基于红外遥控的大功率LED照明系统设计

目前，照明是我国能源消耗的重要方面，每年的照明用电约为3000 亿千瓦时，约占发电总量的12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高；同时，随着能源危机和环保问题的日益严峻，我国照明产业也必须走绿色节能的发展道路。LED 是一种将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源；其作为一种新型的绿色照明方式，应用前景举世瞩目，尤其高亮度的白光LED 的开发成功，使得LED 在照明领域得以推广应用，也必然引起照明领域一场新的革命。

　　与现行白炽灯、荧光灯等照明设备相比，白光LED 具有发热低、耗电量少（白炽灯的1/8,荧光灯的1/2）、寿命长（数万小时以上，为荧光灯的10 倍）、体积小、无污染、反应速度快、安全可靠等优点，是被业界看好在未来可替代传统照明器具的一大潜力产品。

　　同时，考虑到目前部分照明产品缺少亮度调节、红外遥控等功能，无法满足现代照明的实际需求。因此，本文设计了一种以AT89S51 单片机为核心的可红外遥控大功率白光LED 照明系统，其采用PT4115 大功率LED 恒流驱动方案与红外遥控技术，通过对一款基于TC9012红外遥控器的按键编码识别与解码处理，可红外遥控实现对LED 光源的多级PWM 调光功能。本设计在实现高效节能的同时，也为实际照明应用提供了极大的便捷。

　　1、系统结构与功能本照明系统以AT89S51 单片机为主控芯片，选用3 只3W 大功率白光LED 为光源，采用PT4115 芯片实现LED 恒流驱动系统，红外遥控系统则由TC9012 遥控发射器与HS0038红外接收器构成。系统结构框图如图1 所示。

 　　本系统以一款采用TC9012 芯片的家用遥控器作为红外发射单元，其使用普遍，价格低廉，且发射编码多，可控制实现对LED 光源亮度的多级调节；红外接收器由HS0038 构成，它是集成有红外接收头、放大、解调和整形电路的一体化部件，可输出让单片机识别的TTL信号；红外遥控信息处理则由单片机AT89S51 实现，其主要完成对遥控器发出的红外编码进行识别与解码，然后根据解码结果产生遥控器键值所对应的PWM 调光信号，从而控制PT4115 恒流驱动系统实现LED 多级调光功能。

　　2、系统原理

　　2.1 PWM 调光原理从 LED 伏安特性及数学模型可知，LED 在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED 电流的较大波动，并且环境温度、LED 老化等因素也将影响LED 的电气特性，若LED电流失控，LED 长期工作在大电流下将严重影响其可靠性和使用寿命。而LED 的光输出直接与LED 电流有关，所以LED 驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下宜采用恒流驱动方式。

　　在实际应用中，LED 调节亮度一般采用两种方法，即模拟调光或PWM 调光。模拟调光与PWM 调光对比如图2 所示。模拟调光是通过改变流过LED 电流的大小来调整光效的，除了亮度会改变以外，也会影响LED 的光效质量，即电流变化必然导致LED 的色度偏差。

　　PWM 基本原理是保持LED 正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，可以实现从0 到100%范围的亮度调节。PWM 调光的优势是LED 正向导通的电流一直是恒定的，LED 的色度就不会像模拟调光一样会变化；在精确控制LED 的亮度的同时，也保证LED 发光的色度。

　　为了避免人眼能够看到LED 的导通和关断，而感觉到灯光闪烁，PWM 调光的频率要高于100Hz,由于人眼的视觉残留效应，眼睛就会对导通和关断时间内的亮度进行平均，仅仅看到由PWM占空比决定的有效亮度。对于PWM调光频率设置在软件设计时应予以注意。

　　2.2 红外遥控原理红外线遥控是目前使用最广的一种遥控手段。红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，在现代电子产品（家用电器、玩具、通信设备） 中普遍采用红外遥控。

　　若能将红外遥控器的按键编码进行识别与解码，并用作单片机系统的输入处理信号，则解决了常规矩阵键盘线路板过大、布线复杂、占用I/O 口过多的弊病；而且使用遥控器，可实现人对设备的长距离操作控制，使用更加便捷高效。

本设计采用一款基于TC9012 芯片的电视机遥控器作为红外发射单元。TC9012 采用脉冲宽度调制编码格式，以不同的脉宽宽度来实现二进制信息的编码，其发射编码格式由引导码、用户码、数据码、数据反码和结束码构成。引导码由4.5ms 的高电平和4.5ms 的低电平波形所构成，以作为一帧数据的起始位；一帧数据中含有32 位码，包含两次8 位用户码，8位数据码和8 位数据码的反码，用户码用于区分不同类型的红外遥控设备，数据码即代表实际按下的键值信息，数据反码是数据码的各位求反，通过比较数据码与数据反码，可判断接收到的键值数据是否正确；最后发送结束位（SY），作为一帧数据的结束。发射码的格式如图3 所示。

