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毕毕业业设设计计 论论文文 课题 课题 太阳能光纤照明系统 亮度自动调节器的设计 学 院 物理科学与工程技术学院 专业年级 电子科学与技术 学 号 0812270131 姓 名 陈 先 达 指导老师 孙 友 明 摘 要 随着社会经济的发展 能源的消耗速度越来越快 太阳能光纤照明技 术作为一种新型照明技术具有较好的应用前景 但由于天气多变等因素 大大影响了太阳能光纤照明系统的推广和应用 本文针对光照强度波动等问题 在太阳能光纤照明系统设计中提出了 一种采用 PIC16F877A 单片机作为控制核心的亮度自动调节器的设计方案 在本设计系统中 选用 LED 光源作为辅助补充光源 在光纤导入端通过传 感器检测室内照度的实时变化 单片机根据传感器输入的检测信号 通过 PID 算法来产生一 PWM 控制信号作为 LED 驱动器的控制信号 通过调节 PWM 占空比来实时动态地调整补充光源的光强 从而使得室内环境的总体 光强保持在人感觉比较舒适的变化范围之内 同时 在该系统中采用开关 电源为整个系统装置提供电源 从而尽可能地提高整个系统的效率 该系统设计方案相比市场上其它利用开关直接将太阳能光纤照明切换 为白炽灯或荧光灯照明的简单设计方案 具有更高的太阳能利用效率和更 好的舒适感等优点 因此 具有较强的市场推广价值 关键词 太阳能 光纤照明 LED 单片机 开关电源 I The design of brightness automatic regulator in Solar fiber optic lighting system Abstract With the social and economic development energy consumption is faster has good application prospects of solar fiber optic lighting technology as a new lighting technology However due to the changeable weather and other factors greatly affected the promotion and application of solar fiber optic lighting systems In this paper the light intensity fluctuations a PIC16F877A MCU automatically control the brightness of the core design of the regulator in the solar fiber optic lighting system design In the design system selection of LED light source as a secondary supplementary light source in the optical fiber import side sensors detect indoor illumination of real time changes in the microcontroller according to the sensor input of the detection signal the PID algorithm to generate a PWM control signal as a LED driver control signal adjust the PWM duty cycle in real time to dynamically adjust the intensity of supplementary light source making the indoor environment overall light intensity to keep the changes within the scope of people feel more comfortable At the same time in the system switching power supply for the entire system installations to provide power so as to improve overall system efficiency The system program compared to others in the market using switched directly to the solar fiber optic lighting switch to the simple design of incandescent or fluorescent lighting with a higher