一种单片机电源开关调亮LED灯开关电源及其控制方法与流程

本发明涉及照明灯亮度控制及家用电器控制领域，尤其涉及一种单片机电源开关调亮LED灯开关电源及其控制方法。

背景技术：

目前LED灯的应用推广以替代传统照明灯为主，大多不具调亮度功能，因此并未体现出LED灯在低亮度状态下特别节能、长寿的特性。虽然市场也有可调亮度的LED灯，但调节亮度的操作面板安装或用遥控器增加了复杂性。

仅用一只普通电源开关兼调灯亮度或电扇风速，具有结构简单、安装方便，不用改造墙上原有线路或加装调节操作面板。目前实现这种控制的专用IC芯片几乎没有，特别是要求功能完善的。然而当前是微处理器(MCU)控制的鼎盛时期，新型单片机除具有典型的微处理器功能外，还大量集成了常用典型功能部件(如电压检测、ADC、通讯接口、断电数据保存、定时器、PWM输出、设置输出驱动结构)，且外围电路几乎全没了(如晶振电路、上电复位电路)，再加上价格低廉(如国产宏晶STC15F104系列8脚单片机才1元左右)，这使得用单片机来做专用IC条件具备，关键是要选对品种、用足功能、以最小的成本、体积、最精简的连接方式加入单片机。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种单片机电源开关调亮LED灯开关电源及其控制方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种单片机电源开关调亮LED灯开关电源，通过电源开关调节LED灯开关电源，它主要由开关电源、单片机、二极管D、断电瞬间供电电容C、电阻R、PWM平滑滤波电容C0组成；所述开关电源为隔离型LED灯开关电源，其用稳压比较器TL431作反馈采样比较，或DC-DC类芯片构成的直流降压、升压LED灯开关电源，其芯片有FB脚作反馈采样比较，或非隔离LED灯恒流开关电源，其芯片有调亮控制脚或反馈控制脚，其上还应包括光耦隔离器件；所述电源开关设置在开关电源的电源输入进线的任意处；所述开关电源输出的LED灯电源正极与单片机取电端相连，单片机取电端经降压稳压后与二极管D的正极相连，二极管D负极和断电瞬间供电电容C的正端都同单片机电源正极连接，电容C的负端和单片机的电源负端G、及LED灯电源负极均连在一起接地；单片机的PWM输出口与电阻R的一端相连，电阻R的另一端和PWM平滑滤波电容C0的一端均与稳压比较器TL431或FB脚或光耦隔离器件相连接。

进一步的，所述开关电源为隔离型LED灯开关电源时，其用稳压比较器TL431作反馈采样比较，电阻R的另一端和PWM平滑滤波电容C0的一端相连，并同稳压比较器TL431的Ref极反馈采样比较点相连，PWM平滑滤波电容C0的另一端与TL431的阴极相连。

进一步的，所述开关电源为DC-DC类芯片构成的直流降压、升压LED灯开关电源时，其芯片有FB脚作反馈采样比较，电阻R的另一端和PWM平滑滤波电容C0的一端相连，并同芯片的FB脚相连，PWM平滑滤波电容C0的另一端接地；对升压型LED灯电源，单片机取电端与电源进线的直流供电正极相连；对降压型LED灯电源，单片机取电端与LED灯电源正极相连。

进一步的，所述开关电源为非隔离LED灯恒流开关电源，其芯片有调亮控制脚或反馈控制脚，其上还应包括光耦隔离器件；电阻R的另一端和PWM平滑滤波电容C0的一端相连，并同光耦的输入二极管的负极相连；PWM平滑滤波电容C0的另一端与光耦的输入二极管的正极相连后并接单片机电源正极；光耦的输出部分接反馈控制脚：对非隔离型开关电源以上边输出的，光耦的输出部分的集电极接反馈控制脚、发射极接非隔离型开关电源的电源输入负极；对非隔离型开关电源以下边输出的，光耦的输出部分的发射极接反馈控制脚、集电极接非隔离型开关电源中的驱动芯片的工作电压输入Vdd脚。

