环形led阵列数字调光电路的设计毕业论文

编号： 毕业设计毕业设计(论文论文) 说明书说明书 题 目： 环形 LED 阵列数字 调光电路的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 高兴宇 职 称： 题目类型 ：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 5 月 26 日 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 I 页 摘 要 在低耗能的电子产品的趋势下，比如低功率照明，传统的电灯泡被发光二极管代 替了。 目前的电子产品发展的主要趋势是引导去开发一种低耗能和小型化的电子产品， 这种电子产品要具有智能化而且与其它设备是可连接使用的，比如消费电子产品和智 能房间那些设备。另一方面，就发光二极管的高效率的意义而言，使用小型化大功率 照明也是可以实现的。这篇论文主要探索了使用 PWM 控制技术来完成发光极管的智 能调光系统的制作。调光功能是 LED 控制系统的发展方向。LED 控制系统不仅具有调 光功能，而且在一定程度上具有节能作用。在 LED 自动调光控制系统中主要使用了 LM741，光敏电阻和 MAX1241 等元器件。该控制系统使用了 STC89C52RC 作为核心 控制芯片，控制芯片接收和处理 MAX1241 芯片的转换数据后，再控制 LM741 实现自 动调光功能。微控制技术被广泛应用于工业界来解决工程控制问题。 一款新的用于微 控芯片的仿真软件被引进了工业界与教育界，这款软件就是 Proteus 虚拟实验室， Proteus 将电路仿真，可操作元器件和微处理器模型集于一体，可以完成微控制器的仿 真与设计。 在电路实物做出来之前，Proteus 就能对电路进行开发与测试。 在这篇论 文中对 Proteus 的一些功能与优势进行了介绍。实验证明 LED 控制系统具有自动调光 作用和一定程度的节能作用。 关键词:LED；智能调光；PWM；PROTEUS 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 II 页 Abstract Current trends in low power electronics represent e.g. low power lightings， where classical light bulbs are replaced by Light Emitting Diodes (LED) lights. The deployment trend in current electronics leads mainly to the development of low power and miniaturized solutions which are intelligent and connectable with other devices e.g. consumer electronics or Smart Homes. On the other hand there is a possibility to use miniaturized high power lightings in sense of Light Emitting Diodes (LEDs) due to the high efficiency of these elements. This paper mainly explores intelligent lighting control system of LEDS by using pulse-width modulation (PWM) strategies. Dimming function is a development direction of control system of LEDSControl system of LEDS can not only adjust lighting effect but also achieve the purpose of energy-saving to some extent. An applied auto-dimming control system of LEDS was designed by using LM741， photoresistor and MAX1241It uses STC89C52RC as the control chip core，control LM741 realize dimming function after received and processed the MAX1241 dataMicrocontrollers are widely applied in the field of industry to solve engineering control problems. A new simulation software package for microcontroller， Proteus virtual system modelling (VSM)， is introduced for industrial and educational use. Proteus VSM combines circuit simulation， animated components and