utilization of solar energy efficiency and better comfort etc therefore has a strong market promotional value Key words solar fiber optic sensor LED chip PWM switching power supply I 目目 录录 引引 言言 1 系统功能和技术指标系统功能和技术指标 4 第一章第一章 方案比较与论证方案比较与论证 5 1 1 补充光源选择 5 1 2 LED 调光方案选择 5 1 3 LED 驱动方案选择 6 1 4 电源电路选择 7 1 5 核心控制器选择 7 1 6 软件算法方案选择 8 第二章第二章 系统设计的基本原理系统设计的基本原理 9 2 1 PWM 调光工作原理 9 2 2 PID 算法基本原理 10 2 3 LED 驱动芯片 PT4115 工作原理 12 2 4 开关电源芯片 TOP227 工作原理 13 第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 16 3 1 系统整体设计 16 3 2 基于 TOP227 的开关稳压电源的设计 16 3 3 基于 PT4115 的 LED 驱动电路的设计 19 3 4 PIC16F877A 单片机小系统的设计 21 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 23 4 1 系统设计主流程图 23 4 2 PID 程序模块的设计 23 4 3 PWM 程序模块的设计 23 4 4 ADC 程序模块的设计 26 第五章第五章 系统调试和误差分析系统调试和误差分析 28 5 1 开关电源的调试及误差分析 28 5 2 LED 驱动电路的调试及误差分析 29 5 3 亮度调节的调试及误差分析 29 结束语结束语 31 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 34 附附 录录 35 0 引引 言言 太阳能作为一种洁净的能源 既是一次能源 又是可再生能源 有着 化石能源无法比拟的优越性 1 太阳能的应用技术可分为太阳能光热利用技术 太阳能光电利用技术 以及自然光利用技术 其中太阳能光热利用技术包括被动式太阳房 主动 式太阳能采暖空调技术 太阳能集热器技术和太阳能光热发电技术等 太 阳能的光电利用技术指太阳能光伏发电技术 从而减少人工照明 太阳光导入技术为人类合理利用太阳光资源开辟出新的途径 2 3 太阳 能导光照明是国外在 80 年代末被研究开发出来的新型照明装置 这类照明 装置无需消耗大量的常规能源就能为白天室内提供照明 减小由常规能源 带来的环境污染 光源取自室外自然光 通过特殊的光传输与分配后 导 入到室内需要光照的地方 得到由自然光带来的特殊照明效果 是一种绿 色健康 节能环保的新型照明产品 太阳能导光照明装置彻底改变在建筑 物中仅利用门窗 天窗等被动低效利用自然光的传统做法 使面北房间 阴暗房间以及地下室也能得到阳光的照耀 并且在易燃易爆 需要水电隔 离的照明场合也能大显身手 太阳能照明系统 一般的做法总是先将太阳光转变为电能并由蓄电池 储存起来 然后在需要的时候再由所储存的电能转变为光以作照明之用 但目前的技术水平 商业化太阳能电池的光电转换效率一般在 15 以下 再考虑到蓄电池储电 电光源发光过程中造成的能量损失 整个能量转换 过程中转换效率其实并不高 一般会低于 10 太阳能导光照明技术无需 经过光 电和电 光转换 总效率应在 50 以上 远高于光 电和电 光转换方 法 太阳能光纤导光照明技术在国外经广泛研究后已进入实用阶段 4 是目 前国际上新推出的集节能 绿色 环保 健康于一体的产品 被国外商界 普遍看好 太阳能光纤导光照明应用系统原理图如图 1 所示 目前国际上 太阳能导光照明方面的应用已经较为广泛 产品也相对成熟 其中最为成 功的产品是日本 La For t 工程有限公司所开发的 Himawari 太阳光照明系统 5 如图 2 所示 浙江省五金矿产进出口公司独家代理的 向日葵 太阳光导 入器实际上就是这家公司的产品 这种太阳能导光照明系统已形成了系列 1 产品 外形美观 性能可靠 经久耐用无疑受用户的青睐 不过令人乍舌 的价格无疑是其推广应用的最大障碍 国内许多公司提供的太阳能光纤导光 照明产品价位要低得多 图 1 太阳能光纤导光照明应用系统原理图 图 2 Himawari 采光器 2 但是 目前市场的太阳能光纤导光照明产品没有亮度自动调节的功能 或者亮度自动调节的效果不好 6 这就大大的限制了太阳能光纤照明系统的 实际应用 这是因为天气多变等因素 太阳光的光照强度时常波动 大大 影响了太阳能光纤照明系统的推广和应用 为了保证在白天光强变化或阴 雨天光线很弱等情况下都可以进行照明 让用户在实际使用过程中感觉更 舒适 在该系统中有必要增加亮度自动调节功能 通过智能调光控制器实 