毕业设计论文-基于单片机的pwm调光灯.doc

1、郑州科技学院专科毕业设计 题 目 基于单片机的PWM调光灯 学生姓名 专业班级 09机电一班 学 号 所 在 系 电气工程系 指导老师 完成时间 年 月 日 郑 州 科 技 学 院专科毕业设计 题目 基于单片机的PWM调光灯 专业 机电一体化 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 主要内容： （一）编写毕业设计论文； （二）能够运用单片机知识进行编程； （三）利用PWM技术达到课题的调光要求。 基本要求： 1.正确的分析课题要求； 2.能编写出课题所运用的单片机程序； 3.掌握PWM调光原理，并能合理的利用在该课题中。 主要参考： 单片机应用技术 PWM原理与应用 完 成 期 限：

2、 2012年4月10日 指导教师签名： 评审小组负责人签名： 年 月 日郑州科技学院专科毕业设计课题名称 基于单片机的PWM调光灯指导教师 赵明冬 学生姓名学 号专 业机电一体化开题报告内容：（课题来源；设计（论文）的目的、要求、思路；任务完成的阶段内容及时间安排）一、 课题来源：指导老师所给定的题目中选取。二、 设计目的： 模拟调光通常可以很简单的来实现。我们可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）频率。然而，在大多数设计中要使用PWM调光。通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以提高精度，线性控制光输出到更低级。 脉冲宽

3、度调制（PWM），简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。三、 设计要求：（1）熟练掌握单片机编程知识。（2）对PWM调光原理能合理运用。四、设计思路：（1）对课题进行科学分析；（2）确定课题实物制作方案；（3）画出相应的电路图，编写出单片机程序。五、任务完成的阶段内容和时间安排：第一阶段：2011年10月20日前毕业设计（论文）题目上报老师。第二阶段：2011年11月3日前接受毕业设计任务书，学习毕业设计（论文）要求及有关规定，收集资料、开始撰写开题报告。第三阶段：2011年11月20日前上交开题报告

4、，由指导老师审阅。第四阶段：2011年12月30日前完成总体设计、结构设计、详细计算、编程等内容并撰写论文，初稿完成。第五阶段：2011年12月31日至2012年4月上旬用不同方式与指导老师交流，沟通毕业设计进展情况。第六阶段：2012年4月上旬完成并提交正式毕业设计成果.指导教师签名： 日期： 基于单片机的PWM调光 基于单片机的PWM调光灯摘 要 PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光 LED驱动器的调光技术。应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高！例

5、如在手机的系统中，利用一个专用 PWM 接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻，连接到驱动器的 EN 接口。多数厂商的驱动器都支持PWM 调光。 不管用Buck, Boost, Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED，它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。一些应用只是简单地来实现“开”和“关”地功能，但是更多地应用需求是要从0到100%调节光的亮度，而且经常要有很高的精度。设计者主要有两个选择：线性调节LED电流（模拟调光），或者使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。使用脉冲宽度调制（PWM）来设置周期和占空度（图

6、1）可能是最简单的实现数字调光的方法，并且Buck调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。 关键词 数字脉冲/占空比/驱动电路/线性调节IBased on SCM PWM dimming the lightsABSTRACT PWM dimming is a simple digital pulse, the repeated switching of white LED driver dimming technology. Application of the system only needs to provide a wide, narrow different digital pulse

7、, can easily change the output current, thereby regulating the brightness of white light LED. PWM dimming has the advantage of being able to provide high quality white light, and the application of simple, high efficiency! For example, in a mobile phone system, using a special PWM interface can easi

8、ly generate arbitrary duty cycle of the pulse signal, the signal is passed through a resistor, connected to the drive EN interface. Most manufacturers drive support PWM dimming. For Buck, Boost, Buck-Boost or linear regulator to drive LED, their common ideas are the drive circuit to control the outp

9、ut of light. Some applied simply to achieve the on and off function, but more application demand is to be from 0 to 100% regulates the brightness of the light, and often have very high precision. The designer has two main options: linear regulator LED current ( analog dimming ), or using the switch

10、circuit with respect to human recognition capacity, a high enough frequency to change the average light output ( digital dimming ). The use of pulse width modulation ( PWM ) to set the cycle and duty cycle ( Figure 1 ) is probably the most simple digital dimming method, and Buck regulator topology c