microprocessor models to facilitate co-simulation of complete microcontroller based designs. Proteus VSM makes it possible to develop and test designs before a physical prototype is constructed. The functions and advantages of Proteus VSM are introduced in this paper. Experiment proved that the control system of LEDS achieved a self-dimming function and certain energy-saving effect. Keywords: LEDS; Intelligent lighting control system;PWM;PROTEUS 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 III 页 目 录 1 引言1 1.1 课题研究背景.1 1.2 课题研究内容和设计方案2 1.2.1 课题研究内容2 1.2.2 设计方案2 2 系统理论知识.2 2.1 LED 的发光原理.2 2.2 LED 亮度控制方法.2 2.3 整个系统的功能要求与结构.3 3 模块化设计.3 3.0 应用软件的介绍.3 3.0.1 软件 Proteus 简介4 3.0.2 软件 Keil uVision4 简介5 3.0.3 软件 Proteus 与软件 Keil uVision4 的联合调试.6 3.1 电源模块的设计6 3.1.1 电源模块的功能要求和结构6 3.1.2 变压器，整流桥的计算与选择7 3.1.3 稳压管 7812，7912，7805 的功能介绍7 3.1.4 电源模块的原理图与仿真.8 3.1.5 电源模块的验证与测试10 3.2 芯片 STC89C52RC 的功能介绍.10 3.3 显示模块的设计.13 3.3.1 芯片 74LS48 的功能介绍.13 3.3.2 数码管的显示原理.14 3.3.3 显示模块的原理图与仿真.14 3.4 输入模块的设计15 3.4.1 键盘的界面设计.15 3.4.2 键盘的工作原理16 3.4.3 键盘的驱动程序17 3.5 智能调光模块的设计.18 3.5.1 光敏电阻的功能简介与仿真18 3.5.2 芯片 LM741 的简介与仿真.20 3.5.3 芯片 MAX1241 的功能介绍.22 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 IV 页 3.5.4 智能调光模块的原理图与仿真23 3.6 三环 LED 电路的设计.29 3.6.1 三环 LED 的电路原理图设计与仿真.29 3.6.2 三环 LED 的三维模型30 4 系统的整合设计.30 4.1 系统电路原理图.30 4.2 控制系统的程序流程图.31 4.2.1 控制系统的程序流程图.31 4.2.2 控制系统的操作手册.32 4.3 软件调试33 4.4 电路 PCB 图.38 4.5 系统的三维仿真图38 4.5.1 电源模块三维图38 4.5.2 控制模块三维图38 4.5.3 三环 LED 灯三维图39 4.6 硬件制作过程.39 4.7 硬件调试40 4.8 硬件与软件的整合调试.41 5 结论43 谢 辞.44 参考文献.45 附 录.46 附录源程序.46 附录 系统原理图62 附录 PCB 图.62 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 1 页 1 引言 1.1 课题研究背景 为了说明LED的特点，先看看所用的照明灯光源的状况。白炽灯和卤钨灯，其光 效为1224流明/瓦；荧光灯和HID灯的光效为50120流明/瓦。对白光LED：在1998年， 白光LED的光效只有5流明/瓦，到了1999年已达到15流明/瓦，这一指标与一般家用白 炽灯相近，而在2000年时，白光LED的光效已达25流明/瓦，这一指标与卤钨灯相近。 有公司预测，到2005年，LED的光效可达50流明/瓦，到2015年时，LED的光效可望达 到150200流明/瓦。那时的白光LED的工作电流便可达安培级。由此可见开发白光 LED作家用照明光源，将成可能的现实。 普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格便宜，但光效低（灯的热效应白白耗电）， 寿命短，维护 工作量大，但若用白光LED作照明，不仅光效高，而且寿命长（连续工 作时间10000小时以上），几乎无需维护。德国Hella公司利用白光LED开发了飞机阅读 灯；澳大利亚首都堪培拉的一条街道已用了白光LED作路灯照明；我国的城市交通管 理灯也正用白光LED取代早期的交通秩序指示灯。可以预见不久的将来，白光LED定 会进入家庭取代现有的照明灯。 LED的特点 （1） 电压：小功率的LED灯，比如指示灯，导通电压1.4V左右，大功率的LED灯 的导通电压从几伏到几十伏不等。 （2） 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。 （3） 适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形 状的器件，并且适合于易变的环境 。 （4） 稳定性：10万小时，光衰为初始的50% 。 （5） 响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级 。 （6） 对环境污染：无有害金属汞 。 （7） 颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料 的能带结构和带隙，实现红，黄，绿，蓝，橙多色发光。如小电流时为红色的 LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。 （8） 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白 炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成。 虽然价格较现有照明器材昂贵，仍被认为是它将不可避免地替代现有照明器件。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 2 页 1.2 课题研究内容和设计方案 1.2.1 课题研究内容 各种光电检测系统中常用LED作为照明光源，LED的单片机自动调光系统对于 LED的使用非常重要。设计能够对环形LED阵列的不同圈的LED分别进行亮度调节的 电路，使其适应不同的照明需求。首先调研LED的原理和亮度控制方法，制定合理的 亮度控制电路方案，对环形LED阵列的照明要求进行分析讨论；设计对3环的LED环形 阵列每个环分别控制亮度和开关。 1.2.2 设计方案 电源模块控制模块三环LED 2 系统理论知识 2.1 LED 的发光原理 LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致 发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护 内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载 流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换 为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发 光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加 上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体能发出从紫外到红外不同颜 色的光线，光的强弱与电流有关。 2.2 LED 亮度控制方法 LED 一般是恒流操作的，如何改变 LED 的亮度呢？答案可以是 PWM 控制。 在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现。比如我们用 高电平点亮一个 LED 灯，我们假设把一个频率周期分为 100 个时间等份，如果方波中 的高低电平占空比是 1：99，这是就是一个比较暗的亮度，如果方波中高低电平占空比 是 0：100，这时，全部是低电平，灯是灭的。如果占空比是 50：50，就是一个中间亮 度，如果高低比是 99：1，是一个比较亮的亮度，如果高低是 100：0，这时全部是高 电平，就是最亮的。 图 11 设计方案 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 3 页 所以从理论上讨论，用 PWM 方法控制三环 LED 的 100 个亮度级别是可以实现的。 2.3 整个系统的功能要求与结构 电源模块:任务书中要求，输入电压为220V交流电，降压再转换为15V的直流电为 LED系统供电。因此电源模块中应包括变压器，整流桥，稳压管三种主要元件。为了 增加直流电压的稳定性，在电路中应适当地接入电容。为了便于观察电源模块的工作 正常与否，电源模块中还应有指示灯。 控制模块:任务书中要求，实现三环LED灯的100个亮度级别的数字调光，因此该模 块中应包括微控制器(MCU)，矩阵键盘，显示设备，光传感器以及光信号处理电路， 放大电路。 微控制器(MCU): (1) 执行各种算术运算。(2) 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试， 如零值测试或两个值的比较。运算器所执行全部操作都是由控制器发出的控制信号来 指挥的，并且，一个算术操作产生一个运算结果，一个逻辑操作产生一个判决。 矩阵键盘:用于接收操作者的操作信号。 显示设备:将整个系统的工作状态传达给操作者。 光传感器以及光信号处理电路：用于感知外界环境的光照变化情况，将光信号转 换成电压信号，再经过模数转换，将模拟信号转换成数字信号，再把数字信号送到微 控制器中处理。 放大电路：单片机的输出信号强度一般都很小，输出电压一般为+5V以下，电流大 小一般为几十毫安。所以单片机的输出电压是不能驱动几只到几十只并联的LED灯， 因此要设计放大电路，将单片机的输出信号放大，以使每一路输出信号经放大后可以 驱动十多只并联的LED灯。三环LED灯:接收放大电路的放大信号，实现三环LED灯100 个不同亮度级别的调节。 