　　红外二进制编码信息‘0’与‘1’分别由毫秒量级的高低脉冲组合实现。以脉宽0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms 的组合表示二进制“0”,以脉宽0.56ms、间隔1.69ms、周期2.25ms 的组合表示“1”.脉冲信号都调制在占空比为1/3,频率为38kHz 的载波上再发送出去。二进制参数“0”和“1”如图4 所示。

　　红外二进制信号的解调由一体化红外接收器HS0038 来完成。对于接收端而言，当无红外脉冲信号时HS0038 的数据输出OUT 端输出高电平，当有高脉冲红外信号时OUT 端输出为低电平，故其输出信号电平正好与发射端相反。这一点在软件设计时应予以注意。

　　3、系统硬件电路设计

　　3.1 单片机主控系统本设计主控系统采用ATMEL 公司的高性能单片机AT89S51 实现。使用一款基于TC9012 芯片的家用电视遥控器作为系统的红外发射器；单片机P3.2 口连接一体化红外接收器HS0038 的数据输出OUT 端；单片机P1.0 口作为PWM 信号的输出端并连接PT4115 芯片DIM 端，用于实现PWM 调光控制。单片机通过对红外遥控器0~9 按键以及开关按键红外编码的识别与解码，并根据解码结果产生键值对应的PWM 信号，从而驱动LED 实现不同的亮度调节。系统晶振电路由12MHZ 晶振与两个30PF 电容组成；复位电路则由S1 按键、10K 电阻与10uF 电解电容构成。主控系统电路如图5 所示。

　　3.2 基于 PT4115 的恒流驱动系统本设计 LED 光源采用基于PT4115 的大功率恒流驱动系统。PT4115 是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源芯片，其具有以下特点：①6V~30V 宽电压范围输入；②输出电流可达1.2A;③复用DIM 引脚进行LED 开关、模拟调光、PWM 调光；④输出电流精度达5%;⑤转换效率高达97%;⑥LED 开路保护；⑦输出可调的恒流控制方法；⑧内部含有抖频特性，极大的改善EMI.该芯片适合用于各类绿色照明LED灯的驱动电路，应用电路简洁，所需外部元器件较少且价格低廉。

　　PT4115 通过芯片上的DIM 端，可以方便的进行模拟或PWM 调光。本设计采用PWM调光方式，通过在DIM 引脚加入可变占空比的方波脉冲信号调节输出电流以实现调光。当方波电压幅值低于0.3 V 时关断LED 电流，高于2.5 V（且低于5V）时完全开启LED 电流。

　　该条件下电流输出值IOUT 计算公式为：

　　IOUT =（0.1×D）/ Rs （D 为方波信号占空比，Rs 为限流电阻）本设计LED 光源采用串联方式，共由3 只3W 的大功率白光LED 组成；每只LED 额定电流约700mA,正向压降3.3V~3.6V,亮度可达150lm.在考虑尽量降低周边器件自身功耗的前提下，采用PT4115 的恒流驱动系统设计如下：①确定输入电压Vin 值，当Vin 与负载电压差值在1.5V 左右时工作效率较高，由于3 只LED 负载电压约10V,因此选用12V/2A的电源适配器供电。②Rs 作为限流电阻，其取值决定LED 的最大驱动电流。考虑到大功率LED 的结温与散热要求，其工作电流不易过大，本文驱动系统按LED 工作电流IOUT=625mA设计，即Rs=0.1/IOUT,Rs 选取0.16 Ω 的高精度电阻。③Cin 具有续流和滤波功能，选用50V/100uF 电容。④L1 为镇流电感，选取电感值为68μ H,且饱和电流为2A.⑤D1 是续流二极管，当芯片内部MOS 管截止状态时为储存在电感L1 中的电流提供放电回路；由于工作在高频状态，D1 选用正向压降小且恢复速度快的肖特基二极管SS24,以有效降低系统功耗。LED 恒流驱动电路如图6 所示。

　　4、系统软件设计

　　4.1 系统主程序系统主程序主要包括初始化程序（包括定时器与外部中断设置）、红外码值处理程序与键值识别散转程序。主程序流程如图7 所示。

  　4.2 红外解码中断程序红外解码中断程序用于完成对遥控器发出一帧脉冲的各个高、低脉冲时间的计时与存储，以便在红外码值处理程序中通过分析各个脉冲的时间实现对红外编码的二进制解码。

