基于stm8sf103k3的交流LED调光控制系统毕业设计.docx

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基于stm8sf103k3的交流LED调光控制系统毕业设计

课题名称：

基于stm8sf103k3的交流LED调光控制系统

2.stm8s单片机最小系统设计4

摘要

节能减排是我国可持续发展的重要策略，随着节能LED灯的发展，其控制问题显得越来越重要。

本文采用交流电后沿触发方式设计出一款交流LED灯调压调光控制系统。

系统采用8位高性价比的stm8s103k3单片机为主控芯片，对输入220VAC进行零点检测，按照旋钮编码开关或红外一体接收电路信号的指令，控制交流LED灯供电周期的切相时间的长短，从而实现LED灯的调压调光控制。

本系统的创新点在于采用开关电路作为交流LED灯供电电路的负载，能够克服传统可控硅前沿触发方式的缺点，实现节能。

通过实物制作与测试，该控制系统能够实现LED灯的调压调光控制功能，具有操作方便、可靠性高，实用性强，效率高等特点。

关键词：

stm8s103k3；交流LED调光；信号处理；红外接收；编码开关

ABSTRACT

EnergyconservationisanimportantstrategyforsustainabledevelopmentinChina,withthedevelopmentofenergy-savingLEDlights,thecontrolissuesbecomeincreasinglyimportant.

Inthispaper,triggermodeoftheACtrailingedgeisutilizedinthevoltageregulatorACLEDlightsdimmingcontrolsystem.Systemuseseighthighcoststm8s103k3micro-controllerasthemasterchip,Directlyto220VACinput,itisusedforzeropointdetection,inaccordancewiththerotaryencoderswitchorinfraredsignalreceivingcircuitintegratedcommand,itcouldcontrolACpoweredLEDlightscyclethelengthoftimeofphasecutinordertoachieveLEDregulatingthelampdimmingcontrol.TheinnovationofthissystemistheuseofLEDlightswitchcircuitasanACload.Powersupplycircuitisabletoovercomethetraditionalshortcomingsofsiliconedgetriggermode,toachieveenergysaving.Throughin-kindproductionandtesting,thecontrolsystemcanachievearegulatorLEDlightsdimmingcontrolfunction,witheasyoperation,highreliability,practicabilityandhighefficiency.

Keywords：

stm8s103k3;AcLEDdimmer;signalprocessing;infrared

Receiver；codeswitch

1.绪论

1.1课题研究的背景与目的

随着高频逆变技术应用于一些可调光新型电子照明系统,原有的前沿相位控制调光器已不能适应这些新系统,一种后沿相位控制调光器已开发成功,本文讨论了两种调光器的原理和应用范围,分析了由于误用所导致的危害,总结了两种调光器在应用于不同阻抗特性的可调光照明系统的正确选择。

前沿调光器具有调节精度高、效率高、体积小、重量轻、容易远距离操纵等优点,在市场上占主导地位,多数厂家的产品都是这种类型调光器.前沿相位控制调光器一般使用可控硅作为开关器件,所以又称为可控硅调光器.可控硅调光器虽然电路简单、成本低廉,但由于可控硅开关时会产生较强的无线电干扰,若不采取有效的滤波措施,将会妨碍许多电器的使用.另外,可控硅调光器在开通时有一个很陡的前沿,电压波形从零电压突然跳高,这对白炽灯类电阻性负载的影响不大,但却不适合气体放电光源的调光使用.因为多数气体放电光源都需要驱动电路来配合工作,而驱动电路是一种容性负载,可控硅调光器产生的电压跳变会在容性负载上产生很大的浪涌电流,使电路工作不稳定,甚至造成驱动电路烧毁的故障。

后沿相位控调光器除了具有可控硅调光器的优点外,一个重要的特性就是能适应气体放电灯的调光需要.随着世界范围内对白炽灯的淘汰不断加快,用户对呈容性阻抗的电子节能灯等光源进行调光的需求开始逐渐增多,而后沿调光器正好适应这种市场变化.后沿相位控制调光器一般使用MOSFET作为开关器件,所以又称为MOSFET调光器。

LED（LightEmittingDiode），中文含义是发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，可以直接把电转化为光，具有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环保、耐用等特点。

