LED智能照明系统的红外遥控模块设计.docx
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摘要
摘要
LED作为一种新型光源，具有高效节能、绿色环保、使用寿命长等诸多优点。
成为照明系统的第三代新型光源。
本设计是一种以STC89C52单片机为核心的红外遥控大功率白光LED照明系统，作为拥有8K的EPROM和3位P口的52单片机足够满足设计的要求。
本设计采用了PT4115大功率LED恒流驱动方案与PWM调光方式，运用红外遥控技术控制单片机，通过NEC协议（通用红外协议）传输数据，从而实现对LED光源的多级亮度调节。
显示部分采用了七段数码显示管进行显示，实时显示LED亮度调节状态。
实验证明，LED照明系统稳定高效，控制便捷，在照明应用中具有很好的前景。
关键词：
单片机，LED，红外，PWM调光
I
Abstract
LED（light emitting diode） as the new light source has the merits of energy efficiency, environmental friendly and longer lifespan, Becomethethirdgenerationofnewlightsourceoflightingsystem.ThisdesigniskindofInfraredremotecontrolwhiteLEDlightingsystembasedonSTC52SCM.As52SCMwith8KEPROMand3＇portcanmeetthedesignrequirements.Thisdesignadopts PT4115 as LED constant current drive andPWMdimmingproject.Theuseofinfraredremotecontroltechnologycontrolsinglechipmicrocomputer.ThroughtheNECtotransmitdatasoastorealizetheLEDlightsourcemultistagebrightnesscontrol.Displaypartadoptssevensectionofdigitaldisplaytubetodisplay,Real-timedisplayofLEDbrightnesscontrolstate.Throughexperiment,thehigh-powerLEDlightingsystemisprovedtobemoreefficientandconvenient,whichhasthegoodpracticalvalueintheapplicationfieldforlighting.
Keywords:
SCM，LED ，infrared remote，PWMdimming
II
目录
目录
第1章课题整体框架 1
1.1课题任务 1
1.2课题要求 1
1.3研究意义 1
第2章设计方案 3
2.1硬件部分 3
2.1.1电源模块 3
2.1.2复位电路 3
2.1.3系统方案概述 4
2.1.4系统方案结构 5
2.1.5单片机最小系统 6
2.1.6恒流驱动模块 8
2.1.7显示模块 10
2.1.8红外遥控模块 11
2.2软件部分 14
2.2.1软件工具 15
2.2.2模块流程图 15
第3章实现功能 16
3.1实现功能描述 16
3.2电路设计 16
3.2.1单片机最小系统电路设计 16
3.2.2基于PT4115的恒流驱动电路设计 17
3.2.3数码管显示电路设计 18
3.2.4红外接收电路设计 19
3.2.5其他外围电路 19
3.3软件设计 20
3.3.1软件设计思路 20
3.3.2红外解码中断子程序 20
3.3.3红外码值处理程序 22
3.3.4键值识别处理程序 22
3.3.5LED驱动程序 23
第4章调试与实现 24
4.1调试中遇到的重点与难点 24
4.2解决方案 24
4.3实现展示 25
第5章总结 27
参考文献 28
致谢 29
附录 30
附录一：
程序清单 30
附录二：
电路原理图 38
III
第1章课题整体框架
第1章课题整体框架
1.1课题任务
LED被称为第三次照明革命，在照明领域有着广阔的发展前景。
本课题旨在设计出一款可以通过红外遥控控制LED灯点亮和熄灭并能调节亮度强弱的照明设备。
整个系统由单片机控制，利用红外遥控器发射命令，对应的红外接收器接收后将其送入单片机，单片机根据命令选择对应操作，并由显示部分实时显示相应命令。
1.2课题要求
利用STC89C52单片机设计一款能够通过红外控制的大功率LED照明系统，并能实现PWM多级调光。
本课题要求由红外遥控器发射命令，对应的红外接收器接收后将其送入单片机，单片机根据命令选择对应操作，并由显示部分实时显示相应命令。
1.3研究意义
随着科学技术的不断进步与发展，照明系统在工业、商业、医疗机构、家用电器等领域中广泛应用。
在人类生活中，光扮演着及其重要的角色，无论你生活在哪里，无论是在室内还是户外，光源都是人类生活必不可少的。
光源对于人类无比重要，不断推动着人类社会向前发展。
可以说，随着光源被人类利用制造出照明设备后，人类不仅征服了黑暗，更拓宽了各个领域的发展道路。