进一步的，所述断电瞬间供电电容C的容量取值要求为当单片机进入停机微功耗模式时保持约1秒供电，所述单片机首选具有停机微功耗模式带定时退出功能的单片机，或单片机选有IDLE空闲模式能响应定时器中断的；

所述单片机电源脚具有低压检测或中断功能；

所述单片机若采用国产宏晶STC 15系列单片机，其电源脚低压检测阈值可选产品所具有的高电压值设定；

所述单片机的I/O口Pk.n输出形态可配置、及首选个别脚具有PWM输出功能的，用I/O口Pk.n中的一个经编程设置成开漏型PWM输出口的脚对LED灯开关电源设置亮度；

所述单片机内带断电非易失存贮器EEPROM、单片机可取消/无外部晶振电路和上电复位电路

进一步的，还包括MOS管M，MOS管M的源极接地，MOS管M的栅极接单片机I/O口Pk.n，MOS管M的漏极变为LED灯电源输出负端，原开关电源LED灯电源输出负端接地；对没有MOS管M的，开关电源LED灯电源输出负端就是LED灯电源输出负端，接地。

进一步的，还包括讯响灯，所述讯响灯是LED指示灯，同单片机I/O口Pk.n连接；或，所述讯响灯是蜂鸣器，同单片机I/O口Pk.n连接；或，所述讯响灯是各档都有LED指示灯或LED显示屏，此时用若干单片机I/O口Pk.n连接若干LED指示灯或LED显示屏；

所述电源开关是电源总开关，为带锁按钮、船型开关、拔动开关、旋钮开关或拉线开关。

本发明还提供一种建立在上述的单片机电源开关调亮LED灯开关电源硬件基础上的控制方法，具体包括以下操作步骤：

电源开关的快速关断又开启作为亮度设定操作，具体步骤如下：所述单片机根据电源开关的一次关断又开启，且断电时间少于1秒，确定为亮度设定操作，简称“短关”，首次短关总是将亮度恢复到上次预存的亮度；

紧接着再短关，亮度加一档；不断短关，亮度逐档递增；到最亮档时，讯响灯亮或嘀响一下，再后即为最暗档，依次轮换；

到某档亮度不变超过1秒，该档亮度即为最近预存；关灯时间超过1秒后下次开启就恢复到最近预存档亮度，不改变预存；若短关调亮，新的亮度又为最近预存，前面的最近预存变为上次预存，供随时按一下短关就切换到上次预存档；

预存就是将调档数据保存在单片机内带的断电非易失存贮器EEPROM中。

对亮度分档在3档及3档以下时，短关就是增亮一档的操作；到最亮档时，讯响灯亮或嘀响一下，再后即为最暗档，依次轮换；可要求关灯后下次开启总是恢复到上次用过的亮度。

亮度或还要变色分档为4档及4档以上时，可设置3个以上预存档；

本发明还提供一种建立在上述的单片机电源开关调亮LED灯开关电源硬件基础上的控制方法，其特征在于，具体包括以下操作规则：

对亮度分档在3档及3档以下时，电源开关的快速关断又开启作为亮度设定操作，具体规则如下：所述单片机根据电源开关的一次关断又开启，且断电时间少于1秒，确定为亮度设定操作，简称“短关”，短关就是亮度加一档；到最亮档时，再后即为最暗档，依次轮换；可要求关灯后下次开启总是恢复到上次用过的亮度；

本发明还提供一种单片机电源开关调亮LED灯，包括LED灯以及上述的单片机电源开关调亮LED灯开关电源；所述LED灯的正极与开关电源输出的LED灯电源正极相连，所述LED灯的负极与LED灯电源负极相连。

或，包括LED灯、电源开关以及上述的单片机电源开关调亮LED灯开关电源；所述LED灯的正极与开关电源输出的LED灯电源正极相连，所述LED灯的负极与LED灯电源负极相连；所述电源开关设置在开关电源的电源输入进线的任意处。

