LEDSTM32智能照明開關(guān)電源

摘要LED技術(shù)的重大進(jìn)步和智能家居的興起引起照明系統(tǒng)的巨大變革，而能源的短缺也使人們越來越看重照明器具的節(jié)能效果。為了跟上時代潮流，同時也為了節(jié)約用電，有必要設(shè)計一個智能LED照明系統(tǒng)。設(shè)計一個電源來驅(qū)動LED平穩(wěn)工作并利用ARM系列處理器來實現(xiàn)智能照明，是本設(shè)計要實現(xiàn)的目標(biāo)。本設(shè)計采用Buck電路作為LED燈的恒流驅(qū)動電源，用STM32芯片作為主控芯片，用PID算法完成對系統(tǒng)的閉環(huán)控制，用光敏電阻確定當(dāng)前環(huán)境的光照強度，通過STM32芯片進(jìn)行判斷和控制，調(diào)節(jié)LED燈的亮度。也可以通過手動模式來控制LED燈的開關(guān)，調(diào)節(jié)LED燈的亮度。為了讓一個電源能同時驅(qū)動恒流電源和STM32芯片，設(shè)計了一個輔助電源。通過測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了題目的要求。本設(shè)計可以用于路燈、走廊、教室等公共場所，也可以用于臺燈等小型照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)在光照充足的使用環(huán)境中能降低輸出的電流或者關(guān)閉LED燈，避免了在一些公共場所出現(xiàn)的浪費電力的現(xiàn)象，達(dá)到了節(jié)約用電的目的。當(dāng)其用于臺燈等地方時，可以給用戶足夠的光照，避免用戶在黑暗環(huán)境下用眼，保護用戶視力。關(guān)鍵詞：LED，STM32，智能照明，開關(guān)電源AbstracSignificantadvancesinLEDtechnologyandtheriseofsmarthomehaveledtotremendouschangesinlightingsystems,andtheshortageofenergyalsomakespeoplepaymoreandmoreattentiontotheenergy-savingeffectoflightingappliances.Inordertokeepupwiththetrendofthetimesandsaveelectricity,itisnecessarytodesignanintelligentLEDlightingsystem.DesigningapowersupplytodrivetheLEDtoworksmoothlyandusingARMseriesprocessorstoachieveintelligentlightingisthegoalofthisdesign.Inthisdesign,BuckcircuitisusedastheconstantcurrentdrivingpowersupplyofLEDlamp,STM32chipisusedasthemaincontrolchip,PIDalgorithmisusedtocompletetheclosed-loopcontrolofthesystem,photoresistorisusedtodeterminethelightintensityofthecurrentenvironment,andSTM32chipisusedtojudgeandcontrolthebrightnessoftheLEDlamp.ItcanalsocontroltheswitchoftheLEDlampbymanualmodeandadjustthebrightnessoftheLEDlamp.InordertomakeapowersupplydriveconstantcurrentpowersupplyandSTM32chipatthesametime,anauxiliarypowersupplyisdesigned.Throughtesting,thesystemworksstablyandmeetstherequirementsofthesubject.Thedesigncanbeusedinstreetlamps,corridors,classroomsandotherpublicplaces,aswellasdesklampsandothersmalllightingsystems.ThesystemcanreducetheoutputcurrentorturnofftheLEDlampinthesufficientilluminationenvironment,avoidwastingelectricityinsomepublicplaces,andachievethepurposeofsavingelectricity.Whenitisusedindesklampandotherplaces,itcangiveusersenoughlight,avoidusersusingeyesindarkenvironment,andprotectusers'eyesight.KeyWords：LED，STM32，Intelligentlighting，SwitchingModePowerSupply目錄10532_WPSOffice_Level11緒論 126759_WPSOffice_Level21.1課題的背景 1594_WPSOffice_Level21.