如今，照明领域迎来了第三次照明革命，LED正在改变我们的生活。
目前，照明是我国能源消耗的重要方面，每年的照明用电约占发电总量的12%。
随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高。
同时，随着能源危机和环保问题的日益严峻，我国照明产业也必须走绿色节能的发展道路。
LED是一种将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源。
其作为一种新型的绿色照明方式，应用前景举世瞩目。
1
电子科技大学成都学院本科毕业设计论文
与现行白炽灯、荧光灯等传统照明设备相比，LED具有亮度高、高效率、低功耗、寿命长、启动快、功率小、无频闪、无污染，结构简单，环保节能等优点，这都是传统照明设备无法与其相比的。
且LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于显示屏、交通讯号、广告多媒体、城市亮化等各种室内和户外显示光源。
此外，汽车仪表板、开光背光源、车内阅读灯和车外大灯等也在逐步推广采用LED光源。
当然，作为一种新型照明技术，LED的高效和节能最为引人注目，无论是在室内照明还是户外照明，LED的绿色环保、节能高效等都是传统光源无法匹敌的。
LED可以通过PWM调光，PWM调光不会产生任何LED色谱偏移，有极高的调光精确度，不会发生闪烁现象，并且可以和数字控制相结合实现智能控制等优点，红外遥控具有所必需的体积小、功率低，信号无干扰，传输准确度高，成本低廉等特点，适用于各种家用电器及照明设备。
所以本文设计了一种以STC89C52单片机为核心的红外遥控大功率白光LED照明系统，可以红外遥控实现对LED光源的多级PWM调光。
2
第2章设计方案
第2章设计方案
2.1硬件部分
2.1.1电源模块
本设计单片机是由5V电源供电，引脚定义：
①电源正极；②负极静触点；③负极动触点。
如下图所示：
图2-1电源模块结构图
本设计的LED供电电源则由外部12V电源供电。
下面会详细说明。
2.1.2复位电路
（1）复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
（2）复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。
3
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2.1.3系统方案概述
本设计方案包括单片机最小系统、恒流驱动模块、显示模块、红外遥控模块这几个部分。
本设计方案单片机选取的是STC的52单片机，STC89C52是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。
它与51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
STC89C52可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。
只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程,不易损坏器件，而且擦写时间仅需10毫秒，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽（2.7V~6V），全静态工作，工作频率宽在0Hz～24MHz之间，比51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性,系统能快能慢。
红外遥控模块是选的一个型号为HS-021的遥控器和型号为HX1838的接收芯片。
此款MPS遥控器价格低廉，使用普遍，提供操作码值，故选此遥控器。
当然，别的遥控器也同样适用。
同样HX1838芯片价格低廉，虽然效果和工艺要求没有HS0038高，但是其低廉的价格和设计的需求，恰能满足次方案。
同样其他红外接收芯片同样能适用本设计方案。
恒流驱动模块采用的是以PT4115芯片为核心的驱动模块。
PT4115因价格低廉，市面上使用较多，有相应设计电路可供选择，且支持PWM调光。
故选此恒流驱动模块驱动LED光源。
不过由于此款芯片驱动LED的驱动电压较高，因此需要专门的电源为其供电，商用场景则可直接加入前置整流电路由市电供电即可。
显示模块因需求不高，只需显示实时状态即可，因此选择了一位七段数码管作为显示部分，其模块简单，易于设计。
当然，由于模块化设计，若需加入更好的显示模块也比较方便实现。
4
第2章设计方案
2.1.4系统方案结构
红外遥控器
HX1838红外接收芯片
STC89C52
单片机最小系统
系统电源
PT4115
恒流驱动模块
LED
图2-2系统方案结构意图
5
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2.1.5单片机最小系统
由于系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用STC89C52作为控制系统的核心，也可视具体情况换用其他系列芯片，不过需要考虑相应的兼容情况。
