目前，照明是我國能源消耗的重要方面，每年的照明用電約為3000 億千瓦時，約占發(fā)電總量的12%.隨著經濟發(fā)展，我國的照明用電將有大比例的提高；同時，隨著能源危機和環(huán)保問題的日益嚴峻，我國照明產業(yè)也必須走綠色節(jié)能的發(fā)展道路。LED 是一種將電能轉變?yōu)楣饽艿陌雽w發(fā)光器件，屬于固態(tài)光源；其作為一種新型的綠色照明方式，應用前景舉世矚目，尤其高亮度的白光LED 的開發(fā)成功，使得LED 在照明領域得以推廣應用，也必然引起照明領域一場新的革命。

　　與現行白熾燈、熒光燈等照明設備相比，白光LED 具有發(fā)熱低、耗電量少（白熾燈的1/8,熒光燈的1/2）、壽命長（數萬小時以上，為熒光燈的10 倍）、體積小、無污染、反應速度快、安全可靠等優(yōu)點，是被業(yè)界看好在未來可替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力產品。

　　同時，考慮到目前部分照明產品缺少亮度調節(jié)、紅外遙控等功能，無法滿足現代照明的實際需求。因此，本文設計了一種以AT89S51 單片機為核心的可紅外遙控大功率白光LED 照明系統(tǒng)，其采用PT4115 大功率LED 恒流驅動方案與紅外遙控技術，通過對一款基于TC9012紅外遙控器的按鍵編碼識別與解碼處理，可紅外遙控實現對LED 光源的多級PWM 調光功能。本設計在實現高效節(jié)能的同時，也為實際照明應用提供了極大的便捷。

　　1、系統(tǒng)結構與功能本照明系統(tǒng)以AT89S51 單片機為主控芯片，選用3 只3W 大功率白光LED 為光源，采用PT4115 芯片實現LED 恒流驅動系統(tǒng)，紅外遙控系統(tǒng)則由TC9012 遙控發(fā)射器與HS0038紅外接收器構成。系統(tǒng)結構框圖如圖1 所示。

 　　本系統(tǒng)以一款采用TC9012 芯片的家用遙控器作為紅外發(fā)射單元，其使用普遍，價格低廉，且發(fā)射編碼多，可控制實現對LED 光源亮度的多級調節(jié)；紅外接收器由HS0038 構成，它是集成有紅外接收頭、放大、解調和整形電路的一體化部件，可輸出讓單片機識別的TTL信號；紅外遙控信息處理則由單片機AT89S51 實現，其主要完成對遙控器發(fā)出的紅外編碼進行識別與解碼，然后根據解碼結果產生遙控器鍵值所對應的PWM 調光信號，從而控制PT4115 恒流驅動系統(tǒng)實現LED 多級調光功能。

　　2、系統(tǒng)原理

　　2.1 PWM 調光原理從 LED 伏安特性及數學模型可知，LED 在正向導通后其正向電壓的細小變動將引起LED 電流的較大波動，并且環(huán)境溫度、LED 老化等因素也將影響LED 的電氣特性，若LED電流失控，LED 長期工作在大電流下將嚴重影響其可靠性和使用壽命。而LED 的光輸出直接與LED 電流有關，所以LED 驅動電路在輸入電壓和環(huán)境溫度等因素發(fā)生變動的情況下宜采用恒流驅動方式。

　　在實際應用中，LED 調節(jié)亮度一般采用兩種方法，即模擬調光或PWM 調光。模擬調光與PWM 調光對比如圖2 所示。模擬調光是通過改變流過LED 電流的大小來調整光效的，除了亮度會改變以外，也會影響LED 的光效質量，即電流變化必然導致LED 的色度偏差。

　　PWM 基本原理是保持LED 正向導通電流恒定，而通過控制電流導通和關斷的時間比例，可以實現從0 到100%范圍的亮度調節(jié)。PWM 調光的優(yōu)勢是LED 正向導通的電流一直是恒定的，LED 的色度就不會像模擬調光一樣會變化；在精確控制LED 的亮度的同時，也保證LED 發(fā)光的色度。