系统框架如图21： 电源模块控制模块三环 LED 灯 图 21 系统框架图 输入AC 220V 整流桥整流 7812,7912， 7805稳压 输出+12V,- 12V,+5V直流 电 显示模块 放大电路 微控芯片 输入模块：键盘 光电传感器 以及处理电路 三环LED 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 3 模块化设计 3.0 应用软件的介绍 3.0.1 软件 Proteus 简介 PROTEUS软件是由英国LabCenter Electronics公司开发的EDA工具软件，它集成了 高级原理布图，混合模式SPICE电路仿真，PCB设计以及自动布线，可实现一个完整的 电子设计。它由ISIS和ARES两个软件构成，基中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台 软件，ARES是一款高级的布线编辑软件。 (1) PROTEUS ISIS 概述 通过PROTEUS ISIS软件的VSM（虚拟信真技术），用户可以地模拟电路，数字 电路，模数混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子器件一起仿真。 在原理图中，电路激励源，虚拟仪器，图表以及真接布置在线路上的探针一起现 在电路中。任何时候都能通过“运行按钮”或“空格”键对电路进行仿真。 PROTEUS VSM有两种截然不同的仿真方式：交互式仿零点和基于图表的仿零点。 基中交互式仿零点可实时观测电路的输出，因此可用于检验设计的电路是否能正常工 作。而基于图表的仿零点能够在仿真过程中放大一些特别的部分，进行一些细节上的 分析，四基于的图表的仿零点可用于研电路的工作状态和进行细节的测量。 PROTEUS 软件的模拟仿零点零点接兼容厂商的SPICE模型，采用了扩充了的 SPICE3F5电路仿零点模型，能够记录基于图表的频率特性，直流电的传输特性，参数 扫描，噪声分析，傅里叶分析等，具有超过8000种的电路仿真模型。 PROTEUS软件的数字仿真支持JDEC文件的物理器件仿零点，有全系列的TTL和 CMOS数字电路仿零点模型，同时一致性分析易于系统的自动测试。 PROTEUS软件支持许多通用的微控器，如PIC，AVR，HC11以及8051；包含强大 的调试工具，可对寄存器，存储器实时监测；具有断点调试功能用单步调试功能；具 图 31 PROTEUS ISIS Professional 界面 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 5 页 有对显示器，按包，键盘等外设进行交互式可视化仿零点。此外，PROTEUS可对IAR C-SPY，Keil uVision等开发工个的源程序进行调试，可与Keil实现联调。 此外，在PROTEUS中配置了各种虚拟仪器，如示踊器，逻辑分析仪，频率计，IIC 调试器等，便于测量和记录仿零点的波形，数据。 (2) PROTEUS ARES 概述 PROTEUS ARES PCB的设计采用了原32位数据库存的高性能PCB设计系统，以及 高性能的自动布局和自动布线算法；支持多达16个布线层，2个丝网印刷层，4个机械 层，加上线路板边界层，布线禁止层，阻焊层，可以在任意角度放置元件和焊盘连接 线；支持光绘文件的生成；具有自动的门交换功能；集成了高度智能的布线算法；有 超过1000个标准的元器件引脚封装 ；支持各种Windows驱动设备的输出；可以导出其 他线路板设计工具的文件格式；能自动插入最近打开的文档；元件可以自动放置。 目前的最高版本是PROTEUS8.0，增加了 元器件数量，元器件封装数量以及更多的虚拟测试工具。 3.0.2 软件 Keil uVision4 简介 图 32 PROTEUS ARES Professional 界面 图 33 Keil uVision4界面 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 6 页 2009年2月发布Keil uVision4，Keil uVision4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，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组织多个窗口，提供一个整洁，高效 的环境来开发应用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，还添加了 一些其他新功能。 2011年3月ARM1公司发布最新集成开发环境RealView MDK开发工具中集成了最 新版本的Keil uVision4，其编译器、调试工具实现与ARM器件的最完美匹配。目前使 用Keil uVision4的产品有Keil MDK-ARM，Keil C51，Keil C166和Keil C251。最新的 Keil uVision4 IDE，旨在提高开发人员的生产力，实现更快，更有效的程序开发。 uVision4引入了灵活的窗口管理系统，能够拖放到视图内的任何地方，包括支持多显示 器窗口。 uVision4在Vision3 IDE的基础上，增加了更多大众化的功能。多显示器和灵活的 窗口管理系统；系统浏览器窗口的显示设备外设寄存器信息；调试还原视图创建并保 存多个调试窗口布局；多项目工作区简化与众多的项目。 3.0.3 软件 Proteus 与软件 Keil uVision4 的联合调试 （1）假若KeilC与Proteus均已正确安装在C:Program Files的目录里，把C:Program FilesLabcenter ElectronicsProteus 7 ProfessionalMODELSVDM51。