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 17704_WPSOffice_Level21.3課題的目的和意義 24738_WPSOffice_Level21.4主要完成的工作 226759_WPSOffice_Level12總體設(shè)計 35251_WPSOffice_Level22.1系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 33441_WPSOffice_Level22.2系統(tǒng)工作原理 4594_WPSOffice_Level13硬件電路設(shè)計 64034_WPSOffice_Level23.1硬件總體設(shè)計 617328_WPSOffice_Level23.2輔助電源設(shè)計 612472_WPSOffice_Level23.3Buck電路模塊設(shè)計 625309_WPSOffice_Level23.4控制模塊設(shè)計 117704_WPSOffice_Level14軟件設(shè)計 1526024_WPSOffice_Level24.1軟件總體設(shè)計 1517094_WPSOffice_Level24.2軟件介紹 1510074_WPSOffice_Level24.3按鍵判斷 1516515_WPSOffice_Level24.4ADC信號采集 1612367_WPSOffice_Level24.5PWM控制 1616199_WPSOffice_Level24.6PID控制算法 174738_WPSOffice_Level15系統(tǒng)測試及結(jié)果 185251_WPSOffice_Level16總結(jié)與展望 2318053_WPSOffice_Level26.1總結(jié) 2314295_WPSOffice_Level26.2展望 23緒論課題的背景從二十世紀(jì)電燈被發(fā)明出來到今天，隨著能源成本上升，節(jié)能成為照明工具的發(fā)展目標(biāo)之一。在白熾燈、熒光燈之后，更節(jié)能的LED燈逐漸成為當(dāng)今主流的照明工具。LED是英文Light-EmittingDiode的簡稱，其中文正式名稱是發(fā)光二極管。LED作為半導(dǎo)體電子元件的一種，其作用是把電能轉(zhuǎn)化為光能。1962年，世界上第一個紅光LED被研發(fā)出來，拉開了LED照明的序幕，隨后出現(xiàn)黃色的LED，到了1993年和1994年，藍(lán)色、綠色的LED也被相繼研制出來和實現(xiàn)量產(chǎn)，并被應(yīng)用到除指示燈以外的地方，如霓虹燈等。到了1996年，由日本的日亞公司（同時也是發(fā)明藍(lán)光LED的公司）成功開發(fā)出白光LED，讓LED燈完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明燈成為可能。LED剛開始出現(xiàn)時，多數(shù)被應(yīng)用在模擬電路和電子機器，用作指示燈。后來，隨著越來越多的不同顏色的LED被研制出來，LED開始被應(yīng)用于其它領(lǐng)域，如交通指示燈、汽車信號燈、甚至是顯示屏。但早期的LED無法用作照明器具，不僅亮度達(dá)不到照明的要求，而且相同功率下成本比白熾燈要高得多。近年來，經(jīng)過人們對LED的發(fā)光材料不斷深入研究和LED制造工藝的不斷進(jìn)步，LED的材料早已不局限于以往氮、磷等化合物，擴展到了復(fù)合材料、有機材料、硅等，以三色LED為代表的多色LED也在不斷發(fā)展，各種高亮度LED更是層出不窮，最重要的是，LED的成本已經(jīng)降低到人人都能接受的價格。所以，LED已經(jīng)具備了進(jìn)入照明領(lǐng)域的全部條件。LED非常敏感，普通的LED只能用幾伏的電壓驅(qū)動，不能直接連接220V的交流市電。因此想要把LED應(yīng)用到照明系統(tǒng)中，就要給LED配套合適的驅(qū)動電源，使LED燈穩(wěn)定工作。雖然目前的LED驅(qū)動電源發(fā)展得很快，但仍未跟上LED技術(shù)的發(fā)展。驅(qū)動電源的效率、精度等方面還有待提高，壽命更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上LED的壽命。所以設(shè)計出高品質(zhì)的驅(qū)動電源對于LED照明來說至關(guān)重要。除了改進(jìn)照明工具之外，智能照明控制技術(shù)在照明節(jié)能方面也發(fā)揮著越來越重要的作用。傳統(tǒng)的照明控制方式由于不方便控制和部分人的生活習(xí)慣問題產(chǎn)生大量的電量浪費，而智能照明控制系統(tǒng)則很好的解決這個問題。智能照明系統(tǒng)能自動的控制燈光的開關(guān)，在需要調(diào)節(jié)亮度的時候也能自動的調(diào)節(jié)亮度，不需要人的操作，自然減少了認(rèn)為因素造成的電力浪費。在照明設(shè)計中，通過運用智能照明控制系統(tǒng)，不僅能保證照明的穩(wěn)定性和可靠性，還能節(jié)省電量，減少不必要的浪費，適合當(dāng)代綠色生活的理念。智能照明系統(tǒng)體現(xiàn)社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，是智能家居發(fā)展的一部分，也是信息時代背景下照明設(shè)計的一種必然發(fā)展趨勢。