本发明的有益效果是：本发明充分利用了国产宏晶STC 15系列单片机具有停机微功耗模式带定时退出功能、电源脚低压检测及中断功能、内带断电非易失存贮器EEPROM使历史状态断电保存、各IO口四状态配置(准双向、推挽强上拉输出、纯输入、开漏输出)、IO口开漏脉宽调制PWM输出设置、以及不用晶振电路、上电复位电路，使除了正负电源脚外的所有引脚都是IO口，这对简洁的8脚单片机尤为重要。正是对以上所述单片机新特性的恰到好处地用对了地方，才有了本发明极简单的连接电路。

1、电源开关兼调亮度，即使有4档亮度以上的按开关调亮，操作体验仍可设计得很好，包括一次关开在两个预存亮度中切换、刚开灯总恢复到最近用过的亮度。使原有的普通灯开关及线路无须改变就可直接装上可调亮度LED灯，并仍用原有的普通灯开关来调亮度。2、仅用一只电源开关就实现了开关兼调档，可推广到交直流LED台灯、电扇、电热器等，使结构简单、操作方便、可靠性高。3、单片机成了专用IC，外围元件极少，且灵活可“编”，使该单片机电源开关调亮LED灯开关电源的体积、生产成本几乎不变，安装同原来一样，却有了很利于LED灯的实用调亮度功能，何乐不为，产品竞争力强。

附图说明

图1是本发明实施例中单片机加入LED灯开关电源实现电源开关调亮度的基本构成图；

图2是本发明实施例中两组LED灯切换控制扩展电路图；

图3是本发明实施例中直流供电降压型LED灯的单片机连接图；

图4是本发明实施例中直流供电升压型LED灯的单片机连接图；

图5是本发明实施例中恒流型非隔离开关电源上边输出类的单片机接入点及光耦隔离控制电路图；

图6是本发明实施例中恒流型非隔离开关电源下边输出类的单片机接入点及光耦隔离控制电路图；

图7是本发明实施例中隔离型LED灯开关电源(高效准谐振型软开关电源)的典型电路图；

图中：1、电源开关；2、开关电源；3、讯响灯；4、单片机取电端；5、LED灯；6、反馈采样比较点；7、亮度设定电阻R；8、单片机电源正极；9、反馈控制点；10、单片机I/O口Pk.n。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例：

本发明加入单片机少不了给单片机供电，单片机电压要求3到5V，所以从图1到图6，单片机取电端4(也就是降压稳压的输入端)都接在高于5V但又相对接近5V的各电源正极取电(也有另设绕组单独供电的，为某些附加功能或有较多指示灯3及嘀声蜂鸣器)，单片机取电端4经降压稳压后通过二极管D单向供电给单片机。所谓降压稳压常用的就是三端稳压器，如78L05、7550、7144、AMS1117，更简单还可能是串联一只电阻接单片机电源正极8，单片机电源正极8再并一只稳压管接地，也就是与电源滤波电容C并联。之所以要通过二极管D单向供电，这就是本发明的关键点：靠(电源开关1)断电来控制。断电时，供电很快消失，由于二极管D单向导电性，不会漏掉单片机电源正极8所接的电源滤波电容C的储电，所以该单片机电源滤波电容C在此时变为断电瞬间供电电容C，其容量取值要求为当单片机进入掉电微功耗模式时能保持约1秒供电。更具体的断电瞬间执行过程是：单片机本身运行有不小的耗电，断电后接有滤波电容C的单片机的工作电压(图1中的单片机电源正极8)也很快下降，被单片机的低压检测功能检测到，并启动低压中断功能程序使单片机进入停机微功耗模式(因翻译习惯，一直叫“掉电模式”)(包括关掉所有耗电端口)，此时单片机的工作电压下降就很缓慢了，并每隔百毫秒自动超时退出停机微功耗模式检测供电是否已恢复正常。若已正常，则表示出现了一次断电控制，供程序根据要求执行控制。若仍为低压状态，则继续进入停机微功耗模式等超时再退出检测供电状态。若超过近1秒仍未恢复供电(断电瞬间供电电容C仅维持1秒供电，超过1秒单片机就不工作了，下次来电就是冷启动)，那就不是断电控制，就是关掉了。这里用到了新型单片机的停机微功耗模式带定时退出功能、电源脚低压检测及中断功能，国产宏晶STC 15系列单片机不仅具有这些功能，且电源脚低压检测阈值是可设定的，设得高、能早发现断电，编程更宽裕灵活。具体关于电源脚低压检测及中断功能，详见宏晶STC15F2K60S2单片机产品手册。因此，外部就不需要设计断电检测取样电路了。