dll复制到 C:Program FileskeilCC51BIN目录中。 （2）用记事本打开C:Program FileskeilCC51TOOLS。INI文件，在C51栏目下加 入： TDRV5=BINVDM51。DLL (“Proteus VSM Monitor-51 Driver“) 其中“TDRV5”中的“5”要根据实际情况写，不要和原来的重复。（步骤（1）和I（2） 只需在初次使用时设置。） （3）在Keil uVision4建立好工程以及编写好相应的程序后，还要对相应的工程作 相应的设置。 （4）在软件PROTEUS ISIS勾选上菜单栏中“Debug”下的”Use Remote Debug Monitor” 到此，PROTEUS ISIS中的原理图与Keil uVision4中的程序就可以联合仿真了。 3.1 电源模块的设计 3.1.1 电源模块的功能要求和结构 电源模块的功能要求:将220V的交流电转换成+12V，-12V，+5V三种直流电。 电源模块结构框图 34： 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 7 页 变压器 1P2S 整流桥1 整流桥2 滤波电路1 滤波电路1 稳压管 7812 稳压管 7912 稳压管 7805 脉动直 流电压 脉动直 流电压 +12V -12V +5V AC 220V 3.1.2 变压器，整流桥的计算与选择 设系统可以驱动N=30颗白光LED，每颗LED灯的电流为I=20mA，正常工作条下， 每颗LED的两端电压为U=2.5V。 则LED的功率为P1= = 30 2.5 0.020 = 1.5() 再加上其它各芯片及其它电子元器件的功耗，设整个系统的功率为P=2瓦。 则变压器的一次端电流为 I1=2/220= /1 9.1 10 3() 则变压器的二次端电流为 I2=2/15= /2 0.134() 整流电流的平均值 0= 2 1。11 = 0。134 1。11 = 0.121() 整流电压平均值 0 = 0.92= 0.9 15 = 13.5() 流过整流桥的中每个二极管的电流平均值 = 1 20 = 1 2 0.121 = 0.061() 整流桥中每个二极管承受的最高反向电压 =22= 1.414 15 = 21.21() 3.1.3 稳压管 7812，7912，7805 的功能介绍 (1) 稳压管 W7812 三端稳压集成电路使用时要求输入电压比输出电压值至少在2V以上，即|U1|- |U2|=2V，但也不宜过大。另外还有接地端流过的静态电流IQ=8mA。W7812为三端固 定下12V输出的集成稳压器， 7812主要参数有:输出真流电压UO=+12V，输出电流的最小值为0.1A，最大值为 0.5A，电压调整率为10mV/V，输出电阻RO=0.15 ，输入电压UI的范围15V17V，因为 一般情况下UI要比UO大35V，才能保证集成稳压管工作在线性区。 7812引脚图如图35所示: 图34 电源模块 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 8 页 (2)稳压管LM7912 输入电压VI=-18V，输出电流IO=0。5A，输入端接的电容值CI=2。2uF，输出端接 的电容值CO=1uF。输出电压最小值-11。5V，最大值-12。5V，线性调整率典型值为 12mV。静态电流的典型值为3mA，最大值为6 mA。温度系数-0。8mV/，输出噪声电 压的典型值为200。 7912引角图与原理图36: (3)稳压管 W7805 输出电流IO=0.5A，输入端接的电容值CI=0.33uF，输出端接的电容值CO=0.1uF。输 出电压最小值4.8V，最大值5.2V，线性调整率典型值为4mV。静态电流的典型值为 5mA，最大值为8mA。温度系数0.8mV/，输入输出电压差为2V， 输出噪声电压的典 型值为42，短路电流230mA，峰值电流2.2A。 7805引脚图如图37: 3.1.4 电源模块的原理图与仿真 电子元器件中文名电子元器件代号元器件在该电路中作用 变压器TRAN-1P2S将220V交流电降压为两路的15V交流电 单相整流桥2W005G将15V交流电转换成峰值为的脉动直流电 15 2 无极性电容CAP滤除交流成分，获得较平滑的直流电压(电容值较小) 表 31 电子元器件清单 图 35 W7812 引脚图 图 36 LM7912 引脚图 图 37 w7805 引脚图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 9 页 电解电容CAP-ELEC滤除交流成分，获得较平滑的直流电压(电容值较大) 稳压管W7812产生+12V直流电 稳压管W7912产生-12V直流电 电阻R限制电流 发光二极管LED作为该电路的指示灯 发电机Alternator产生220V交流电，为电路仿真提供激励源 交流电压表AC VOLTMETER测量交流电压 直流电压表DC VOLTMETER测量直流电压 仿真结果如图38所示，输入电压为AC 220V，经过整流，滤波，稳压后得到两路 +12V直流电。 