主要应用于各种室内、户外显示屏，汽车内部的仪表板、刹车灯、尾灯，电子手表，手机等.作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。

我国的LED产业起步于20世纪70年代，经过近40年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。

本系统实用新型提供一种不用开关电源驱动，可直接使用交流电驱动的交流LED灯泡，并具有成本低、体积小、转换效率高的优点。

交流LED灯泡，包括灯罩、LED光源模组板、散热体、连接头和灯头，所述散热体和灯头通过连接头连接在一起，所述光源模组板上设置有直流LED，还包括驱动板，所述驱动板与光源模组板电连接，所述直流LED是由蓝光LED芯片和带有余辉特性的黄色荧光粉封装而成。

本实用新型利用普通蓝光LED芯片加有余辉特性的黄色荧光粉，在220V或110V交变电压下直接点亮，同时荧光粉具有20ms以上高余辉亮度，保证在不低于50Hz的交流电源下工作时，可以弥补间歇时间的发光亮度，消除频闪效应，得到稳定的白光。

图1-1LED射灯

本系统采用LED射灯5X1W，GU10,E27，如图1-1所示。

广泛应用于家庭普通照明，办公室，餐厅，酒店，商场，娱乐场，酒吧，珠宝店，服装店，会所等外壳是采用车铝，散热更可靠，产品安全；灯头是GU10接口，无120HZ闪灯问题。

调光系统的组成与未来发展完善的智能控制系统应该具有手动的控制、智能控制、光控、时控及故障报警控制功能。

当太阳下山天色渐暗后能自动点亮，午夜12点后灯的照度能自动减半；天亮后，灯能自动熄灭；特殊情况下，人能够手工控制；而在灯具发生故障时，控制系统能自动报警。

智能调光系统主要由服务器、控制器、单片控制器及信号检测电路四大部分组成。

服务器：

由上位机和上位机软件组成，主要实现监控操作和报警功能。

服务器位于路灯管理等控制中心，其与控制器之间的联系可采用电力载波、网络或无线方式。

控制器：

负责接受服务器发来的信号，并解码后发送至单元控制器，实现控制，同时将信号检测的结果传送至服务器。

信号检测电路：

检测环境亮度、驱动电源电压、电流。

并将检测所得的信号发送至单元控制器或者控制器。

单元控制器：

每一盏LED灯配有一个单元控制器，通过接收控制器的指令，对LED进行调光或者开与关控制，同时将LED灯的驱动电压、电流通过信号检测电路送到控制器。

当LED灯具出现故障时将故障信号传送至控制器。

目前在道路照明领域，LED的应用正在迅速普及，长寿命和可靠性仍是目前考虑的第一要素，但随着技术的发展，当寿命和可靠性问题在一定程度上得已解决时，LED照明应用必然朝智能化调光系统大步迈进。

对于单元控制器的发展更是层次不齐，越来越重视成本和体积等考虑。

后沿相位控制调光器除了具有可控硅调光器的优点外,一个重要的特性就是能适应气体放电灯的调光需要.随着世界范围内对白炽灯的淘汰不断加快,用户对呈容性阻抗的电子节能灯等光源进行调光的需求开始逐渐增多,而后沿调光器正好适应这种市场变化.后沿相位控制调光器一般使用MOSFET作为开关器件,所以又称为MOSFET调光器. 可控硅调光器虽然电路简单、成本低廉,但由于可控硅开关时会产生较强的无线电干扰,

前沿调光器具有调节精度高、效率高、体积小、重量轻、容易远距离操纵等优点,在市场上占主导地位,多数厂家的产品都是这种类型调光器.前沿相位控制调光器一般使用可控硅作为开关器件,所以又称为可控硅调光器。

可控硅调光器虽然电路简单、成本低廉,但由于可控硅开关时会产生较强的无线电干扰,若不采取有效的滤波措施,将会妨碍许多电器的使用.另外,可控硅调光器在开通时有一个很陡的前沿,电压波形从零电压突然跳高,这对白炽灯类电阻性负载的影响不大,但却不适合气体放电光源的调光使用.因为多数气体放电光源都需要驱动电路来配合工作,而驱动电路是一种容性负载,可控硅调光器产生的电压跳变会在容性负载上产生很大的浪涌电流,使电路工作不稳定,甚至造成驱动电路烧毁的故障。