智能照明在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀在國外，特別是西方發(fā)達(dá)國家，由于整體的生活水平較高，目前在智能LED照明市場中占據(jù)較大的分量。美國的飛利浦公司研發(fā)了多種LED燈具，其中的智能LED路燈與無線系統(tǒng)結(jié)合，使得幾個工作人員就能監(jiān)控全市路燈的狀況。還有LED植物照明系統(tǒng)，它可以通過智能LED的光照控制植物生長的方向，加快生長速度。在澳大利亞達(dá)爾文市，全市的街道照明都已經(jīng)換成無線控制的LED，并由一套中央管理系統(tǒng)控制。另一邊，日本也開始了自己的智能照明實驗，在商店街的路燈增加智能照明系統(tǒng)，讓路燈的燈光能追蹤路人的腳步，使民眾在夜間出行更加安全。以上幾個例子可以看出，智能照明已經(jīng)融入到國外的城市規(guī)劃里面，成為建設(shè)智慧城市的一部分。在國內(nèi)，大規(guī)模的智能照明尚未形成主流，但智能照明的發(fā)展依然迅猛。珠海多士科技設(shè)計了一款臥室使用的智能LED燈，能感應(yīng)3米內(nèi)用戶的起身動作，自動亮起柔光，而不是刺眼的強光，而且不會因為用戶在床上的翻身動作而造成誤感應(yīng)。華為與歐普照明在2018年合作推出了智選讀寫臺燈、香薰助眠燈、全彩燈泡三款智能LED產(chǎn)品。除了傳統(tǒng)的照明企業(yè)，像華為、小米甚至是恒大這種地產(chǎn)企業(yè)也加入到智能照明的研發(fā)中。再加上國內(nèi)政策的導(dǎo)向作用，勢必會有更多的企業(yè)參加智能照明的競爭。所以，即使現(xiàn)在國內(nèi)智能照明的發(fā)展與國外還有一定的差距，憑借著資本和政策優(yōu)勢，在不久之后一定會與國外照明行業(yè)齊頭并進(jìn)。目前，全球智能照明市場超過500億美元，而LED驅(qū)動電源的市場也超過400億元。與國外相比，國內(nèi)智能照明不足的不是技術(shù)，更不是資金，而是品牌。就以LED的驅(qū)動電源來說，國內(nèi)有400家以上具有一定規(guī)模的LED電源企業(yè)，有品牌影響力的不足10%。因此，發(fā)展智能照明不止要在技術(shù)上追趕國外，還要建立自己的品牌。課題的目的和意義智能照明在國內(nèi)尚未大范圍普及，大多數(shù)建筑物在照明上仍使用傳統(tǒng)的手動開關(guān)。一些大廈可能會在樓梯或者消防緊急通道中使用聲控或紅外檢測的燈光開關(guān)，但也只是少數(shù)。采用智能照明，一方面可以根據(jù)環(huán)境自動調(diào)節(jié)最適合的亮度，改善工作和生活環(huán)境，提高工作效率和生活場所的宜居度，另一方面通過智能開關(guān)，避免人工開關(guān)的麻煩，提高管理水平，減少照明系統(tǒng)運行維護的費用和人為的資源浪費。本課題緊跟當(dāng)前智能LED照明的歷史發(fā)展機遇，響應(yīng)國家支持LED照明發(fā)展的政策，以改善人居生活環(huán)境和倡導(dǎo)綠色節(jié)能為目的，對行業(yè)發(fā)展、個人生活、科技提升和社會建設(shè)都有一定的積極意義。1.4主要完成的工作本課題基于智能照明的概念，設(shè)計出一個基于STM32的智能LED照明電源。分別設(shè)計LED驅(qū)動電源模塊、單片機控制模塊和輔助電源模塊，通過光敏電阻模塊采集環(huán)境光照信息，用單片機根據(jù)采集的光照信號控制占空比輸出適合環(huán)境的照明亮度，并以PID算法對系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制。主要完成以下工作：1、查閱相關(guān)資料，制定系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，研究照明控制方案和閉環(huán)控制方案。2、完成STM32最小系統(tǒng)、LED驅(qū)動電路模塊和輔助電源的電路設(shè)計，進(jìn)行原理圖的繪制，完成相關(guān)電路的調(diào)試和測試。3、完成STM32的主程序、光敏信號采集部分、PWM輸出部分、PID控制算法的軟件設(shè)計和調(diào)試。4、整體程序與電路的綜合調(diào)試。2總體設(shè)計2.1系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)本設(shè)計主要是設(shè)計出一個基于STM32的智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為手動模式和自動模式。自動模式下STM32通過光敏模塊得到當(dāng)前環(huán)境的光照亮度，然后進(jìn)行判斷處理，得出應(yīng)該發(fā)出的照明亮度。手動模式下通過按鍵來調(diào)節(jié)LED燈的亮度。2.1.1STM32最小系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計首先要考慮處理器的選用。目前市場上有各種各樣不同價位、不同性能、適合各種應(yīng)用場景的單片機。