论文利用PWM调节LED亮度.doc

微型计算机技术专业方向课程设计微型计算机技术专业方向课程设计 任务书任务书 题目名称 题目名称 利用利用 PWMPWM 调节调节 LEDLED 亮度亮度 专业专业自动化 订单式培养 班级班级机电 121 班 姓名姓名 胡炳华 学号学号 201228212 学校 学校 青岛理工大学自动化学院 指导教师 指导教师 史贺男 2014 年 12 月 15 1 日 课程设计任务书课程设计任务书 课程名称 课程名称 微型计算机技术 设计题目 设计题目 利用 PWM 调节 LED 亮度 系统硬件要求 系统硬件要求 LED 亮度分四个档 灭 微亮 较亮 最亮 由四个按键控制 软件设计 软件设计 1 主程序设计 2 各功能子程序设计 其他要求其他要求 1 每位同学独立完成本设计 2 依据题目要求 提出系统设计方案 3 设计系统电路原理图 1 调试系统硬件电路 功能程序 2 编制课程设计报告书并装订成册 报告书内容 按顺序 1 报告书封面 2 课程设计任务书 3 系统设计方案的提出 分析 4 系统中典型电路的分析 5 系统软件结构框图 6 系统电路原理图 7 源程序 8 课设字数不少于 2000 字 成绩成绩 评语评语 2 摘摘 要要 随着 LED 在照明领域的发展 其控制方法也在不断提高 而 PWM 技术利用 数字输出来对模拟电路进行控制的优点被应用于众多领域 本项目以 51 单片 机为核心 通过单片机产生 PWM 波来控制 LED 亮度 使 LED 亮度分四个档 灭 微亮 较亮 最亮 由四个按键控制 同时添加了数码显示管辅助显示 本系 统设计简单 性能稳定 能够通过单片机灵活编程进行各参数的设定和修改 关键词 关键词 51 单片机 PWM LED ABSTRACT With the development of the LED in lighting field the control method has been improved PWM technology uses digital output to control analog circuits The advantages of PWM technology was applied in many fields This project uses 51 single chip microcomputer as the core and single chip microcomputer to control the LED brightness by producing PWM wave The LED have four kinds of brightness destroyed careless lighter the brightest controlled by the four buttons added the digital display tube auxiliary display at the same time The system design is simple stable performance The single chip microcomputer programming could set and modify the parameters flexibly KEY WORDS 51 single chip microcomputer PWM LED 3 前前 言言 当前社会能源短缺的问题日益严重 节约能源成为经济发展面临的重 要问题 LED 是一种半导体固体发光器件 它是利用固体半导体芯片作为发光 材料 在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射 LED 具有环保 节能 寿命长 体积小等特点 广泛应用于普通照明和各种指示 显示等领域 作为一种新型绿色光源产品 LED 将成为未来照明领域的发展趋 势 LED 的亮度调节有多种方法 可以模拟电压和电流可直接用来进行控制 尽管模拟控制看起来可能直观而简单 但模拟电路容易随时间漂移 因而难以 调节 此外 利用模拟电路调节还有可能严重发热 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式 其根据相应载荷的变化来调制晶体管 基极或 MOS 管栅极的偏置 来实现晶体管或 MOS 管导通时间的改变 从而实现 开关稳压电源输出的改变 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保 持恒定 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术广泛应用 在测量 通信和功率变换的领域中 PWM 控制信号从处理器到被控系统都是数 字形式的 而无需进行数模转换 可以有效的降低噪声的影响 在电力电子技术 中 PWM 脉宽调制的方法有很多 比如 相电压控制 PWM 电流控制 PWM 和矢量 控制 PWM 等 在简单的系统中可以利用单片微机通过程序产生 PWM 波形来实现 控制作用 PWM 控制技术以其控制简单 灵活和动态响应好的优点而成为电力 电子技术最广泛应用的控制方式 也是人们研究的热点 由于当今科学技术的 发展已经没有了学科之间的界限 结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关 技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一 