1.2课题的主要研究内容

不用开关电源驱动，可直接使用交流电驱动的交流ＬＥＤ灯泡，并具有成本低、体积小、转换效率高和智能化便利的优点。

其主要包含以下几个方面的内容：

（1）STM8S单片机最小系统的制作

详细论述了STM8S单片机供电电源的要求和实现方法、电路设计。

考虑成本和体积，采用阻容式降压电路。

（2）检测电路设计

通过对交流电过零点实时检测，使得能在交流电后沿实现切相方案实现。

系统粗约对交流电过零点的检测。

（3）旋转编码开关和LED设计

除单片机电源还得对开关和无线模块供电电源要求，需要多大的电流驱动能力。

（4）主电路设计

交流电直接驱动LED，通过控制整流后直流电来控制灯的亮度，保证LED波形的对称和标准，对开关管驱动电路的设计

　（5）红外设计

对现有遥控器编码协议解析，配合红外一体化接收头对LED调光灯进行控制。

（6）本系统的总体设计框图

本系统总体设计框图如下图1.1所示：

图1.1总体设计框图

（7）软件开发及其设计流程图

学会stm8s系列单片机开发软件IAREmbeddedWorkbench开发，学习清晰的分块编程思想，设计系统开发流程图。

（8）PCB设计

对于X86大小的盒子，电路板不是很大，学习AltiumDesignerSummer09软件使用，PCB制作电路板，节省空间。

2.STM8S单片机最小系统的制作

2.1STM8S单片机电源系统的设计　

查询stm8s单片机芯片资料，电源供电范围是工作电压在2.95V到5.5V。

在此范围的电压均可以使单片机正常工作。

但考虑到整个系统需要弱点供电的还有红外接收头，旋转编码开关和ＬＥＤ指示灯，根据他们供电范围确定系统制作3.3V的工作电压。

也就是AC220V转换成3.3V的直流稳定电压。

本系统使用交流电经阻容降压整流通过两个3.3Ｖ稳压管稳压产生3.3Ｖ的电源，实现电路图设计如图2-1所示：

图2-1系统电源

（1）此电源的设计关键在于阻容降压部分，阻容降压部分与负载电流具有一定的比例关系阻容降压接整流滤波电路的分析计算：

R11是电容CBB22的泄放电阻，R10和负载组成限流负载，

Cbb22＝I/（0.314×U）

（电容单位：

微法，I＝负载电流，单位：

A，U＝电容降压，即：

U＝电源电压－负载电压，单位：

KV）通常降压电容Cbb22的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：

C=14.5I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。

电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电.

（2）器件选择

1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。

因为通过降压电容Cbb22向负载提供的电流Io，实际上是流过Cbb22的充放电电流Ic。

Cbb22容量越大，容抗Xc越小，则流经Cbb22的充、放电电流越大。

当负载电流Io小于Cbb22的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁.经试验测得，确定负载电流≤100mA,当Io=100mA,选择稳压管为IN4728，稳压管参数:

最大损耗功率Pd=1W,Vz=3.3V,Iz=76mA.Ir=100uA,两只稳压管并联组成，由于Ir《Iz,根据以上公式，C=14.5I=14.5*2*76/1000uF≈2.20uF，我们选择电容C=2.2uf.

2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。

电源电压有效值为220V，交流电对其充放电故选择金属化聚丙烯薄膜电容，额定电压为400V就行了。

故电容为CBB22224/400V.

　　3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。

根据公式1/2*πRC<0.01同时，为了降低损耗，故需要较大的电阻，故选择1M的电阻

（3）电容降压原理电容降压的工作原理并不复杂。

将交流式电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后再整流滤波，当受体积和成本等因素的限制时，最简单实用的方法就是采用电容降压式电源。