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。
而51单片机只是内存变为4K，其他两者与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，下面指出了各个管脚的用途。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，P3口管脚备选功如下：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
6
第2章设计方案
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址地位字节。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
STC89C52主要功能如下表：
表2-1STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
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时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图（a）所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图2-3时钟电路
2.1.6恒流驱动模块
1.恒流驱动电路
从LED伏安特性可知，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的较大波动，并且环境温度、LED老化等因素也将影响LED的电气特性，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将严重影响其可靠性和使用寿命。
而LED的光输出直接与LED电流有关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下宜采用恒流驱动方式。
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第2章设计方案
采用基于PT4115的大功率恒流驱动系统。
PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源芯片，该芯片适合用于各类绿色照明LED灯的驱动电路，应用电路简洁，适用范围广，所需元器件较少且价格低廉。
其具有以下特点：
（1）6V~30V宽电压范围输入；
（2）输出电流可达1.2A；
（3）复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光、PWM调光；
（4）输出电流精度可达5%；
（5）转换效率高达97%；
（6）LED开路保护；
（7）输出可调的恒流控制方法：
（8）内部含有抖频特性，极大地改善EMI。
PT4115芯片的引脚功能：
SW：
功率开关的漏端；
GND：
信号和功率地；
DIM：
开关使能、模拟和PWM调控端；
CSN∶电流采样端，采样电阻接在CSM和VIN端之间；
VIN：
电源输入端，必须就近接旁路电容
图2-4PT4115恒流驱动电路
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2.PWM调光原理
在实际应用中，LED调节亮度一般采用两种方法，即模拟调光或PWM调光。
模拟调光与PWM调光对比如图2所示。
模拟调光是通过改变流过LED电流的大小来调整光效的，除了亮度会改变以外，也会影响LED的光效质量，即电流变化必然导致LED的色度偏差。
PWM基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，可以实现从0到100%范围的亮度调节。
PWM调光的优势是LED正向导通的电流一直是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光一样会变化；在精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度。
为了避免人眼能够看到LED的导通和关断，而感觉到灯光闪烁，PWM调光的频率要高于100Hz，由于人眼的视觉残留效应，眼睛就会对导通和关断时间内的亮度进行平均，仅仅看到由PWM占空比决定的有效亮度。
对于PWM调光频率设置在软件设计时应予以注意。
图2-5模拟调光和PWM调光对比
2.1.7显示模块
为了实时显示LED照明设备调控状态，本设计特别在红外遥控系统的基础上增加了一个一位七段数码管，既能满足显示需要，电路又简化，且成本低廉。
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第2章设计方案
图2-6共阳数码管管脚图
2.1.8红外遥控模块
1.红外原理
红外线遥控是目前使用最广的一种遥控手段。
红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，在现代电子产品中普遍采用红外遥控。