　　為了避免人眼能夠看到LED 的導通和關斷，而感覺到燈光閃爍，PWM 調光的頻率要高于100Hz,由于人眼的視覺殘留效應，眼睛就會對導通和關斷時間內的亮度進行平均，僅僅看到由PWM占空比決定的有效亮度。對于PWM調光頻率設置在軟件設計時應予以注意。

　　2.2 紅外遙控原理紅外線遙控是目前使用最廣的一種遙控手段。紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點，在現代電子產品（家用電器、玩具、通信設備） 中普遍采用紅外遙控。

　　若能將紅外遙控器的按鍵編碼進行識別與解碼，并用作單片機系統(tǒng)的輸入處理信號，則解決了常規(guī)矩陣鍵盤線路板過大、布線復雜、占用I/O 口過多的弊??；而且使用遙控器，可實現人對設備的長距離操作控制，使用更加便捷高效。

本設計采用一款基于TC9012 芯片的電視機遙控器作為紅外發(fā)射單元。TC9012 采用脈沖寬度調制編碼格式，以不同的脈寬寬度來實現二進制信息的編碼，其發(fā)射編碼格式由引導碼、用戶碼、數據碼、數據反碼和結束碼構成。引導碼由4.5ms 的高電平和4.5ms 的低電平波形所構成，以作為一幀數據的起始位；一幀數據中含有32 位碼，包含兩次8 位用戶碼，8位數據碼和8 位數據碼的反碼，用戶碼用于區(qū)分不同類型的紅外遙控設備，數據碼即代表實際按下的鍵值信息，數據反碼是數據碼的各位求反，通過比較數據碼與數據反碼，可判斷接收到的鍵值數據是否正確；最后發(fā)送結束位（SY），作為一幀數據的結束。發(fā)射碼的格式如圖3 所示。

　　紅外二進制編碼信息‘0’與‘1’分別由毫秒量級的高低脈沖組合實現。以脈寬0.56ms、間隔0.565ms、周期為1.125ms 的組合表示二進制“0”,以脈寬0.56ms、間隔1.69ms、周期2.25ms 的組合表示“1”.脈沖信號都調制在占空比為1/3,頻率為38kHz 的載波上再發(fā)送出去。二進制參數“0”和“1”如圖4 所示。

　　紅外二進制信號的解調由一體化紅外接收器HS0038 來完成。對于接收端而言，當無紅外脈沖信號時HS0038 的數據輸出OUT 端輸出高電平，當有高脈沖紅外信號時OUT 端輸出為低電平，故其輸出信號電平正好與發(fā)射端相反。這一點在軟件設計時應予以注意。

　　3、系統(tǒng)硬件電路設計

　　3.1 單片機主控系統(tǒng)本設計主控系統(tǒng)采用ATMEL 公司的高性能單片機AT89S51 實現。使用一款基于TC9012 芯片的家用電視遙控器作為系統(tǒng)的紅外發(fā)射器；單片機P3.2 口連接一體化紅外接收器HS0038 的數據輸出OUT 端；單片機P1.0 口作為PWM 信號的輸出端并連接PT4115 芯片DIM 端，用于實現PWM 調光控制。單片機通過對紅外遙控器0~9 按鍵以及開關按鍵紅外編碼的識別與解碼，并根據解碼結果產生鍵值對應的PWM 信號，從而驅動LED 實現不同的亮度調節(jié)。系統(tǒng)晶振電路由12MHZ 晶振與兩個30PF 電容組成；復位電路則由S1 按鍵、10K 電阻與10uF 電解電容構成。主控系統(tǒng)電路如圖5 所示。

　　3.2 基于 PT4115 的恒流驅動系統(tǒng)本設計 LED 光源采用基于PT4115 的大功率恒流驅動系統(tǒng)。PT4115 是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源芯片，其具有以下特點：①6V~30V 寬電壓范圍輸入；②輸出電流可達1.2A;③復用DIM 引腳進行LED 開關、模擬調光、PWM 調光；④輸出電流精度達5%;⑤轉換效率高達97%;⑥LED 開路保護；⑦輸出可調的恒流控制方法；⑧內部含有抖頻特性，極大的改善EMI.該芯片適合用于各類綠色照明LED燈的驅動電路，應用電路簡潔，所需外部元器件較少且價格低廉。