單片機的選型，要考慮單片機的內(nèi)核類型、內(nèi)部和外部的存儲空間大小、數(shù)據(jù)總線的位數(shù)、IO口的數(shù)量、單片機的主頻和功耗以及片上資源是否滿足所設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用需求。綜合考慮性價比和功耗，控制系統(tǒng)電路中的處理器選用了目前應(yīng)用特別廣泛的STM32系列高性能單片機。考慮到STM32眾多管腳帶來的焊接工作的麻煩，以及為了簡化設(shè)計的步驟，減少不必要的操作失誤，我選用了市面上現(xiàn)成的STM32F103VET6最小系統(tǒng)板。2.1.2光照信號采集模塊光照信號采集模塊即光敏電阻傳感器模塊，由光敏電阻和電壓采樣電路組成。電路實際上是由光敏電阻和一個普通電阻串聯(lián)在一起，然后在兩個電阻中間增加一個采樣點，組成一個采樣電路，進(jìn)行分壓采樣，從而獲取到光敏電阻當(dāng)前接收的光照強度。2.1.3電源電路拓?fù)銵ED驅(qū)動電源的電路拓?fù)溥x用Buck電路。Buck電路是一種降壓是的直流變換電路?；倦娐酚砷_關(guān)管、續(xù)流二極管、輸出濾波電感和輸出濾波電容組成。如圖2.1所示。圖2.1Buck變換器2.1.4輔助電源為了同時給控制電路和驅(qū)動電路提供穩(wěn)定的不同電壓的低壓直流電源，要在前面加上輔助電源。輔助電源主要是利用兩個輸出電壓不同的開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596S，分別輸出5V和12V的穩(wěn)定電壓。如圖2.2所示，LM2596S內(nèi)含150KHz的固定頻率震蕩器、1.23V的基準(zhǔn)穩(wěn)壓器、保護電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。芯片工作在輸出不可調(diào)的狀態(tài)下僅需4個外部部件就可以正常工作，即使工作在輸出可調(diào)狀態(tài)也僅需6個外部部件，足以證明其功能的強大。另外，該芯片選用的是TO-263封裝，是表貼元件，不需要加裝散熱片，但要在PCB上留有足夠的覆銅面積以供散熱。圖2.2LM2596內(nèi)部框圖2.2系統(tǒng)工作原理該設(shè)計在整體上分為單片機控制部分、環(huán)境光照信號采集部分、PWM照明輸出部分、輔助電源部分和電源電路拓?fù)洳糠?。單片機控制部分在整個系統(tǒng)中主要實現(xiàn)控制系統(tǒng)的輸出、實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的本地處理、系統(tǒng)閉環(huán)控制等功能，電源電路拓?fù)洳糠肿鳛長ED燈的驅(qū)動電源，輔助電源部分用來輔助單片機和驅(qū)動電源的輸入。2.2.1單片機控制部分ARM體系結(jié)構(gòu)是非常優(yōu)秀的處理器體系結(jié)構(gòu)，適合功能專一、性能要求較高的嵌入式系統(tǒng)。STM32以ARMCortexM3為內(nèi)核，最高主頻為72MHz。工作時，根據(jù)按鍵判斷實行LED燈的開關(guān)、切換模式、調(diào)節(jié)亮度等操作；獲取光照信號模塊采集到的信息，根據(jù)獲取到的光照信息分配合適的占空比進(jìn)行PWM輸出；獲取輸出端的電壓電流信息，利用PID算法進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)控制。2.2.2光照信號采集部分光照信號采集部分與單片機控制部分相連接，采集環(huán)境光照信號。環(huán)境光照信號經(jīng)過分壓電路后送入ADC進(jìn)行采樣，然后在單片機的控制下通過定時器輸出合適的占空比。2.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理ADC是英文Analog-to-DigitalConverter的縮寫，中文名稱是模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC可以將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。模擬信號作為數(shù)據(jù)要輸入單片機或其他需要用數(shù)字量輸入的地方，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的形式。模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用范圍非常廣泛，在各種不同的產(chǎn)品中都可以找到它的身影。對于本設(shè)計的信號采集模塊來說，不需要太高的分辨率，調(diào)理電路輸出的信號比較純凈，幅值也滿足一般ADC對輸入信號的要求，所以不需要位數(shù)太高的ADC來提高對信號采樣的精度。所以在該系統(tǒng)的信號采集部分上選擇了STM32單片機上的12位分辨率的ADC對光電信號進(jìn)行采樣。信號經(jīng)過調(diào)理電路后直連到單片機的ADC輸入引腳，不僅節(jié)省了成本，而且ADC采樣的控制與數(shù)據(jù)的讀取都非常的方便、穩(wěn)定和可靠。2.2.4PWM輸出部分工作原理PWM即脈沖寬度調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)。