4 目录目录 第一章第一章 系统设计系统设计 5 5 1 1 总体设计方案 5 1 2 单片机产生 PWM 波的分析 6 1 3 LED 亮度调节讨论 6 第二章第二章 系统硬件设计系统硬件设计 8 8 2 1 单片机 8 2 2 系统复位电路 9 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 1212 3 1 原理 12 3 2 软件程序流程图 12 第四章第四章 系统的调试与仿真系统的调试与仿真 1313 4 1 硬件调试 13 4 2 软件调试 13 4 3 KEIL 和 PROTEUS 的联合调试 14 4 4 实物 PWM 模拟信号调节灯亮度 16 总结与体会总结与体会 1919 未来展望未来展望 2020 参考文献参考文献 2121 附附 录录 2222 1 整体电路原理图及 PCB 图 22 2 程序 23 3 元器件清单 28 5 第一章第一章系统设计系统设计 1 11 1 总体设计方案总体设计方案 由项目要求我们可以初步确定整体方案 首先我们使用 STC89C52RC 单片机 它也是属于51单片机系列的一款 根据要可知 我们以51单片机为控制器 配 合晶振电路和复位电路构成最小系统 外界 LED 显示 由软件控制产生 PWM 波 根据占空比不同 所以通过 LED 的平均电流不同 LED 亮度也不同 从 LED 的伏安特性可知 其曲线是非线性的 0 1V 的电压变化可能造成 100 200mA 的 If 的变化 不易控制 另外 LED 具有负温度系数特性 所以 一般将 LED 说成是电流控制型器件 PWM 是脉冲宽度调制信号 其中的 宽度 就是脉冲的高电平的时间 PWM 信号调节 LED 亮度时 信号频率是不变的 改变的是脉冲的高电平的时间 即 LED 的导通时间 这种信号调节亮度相当于调节 LED 的平均电流 所以电流 会变化 即 LED 亮度会改变 通过学习我们知道可以用 MCU 产生 PWM 信号 也可以用模拟电子线路产生 相应的 PWM 信号 但对我们所做的系统来说 采用单片机产生相应的 PWM 信号 比较简单且成本低 因此我们选择用 MCU 来产生 PWM 信号 在原来的基础上我们又增加了数码管 以此来显示此时的占空比 增加此 功能后更直观 清晰 下面是我们总体系统设计框图 6 MAX232 LED 图 3 1 总体系统设计框图 1 21 2 单片机产生单片机产生 PWMPWM 波的分析波的分析 通过前面学习知道脉冲宽度调制 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字 编码的方法 通过高分辨率计数器的使用和方波的占空比被调制来对一个具体 模拟信号的电平进行编码 PWM 信号仍然是数字的 因为在给定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 ON 要么完全无 OFF 电压或电流源是以一 种通 ON 或断 OFF 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的 通的时候即是直 流供电被加到负载上的时候 断的时候即是供电被断开的时候 只要带宽足够 任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码 51 系列单片机自身没有 PWM 接口 即无 PWM 输出功能 但可以采用定时 器配合软件的方法输出 对精度要求不高的场合 非常实用 51 系列单片机 的工作频率我们选择的是 12MHZ 并用 T0 定时器及定时中断来完成 PWM 输出 T0 定时器设置成 16 位定时器通过使用定时器 0 方式 1 1 31 3 LEDLED 亮度调节讨论亮度调节讨论 系统硬件要求 LED 亮度由 4 个按键控制 最初我们是利用这 4 个按键来控 7 制 LED 灯的灭 微亮 较亮 最亮 仅 4 种状态 但最终经我们商讨和向老师 请教 我们决定设置了 4 个按键 分别为 open 键 close 键 up 键及 down 键 分别控制单片机 P1 0 口 PWM 的输出进而控制 LED 灯的开 关 亮度增加及亮 度降低 在达到要求的基础上 我们使 LED 灯的亮度状态增加至 16 级 8 第二章第二章系统硬件设计系统硬件设计 2 12 1 单片机单片机 我们选用的是 STC89C52 型号的单片机 该单片机是STC公司生产的一种低 功耗 高性能 CMOS8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 STC89C52 使用经典的 MCS 51 内核 但做了很多的改进使得芯片具有传统51 单 片机不具备的功能 在芯片上 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 其具有以下标准功能 8k 字节 Flash 512 字节 RAM 32 位 I O 口线 看门狗定时器 内置 4KB EEPROM MAX810 复位电路 3 个 16 位定时器 计数 器 4 个外部中断 一个 7 向量 4 级中断结构 兼容传统 51 的 5 向量 2 级中 断结构 全双工串行口 图3 2 STC89C52RC 单片机原理图 9 系统时钟电路 控制单片机的工作节奏 12 Y1 11 0592 C9 30PF C3 30pf 图3 3 系统时钟电路原理图 2 22 2 系统复位电路 系统复位电路 