当我们在电路中不接滤波电容，我们测量一下整流桥输出端的电压，结果如图3 9： 220V交流电的频率为50Hz，所以我测量了在00.02s内整流桥输出端的电压，从图 39我们可以看出，在没有接滤波电容的情况下，整流桥输出端的电压是脉动直流电压， 图38 电源模块仿真图 图39 没加滤波电容时的图形 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 10页 也就是说这种直流电压是很不稳定的。其它条件不变，当我们在电路中接入滤波电容， 再测量一下00.02s内整流桥输出端的电压，结果如图310： 如图310所示，接入滤波电容后，整流桥输出端的电压不再是脉动直流电压，而 变成了比较稳定的直流电压，通过测量，其大小约为21.5V，由此可见，滤波电容确实 有滤除交流成分，获得较平滑的直流电压的作用。 3.1.5 电源模块的验证与测试 为了验证电源模块的可实现性，我特意用万能板与相应的元器件做了一块实验板。 实验板如下图311所示: 通过测试，两只整流桥的输入端(也就是变压器的输出端)电压分别为 16.500V，16.410V，输出的两路直流电压分别为11.975V与12.031V。此实验板验证了 该电路的可实现性。 3.2 芯片 STC89C52RC 的功能介绍 在控制模块中，我选用价格便宜而且常用的芯片 STC89C52RC。接下来介绍在该 控制系统中会用到的该单片机的功能。这种单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功 耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，12 时钟/机器周期和 6 时钟/机器周期可以任意选择。 主要特性如下： 图310 加了滤波电容时的图形 图311 电源模块验证板 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 11页 (1) 增强型 8051 单片机，6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期可以任意选择，指 令代码完全兼容传统 8051。 (2) 工作电压：5。5V3。3V（5V 单片机）/3。8V2。0V（3V 单片机） 。 (3) 工作频率范围：040MHz，相当于普通 8051 的 080MHz，实际工作频率可 达 48MHz (4) 用户应用程序空间为 8K 字节。 (5) 片上集成 512 字节 RAM。 (6) 通用 I/O 口（32 个） ，复位后为：P1/P2/P3/P4 是准双向口/上拉，P0 口是漏极 开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉 电阻。 (7) ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程） ，无需专用编程器，无需专用仿真 器，可通过串口（RxD/P3。0，TxD/P3。1）直接下载用户程序，数秒即可完 成一片。 (8) 具有 EEPROM 功能。 (9) 具有看门狗功能。 (10)共 3 个 16 位定时器/计数器。即定时器 T0、T1、T2。 (11)外部中断 4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中 断低电平触发中断方式唤醒。 (12)通用异步串行口（UART） ，还可用定时器软件实现多个 UART。 (13)工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级） 。 (14)PDIP 封装。 STC89C52RC 单片机的工作模式 (1)掉电模式：典型功耗 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit SHDN=P10; /*MAX1241的端与单片机的P1。0引脚相接*/ sbit SCK=P11; /*单片机的P1。1引脚为MAX1241提供时钟信号*/ sbit CS=P12; /*单片机的P1。2引脚为MAX1241提供片选信号*/ sbit DOUT=P13; /*MAX1241的串行数据从单片机的P1。3引脚输入*/ sbit C=PSW7; /*把程序状态字寄存器的第七位(高位进位标志位)命名为C*/ unsigned int bdata ADCdata=0; /*把ADCdata 的数据类型设为可位操作数据类型*/ unsigned int AD_DATA; float data volt; void delay(void) /*延时子程序*/ uchar i; for(i=0xff;i0;i-) _nop_(); void gus(void) /*采集数据子程序*/ SCK=0; _nop_(); SCK=1; 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 26页 C=DOUT; uint M1241ADC(void) unsigned int i=0，k; ADCdata=0; CS=0; /*选中MAX1241芯片*/ SHDN=1; /*使MAX1241开始转换数据*/ while(!DOUT); /*等待数据转换结束*/ SCK=0; for(k=10;k=0;k-) gus(); /*采集数据，并向左移动一位*/ if(C) i=1; else i=0; ADCdata=ADCdata+i; ADCdata=ADCdataDIGITAL”，也就是添加数字图表模型，编辑图表参数，在图表中 添加上述的四个电压探针。