　　PT4115 通過芯片上的DIM 端，可以方便的進行模擬或PWM 調光。本設計采用PWM調光方式，通過在DIM 引腳加入可變占空比的方波脈沖信號調節(jié)輸出電流以實現調光。當方波電壓幅值低于0.3 V 時關斷LED 電流，高于2.5 V（且低于5V）時完全開啟LED 電流。

　　該條件下電流輸出值IOUT 計算公式為：

　　IOUT =（0.1×D）/ Rs （D 為方波信號占空比，Rs 為限流電阻）本設計LED 光源采用串聯(lián)方式，共由3 只3W 的大功率白光LED 組成；每只LED 額定電流約700mA,正向壓降3.3V~3.6V,亮度可達150lm.在考慮盡量降低周邊器件自身功耗的前提下，采用PT4115 的恒流驅動系統(tǒng)設計如下：①確定輸入電壓Vin 值，當Vin 與負載電壓差值在1.5V 左右時工作效率較高，由于3 只LED 負載電壓約10V,因此選用12V/2A的電源適配器供電。②Rs 作為限流電阻，其取值決定LED 的最大驅動電流?？紤]到大功率LED 的結溫與散熱要求，其工作電流不易過大，本文驅動系統(tǒng)按LED 工作電流IOUT=625mA設計，即Rs=0.1/IOUT,Rs 選取0.16 Ω 的高精度電阻。③Cin 具有續(xù)流和濾波功能，選用50V/100uF 電容。④L1 為鎮(zhèn)流電感，選取電感值為68μ H,且飽和電流為2A.⑤D1 是續(xù)流二極管，當芯片內部MOS 管截止狀態(tài)時為儲存在電感L1 中的電流提供放電回路；由于工作在高頻狀態(tài)，D1 選用正向壓降小且恢復速度快的肖特基二極管SS24,以有效降低系統(tǒng)功耗。LED 恒流驅動電路如圖6 所示。

　　4、系統(tǒng)軟件設計

　　4.1 系統(tǒng)主程序系統(tǒng)主程序主要包括初始化程序（包括定時器與外部中斷設置）、紅外碼值處理程序與鍵值識別散轉程序。主程序流程如圖7 所示。

  　4.2 紅外解碼中斷程序紅外解碼中斷程序用于完成對遙控器發(fā)出一幀脈沖的各個高、低脈沖時間的計時與存儲，以便在紅外碼值處理程序中通過分析各個脈沖的時間實現對紅外編碼的二進制解碼。

　　當遙控器無鍵按下時，即紅外接收器HS0038 在沒有接收紅外信號，其OUT 端輸出高電平；當遙控器有鍵按下時，‘0’和‘1’編碼中的高電平經紅外接收器HS0038 倒相后輸出低電平。由于HS0038 的OUT 端與單片機的外部中斷INT0 引腳相連，將會觸發(fā)單片機中斷（即設置為負跳變沿觸發(fā)中斷）。一旦系統(tǒng)檢測到紅外脈沖中的高電平信號，即觸發(fā)INT0中斷，定時器T0 開始計時（定時時間為250us），以定時器T0 溢出中斷記錄每次脈沖期間定時器溢出的次數；到下一個高電平脈沖到來時，即再次產生中斷時，先將定時器溢出次數取出，然后將溢出次數清零后再重新記錄。通過定時器溢出次數判斷每次中斷與上一次中斷之間的時間間隔（時間間隔即為定時器溢出次數與250us 的乘積），便可判斷接收到的是引導碼、編碼‘0’或‘1'.在中斷程序中，首先判斷并跳過持續(xù)9ms 的引導碼，然后依次采集存儲32 位脈沖編碼時間。紅外解碼中斷流程如圖8 所示。定時器計時流程如圖9 所示。