注意，关于单片机的停机微功耗模式(文献资料一直叫“掉电模式”)，不要按字面误以为只要电源脚的工作电压低到一定程度就会自然进入掉电微功耗模式。其实早在30年前的鼻祖8031系列(及后来的ATMEL89系列)单片机就已经有了该微功耗模式，符号是PD，即Power Down(掉电)，它必须通过执行指令才能进入这种最不耗电的“非死机”模式，所谓“非死机”，即它已经是停机了，但还能响应一些事件触发中断、退出PD模式回到正常指令执行状态。特别是这里所说的新型单片机的PD模式(本文直接改称“停机微功耗模式”)具有带定时自动退出PD模式功能，使编程检测断电状态特别方便，外围电路就多了一只二极管D，断电供电电容C是本来就必须的电源滤波电容，也正是因为PD模式的微功耗，才使得C的体积可小到米粒大。对停机微功耗模式没有定时自动退出功能的单片机，可用空闲IDL模式配合定时器中断，但此时断电供电电容C要加大(但体积仍可小于绿豆)。IDLE空闲模式耗电在0.1mA以下，能响应定时器溢出中断；关于具体PD模式带定时自动退出设置，详见宏晶STC15F2K60S2单片机产品手册。

一旦电源开关的断电操作被单片机认定是断电控制(即电源开关调亮)，本发明巧妙地采用PWM方式来控制亮度，其好处首先是只要一根I/O口线，结构简单，且还几乎是连续可变(电阻R固定不变，由内部程序变PWM配置参数)。要求选用有PWM输出功能的单片机，例如宏晶STC15W408AS等单片机最多可配置三路PWM输出，这里只需配置一路。说得更详细一点，对单片机I/O口中有PWM输出功能的某Pk.n(如P1.0)，先将其输出电路结构设定为开漏形式，这样的Pk.n所配置的PWM输出是开漏型脉冲宽度调制输出，即在每个周期T中，a时间该Pk.n对地短路，T-a时间该Pk.n开路，对STC15系列T＝256时基单位，0<a<256。在本应用中，用开漏型PWM设置开关电源调LED灯亮度，对原开关电源影响小，去PWM平滑滤波容易，就一个电阻R、一个电容C0，见图1、3、4、5、6。关于具体开漏型PWM配置，详见宏晶STC15F2K60S2单片机产品手册。

注意，不要把这里的PWM同开关电源中的稳压/恒流用PWM或PFM混肴，两者是完全独立的。

这里所用的是新型单片机(没有晶振及两电容)，除二电源脚正极/负极外，可以全部都是I/O口Pk.n脚(图1中10)。对宏晶STC15系列，k＝0-5,即端口P0-P5；n＝0-7，即口线位bit Pk.0-Pk.7。单片机IO口的各Pk.n脚都有四状态(准双向、推挽强上拉输出、纯输入、开漏输出)可配置。因此，新型单片机不仅把IC芯片上的脚(除二电源脚正极/负极外)都留作I/O脚，且支撑单片机运行的辅助电路全取消了(如晶振电路、复位电路)，所以接入单片机才会精简到就2、3个接入点。