设置仿真的起始时间为1.2ms，仿真的结束时间为1.57ms， 其仿真结果如图328，从图表可以看出，仿真结果就是MAX1241的工作时序图，从 中还可以看出，转换结果是0x800，也就是十进制的 2048，MAX1241是十二位模数转换芯片，能表示的最大数为4095，由这两个数据可以 算出转换的电压为，这与350.1Lux对应的集成运放输出电压 = 2048 4095 5 = 2.50() 2.49非常接近，可见从理论上说，这个电路是可以感知外界光照并进行模数转换的。 具体转换结果如表312所示。 图 328 MAX1241 仿真时序图 表 312 模数转换仿真数据 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 28页 外界光 照(Lux) PROTEUS 中运放输出 电压(V) Keil uVision4中转换结 果:十六进制与电压值 (V) 外界光照 (Lux) 运放 输出 电压 (V) Keil uVision4中转换 结果:十六进制与电 压值(V) 0.10.070x003D0.0745500.13.350x0AB43.3447 50.10.530x01B40.5322550.13.620x05CA3.6206 100.10.900x02E40.9033600.13.890x0C743.8916 150.11.250x03FE1.2476650.14.160x06A64.1589 200.11.570x05091.5735700.14.420x0E274.4226 250.11.890x060B1.8884750.14.680x0EFC4.6826 300.12.190x07052.1936800.14.940x0FCF4.9402 350.12.490x07F82.4902850.15.200x0FFF4.9988 400.12.780x08E62.7808900.15.450x0FFF4.9988 450.13.070x09CF3.0652950.15.700x0FFF4.9988 10005.940x0FFF4.9988 将仿真的结果数据用EXCEL绘制出的图表如图329所示:横坐标轴是光照强度(Lux)， 纵坐标是电压值。蓝色矩形点是PROTEUS中运放输出电压与光照强度的对应关系。红 色矩形点是经过模数转换后Keil uVision4中电压与光照强度的对应关系。我们可以从表 中看出， 图 329 模数转换数据在 Excel 中的线性分析结果 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 29页 (1)当光照强度小于800Lux时，用x表示光照强度(Lux)，用y表集成运放输出端的电 压值， 通过线性拟合得到运放输出电压与光照强度的关系式为: () = 0.0052 + 0.54430 1000 (2)当光照强度大于800Lux时，在PROTEUS中的运放输出电压几乎还在以线性关增 加。而在Keil uVision4中的转换结果没有再上升，这是因为当运放输出端电压大于等于 5V时，已超过了MAX1241的参考电压5V，也就是运放输出电压已超过了模数转换芯片 的转换范围，转换数据已经溢出，所以在Keil uVision4中的转换结果保持在5V不变。 3.6 三环 LED 电路的设计 3.6.1 三环 LED 的电路原理图设计与仿真 电子元器件 中文名 元器件代号电子元器件中电路 中的作用 值数量 发光二极管LED将电能转换成光能导通电压约为 2。4V18 四引脚排针SIL-100-04接口作用1 为了仿真连线的方便性，我将三环LED灯排成了三横排。第一排(第一环)设有4颗 LED灯， 第二排(第二环)设有6颗LED灯， 第三排(第三环)设有8颗LED灯，把所有的LED灯 的阴极连在一起，并将其接在排针的第4引脚。把第一排(第一环)4颗LED灯的阳极连在 一起，并将其接在排针的第1引脚。 把第二排(第二环)6颗LED灯的阳极连在一起，并 将其接在排针的第2引脚。 把第三排(第三环)8颗LED灯的阳极连在一起，并将其接在排针的第3引脚。图中仿 真的是只给第三排(第三环)的LED灯供电，所以只有第三排(第三环)LED灯亮。 设三排(三环)LED灯全亮，每颗灯的导通电压为U=2.5V，每颗二极管的电流为 I=20mA，则18颗LED灯的总功率为 = 18 = 18 2.5 0.020 = 0.9() 表 313 元器件清单 图 330 三环 LED 原理图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 30页 3.6.2 三环 LED 的三维模型 如图331所示，三环的同心圆上放置一颗LED灯，在最小圆的圆周上放置三颗 LED灯，每两颗LED灯的圆心角为120，这四颗LED灯作为第一环。较大圆的圆周上放 置了6颗LED灯，每相邻的两颗LED灯所对应的圆心角为60，这6颗LED灯作为第二环。 最大圆的圆周上放置了8颗LED灯，每相邻的两颗LED灯所对应的圆心角为45，这8颗 LED灯作为第三环。电路板的右上角的三维模型是排针的三维模型。 4 系统的整合设计 4.1 系统电路原理图 图 331 三环 LED 仿真三维图 图 41 系统原理图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 31页 Area 1内是电源模块:由接口J1接入220V交流电，通过降压，整流，滤波，稳压， 由接口J2输出 +12V和-12V直流电压。