PWM的工作原理就是對電路的開關(guān)器件的開通時間和關(guān)斷時間進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，在單位時間內(nèi)這些脈沖的輸出與調(diào)制前的電路輸出相等。如果按照一定的規(guī)律對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，就可以改變電路輸出的大小和輸出頻率。在本設(shè)計的PWM輸出部分中，STM32芯片輸出的PWM控制LED驅(qū)動電路開關(guān)管的開關(guān)頻率，通過改變頻率的高低改變驅(qū)動電路輸出電流的大小，從而控制LED亮度的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)亮度的目的。2.2.5Buck電路工作原理在Buck電路中，輸出濾波電感和輸出濾波電容的作用是在開關(guān)管開通期間存儲電能，在開關(guān)管關(guān)斷期間充當(dāng)電路的電源給電路供電，續(xù)流二極管的作用是在開關(guān)管關(guān)斷期間給輸出濾波電感和輸出濾波電容產(chǎn)生的電流提供通路。Buck變換器在工作時根據(jù)開關(guān)管的通斷分為2個開關(guān)模態(tài)。當(dāng)開關(guān)管開通時，由電源給負(fù)載供能，并給輸出濾波電感和輸出濾波電容充能，此時續(xù)流二極管關(guān)斷；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，由輸出濾波電感和輸出濾波電容給負(fù)載供能，此時續(xù)流二極管導(dǎo)通，作為開關(guān)管關(guān)斷期間的電流通路。2.2.6輔助電源工作原理直流電源輸入驅(qū)動電路和單片機前，先分別經(jīng)過兩個輸出電壓一大一小的穩(wěn)壓電路。先經(jīng)過輸出電壓大的穩(wěn)壓電路，輸出較大的電壓，然后輸出端接著電壓小的穩(wěn)壓電路，最后輸出較小的電壓。3硬件電路設(shè)計3.1硬件總體設(shè)計整個系統(tǒng)分為STM32主控芯片、Buck電路和輔助電源3大部分。在這3大部分中，電源先連接輔助電源，然后分別連接控制芯片和Buck電路。按鍵模塊和光敏傳感器模塊直接與STM32主控芯片相連。Buck電路與STM32主控芯片之間連有電壓采樣電路、電流采樣電路和PWM驅(qū)動電路。STM32通過電壓采樣電路和電流采樣電路對輸出的電壓和電流進(jìn)行采樣，判斷輸出是否達(dá)到期望的電壓電流值，如果沒有達(dá)到期望就控制調(diào)節(jié)PWM的輸出，改變輸出的電壓電流值，使輸出達(dá)到期望值。3.2輔助電源設(shè)計將13V-36V的直流電源接入輔助電源，就能分別輸出12V和5V的直流電。12V輸出作為Bcuk電路的輸入，而5V輸出作為驅(qū)動STM32芯片的電源。因為兩個輸出值都是固定的，所以電路采用LM2596典型應(yīng)用電路的固定輸出樣式，即由兩個電容，一個電感和一個二極管組成的電路。同時，為了方便和節(jié)省資源，將12V輸出也作為5V輸出電路的輸入，讓兩個電路串聯(lián)起來。在輸出端和輸入端接上型號為KF-301的接線端子，方便連接電源和其他電路。輔助電源的PCB圖3.1所示，電路拓?fù)浼霸?shù)如圖3.2所示。圖3.1輔助電源PCB圖圖3.2輔助電源電路拓?fù)浼霸?shù)3.3Buck電路模塊設(shè)計在Buck電路模塊中，包含Buck電路、PWM驅(qū)動電路、電壓采樣電路和電流采樣電路。其中PWM驅(qū)動電路用于控制調(diào)節(jié)Buck電路中的開關(guān)管，電壓采樣電路和電流采樣電路負(fù)責(zé)采樣輸出的電壓和電流并將采樣信息傳送到STM32主控芯片。Buck電路模塊總體布局如圖3.3所示。圖3.3Buck電路模塊PCB圖3.3.1Buck電路設(shè)計Buck電路的主要功能是作為一個恒流源，輸入12V的直流電壓，輸出0-350mA的電流，具體輸出值由STM32控制的PWM驅(qū)動電路輸出的PWM值決定。實際上電路輸出的電流值能大于350mA，但是LED燈的特性決定了它不能通入太大的電流，所以在主控芯片STM32中用程序限制了最大輸出電流為350mA。輸出濾波電感大小為220uH。輸出濾波電容大小為470uF。功率開關(guān)管選用N溝道的功率場效應(yīng)管IRF3205，其漏極連續(xù)電流ID為110A，漏極峰值電流IDM為390A，門極電壓為±20V，開關(guān)時間為230ns，通態(tài)電阻為8mΩ。IRF3205引腳圖如圖3.4所示。圖3.4IRF3205引腳圖續(xù)流二極管選擇肖特基二極管SS54，耐壓值為40V，額定電流為5A。Buck電路的拓?fù)浼霸?shù)如圖3.5所示，J1為電源輸入端口，J2為電源輸出端口，IN+為電流采樣點，VO為電壓采樣點。圖3.5Buck電路拓?fù)浼霸?shù)3.3.2PWM驅(qū)動電路設(shè)計PWM驅(qū)動電路使用IR2104半橋驅(qū)動器。通過主控芯片STM32傳來的使能信號和PWM信號來控制IR2104，從而控制Buck電路里的功率開關(guān)管IRF3205的開通時間和關(guān)斷時間，達(dá)到控制Buck電路輸出的目的。IR2104的耐負(fù)瞬態(tài)電壓最大為600V，ton與toff典型值分別為680ns和150ns，死區(qū)時間的典型值為520ns，柵極驅(qū)動電壓為10V-20V。