若能将红外遥控器的按键编码进行识别与解码，并用作单片机系统的输入处理信号，则解决了常规矩阵键盘线路板过大、布线复杂、占用I/O口过多的弊病，而且使用遥控器，可实现人对设备的长距离操作控制，使用更加便捷高效。
本设计采用一款型号为HS-021的MP3遥控器作为红外发射单元。
其采用通用的红外协议——NEC协议，即脉冲宽度调制编码格式，每个脉冲宽度560us，以不同的脉宽宽度来实现二进制信息的编码。
其载波频率38KHz，发射编码格式由引导码、用户码、数据码、数据反码和结束码构成。
从图可以看出，每一条信息均以一个起自动增益调整作用的引导码开始，后面是8位地址码（又称用户码）和8位地址的反码（用于校验），接着是8位命令码和8位命令的反码，最后是结束码。
引导码由9ms的高电平和4.5ms的低电平波形所构成，以作为一帧数据的起始位；用户码用于区分不同类型的红外遥控设备，数据码即代表实际按下的键值信息，数据反码是数据码的各位求反，通过比较数据码与数据反码，可判断接收到的键值数据是否正确。
图2-7红外编码格式
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红外二进制编码信息‘0’与‘1’分别由毫秒量级的高低脉冲组合实现，逻辑1为2.25ms，脉冲时间560us；逻辑0为1.12ms，脉冲时间560us。
所以根据脉冲时间长短来解码，周期为1.125ms的组合表示二进制“0”，周期2.25ms的组合表示“1”。
图2-8逻辑1与逻辑0
（1）空闲状态：
当红外接收头1838没有数据时（无按键按下，或是数据转化完成），红外接收头的输出引脚会一直保持高电平。
（2）引导码：
当红外接收头1838接收到了数据，其输出引脚首先会由空闲的高电平状态跳转为低电平状态，该低电平状态会保持9ms，即称之为引导码。
（3）结果码：
引导码过后，红外接收头的输出引脚会由低电平状态跳回到高电平状态并保持4.5ms，那么这4.5ms的高电平状态即称之为结果码。
（4）逻辑编码区：
结果码过后，红外接收头的输出引脚便会输出一段高低电平跳转维持53.76ms的时序区，此区域即是后面的以红外二进制编码信息‘0’与‘1’组合形成的32位编码（包含地址码、地址反码、命令码、命令反码）。
红外遥控信号是要经过接收芯片HX1838进行解码，才能获得符合规定编码的键数据码（命令码），剔除不符合编码协议和约定的用户码（地址），以及数据码与数据的反码不对应的信号，以确保接收的信息的准确。
只有这样，才能正确地通过红外线遥控对设备进行控制。
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第2章设计方案
2.红外接收芯片HX1838
HX1838是一款3脚的红外接收芯片，具有宽电压适应、低功耗、高灵敏度、抗干扰的特性，常应用于家用电器、空调、玩具等红外遥控接收。
HX1838参数及引脚信息如图表所示：
表2-2极限参数
电源电压
VCC（v）
6.0
工作温度
TOPR（℃）
-25 — +85
功 耗
PD（mw）
35
储存温度
TSTG（℃）
-40 —+125
表2-3光电参数（T=25℃ VCC=5V f0=38KHZ）
参数
符号
测试条件
Min
Type
Max
单位
工作电压
Vcc
2.7
5.5
V
接收距离
L
L5IR5 IF=300mA
（测试信号）
10
17
M
载波频率
f0
38K
HZ
接收角度
θ1/2
距离衰减1/2
+/-45
Deg
BMP宽度
fBW
-3Db Bandwidth
2
3.3
5
KHz
静态电流
Icc
无信号输入时
0.8
1.5
mA
低电平输出
Vol
Vin=0V Vcc=5V
0.2
0.4
V
高电平输出
VoH
Vcc=5V
4.5
Vcc
V
输出脉冲
宽度
TPWL
Vin=500μVp-p
500
600
700
μS
TPWH
Vin=50mVp-p
500
600
700
μS
表2-4引脚定义
引脚
定义
GND
电源负极
VOUT
信号输出
VCC
电源正极
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图2-9HX1838引脚图
3.红外接收芯片应用电路
图2-10红外接收芯片电路
2.2软件部分
2.2.1软件工具
要使单片机系统按照人的意图办事，需设法让人与计算机对话，并听从人的指挥。
程序设计语言是实现人机交换信息的最基本工具，可分为机器语言、汇编语言和高级语言。
与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
本设计软件工具采用KeiluVision4，KeiluVision4软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，
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第2章设计方案
并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。
新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地
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