上电复位 上电瞬间 电容充电电流最大 电容相当于短路 RST 端为 高电平 自动复位 电容两端的电压达到电源电压时 电容充电电流为零 电 容相当于开路 RST 端为低电平 程序正常运行 手动复位 首先经过上电复位 当按下按键时 RST 直接与 VCC 相连 为高电平形成复位 同时电解电容被短路放电 按键松开时 VCC 对电容充电 充电电流在电阻上 RST 依然为高电平 仍然是复位 充电完成后 电容相当 于开路 RST 为低电平 正常工作 K0 VCC C7 104 R10R11 GND 图3 4 系统复位电路原理图 LED 模块 LED 亮度显示 10 R9 470 LED1 VCC P1 0 图3 5 LED 连接原理图 数码管显示模块 用于显示当前的输出 PWM 占空比 A 1 f 2 g 3 e 4 d 5 A 6 c 8 DP 7 b 9 a 10 G1 Dpy Green CA P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 R1100R R2100R R3100R R4100R R5100R R6100R R7100R R8100R Q1 2N3906 VCC R0 P1 0 图3 6 数码管显示原理图 按键模块 控制 LED 灯的亮度 K1 K2 K3 K4 GND P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 图3 7 按键原理图 MAX232电路模块 用于 STC89C52RC 单片机串口通信和烧写程序用 11 C1 1 VS 2 C1 3 C2 4 C2 5 VS 6 T2OUT 7 R2IN 8 R2OUT 9 T2IN 10 T1IN 11 R1OUT 12 R1IN 13 T1OUT 14 GND 15 VCC 16 U2 MAX232N C1104 C2104 P3 1 P3 0 GND C4104 C5 104 C6 104 GND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 J1 D Connector 9 GND 图3 8 USB 插口原理图 12 第三章第三章系统软件设计系统软件设计 3 13 1原理 原理 51 系列单片机本身是没有 PWM 接口的 我们通过软件模拟 PWM 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 LED 灯亮度控制 程序中使用定时器 0 产生周期约 100us 的脉冲 使用占空比控制变量 X 控制占 空比 在低电平期间使 LED 灯亮 在高电平期间使 LED 灯灭 改变 X 就改变了 高电平与低电平的时间 因此也就控制了 LED 灯的亮度 X 的值通过按键来改 变 3 23 2 软件程序流程图 软件程序流程图 cl ose up down open 13 第四章第四章 系统的调试与仿真系统的调试与仿真 4 14 1 硬件调试硬件调试 Proteus 是英国 Labcenter 公司开发的 EDA 工具软件 不仅是模拟电路 数字机电路 模数混合电路设计的与仿真平台 更是目前最先进 最完整的多 种型号微控器系统的设计与仿真平台 具有丰富的元器件库 激励磁 虚拟仪 表和图表仿真 首先我们打开 proteus 软件 新建一个 DSN 文件 绘制电路图并保存 4 24 2 软件调试软件调试 下面以 Keil uVision4 软件来调试程序来介绍 打开 Keil uVision4 软件 建立一个新工程 单击 Project 菜单 在弹出的下拉菜单中选中 New Project 选项 选择你要保存的路径 输入工程文件的名字 比如保存到 程序 目录里 工程文件的名字为 led 然后点击 保存 这是时会弹出一个对话框 要求你选择单片机的型号 根据自己使用的单片 机来选择 比如 Atmel 的 AT89C52 然后点击 确定 在我们要编写程序前 要进行以下步骤 在菜单中 单击 File 菜单 再在下 拉菜单中单击 New 选项 此时光标在编辑窗口里闪烁 这时可以键入程序 但最好要先对空白的文件进行保存 点击 File Save As 在 文件名 栏右 侧的编辑框中 键入欲使用的文件名 同时必须键入正确的扩展名 比如 pwm c 注 用 C 语言编写程序是 c 用汇编编写程序是 asm 然后 单击保存 回到编辑界面后 单击 Target 1 前面的 号 然后在 Source Group 1 上点击右键 弹出菜单 然后单击 Add File to Group Source Group 1 选中你的源文件 比如 pwm c 然后单击 Add 进行添加 14 单击 Project 菜单 再在下拉菜单中单击 Options for Target Target 1 单击 Output 中的 Create HEX File 选项 使程序编译后 产生 HEX 代码 供仿真器使用 然后 单击 Debug 中 选中 Use Simulator 进行软件仿真 现在开始编写程序 编写完后要进行编译 看是否有源程序错误 若没有 则进行仿真 调试 4 34 3 KEILKEIL 和和 PROTEUSPROTEUS 的联合调试的联合调试 打开已经画好的仿真电路图 在 DSN 文件中双击单片机 在 program file 中找到已经编写好的程序 并且找到 hex 的文件 点击确定键 完成烧写程序 15 仿真结果 16 注 注 由于 PROTEUS 