其內(nèi)部框圖如圖3.6所示。圖3.6IR2104內(nèi)部框圖PWM驅(qū)動電路采用的是IR2104的典型連接電路，雖然IR2104有兩個輸出端，但是在本設(shè)計中只需要驅(qū)動一個功率開關(guān)管，所以需要連接一個輸出引腳，即HO腳，令一個輸出引腳LO腳不連接電路。PWM驅(qū)動電路的電路圖如圖3.7所示。其中，J3端口為信號與電源輸入端，1-5分別為GND、12V、PWM信號、芯片使能信號、GND。接收芯片使能信號的SD腳高電平使能IR2104芯片，低電平IR2104芯片不工作HO腳無信號輸出。圖3.7PWM驅(qū)動電路3.3.3采樣電路設(shè)計電流采樣電路選用INA193電流檢測器。INA193是德州儀器公司在2004年推出的產(chǎn)品，被廣泛用于用于筆記本電腦、通信設(shè)備、汽車、電流充電器及電源管理等。INA193的主要特點為：共模電壓范圍寬，從+16V到+80V；高精度，在工作溫度范圍內(nèi)誤差小于3%；帶寬達(dá)500KHz；小尺寸封裝，工作溫度范圍為-45℃~+125℃；工作電壓+2.7V到+13.5V；工作電流最大為900μA，功耗低；輸出電壓正比于監(jiān)測電流，監(jiān)測范圍大[1]。INA193的內(nèi)部電路框圖及典型應(yīng)用電路如圖3.8所示。圖3.8INA193的內(nèi)部框圖及典型應(yīng)用電路在本設(shè)計中，采用INA193的典型應(yīng)用電路對Buck電路的輸出電流進(jìn)行采樣監(jiān)測。在采樣點串聯(lián)一個0.05Ω的電阻，然后將INA193的正負(fù)輸入端與采樣電阻的兩端相接。INA193得到電流檢測電阻兩端的電壓后，經(jīng)過芯片內(nèi)部電壓增益，在輸出端輸出增益后的電壓。在輸出電壓的增益公式中，LS是監(jiān)測的電流，RS是電流檢測電阻的阻值，LS與RS的乘積為電流檢測電阻兩端的電壓，RL是INA193內(nèi)部的電阻，為100kΩ。根據(jù)公式，INA193的電壓增益為20倍，又因為電流檢測電阻為0.05Ω，所以輸出電壓大小的值等于監(jiān)測電流大小的值。電流采樣電路圖如圖3.9所示。圖3.9電流采樣電路電壓采樣電路采用簡單的分壓采樣電路。在輸出電壓采樣點分別串聯(lián)一個10kΩ的電阻和一個1kΩ的電阻，將兩個電阻中間的電壓值作為采樣值輸出。實際電壓值為采樣值的11倍。電壓采樣電路如圖3.10所示。圖3.10電壓采樣電路3.4控制模塊設(shè)計在該模塊中，STM32芯片作為整個控制模塊的核心，根據(jù)由按鍵模塊、光敏傳感器模塊和輸出采樣電路傳來的信號，判斷當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，分配合適的占空比來控制PWM輸出。3.4.1STM32最小系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計選用集成了STM32F103VET6的最小系統(tǒng)板，最小系統(tǒng)如圖3.11所示。該芯片由世界十大半導(dǎo)體公司之一的意法半導(dǎo)體公司出品。STM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，以Cortex-M3為內(nèi)核，功耗低，處理能力強，為LQFP100封裝。設(shè)計時，處于方便使用已有的STM32F103VET6，但在本設(shè)計中只使用了電源接口、ADC等很少一部分功能和接口。所以在實際生產(chǎn)應(yīng)用中可以使用資源更少的芯片來應(yīng)對生產(chǎn)需求，從而降低生產(chǎn)成本。圖3.11STM32最小系統(tǒng)STM32的最小系統(tǒng)相對于其他較高端的ARM處理器來說比較簡單，該系統(tǒng)外接一個8MHz的無源晶體振蕩器到STM32芯片的OSC_IN腳和OSC_OUT腳，經(jīng)過STM32芯片內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻到72MHz后提供給單片機內(nèi)核。STM32的復(fù)位電路由一個RC電路和與電容并聯(lián)的按鍵組成，復(fù)位引腳NRST接在復(fù)位電路的電阻與電容之間，NRST引腳保持一段時間低電平即可使STM32復(fù)位。在STM32芯片剛上電時，由于電容還沒有容納電荷，5V電源經(jīng)電阻R9對電容C23充電，可以近似地看成5V電源與地之間形成回路，NRST引腳上的電平被正在充電的電容拉低。當(dāng)電容充滿電的時候，回路斷開，NRST引腳上的電平被拉高，STM32芯片跳出復(fù)位狀態(tài)開始正常工作。在系統(tǒng)調(diào)試時，如果需要復(fù)位，只需按下復(fù)位按鍵，將NRST引腳上的電平強制拉低，STM32芯片便可完成復(fù)位。值得注意的是，只有在STM32芯片的BOOT0和BOOT1引腳都是低電平的狀態(tài)下，STM32芯片才能正常啟動。但是在燒寫程序時，BOOT0引腳要處在高電平狀態(tài)才能選擇相應(yīng)的啟動模式來燒寫程序。所以在系統(tǒng)中將BOOT0和BOOT1引腳均接一個100K的電阻將電平拉低，燒寫程序時，在BOOT0端口上外接5V電源電壓就可以完成程序的燒寫。