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LED 智能照明系统设计

2013-11-19  来源:华东理工大学信息科学与工程学院(上海,200237)  作者:郁金明 郭丙君  有2564人阅读

本文介绍一个LED 智能照明控制方案,由HT46R47 单片机及其外围电路构成主控机及从控机,分析了电路原理,实现了LED 灯的电力载波无线遥控和调光控制。

  1 引言

  目前,LED 照明已经越来越广泛。随着电力载波技术的发展和成熟,特别是电力载波芯片的速度提高和成本下降,电力载波技术已广泛的应用在智能小区、智能大厦、自动抄表和信息家电等领域。用电力载波技术和计算机技术相结合的LED 控制器,大幅度节约布线成本,实现节能和智能集中双向控制。

  2 系统控制方案

  LED 智能调光系统方框图如图1 所示。

  图1 LED 智能调光系统方框图

  主控机由HT46R47 构成,其功能是用电力载波的调制解调芯片LM1893,通过电力线与从控机通信。

  从控机HT46R47 利用调制解调芯片LM1893,通过电力线获取主控机的指令,控制LED 驱动电流,并将LED 的工作状态通过电力线发送给主控机。

  3 硬件组成

  3.1 调制解调

  LM1893 是FSK 制式的调制解调芯片,可用于电力线载波通讯,实现可靠的串行数据的半双工电力线通信,具有发送和接收数据的全部功能。LM1893 内部电路可分为发送和接收两大部分,电路的工作状态由5 脚收发控制端控制。发送时,17 脚输入的数据由FSK 调制器产生一组控制电流,控制内部IOC(电流控制振荡器)的频率,IOC 输出的调制三角波经过滤波、功率放大从第10 脚输出,再经外部的LC 选频网络和高压电容进入电力线。接收时,电力线上的信号经过耦合电容、高频滤波,再经LC 并联谐振回路选频,通过第l0 脚进入芯片内,经过限幅滤波、PLL(锁相环路)解调出数据信号。信号经低通滤波器、直流消除电路和噪声滤波电路的信号处理,通过12 脚输出信号。另外,集成电路的1 脚、2 脚为电流控制振荡器外接电容端,18 脚为外接电阻端,用以调节载波频率。8 脚、9 脚可选外接提升管的射极和基级用以提高发射功率,也可直接短接。16 脚用以连接限幅放大器的滤波电容。3 脚、4 脚用以连接锁相环外接电容和电阻,其参数的选择决定锁相环的锁定频率和捕捉范围。

  LM1893 可实现串行数据的半双工通信,其主要功能特性如下:采用 FSK 抗噪声调制技术,可选择噪声滤波的脉冲发生器;数据传输率可达4.8kb;采用正弦波载频可降低射频干扰,射频功率可增强10 倍;载波频率可在(50 ~ 300) kHz 之间选择。本系统中设定信号载波频率为125kHz。

  3.2 LED 驱动器的工作原理

  LED 驱动器选取HV9910。HV9910 控制LED 亮度PWM调光办法:PWM 调光方案需要IC 的PWM-D 脚从外部引入一个PWM 信号,外部的PWM 信号可来自1 个单片机或1 个脉冲发生器,并符合调节输出电流要求的占空比。该PWM 调光模式的成败取决于该外部信号,在该模式下,LED 电流处于两种状态:关闭状态和名义上被RSENSE 电阻设定的电流值状态。在这两种状态之间,LED 的平均亮度均不可能超过被设定的极限状态下的亮度(即占空比为100% 状态)。因此,LED 的亮度就可以在0% ~ 100% 之间调节了。精确的PWM调光方法只限于很小的脉冲宽度,而且该脉冲来自于1 个低频率的PWM 信号中一小部分的百分比。

  建议设计在(200 ~ 500)Hz 之间比较合理。如果是外控PWM 市电直驱设计时要注意信号隔离,光耦和变压器都可以,该模块没有提供隔离供电部分。

  HV9910 能控制所有的基本类型转换器,隔离的或非隔离的,操作在连续的或不连续状态下的传导模式。当HV9910的GATE 脚提供功率MOSFET 信号时,驱动器就在1 个电感中储存能量,或在变压器的初级线圈中储存能量,根据转换器的类型不同,能量也可能部分直接传送到LED 上去。储存在磁性元件中的能量,在功率MOSFET 关断时向输出端送出(FLYBACK 工作模式)。