　　4.3 紅外碼值處理程序紅外碼值處理程序主要完成對紅外編碼的解碼處理，通過對一幀紅外編碼中32 位脈沖編碼時間的分析處理，判斷其對應'0’或‘1’的二進制編碼，從而確定兩次8 位用戶碼、8 位數據碼和8 位數據碼的反碼。

從 TC9012 紅外編碼分析可知，“0”編碼脈沖時間為1.125ms,“1”編碼脈沖時間為2.25ms.在實際程序處理中，應考慮由于遙控器晶振參數等原因存在的誤差，故定時器T0溢出次數值取7（即1.75ms）作為‘0’或‘1’編碼的判斷標準。當溢出次數小于7 時則判斷為‘0’編碼，當溢出次數大于7 時則判斷為‘1’編碼，并將該32 位二進制編碼按4 個字節(jié)處理分別得出用戶碼、數據碼以及數據反碼，其中數據碼即代表實際按下的紅外遙控器鍵值信息?？衫脝纹瑱C將解碼出的鍵值數據碼通過數碼管顯示，通過得出遙控器鍵值與數據碼的對應關系，以便用于鍵值識別散轉程序的判斷處理，具體鍵值解碼結果，本文不再贅述。紅外碼值處理流程如圖10 所示。

　　4.4 鍵值識別散轉程序鍵值識別散轉程序用于對正確接收下來的紅外發(fā)射器鍵值編碼進行識別散轉處理，在判斷用戶碼正確的前提下，根據不同的按鍵數據碼控制生成對應的PWM 信號，以實現LED亮度調節(jié)功能。本程序采用紅外遙控器的0~9 按鍵作為LED 的1~10 級亮度的選擇按鍵，并將遙控器開關鍵作為LED 的關閉按鍵。鍵值識別散轉流程如圖11 所示。

　　PWM 脈沖信號則由單片機利用定時器T1 中斷控制P1.0 口輸出產生，其輸出的高低電平輸入PT4115 芯片DIM 端以控制LED 電流的通斷狀態(tài)，從而實現LED 的亮度調節(jié)。將定時器T1 溢出中斷定為1/2500 秒（即400μ S），每10 次脈沖作為一個周期，即頻率為250HZ.

　　這樣，在每1/250 秒的方波周期中，通過改變方波的輸出占空比，從而實現LED 燈的10 級亮度調節(jié)，即LED 亮度等級由每個周期內的高電平脈沖數目決定，其中高電平脈沖數目由紅外遙控器鍵值確定，即0~9 按鍵對應確定1~10 亮度等級數值。定時器T1 生成PWM 流程如圖12 所示。

　　5、實驗結果采用本文設計方案對一處家庭室內壁燈進行替換改造。原壁燈采用3 只220V/20W 鹵素燈，總功率約為60W;現壁燈采用本文大功率白光LED 照明方案實現，最低功率（即LED最低亮度狀態(tài)）約為0.83W,最大功率（即LED 最高亮度狀態(tài)）約為6.52W,相比于原鹵素燈照明系統(tǒng)可節(jié)約電能90%以上。鹵素燈與大功率LED 實物對比如圖13 所示。實驗證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調光精確，高效節(jié)能，且紅外遙控功能方便快捷，用戶可根據需求靈活選擇不同等級的照明亮度。改造前后照明效果對比如圖14 與圖15 所示。

　　6、結論本文設計的基于紅外遙控的大功率白光LED 照明系統(tǒng)，采用AT89S51 單片機為控制核心，運用恒流驅動方案與PWM 調光技術以及紅外遙控技術實現對LED 的多級調光控制。

　　該照明系統(tǒng)具有控制電路簡單、亮度調節(jié)精確、高效節(jié)能、實用便捷等優(yōu)點，符合現代照明的應用要求。LED 作為一種新型的綠色光源，必然是未來照明技術的發(fā)展趨勢，21 世紀將進入以LED 為代表的新型照明光源時代。