配置成开漏型PWM输出的单片机I/O口Pk.n，要较好地实现对原开关电源的亮度控制，要寻找满足如下条件的控制接入点：1、电流改变亮度敏感点；2、控制点工作电压在单片机工作电压范围内，与单片机有相同的参考地电位(否则通常要用光耦隔离，如图5、6)；3、不破坏原有电压或电流型的闭环反馈控制；4、去PWM平滑滤波容易。图1中的反馈采样比较点6就是常用隔离型开关电源中满足这些条件的控制点，它是稳压比较器TL431的Ref端，即反馈采样比较点(注意：单片机同LED灯5电源负极、TL431共地)。将配置成开漏型PWM输出的单片机I/O口Pk.n串电阻R后连接反馈采样比较点6，对地导通时所串电阻R越小灯越亮，但R不能过小，过小会影响电压闭环反馈控制。再就是反馈采样比较点6不能受PWM干扰，必须有抗PWM平滑滤波措施，图1中的C0就是去PWM平滑滤波电容，这里巧妙的在于，TL431(的Ref端到上端)本来就应该有该电容(0.1-0.47uF)用作相位补偿，以消除电压抖动，现在C0再兼任去PWM平滑滤波。至此，基本的同加入单片机相关的连接都已说明了。事实上本发明更多的是在充分发掘新型单片机的潜在功能，恰到好处地用在了此类应用上，使得实际增加的元件极少(一只三端稳压器、一只二极管、几只电阻)，单片机直接成了此类应用的专用IC，且功能灵活可“编”！

对无PWM输出口的单片机，除可用对定时器编程实现PWM输出外，还可用若干配置为开漏输出型的I/O口Pk.n串亮度设定电阻R连接到反馈采样比较点6实现分档调亮。这点特别适合宏晶STC15F104系列8脚精简型单片机，用两个Pk.n脚(如P3.0、P3.1)就有四档亮度(P3.0、P3.1各串不同电阻对地导通就有二档不同亮度，P3.0、P3.1同时导通则在更亮档上再稍微加亮一点到最亮档，P3.0、P3.1都不导通就是原LED灯开关电源的最小亮度)，通常三档亮度就够了。这种廉价(约1元)的小单片机，装在LED灯开关电源上，体积、工艺、成本没什么增加，安装同原来LED灯开关电源一样，却有了很利于LED灯的实用调亮功能，何乐不为，市场前景看好！

鉴于LED灯种类多，规定单片机控制接入点的特征，而不限定开关电源(2)的具体电路。图1所示的单片机与开关电源的连接图中所标明的接入点：LED灯电源正极、反馈采样比较点6是隔离型LED灯开关电源的接入点。图7是隔离型LED灯开关电源典型的完整图，其中对接入点LED灯电源正极、反馈采样比较点6有对应标明。图7中的IC型号为新型高效准谐振型软开关电源，但即使是最常见的经典UC3842，电路图也基本类似(这两个接入点不变，且一目了然)。

对更多LED灯，在不同种类的开关电源中接入点要有相应调整，也包括附加一些功能扩展要求，具体如下：

图2是两组LED灯切换控制扩展，在图1基础上增加了MOS管作开关分别控制各自LED灯的导通，连接方式为LED灯5的负端接MOS管M的漏极、MOS管M的源极接地、单片机I/O口Pk.n接MOS管M的栅极。两组LED灯通常是不同色调的，单片机口Pk.n高电平时所连的MOS管导通，该组色调的LED灯就亮，图2中的同图1的单片机所设置的亮度就是对该组色调的LED灯的调亮度。特别是目前有超低导通电阻型MOS管，体积小如米粒、无须散热板。

图3是直流供电降压型LED灯的单片机连接图、图4是直流供电升压型LED灯的单片机连接图，它们的连接基本同图1，所不同的是单片机I/O口Pk.n串亮度设定电阻R连接到反馈采样比较点6是芯片的FB端(相当于图1中的TL431的Ref端)，C0去PWM平滑滤波电容一端接在反馈采样比较点6，另一端接地。图4中的单片机取电端4(5V稳压输入)取自直流供电正端，但如果电池供电电压低于5V(如锂电池3.7V)也可接开关电源输出的LED灯电源正极，同图1、图3。注意这种升压、降压IC芯片(通常叫DC-DC)内部也是开关电源模式。这种直流或电池供电的LED灯通常是台灯、应急照明灯、电筒、或车载灯。