他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。

在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。

当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。

虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。

根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。

电容降压实际上是利用容抗限流。

而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

（4）使用这种阻容降压电路时，需要注意以下事项：

1、未和220V交流高压隔离，请注意安全，严防触电！

2、限流电容须接于火线，耐压要足够大（大于400V），并加串防浪涌冲击兼保险电阻和并放电电阻。

3、注意齐纳管功耗，严禁齐纳管断开运行。

（5）滤波电路设计

滤波是信号处理中的一个重要概念,此系统采用RC-π滤波电路，实质上是在电容滤波的基础上再加一级RC滤波电路组成的，电阻R的作用是将残余的纹波电压降落在电阻RL，最后由C2旁路掉，经“电容→电容”两次滤波，R越大，滤波效果越好，但考虑到电阻越大，功耗越大，故选择电阻阻值R=470Ω，C1=470uF/35V,C2=100uF/35V.TVS管是一种二极管形式的高效能保护器件。

当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12秒量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。

由于它具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、无损坏极限、体积小等优点，目前已广泛应用于计算机系统、通信设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表、RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM、数字照相机的保护、共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪声的抑制等各个领域。

TVS管的选取计算选取时应注意以下几点：

①TVS额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。

②最小击穿电压VBR=VWM/KBR（其中，KBR=0.8～0.9）。

③TVS的最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压，即VC=KC×VBR（其中，KC=1.3）。

④在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须大于被保护电路内可能出现的峰值脉冲功率。

在确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应大于瞬态浪涌电流。

2.2STM8S单片机最小系统

高性能的高性能的高性能的高性能的8位通用控制器平台位通用控制器平台位通用控制器平台位通用控制器平台–芯片设计特点：

强抗干扰能力–品质保证；高可靠性–采用理由；低系统成本–8位机开发；简单灵活，上手容易。

（1）单片机内部结构

图2-1单片机系统架构

STM8S103x基础型系列芯片的功能模块和外设的基本特点：

ØSTM8的中央处理单元

8位的STM8内核在设计时考虑了代码的效率和性能。

 它的6个内部寄存器都可以在执行程序中直接寻址。

共有包括间接变址寻址和相对寻址在内的20种寻址模式和80条指令。

Ø结构和寄存器：

● 哈佛结构 

● 3级流水线 

● 32位宽程序存储器总线 — 对于大多数指令可进行单周期取指 

● 两个16位寻址寄存器：

 X寄存器和Y寄存器 — 允许带有偏移的和不带偏移的变址寻址模式和读—修改—写式的数据操作 

●8位累加器 

●24位程序指针 — 16M字节线性地址空间 

●16位堆栈指针 — 可以访问64K字节深度堆栈 

●8位状态寄存器 — 可根据上条指令的结果产生7个状态标志位。

Ø寻址：

●20种寻址模式 

●用于地址空间内任何位置上的查询数据表的变址寻址方式 

●用于局部变量和参数传递的堆栈指针相对寻址模式。

Ø指令集：

● 80条指令，指令的平均长度为2字节

● 标准的数据传送和逻辑/算术运算功能 

● 8位乘8位的乘法指令 

● 16位除8位和16位除16位除法指令 

● 位操作指令 

● 可通过对堆栈的直接访问实现堆栈和累加器之间的数据直接传送（push/pop） 

● 可使用X和Y寄存器传送数据或者在存储器之间直接传送数据。

Ø中断控制器 

● 带有3级软件优先级设定的嵌套中断 

● 带有硬件优先级的32个中断向量 

● 包括TLI中断在内的，最多27个外部中断分布在6个中断向量上 

●陷阱（Trap）和复位中断 

ØFlash程序存储器和数据EEPROM存储器 

●8K字节的单电压闪存程序存储器 

●640字节的真正的数据EEPROM 

●用户选项字节区

Ø时钟控制器

时钟控制器将来自不同振荡器的系统时钟（fMASTER）连接到内核和外设，它也为低功耗模式管理时钟的选通，并确保时钟的可靠性。

其特点：

●时钟分频：

为了在速度和电流消耗之间找到一个最佳的平衡点，可以通过一个可编程的预分频器来调整CPU和外设的时钟频率。

●安全的时钟切换：

通过一个配置寄存器，可以在运行的时候安全地切换时钟源。

新的时钟源准备好之前时钟信号不会被切换。

这个设计能够保证无故障地切换时钟。

●时钟管理：

为了减少功耗，时钟控制器可以关闭内核、每个外设或存储器的时钟。

●主时钟源：

4个不同的时钟源可用来驱动主时钟─ 1~16MHz高速外部晶振（HSE）─ 最高至16MHz的高速外部时钟（HSE）─ 16MHz高速内部RC振荡器（HSI）─ 128kHz低速内部RC（LSI） 