3.4.2光敏傳感器模塊設(shè)計光敏傳感器模塊如圖3.12所示，R7為1KΩ電阻，R6為光敏電阻。當(dāng)環(huán)境光照強度越大，光敏電阻的阻值就越小，反之就越大。通過讀取該電路的電壓，就可以得出當(dāng)前環(huán)境光照強度。光強信號采集電路的采樣端連接在STM132芯片的PC2引腳上面，使用5V電源供電。圖3.12光敏傳感器模塊3.4.3功能按鍵模塊設(shè)計STM32芯片的特點之一是所有的IO口都可以作為中斷源。在該系統(tǒng)中，設(shè)置了4個用戶按鍵。KEY1是LED燈的開關(guān)，KEY2是工作模式的切換，KEY3和KEY4用來在手動模式時手動增減LED燈的亮度。KEY1、KEY2、KEY3、KEY4分別用RC電路連在PB12、PB13、PB14、PB15上，低電平有效。當(dāng)有某一按鍵被按下時，IO口被拉低到低電平，這時IO口上產(chǎn)生一個下降沿，STM32芯片檢測到按鍵，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序中進(jìn)行處理。按鍵與STM32的接口電路如圖3.13所示。圖3.13按鍵與STM32的接口電路4軟件設(shè)計4.1軟件總體設(shè)計軟件部分選用MDK5進(jìn)行設(shè)計。軟件模塊包括main、delay、adc、pwm、timer、key、led等。整個系統(tǒng)包括輸出電壓電流信號和光照信號的采集、PID控制算法以及占空比輸出。STM32實現(xiàn)對信號采集點的控制，對于信號的采集涉及到ADC，而對于占空比輸出涉及到PWM、TIM。上電之后，等待按鍵按下，如果KEY1按下，則LED燈打開，然后每隔40ms判斷一次按鍵，直到再次檢測到有按鍵按下；如果按下KEY2則在手動模式和自動模式間切換；在手動模式下，如果按下KEY3降低亮度，按下KEY4則是增加亮度。按鍵檢測完后還會檢測LED燈的電壓，如果電壓超過8V，則觸發(fā)警報使LED燈閃爍。檢測到KEY1被按下后，先打開LED燈，然后檢測系統(tǒng)處于何種模式。如果計入手動模式，LED燈保持打開。系統(tǒng)檢測用戶設(shè)定的亮度并改變流過LED燈的電流，從而改變LED燈的亮度。調(diào)節(jié)亮度按鈕每按一次增加或減少LED燈20mA的電流，電流調(diào)節(jié)的范圍為50mA到350mA。如果進(jìn)入自動模式，先檢測當(dāng)前環(huán)境光照強度。如果足夠亮，則關(guān)閉LED燈；如果當(dāng)前環(huán)境亮度不夠，則保持LED打開，并根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境光照強度改變LED燈的亮度。4.2軟件介紹MDK是RealViewMDK的簡稱，由KeilSoftware公司開發(fā)出來。本設(shè)計使用的MDK版本是MDK5.14。該版本使用的μVision5IDE集成開發(fā)環(huán)境很適合本設(shè)計，也適用于以前版本的開發(fā)項目，不過要自己去官網(wǎng)下載一些支持包。MDK5由MDKCore和SoftwarePacks兩部分組成。MDK適合不同技術(shù)水平的開發(fā)者使用，包含許多組件，支持所有基于ARM的設(shè)備，能幫助開發(fā)工程師更好地完成開發(fā)工作。4.3按鍵判斷首先用KEY_Init初始化按鍵輸入的IO口，然后開啟按鍵端口的時鐘，之后設(shè)置PB12、PB13、PB14、PB15分別對應(yīng)KEY1、KEY2、KEY3、KEY4，端口模式為輸入上拉模式，最后初始化對應(yīng)端口。本電路的按鍵可以一直按著并連續(xù)觸發(fā)。當(dāng)檢測到KEY1、KEY2、KEY3、KEY4中某一個按鍵被按下時，4個按鍵分別對應(yīng)的Button1、Button2、Button3、Button4中被按下的那個就會被賦值1。配合主程序中的if語句，從而達(dá)到KEY1控制LED燈開關(guān)，KEY2控制模式切換，KEY3和KEY4控制手動模式下亮度的功能。在完成一次按鍵動作后，Button的值變?yōu)?，直到下一次的按鍵動作。按鍵處理函數(shù)的流程圖如圖4.1所示。圖4.1按鍵處理流程圖4.4ADC信號采集ADC信號采集通道選用ADC1。ADC信號采集使用了ADC_Init和get_ADC這兩個函數(shù)。ADC_Init用來初始化ADC信號采集的IO口，get_ADC用來獲得ADC的值。將ADC的時鐘配置為PCLK2的8分頻，即9MHz。對ADC的模式進(jìn)行配置，設(shè)置ADC的模式為獨立ADC模式、不使用外部觸發(fā)轉(zhuǎn)換、采集數(shù)據(jù)右對齊、要轉(zhuǎn)換的通道數(shù)目為4。配置ADC1的通道10/11/12/13為7.5個采樣周期。ADC值轉(zhuǎn)換成電壓值、電流值的關(guān)鍵程序如圖4.2所示。圖4.2ADC轉(zhuǎn)換為電壓值和電流值4.5PWM控制本設(shè)計使用TIM4定時器的通道3和通道4，即STM32芯片的PB8和PB9引腳。PWM的頻率設(shè)置為48KHz，計數(shù)上限為1500-1。設(shè)置用來作為TIM4時鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值為0分頻。設(shè)置時鐘分割:TDTS=Tck_tim。