  当在VDD 的电压超过UVLO 阀值电压,GATE 脚输出,输出电流依靠外部功率MOSFET 的峰值电流来控制,MOSFET 的源极接有1 个调节电流的电阻RSENSE,且该调节电流电阻上的电压被反馈到9910 的CS 脚上去。一旦电流飙升,CS 脚上的电压超过阀值,GATE 脚输出信号中止,MOSFET 关断。该自动关断的阀值,在9910 内部已经被设定为250mV,也可通过改变LD 脚的电压来调节。如果需要设定软启动,LD 脚需要接1 个电容来抬高它的电压,确保通过LED 的输出电流在启动时是逐渐提高的。

  3.3 功率因数校正

  当负载LED 的输出功率没有超过25W 时,可在图1 的电路中加入一个被动的PFC 回路,它可通过EN61000-3-2 中关于C 类电器的AC 线路中谐波含量的要求。该典型的应用中,不通过主动PFC 回路就能达到要求,值得注意。该PFC 回路中包含3 个二极管和两个电解电容,它可以矫正输入的交流电压,改善本电路中的谐波畸变量,从而提高功率因数达0.85以上。

  主控单片机和从控单片机与LM1893 连接见图1,单片机TXD 和LM1893 数据输入端DIN 相连,RXD 和LM1893 输出端DOUT 相连,可用一个I/O 口控制首发模式。从控单片机通过LED 驱动芯片控制LED 的电流,进行调光控制。

  4 通信过程和软件的实现

  正常情况下,从控机设定为处于接受状态,等待着主控机定时查询其工作状态。当接收到自己的查询指令时,从控单片机便向主控机发送自己的工作状态。主控机接收从控机的数据,当需要控制LED 灯时,主控机向从控机发送数据,从控机控制LED 灯。

  主控机向从控机发送数据时,处于接受状态的从控机从电力线上接收信号。当从控机接收到第一个字节的数据,设主控机忙标志,禁止从控机向主控机发送数据,从控机对接收到的数据校验码进行校验,并将校验码正误情况发回主控机。主控机接收到数据,对正误标识进行判断,如遇到错误表示或在一定时间内没有收到回送信息,则进行命令重发。从控机向主控机发送数据的过程和主控机向从控机发送的过程基本相同。

  5 谐振电路设计

  信号耦合,是通过接口电路中谐振电容与变压器初级电感的谐振实现的。因此,谐振频率必须与载波信号频率相同。

  式中:谐振频率FQ=125kHz,L1=49.11μH,从而可以求出Co=33nF。此谐振电路允许芯片发送的125kHz 的载波信号耦合到电力线上,同时,允许电力线上通过频率的载波信号传入芯片进行解调,这就滤除了其他高频信号的干扰。然而,电网中负载的变化对信号的耦合和信号传输有比较大的影响,因此,应根据应用条件的不同适当改变匝比,以保证载波信号传输的可靠性。另一关键性器件是LM1893 的Pin8 与Pin9之间的功率放大三极管,LM1893 芯片资料推荐使用NPN 型晶体管2N2222。

  本系统数据传输波特率为250bd, 载波中心频率为124kHz,与设定值125kHz 相比误差仅为0.8%。

  载波信号频率,由电路中LM1893 芯片的第1 脚、2 脚间的电容及第18 脚上的电阻值共同决定,实际设计中此电容值固定为560pF,电阻值可用10K 精密可调电阻,通过改变可调电阻值就可以改变载波信号频率。但是需要注意的是,要保证LM1893 芯片正常工作,此电阻值应保持在5.6kΩ ~ 8kΩ范围内,因此,选择一个5.6kΩ 电阻串联一个2kΩ 的可调电阻。

  6 结语

  本文设计的LED 智能照明电路已经得到了应用,实现了无线调光功能,对于LED 的应用具有推广和实用价值。

 

编辑:Cedar

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