输出电压的大小为12V，设流过指示灯的电流为 1= 15mA。则限流电阻 1= 12= 13= 14= 1 1 = 12 0。015 = 800() Area 2内是控制模块:由接口J3与接口J2相接，+12V和-12V直流电压为该模块供电。 该模块又由微控芯片STC89C52RC，输入子模块，显示子模块，智能调光子模块，放 大电路子模块组成。 STC89C52RC的引脚9接有上电复位和手动复位电路。引脚18与19接有12MHz晶振 时钟电路。输入子模块是由16颗轻触按钮组成的矩阵键盘，矩阵键盘的8根信号线 4 4 与单片机的P3口相接。显示子模块由4片74LS48与4个共阴七段数码管组成，4片 74LS48的输入端分别与微控芯片的P0口的高4位，低4位，和P2口的高4位与低4位相接。 显示子模块的4个七段码的任务分配为:左边第一个数码管显示控制系统的工作方式，在 显示模块的设计中已经定义好了06一共7种工作方式。也就是说，最左边的数码管只 能显示06中的一个数字。从左往右数第二个数码管显示三环LED灯的亮度级数的百位， 因为本系统的调节级数为0到100级，所以亮度级数的百位要么是0，要么是1。也就是 说该数码管只能显示0和1中的一个数字。从左往右数的第三个数码管显三环LED灯亮 度级数的十位，第四个数码管显示三环LED灯亮度级数的个位数。因为本系统的控制 级数为0到100级，所以十位和个位能显示0到9中的任意一个数。由此可知，微控芯片 的P0口的高4位控制着三环LED灯的工作方式，P0口的低4位控制着三环LED灯亮度级 数的百位数，P2口的高4位控制着亮度级数的十位数，P2口的低4位控制着亮度级数的 个位数。 智能调光子模块与3.5节的设计几乎完全一样，有改动的就是连接口有变动。 DOUT接的是P1.7，SCLK接的是P1.5，接的是P1.6，接的是P1.4。这样接的原 因是为了方便布置铜线。 放大电路子模块由三路集成运放组成，这是因为要放大三路PWM信号。三路集成 运放的输入端分别与微控芯片的P1.0，P1.1，P1.2相接。每一路集成运放的输出端都连 接了指示灯LED与限流电阻。设集成运放输出端的电压为UO=+5V，流过指示灯的电流 IO=15mA。则限流电阻的阻值为，在选择限流电阻时，阻值 = = 5 0。015 = 333.3() 在 300 左右都行。三路放大信号从接口J4输出。 Area 3内是三环LED灯，接口J5与接口J4相接，由放大信号为三环LED灯供电。 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 32页 4.2 控制系统的程序流程图 4.2.1 控制系统的程序流程图 默认工作方式0 开始 有键按下? 按下”S”,装入 工作方式和调 节级数 按下09数字键 ,装入控制级数 按下增亮或减 弱键,逐级改 变调节级数 按下”stop”键, 停止输出 按下”Smart”键 ,智能调光 根据输入的工 作方式和调节 级数,进入相应 的工作模式(共 有7种) 有键按下?有键按下? 有键按下? 是是 是 是 否 否否 否 4.2.2 控制系统的操作手册 (1) 给控制系统上电以后，系统自动进入手动控制模式下的工作方式0，也就是三 环LED灯全亮，且默认的亮度级数为50级。 (2) 如果操作者想改变系统的工作方式和三环LED灯的亮度级数，则输入如下: Selection+工作方式(06)+亮度级数(0100)。例如选择工作方式3，亮度级数为80级，输 入为 Selection，3，8，0。 (3)如果操作者只想改变三环LED灯的亮度级数，而不想改变当前的工作方式。 则直接输入数字即可。例如:改变亮度级数为65级，则输入为0，6，5。 (4)如果操作者想一级一级地增加亮度级数，则直接按”Inc”键即可。上升的最大值 只能达到100级，达到100级之后，再按”Inc”键，则控制级数就自动变为0，以此方式循 环。 (5) 如果操作者想一级一级地减小亮度级数，则直接按”Dec”键即可。能减小到的 最小值是0，也就是说，当亮度级数为0时，再按”Dec”键无效，控制级数保持为0不变。 图 42 程序流程图 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 33页 (6) 如果操作者想让外界的光照强度来控制三环LED灯的亮度，也就是，当外界光 照强度对应的级数大于LED灯的设定亮度级数时，LED灯就自动熄灭。当外界光照强 度级数小于设定的亮度级数时，则LED灯只发出设定级数减去外界光照级数的差级所 对应的光。操作者想要让系统实现这样的功能，只需要按一下”Smart”键，在此工作方 式下，如果操作者想让控制系统退出智能调光工作方式，只需要再次按下”Smart”键， 即可退出。 (7)在任何一种工作方式下，如果操作者想让亮着的LED灯熄灭，只需要按一下” Stop”键，如果再按一下该键，刚熄灭的LED灯又会亮起，即恢复到刚才的工作方式。 4.3 软件调试 到此为止，系统总的原理理图已画完了，单片机的源程序也写完了。我用软件 PROTEUS 与Keil uVision4联合仿真，以此来验证原理图与源程序的正确性，同时做出 相应的修改。 首先对这两个软件进行配置。假设PROTEUS， Keil uVision4还有vdmagdi.exe都已 正确安装。先在PROTEUS的菜单栏中“Debug(调试)”下面的“Use Remote Debug Monitor(