软件对该模拟电路仿真存在缺陷 在这里只能看到的现 象是 LED 灯或亮或灭 并不能实现我们的要求 因此我们选择了实物电路仿 真 4 44 4 实物实物 PWMPWM 模拟信号调节灯亮度模拟信号调节灯亮度 没启动 open 键 启动 open 键 50 占空比 较亮 17 启动 up 键 0占空比 最亮 启动 down 键 约94 占空比 微亮 18 Close 键按下 则 LED 灯熄灭 通过以上仿真 我们成功实现了 PWM 对 LED 灯亮度的控制 通过 CLOSE OPEN UP 和 DOWN 四个独立按键的设置 可以实现四个亮度档位 灭 微亮 较亮 最亮的控制 由于直接分成四个亮度级别 我们肉眼无法捕捉识 别 因此我们在软件编程中通过 pp 值和 x 值的设置使他们有16个亮度级别 通 过两个变量在软件中的控制与按键相结合 使我们能够明显分辨出亮度的变化 19 总结与体会总结与体会 LED 与 PWM 在我们日常生活中利用的越来越广泛 小到我们的家用电器 大到航空航天的高科技技术 可以说是应用十分广泛的 我们学习的这个专业 也决定了 我们会长时间的与它们连个打交道 本次课程设计 让我们清醒的 认识到我们即将来会从事的专业 以及我们以后需要努力的方向 我们清醒的 认识到自己的不足 也在这次项目中 也学习了很多的知识 在本次项目设计中 我们真正体会到制作一件成功的作品并不像想象的那 样简单 它需要扎实的专业基础 能熟练驾驭知识的能力 团队的团结合作精 神 吃苦耐劳的品质以及遇见问题沉着冷静的态度 我们在电路的设计 调试 方面得到了很好锻炼 能力也有了很大的提高 同时也深刻的体会到 实践是 理论运用的最好检验 懂得了共同协作和团队精神的重要性 提高了我们分析 问题 解决问题的能力通过我们本次项目的学习 使我们加深了对 LED PWM 技 术的了解 本作品在设计上还存在许多值得改进和优化的地方 也深知我们用很 大的不足 我们会更加努力 不断学习 在学习过程中 老师给我们了很大的帮助 在我们困惑的的地方 给我们 指点迷津 为我们付出了很多 无论我们的问题多么简单 老师都给我们细心 讲解 请允许我们代表所有队员向为我们提供这次学习机会的领导 指导我们 学习的老师表示最诚挚的谢意 20 未来展望未来展望 关于 LED 的应用在我国现阶段主要是建筑照明 室内外显示屏 基于上述原 因 下一波的主力可能还是目前这些市场 但在手机 小尺寸背光 汽车的渗 透会加大 另外一些零散分布市场如特种照明的开拓也会更大 由于它的低功 耗 寿命长的优点 使 LED 灯的使用非常普遍 而且 LED 显示屏以及易拼装 低功耗 高亮度等优点已经广泛应用到银行 证券 广场 车站 体育馆中 未来这一市场仍有巨大潜力 在奥运会 世博会 一些城市夜景功程的示范效 应下 LED 市场前景广阔 PWM 技术应用广泛 不仅仅应用于调光带动 LED 产业 自从开关器件的发展 为 PWM 技术铺平了道路 目前几乎所用的变频调速装置都采用这一技术 PWM 处理应用于逆变器的控制 还应用于整流器额控制 PWM 整流器现在已经开发 成功 人们称 PWM 整流器是对电网无污染的 绿色 变流器 目前已经提出的 PWM 控制技术就不下数十种 尤其微处理器应用于 PWM 技术数字化后 花样不 断翻新 说明现在这项技术研究方法方兴未艾 需要我们去不断学习 通过这些天的学习我们深深认识到 未来的产业竞争将取决于两个方面 一是技术 这包括效率 降低成本的技术 提高器件功率的技术 方向上有先 有技术线路的延伸 也有可能出现新的技术线路 而 LED 与 PWM 都体现了这两 方面的要求 我们作为技术型高素质大学生 更要注重理论也实践相结合的本 领 正真做高素质 有文化 有能力的新一代大学生 21 参考文献参考文献 1 胡汉才 单片机原理及其接口技术第 3 版 M 北京 清华大学出版社 2010 288 296 2 雷思孝 李伯成 雷向莉 单片机原理及实用技术 M 西安 西安电子科技 大学出版社 2004 1 4 3 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 M 北京 电子工业出版社 2009 4 Plauger P J 1992 The Standard C Library Prentice Hall Englewood Cliffs N J 5 王雁 杜贵府 呼小亮 基于 PWM 控制的 LED 亮度调节方法 22 附附 录录 1 1 整体电路原理图及整体电路原理图及 PCBPCB 图图 图1 电路原理图 23 图2 PCB 图 24 2 2 软件程序软件程序 include define uint unsigned int define uchar unsigned char uint pp kk 控制 pp 和 x 来改变灯的亮度 共 16 个等级亮度 kk 用来表示 open 键按下后 kk 1 再判断是 close up 和 down 哪个键按下 char x 16 16 个等级亮度 sbit pwm P1 0 pwm 输出控制灯亮度口 sbit open P3 4 总开 sbit close P3 5 总关 sbit up P3 6 亮度增加 sbit down P3 7 亮度降低 sbit dula P2 6 数码管的位置 sbit wela P2 7 数码管显示数数值 unsigned char code table 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x