图5是恒流型非隔离型开关电源上边输出类的单片机连接点及增加光耦隔离、图6是恒流型非隔离型开关电源下边输出类的单片机连接点及增加光耦隔离，其中的降压稳压供电单片机所需的输入电压，即单片机取电端4均连接到开关电源输出的LED灯电源正极，LED灯电源负极与单片机共地；光耦OC的输入二极管的负极经电阻R接单片机I/O口Pk.n、光耦OC的输入二极管的正极接单片机电源正极，去PWM平滑滤波电容C0与光耦OC的输入二极管并联；光耦OC的输出部分则接各自的反馈控制点，图5是OC的输出部分的集电极接反馈控制点9、发射极接非隔离型开关电源的电源输入负极；图6是OC的输出部分的发射极接反馈控制点9、集电极接非隔离型开关电源中的驱动芯片的工作电压输入Vdd脚。这种恒流型非隔离型LED灯开关电源因其转换效率高、不用成本贵的高频隔离变压器，在LED灯具中应用很广。

图3到图7中的IC芯片型号只是用作示意本发明用单片机所涉及的控制接入点的典型代表，实际各类芯片型号还有很多，但同用单片机相关的控制接入点几乎类同。

单片机I/O口Pk.n还连接讯响灯3，其功能为，当调到最亮档时，讯响灯3亮或蜂鸣器嘀一声，让用户知道这是最亮档，再调就变最暗档(当然指示灯(3)也不亮了)。

讯响灯3可以是嘀声蜂鸣器，或各档都有LED指示灯或各种显示屏，此时包括用若干单片机I/O口Pk.n10连接若干LED指示灯或显示屏。

电源开关(1)为电源总开关，设置在开关电源(2)的电源输入进线的任意处，可以是带锁按钮、船型开关、拔动开关、旋钮开关、或拉线开关。

控制方法设计得合理是操作体验好的关键。本发明为解决(一个通断开关)多档选择操作繁的问题，引入两个亮度自动预存档，短关一次就切换到上个预存档，依次轮换。连续短关就是从上个预存档亮度开始逐档递增亮度，到最亮档时，指示灯(3)亮，再后即为最暗档，依次轮换。所谓“短关”是指(开关断电)关时间少于1秒(后又即开启)的。“短关一次”与“连续短关”的区别是“短关一次”后就亮着不管了(开亮通电时间超过1秒)；“连续短关”指相邻的两次短关间的通电时间不到1秒的。只要改变了亮度，(稳定不变后超过1秒)新的亮度就自动进入最近预存，前面的亮度变为上次预存，供随时短关切换到上次预存档(内部设计就是首次短关总是切换到上次预存档。短关一次也就是首次短关)。

最近用过的两次亮度就是最近预存档及上次预存档。关灯后(1秒以上)下次开启总是恢复到最近预存档亮度(这个不改变预存)；凡短关总是从上次预存档亮度开始。

注意，这种调亮随时都可进行，并非仅在刚开灯时有效。

虽然可对亮度分档在3档以下的(主要指3档亮度)，电源开关1的操作可简化为只有“短关”(功能就是增加一档亮度)，但这与上面的定义也不矛盾。下次开灯总是恢复到最近用过的亮度也可规定。但讯响灯3可取消。

亮度分档多、或还要变色，可引入多个预存切换是简化操作的方式。

预存就是将调档数据保存在单片机内带的断电非易失存贮器EEPROM中，使关灯长时间断电后仍记得以前用过的亮度，减少经常调亮的麻烦。

以上主要从技术层面详述加入单片机及控制方法，但这种单片机电源开关调亮LED灯开关电源，可包括LED灯5做成LED灯头、LED灯具等完整产品(本身不带电源开关)，还可包括电源开关1做成带电源开关兼调档的交、直流LED台灯、电扇、电池供电应急灯、车载灯、电筒等完整产品，特别是电池供电的，长期不用也不会因微耗电导致失电损坏充电池。