基于C51系列单片机LED驱动电源设计电气工程专业.docx

摘要 发光二极管（Light Emitting Diode, LED）是 20 世纪末出现的新型照明光源， 在节约能源、保护环境方面性能突出。由于 LED 不能直接由电网供电，点亮 LED 的驱动电源成为重要的研究课题，基于开关电源技术设计的LED 驱动电源在工程应用中显示出了强大的竞争力。通过研究可编程器件作为LED 驱动电路中核心的开关信号发生器，可以更好的满足高集成度、简单外围电路、数字化控制等性能特点。 本文针对可编程器件 C51 系列单片机作为 LED 驱动电路中的核心控制芯片， 研究了单片机作为LED 驱动电源的脉冲宽度调制（PWM）信号发生器，以及单片机为处理器的后级数字化控制方法。阐述了单片机的硬件电路工作原理和LED 驱动相关技术。介绍了如何通过软件方法来控制脉冲宽度调制信号达到调节驱动电源输出的目的。分析了 LED 驱动的设计需求以及相关安全规章标准，给出了搭建电源硬件电路和单片机最小系统电路的具体方法，设计了基于 C51 系列单片机的软件控制方法，实现了以 C51 系列单片机为脉冲宽度调制信号发生器的大功率LED 驱动设计。 基于可编程器件单片机技术的LED 驱动系统测试表明，正确的设计主电源电路结构，合理的控制脉冲宽度调制信号以及正确的后级采样反馈可以完成稳定可靠的 LED 驱动的电源设计，提升工作效率，并且具有可扩展外部接口功能。达到了论文设计的目的要求。 关键词：LED 驱动 单片机 开关电源 脉冲宽度调制 Abstract Light-emitting diode (Light Emitting Diode, LED) appeared in the later 20th century as a new lighting source. LED play an important part in energy saving and environmental protection. As the LED can`t be directly powered by the power grid, so the LED driver become an important research topic. LED driver which based on the design of switching power supply technology in engineering applications showed strong competitiveness. Through the study that programmable devices as LED driver circuit core switching signal generator, can better meet the high level of integrat ion, simple peripheral circuits and digital control. This article mainly talk about the relationship between the programmable devices of C51 series microcontrollers and LED driver, to study the programmable device microcontroller as pulse width modulation (PWM) signal generator of LED driver and the method of digitize control used in post- feedback system. Expounding the principles and techniques of microcontroller hardware circuitry and LED driver, describing the method of how to implement the software to change the pulse width modulated signal to adjust the drive power and mixed operation of the digital-to-analog circuit. Analyzing the LED driver design requirements and safety regulation standards, giving the specific method of building power hardware circuit and Single Chip Microcomputer(SCM) minimum system circuit, designing the software control method based on SCM, completing high-power LED driver design based on SCM as PWM signal generator. Programmable device microcontroller technology LED driver system tests show that ,the correct design of the main power circuit structure and the right sampling feedback circuit, can reasonable control of the duty cycle of the PWM signal and complete the reliable output of constant