　　当遥控器无键按下时，即红外接收器HS0038 在没有接收红外信号，其OUT 端输出高电平；当遥控器有键按下时，‘0’和‘1’编码中的高电平经红外接收器HS0038 倒相后输出低电平。由于HS0038 的OUT 端与单片机的外部中断INT0 引脚相连，将会触发单片机中断（即设置为负跳变沿触发中断）。一旦系统检测到红外脉冲中的高电平信号，即触发INT0中断，定时器T0 开始计时（定时时间为250us），以定时器T0 溢出中断记录每次脉冲期间定时器溢出的次数；到下一个高电平脉冲到来时，即再次产生中断时，先将定时器溢出次数取出，然后将溢出次数清零后再重新记录。通过定时器溢出次数判断每次中断与上一次中断之间的时间间隔（时间间隔即为定时器溢出次数与250us 的乘积），便可判断接收到的是引导码、编码‘0’或‘1'.在中断程序中，首先判断并跳过持续9ms 的引导码，然后依次采集存储32 位脉冲编码时间。红外解码中断流程如图8 所示。定时器计时流程如图9 所示。

　　4.3 红外码值处理程序红外码值处理程序主要完成对红外编码的解码处理，通过对一帧红外编码中32 位脉冲编码时间的分析处理，判断其对应'0’或‘1’的二进制编码，从而确定两次8 位用户码、8 位数据码和8 位数据码的反码。

从 TC9012 红外编码分析可知，“0”编码脉冲时间为1.125ms,“1”编码脉冲时间为2.25ms.在实际程序处理中，应考虑由于遥控器晶振参数等原因存在的误差，故定时器T0溢出次数值取7（即1.75ms）作为‘0’或‘1’编码的判断标准。当溢出次数小于7 时则判断为‘0’编码，当溢出次数大于7 时则判断为‘1’编码，并将该32 位二进制编码按4 个字节处理分别得出用户码、数据码以及数据反码，其中数据码即代表实际按下的红外遥控器键值信息。可利用单片机将解码出的键值数据码通过数码管显示，通过得出遥控器键值与数据码的对应关系，以便用于键值识别散转程序的判断处理，具体键值解码结果，本文不再赘述。红外码值处理流程如图10 所示。

　　4.4 键值识别散转程序键值识别散转程序用于对正确接收下来的红外发射器键值编码进行识别散转处理，在判断用户码正确的前提下，根据不同的按键数据码控制生成对应的PWM 信号，以实现LED亮度调节功能。本程序采用红外遥控器的0~9 按键作为LED 的1~10 级亮度的选择按键，并将遥控器开关键作为LED 的关闭按键。键值识别散转流程如图11 所示。

　　PWM 脉冲信号则由单片机利用定时器T1 中断控制P1.0 口输出产生，其输出的高低电平输入PT4115 芯片DIM 端以控制LED 电流的通断状态，从而实现LED 的亮度调节。将定时器T1 溢出中断定为1/2500 秒（即400μ S），每10 次脉冲作为一个周期，即频率为250HZ.

　　这样，在每1/250 秒的方波周期中，通过改变方波的输出占空比，从而实现LED 灯的10 级亮度调节，即LED 亮度等级由每个周期内的高电平脉冲数目决定，其中高电平脉冲数目由红外遥控器键值确定，即0~9 按键对应确定1~10 亮度等级数值。定时器T1 生成PWM 流程如图12 所示。

　　5、实验结果采用本文设计方案对一处家庭室内壁灯进行替换改造。原壁灯采用3 只220V/20W 卤素灯，总功率约为60W;现壁灯采用本文大功率白光LED 照明方案实现，最低功率（即LED最低亮度状态）约为0.83W,最大功率（即LED 最高亮度状态）约为6.52W,相比于原卤素灯照明系统可节约电能90%以上。卤素灯与大功率LED 实物对比如图13 所示。实验证明该系统运行稳定，调光精确，高效节能，且红外遥控功能方便快捷，用户可根据需求灵活选择不同等级的照明亮度。改造前后照明效果对比如图14 与图15 所示。

　　6、结论本文设计的基于红外遥控的大功率白光LED 照明系统，采用AT89S51 单片机为控制核心，运用恒流驱动方案与PWM 调光技术以及红外遥控技术实现对LED 的多级调光控制。

　　该照明系统具有控制电路简单、亮度调节精确、高效节能、实用便捷等优点，符合现代照明的应用要求。LED 作为一种新型的绿色光源，必然是未来照明技术的发展趋势，21 世纪将进入以LED 为代表的新型照明光源时代。