11、an often provide a best performance.KEY WORDS digital pulse ,duty ,drive circuit ,linear regulatorII目 录中文摘要I英文摘要II引 言11 单片机应用技术简介21.1 单片机内部构成21.2 单片机的工作原理22 PWM调光原理简介42.1 PWM调光技术原理42.1.1 脉冲宽度调节42.1.2 PWM对于LED调光的优势52.2 LED光源的特性73 电路设计83.1 电路设计流程图83.2 主控元件与功能模块介绍83.2.1 按键功能设计83.2.2 主控元件单片机83.2.3 光源模块1

12、13.2.4 电源的选择与连接113.3 其他元件工作特性123.3.1 LED发光二极管功能简介123.3.2 晶振的作用与电路的连接134 实物装配与调试164.1 实物装配流程164.1.1 按照电路原理图焊接组件164.1.2 元器件清单及型号164.2 单片机内部程序的编写164.3 焊接工序注意事项16III基于单片机的PWM调光4.4 调试完善功能18结束语19致 谢20参考文献21附录1：电路原理图22附录2：元器件清单及型号23 附录3：单片机内部程序正文24 附录4：实物成果图26 附录5：实物使用说明27IV基于单片机的PWM调光引 言 目前，针对LED亮度控制方面，主要

13、的两种解决方案为线性调节LED的电流(模拟调光)或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间来回切换(数字调光)。利用脉冲宽度调变(PWM)来设定循环和工作周期可能是实现数字调光的最简单的方法，原因是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。 方案一：利用单片机输出占空比可调的高频脉冲，来改变驱动电流，从而精确地调节LED亮度，即本论文所要介绍的调光方法(PWM调光），为尽量降低 听到噪声和辐射，高端照明系统的调光频率范围一般要求几万赫兹； 方案二：由于LED的亮度在一定范围内与电流成正比，LED的模拟调光是对LED的每个周期进行调整，简单地说，它是不断调整LED的电流大小来改变亮

14、度的，可以通过调整电流检测电阻RSNS，或用模拟电压驱动IC的某个调光功能引脚来完成。无论LED是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动，连接每一个驱动电路最常见的线程就是需要控制光的输出。现今仅有很少数的应用只需要开和关的简单功能，绝大多数都需要从0100%去微调亮度。 因此，利用单片机输出PWM信号，能对LED进行精准，快速，有效地亮度调节。1 单片机应用技术简介1.1 单片机内部构成 单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定

15、时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。1.2 单片机的工作原理 单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块芯片上集成（嵌入）了CPU、RAM和ROM存储器、IO接口等而构成的微型计算机。因主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。单片机的核心是中央处理器CPU。用超大规模集成技术把CPU集成在一块芯片上，称为微处理器。微处理器、微控制器和微型计算机三者的关系十分密切。目前，单片机在工业测控领域中已占重要地位。各电气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产

16、品更新换代、产品智能化的重要工具。单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件存储器中。存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，

17、指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC在中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可

18、能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。2 PWM调光原理简介2.1 PWM调光技术原理2.1.1 脉冲宽度调节我们知道用一个按键开关来控制放光二极管的亮灭，能很明显看到它亮、暗的变化。试想一下，假如用一个开、关频率很高的按键开关来控制发光二级管的亮、灭，由于人的视觉有1/24秒左右的视觉停留，当这个频率高于人的分辨能力，我们就会看到发光二级管一直亮着的错觉。故而，我们控制这个频率的高低，就能达到调光的目的，这种调光技术利用的是数字脉冲来实现的，是一种有效，精准，快速的调光手段。然而，现实中这种开关并非存在，而只是一种理想化的东西。但是如果利用单片机输出高频脉冲就能达到同

19、样的效果。PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光 LED驱动器的调光技术。应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。PWM 是脉冲宽度调制的英文缩写，指一个周期中亮灯时间所占的比例。这个周期很短或说频率很高，至少要高过人眼感光的反应速度。PWM调光就是通过调整灯亮的时间与灯灭时间的比例来调整平均感观亮度的方法。在微小的时间片里，灯要么是全开、要么是全关，没有半开的中间状态。PWM调光可以是分档的，也可以是无级的。 PWM Dimming (脉宽调制)调光方式这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。应

20、用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高！例如在手机的系统中，利用一个专用PWM接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻，连接到驱动器的EN接口。多数厂商的驱动器都支持PWM 调光。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度

21、进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。 一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电

22、压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。因此，本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。2.1.2 PWM对于LED调光的优势LED调光目前有两种思路：一是线性调节LED电流（即模拟调光），二是使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。（PWM）是属于数字调光的方法。模拟调光通常可以很简单的来实现。但是由于LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于单色LED来说，其主波长会改变。对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。用PWM调光则保证了LED发出设计者需要的颜色。PWM调光也可以提

