PCB 的设计应具有良好的地线层、尽可能缩短元件的引脚长度或选用贴片元件等［10］。

5 系统设计流程

系统的整体流程如图5 所示。使用ATmeage16 单片机的定时器输出PWM 脉冲信号，输出电平在计数器等于TL1时复位，当计数器的值等于TL0 时置位，改变TL0 的值可以改变输出信号的周期，改变TL1 的值可以改变输出信号的占空比。

图5 系统整体流程图

6 实验结论

在单片机输入的PWM 占空比变化的情况下，电流取样电阻两端电压的占空比准确地跟随PWM 占空比的变化而变化，反映了LED 驱动电流的变化，说明该方案实现了多级调光功能，并且输出纹波电压在精度要求范围以内，输出电压稳定，恒流精度较高，功率因数高，驱动电源转换效率可以达到90%以上，满足了设计要求。

7 结束语

文中所设计的基于AVR 单片机的新型LED 无线智能调光系统结构简单，工作稳定。它通过红外发射模块发射无线信号、接收模块接收信号并解码后送入单片机，单片机根据指令的不同输出不同的占空比的PWM 信号，对LED 进行调光控制。其成本较低，适用范围广，有一定的应用价值。

［1］罗静华.大功率LED 智能化照明控制系统设计［J］.单片机与嵌入式系统应用，2010(1) ：50－52，56.

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