設(shè)置計時器向上計數(shù)。設(shè)置待裝入捕獲比較寄存器的脈沖值為0。定時器模式為脈寬調(diào)制模式，因為是向上計數(shù)，所以當(dāng)TIMx_CNT<TIMx_CCR*時，輸出電平才有效。使能TIM4在ARR、CCR3和CCR4上的預(yù)裝載寄存器。在主程序中設(shè)定PWM的初始值為600，最小值為5，最大值為1200。4.6PID控制算法在本設(shè)計中，利用PID控制算法，根據(jù)期望電壓（電流）值跟采集到的實時電壓（電流）值求誤差。PID控制器通過此誤差值求出PWM值，輸出調(diào)節(jié)BUCK電路，即可使實時電壓（電流）值達(dá)到期望值。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行控制（簡稱PID控制），是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律[2]。比例控制雖然不能消除穩(wěn)態(tài)誤差加大比例系數(shù)還會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，但可以迅速地反應(yīng)誤差，從而減小誤差。積分控制用來消除殘差，但是太強的積分控制會加大系統(tǒng)超調(diào)，引起系統(tǒng)振蕩，可以通過積分分離、抗積分飽和、梯形積分、消除積分不靈敏區(qū)等措施改進(jìn)積分控制。微分控制有利于減少超調(diào)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，改善系統(tǒng)動態(tài)性能，但是微分控制過于靈敏，容易引起控制過程的振蕩。要改進(jìn)微分控制，可以在輸出串聯(lián)一個慣性環(huán)節(jié)，組成不完全微分PID控制器，或者只對被控量微分，不對偏差微分，避免給定值的升降給系統(tǒng)帶來的負(fù)面影響。在主程序中，PID控制算法的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)分別為0.42、0.00、0.00。PID的關(guān)鍵代碼如圖4.4所示。（4-1）（4-2）圖4.4數(shù)字PID控制增量型控制算式5系統(tǒng)測試及結(jié)果單片機系統(tǒng)的測試有很多種，如串口測試、JTAG在線測試，或者利用一些顯示設(shè)備，如TFT-LCD、數(shù)碼管、LED指示燈和蜂鳴器等。盡管有多重多樣的測試方式，但是系統(tǒng)測試的最終目的只有一個，就是驗證系統(tǒng)能否正常工作，是否達(dá)到預(yù)期的效果。在該系統(tǒng)的調(diào)試過程中，主要利用直流電源作為電源輸入以及用LCD1602顯示系統(tǒng)的照明模式、LED的實際電壓和電流和系統(tǒng)設(shè)定的電流值。實際上顯示屏對于系統(tǒng)的運作沒有太大作用，但為了讓測試結(jié)果能更直觀地顯示出來，在STM32最小系統(tǒng)上安裝了LCD1602模塊，并編寫了驅(qū)動程序。系統(tǒng)整體實物圖如圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)整體實物圖首先，將直流電源的正負(fù)兩端接在預(yù)先流出來的電源接口，如圖5.2所示。下方接口是正極，上方接口是負(fù)極。電路允許接入13V-36V的直流電源，本次測試接入的是15V的直流電源。上電之后，STM32最小系統(tǒng)的LED指示燈點亮，顯示屏通電。在顯示屏上，S表示當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)定的LED電流值，I表示當(dāng)前LED的實際電流值，V表示當(dāng)前LED的實際電壓值，OFF表示當(dāng)前LED燈處于關(guān)閉狀態(tài)，Manu表示系統(tǒng)處于手動模式。實際效果如圖5.3所示。圖5.2接入直流電源圖5.3顯示屏信息按下KEY1，LED燈打開，從顯示屏可以看出，LED燈狀態(tài)指示變?yōu)镺N，當(dāng)前工作在手動模式，電流設(shè)定值為150mA，LDE燈的實際電流值為148mA，實際電壓值為6.08V。實際效果如圖5.4所示。圖5.4手動模式演示效果按下KEY4，增加設(shè)定的亮度，每按一下設(shè)定電流值增加20mA，連續(xù)按下KEY4達(dá)到最大亮度。如圖5.5所示，電流設(shè)定值達(dá)到最大的350mA，繼續(xù)按下KEY4也不會再繼續(xù)增加。此時LED燈的實際電流值為350mA，實際電壓值為6.48V。圖5.5最大亮度按下KEY3，減小設(shè)定的亮度，每按一下設(shè)定電流值減小20mA，連續(xù)按下KEY3達(dá)到最小亮度。如圖5.6所示，電流設(shè)定值達(dá)到最小的50mA，繼續(xù)按下KEY3也不會再繼續(xù)減小。此時LED燈的實際電流值為52mA，實際電壓值為5.60V。圖5.6最小亮度按下KEY2，切換成自動模式，顯示屏的右上角出顯示為Auto。系統(tǒng)根據(jù)光敏電阻模塊受到的光照強度調(diào)節(jié)LED的亮度。如圖5.7所示。圖5.7自動模式用手完全遮住光敏電阻模塊，模擬黑暗環(huán)境。此時光敏電阻沒有受到光照，系統(tǒng)自動將LED