23、高输出电流精度。用线性调节的模拟调光会降低输出电流的精度。通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以精度大于线性控制光输出。从节能来说，没有可比性。因为PWM是保证CCT和颜色情况下测定电流（光强），模拟调光则是不存在这个前提。如果要牺牲这个前提来考虑节能的话，需要实测数据。但我估计在实现同等照度的情况下，PWM会有优势。LED生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流，这样就能保证只以这些特定驱动电流来产生的光波长或CCT.用PWM调光保证了LED发出设计者需要的颜色，而光的强度另当别论。这种精细控制在RGB应用中特别重要，以混合不同颜色的光来产生白光。从驱动IC的前景来看，模拟调光

24、面临着一个严峻的挑战，这就是输出电流精度。几乎每个LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。电流辨别电压（VSNS）通过折衷低能耗损失和高信噪比来选定。驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。要在一个闭环系统中降低输出电流就必须降低VSNS.这样就会反过来降低输出电流的精度，最终，输出电流无法指定、控制或保证。通常来说，相对于模拟调光，PWM调光可以提高精度，线性控制光输出到更低级。但是，PWM 调光有其劣势。主要反映在：PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声（audible noise，或者 microphonic noise）。这个噪声是如何产生？通常

25、白光 LED 驱动器都属于开关电源器件（buck、boost 、charge pump 等），其开关频率都在 1MHz左右，因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。但是当驱动器进行 PWM调光的时候，如果 PWM 信号的频率正好落在 200Hz 到 20kHz 之间，白光 LED 驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。所以设计时要避免使用 20kHz 以下低频段。 另外市面上也有些调光电路用到了可控硅调光，可控硅前沿调光器若直接用于控制普通的LED驱动器，LED灯会产生闪烁，更不能实现宽范围的调光控制。原因归结如下：(1)可控硅的维持电流问题。目前市面上的可控硅调光器

26、功率等级不同，维持电流一般是775mA(驱动电流则是7100mA)，导通后流过可控硅的电流必须要大于这个值才能继续导通，否则会自行关断。(2)阻抗匹配问题。当可控硅导通后，可控硅和驱动电路的阻抗都发生变化，且驱动电路由于有差模滤波电容的存在，呈容性阻抗，与可控硅调光器存在阻抗匹配的问题，因此在设计电路时一般需要使用较小的差模滤波电容。(3)冲击电流问题。由于可控硅前沿斩波使得输入电压可能一直处于峰值附近，输入滤波电容将承受大的冲击电流，同时还可能使得可控硅意外截止，导致可控硅不断重启，所以一般需要在驱动器输入端串接电阻来减小冲击。(4)导通角较小时LED会出现闪烁。当可控硅导通角较小时，由于此

27、时输入电压和电流均较小，导致维持电流不够或者芯片供电不够，电路停止工作，使LED产生闪烁。2.2 LED光源的特性 模拟调光通常可以很简单的来实现。我们可以通过一个控制电压来成比例地改变LED驱动的输出。模拟调光不会引入潜在的电磁兼容/电磁干扰（EMC/EMI）频率。然而，在大多数设计中要使用PWM调光，这是由于LED的一个基本性质：发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。对于单色LED来说，其主波长会改变。对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。对于人眼来说，很难察觉到红、绿或蓝LED中几纳米波长的变化，特别是在光强也在变化的时候。但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。大多数LED包

28、含一个发射蓝光谱光子的区域，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。低电流的时候，磷光占主导，光趋近于黄色。高电流的时候，LED蓝光占主导，光呈现蓝色，从而达到了一个高CCT.当使用一个以上的白光LED的时候，相邻LED的CCT的不同会很明显也是不希望发生的。同样延伸到光源应用里，混合多个单色LED也会存在同样的问题。当我们使用一个以上的光源的时候，LED中任何的差异都会被察觉到。3 电路设计3.1 电路设计流程图图 3-1 电路设计流程图3.2 主控元件与功能模块介绍3.2.1 按键功能设计本设计采用一个自锁开关，三个按键开关作为控制系统的按钮。自锁开关作为电源开关，实现为整个电路上电，断电的功能

29、。按键开关一为复位开关，实现LED任何时候的导通与关闭，当再次按下复位开关，点亮LED的亮度为默认按下复位开关关闭LED时的亮度，复位开关并不是电源的开关，而是让程序从第一步开始执行的功能开关。余下两个按键开关作为调节亮度使用，即为增大亮度，减小亮度，长按则实现连续调节，实现无级调光。3.2.2 主控元件单片机 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下