current and voltage on LED driver as well as enhance work efficiency. What is more it has the functions of scalable external interface. Finally it well achieve the purpose of the paper design requirements Keyword: LED Driver Single Chip Microcomputer Switching Power Supply Pulse Width Modulation 目录 第一章 绪论 1 1.1 选题背景及研究意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 国外研究现状 3 1.2.2 国内研究现状 3 1.3 论文工作内容 4 1.4 论文组织结构 5 第二章 LED 驱动电源与单片机相关理论与技术 7 2.1 开关电源相关技术理论 7 2.1.1 开关电源构成与分类 7 2.1.2 DC/DC 变换器结构与控制原理 9 2.2 LED 工程应用基础 12 2.2.1 LED 相关理论 13 2.2.2 LED 驱动技术 14 2.3 C51 系列单片机理论与技术 15 2.4 本章小结 17 第三章 LED 驱动电源设计需求分析 19 3.1 项目开发陈述 19 3.2 系统功能模块整体设计 20 3.3 系统整体技术指标分析 22 3.3.1 功率因数校正技术 22 3.3.2 系统电磁兼容性技术 23 3.3.3 系统能效指标 24 3.4 本章小结 24 第四章 LED 驱动硬件架构设计与器件选择 25 4.1 LED 驱动硬件系统整体架构 25 4.2 主电源电路各模块设计 26 4.2.1 整流滤波模块 26 4.2.2 功率因数校正模块 27 4.2.3 泄放电路设计 28 4.2.4 功率开关管工作模块 29 4.3 电源电路核心器件设计与选择 30 4.3.1 储能变压器设计 30 4.3.2 主要电子元器件选择 31 4.3.3 单片机类别选择 32 4.4 单片机控制系统电路设计 33 4.4.1 模数转换采样反馈系统设计 33 4.4.2 外部数码显示及接口键盘设计 34 4.5 本章小结 35 第五章 C51 系列单片机软件控制方法设计 37 5.1 LED 驱动软件应用架构设计 37 5.2 LED 驱动软件功能设计 38 5.2.1 PWM 驱动信号设计 38 5.2.2 PWM 信号占空比调整算法设计 41 5.2.3 按键模块程序设计 42 5.2.4 A/D 采样模块程序设计 44 5.2.5 数码管显示部分设计 46 5.3 本章小结 47 第六章 系统测试及分析 49 6.1 测试环境 49 6.2 硬件模块的测试 50 6.3 软件模块的测试 51 6.4 LED 驱动整机性能指标测试 53 6.4.1 功率因数指标测试分析 53 6.4.2 电磁兼容指标测试分析 55 6.4.3 系统能效指标测试分析 57 6.5 本章小结 57 第七章 结束语 59 7.1 论文工作总结 59 7.2 后续工作展望 60 7.2.1 项目中的不足 60 7.2.2 项目后续相关扩展 61 参考文献 65 附录一：LED 驱动主电源电路 67 第一章 绪论 5 第一章 绪论 本章针对所选课题进行相关的背景说明，分析了国内外相关课题的研究程度， 就论文做出的工作给出了总体的描述。 1.1 选题背景及研究意义 近年来随着LED技术的不断创新和发展，人们对LED 驱动器的需求与日俱增， 基于开关电源设计的LED 驱动电路在工程应用中显示出了强大的竞争力，其具有高集成度、高性能比、最简洁的外围电路、最佳的性能指标等特点。开关电源式LED 驱动器现在已经成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产品。目前，随着 LED 技术的广泛应用，开关电源式 LED 驱动器显示出了强大的发展潜力。开关电源式 LED 驱动器产品的开发、研制、生产已经成为发展前景十分诱人的朝阳产业[1]。 LED 是继火、白炽灯、荧光灯后人类照明的第四次革命，与前三次有本质区别的是，LED 依靠电流通过固体直接辐射光子发光，发光效率是白炽灯的 10 倍， 是荧光灯的 2 倍；同时理论寿命长达 100000h，防震动，安全性好，不易破碎，非常环保。今天，似乎全世界的目光都聚焦在 LED 这个新型的光源上，它被誉为 21 世纪的绿色照明产品[1]。 随着技术不断进步，发光效率进一步提高，以及单位成本持续下降，LED 的应用领域不断扩宽。LED 的应用从早期的仪器仪表指示、交通信号灯、景观照明和手机背光发展到目前方兴未艾的汽车照明、笔记本电脑屏幕背光，未来还将应用到大尺寸液晶显示器、液晶电视甚至普通照明领域，发挥着传统光源无可比拟的作用，市场前景非常广阔。 近年来，在政府的大力支持及政策引导下已有很多企业投资 LED 照明产品项目，目前一些产品的触角已涉及室内功能照明，如图书馆照明、博物馆照明、教师照明、汽车灯照明[1]。随着社会的进步和人们对居住、生活与工作要求的提高， 人们对于LED 照明的功能有了进一步的要求。希望通过智能控制的方式对照明系统进行合适的调整，满足人们心里和生理的需要。 由于缺乏成熟的LED 照明灯具评价标准与检测体系，目前对于 LED 功能照明 产品的参数的认定方式并不一致，而且LED 自身发展速度迅猛，很难客观的评价LED 功能照明产品的实际状况。专家 Narendra 认为在 2008 年底，国际上的 LED 照明系统的整体效率在 54％左右，其中光学效率约为 80％，热效率约为 85％，电 器效率为 85％。目前大功