●启动时钟：

复位之后，单片机默认运行在内部2MHz时钟下（HSI/8）。

一旦代码开始运行，应用程序就可以更改预分频比例和时钟源。

●时钟安全系统（CSS）：

 这个功能可以用软件打开。

一旦HSE时钟失效，CSS可以自动地将主时钟切换到内部RC（16MHz/8），并且可以选择产生一个中断。

●可配置的主时钟输出（CCO）：

应用程序可以控制输出一个外部时钟。

Ø电源管理

为实现有效的电源管理，应用程序可以进入四种不同的低功耗模式。

用户可以选择任意模式，在最低的功耗、最快的启动和可用的唤醒源之间达到最佳的平衡。

● 等待模式（Wait）：

在此模式下，CPU停止工作，但是外设仍在运行。

可以用内部中断、外部中断、或复位来唤醒。

●开启调压器的活跃停机模式：

在此模式下，CPU和外设时钟停止工作。

自动唤醒单元（AWU）按照设定好的间隔时间产生内部唤醒。

主电压调压器保持供电，所以电流的消耗比调压器关闭的主动暂停模式大，但是唤醒时间更短。

可用内部AWU中断，外部中断或者复位来唤醒。

●调压器关闭的活跃停机模式：

此模式除了主电压调压器断电以外，其它皆与调压器开启的主动暂停模式相同，所以唤醒时间较长。

●停机模式：

此模式下单片机的功耗最低，CPU和外设的时钟都被关闭，主电压调压器断电。

可用外部事件或中断唤醒。

ØTIM1 — 16位高级控制定时器

这是一个为宽范围控制应用而设计的高端定时器，带有互补输出、死区控制和中心对齐的PWM功能，这个领域的应用包括马达控制、照明和半桥驱动等。

● 带有16位预分频的16位递增、递减和双向（递增/递减）自动重载计数器 

●4个独立的捕获/比较通道（CAPCOM），可配置成输入捕获，输出比较，PWM产生（边沿或中心对齐模式）和单脉冲模式输出 

●使用外部信号控制定时器的同步模块 

●强制定时器输出进入预定状态的刹车输入 

●死区时间可调的3个互补输出 

●编码器模式 

●中断源：

3个输入捕获/输出比较，1个溢出/更新，1个刹车

Ø模数转换器（ADC1） 

 STM8S103xx系列基础型产品包括一个10位连续渐近式模数转换器（ADC1），提供多达5个外部输入和1个内部输入的多路复用通道，主要特点如下：

●输入电压范围：

0~VDD 

●转换时间：

14个时钟周期 

●单次和连续的以及带缓冲的连续转换模式 

●缓冲区大小：

n x 10位 （n=输入通道数） 

●对一系列的通道进行单次或连续的扫描 

●带可编程上限或者下限的模拟看门狗 

●模拟看门狗中断 

●外部触发输入 

●可用TIM1定时器触发信号（TRGO）触发

●转换结束（EOC）中断

Ø通信接口

芯片带有以下接口：

● UART1：

 全功能UART，同步模式，SPI主模式，智能卡模式，IrDA模式，单线模式，LIN2.1主模式 

● SPI — 全双工和半双工，8M位/秒 

● I²C — 最高至400K位/秒 

主要介绍URAT1：

主要特点 

● 1M位/秒全双工SCI 

● 模拟SPI 

● 高精度波特率发生器 

● 智能卡模拟 

● IrDA SIR编码解码 

● LIN主模式 

● 单线半双工模式 

异步通信（UART模式） 

● 全双工通信—NRZ标准模式 

● 可达1Mbits/s（fCPU/16）的可编程发送接收波特率，不管输入频率如何皆可兼容任何标准波特率 

● 发送和接收使能位可单独设置

● 2个接收唤醒模式：

─地址位（MSB）─总线空闲（中断） 

● 可产生中断的发送错误检测 

● 奇偶校验控制

（2）时钟