时调节因天气多变等因素引起的光照强度的波动 从而将太阳能光纤照明 系统推向实用阶段 因此 亮度自动调节器的设计是整个太阳能光纤照明系统的核心之一 由于天气多变 导致光强时强时弱 这就要求亮度调节器具有较高的灵敏 度和较快的响应速度 如果没有一个性能优良的亮度调节器 那整个系统 将没有任何的实用价值 本论文基于广西理工科学实验中心 2010 年重点项目 太阳能光纤导光 照明系统的关键技术研究与应用示范 其目的及意义在于设计一个具有较 高灵敏度 较快响应速度和较高效率的亮度自动调节器 突破外国的技术 壁垒 将太阳能光纤照明系统推向更加实用的阶段 3 系统功能和技术指标系统功能和技术指标 1 主要功能 主要功能 该亮度自动调节器应用于太阳能光纤照明系统中 针对因为天气多变 等因素造成光照强度波动等实际问题 调节器根据外部光强的变化实时动 态地调节辅助补充光源 LED 亮度 使得室内环境的总体光强保持在人感觉 比较舒适的变化范围之内 从而保证在白天光强变化或阴雨天光线很弱等 情况下都可以进行照明 并且让用户在实际使用过程中感觉更舒适 最终 将太阳能光纤照明系统推向实用阶段 2 主要技术指标 主要技术指标 1 要求调节器性能稳定 响应速度足够快 对实际中亮度的变化人眼无 明显感觉且调节过程无明显的振荡现象 2 主要参数 光源驱动电路效率大于 70 光源发光功率大于 10W 整个调节器效率不低于 60 输入电压为 AC220V 50HZ 3 工作温度 20 50 4 使用寿命 10 年 4 第一章第一章 方案比较与论证方案比较与论证 1 1 补充光源选择补充光源选择 方案一 采用卤素灯作为补充光源方案一 采用卤素灯作为补充光源 卤素灯是白炽灯的一个变种 原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体 在高温下 升华的钨丝与卤素进行化学作用 升华的钨会重新凝固在钨丝 上 形成平衡的循环 避免钨丝过早断裂 卤素灯保留了白炽灯简单 成 本低廉 亮度容易调整和控制 显色性好 Ra 100 等等优点 还大大延 长了使用寿命 提高了发光效率 在一些开关频繁 要求调光的场合一般 选择卤素灯 7 方案二 采用方案二 采用 LED 作为补充光源作为补充光源 LED 发光二极管已被公认为是最高效的人造照明技术 具有如下优点 8 1 体积小 LED 基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面 所以它非常小 非常轻 2 高节能 LED 耗电量相当低 直流驱动 超低功耗 电光功率转 换接近 100 比相同照明效果的传统光源节能近 80 3 寿命长 LED 光源有人称它为长寿灯 意味永不熄灭的的灯 固 体冷光源 环氧树脂封装 灯体内也没有松动的部分 不存在灯丝发光易 烧 热沉积 光衰等缺点 使用寿命可达 6 万到 10 万小时 比传统光源寿 命长 10 倍以上 在本系统的设计中 更为注重的是节能环保及更高的效率和更长的使 用寿命 相比之下卤素灯发光效率较低 使用寿命也不及 LED 故在本系 统中选用方案二 1 2 LED 调光方案调光方案选择选择 方案一 线性调节方案一 线性调节 LED 的电流的电流 模拟调光模拟调光 该方案利用模拟线性技术调整 LED 电流的大小从而实现调光 然而用 5 调正向电流的方法来调亮度会产生一个问题 那就是在调亮度的同时也会 改变它的光谱和色温 因为目前白光 LED 都是用蓝光 LED 激发黄色荧光 粉而产生 当正向电流减小时 蓝光 LED 亮度增加而黄色荧光粉的厚度并 没有按比例减薄 9 从而使其光谱的主波长增长 方案二 分组调控方案二 分组调控 该方案将多颗 LED 分组 用简单的分组器调控 但该方法的调光范围 不大 方案三 采用脉宽调制 方案三 采用脉宽调制 PWM 来调光 来调光 该方案将电源方波数位化 并控制方波的占空比 从而达到控制电流 的目的 LED 是一个二极管 它可以实现快速开关 10 它的开关速度可以 高达微秒以上 2 是任何发光器件所无法比拟的 因此 只要把电源改成 脉冲恒流源 用改变脉冲宽度的方法 就可以改变其亮度 PWM 调光有如 下优点 1 不会产生任何色谱偏移 因为 LED 始终工作在满幅度电流和 0 之间 2 可以有极高的调光精确度 因为脉冲波形完全可以控制到很高的 精度 所以很容易实现万分之一的精度 3 可以和数字控制技术相结合来进行控制 因为任何数字都可以很 容易变换成为一个 PWM 信号 4 即使在很大范围内调光 也不会发生闪烁现象 因为不会改变恒 流源的工作条件 升压比或降压比 更不可能发生过热等问题 由于 PWM 调光方案诸多优点 故选择方案二 1 3 LED 驱动方案驱动方案选择选择 方案一 采用降压式变换电路 方案一 采用降压式变换电路 Buck 电路 电路 该方案将 PWM 信号输入到分立功率管对电源电压调整 通过控制 PWM 占空比获得不同的直流电压输出 从而实现不同电流的输出 该方案 电路简单 但由于 Buck 电路通常要另加驱动电路 调试难度较大 且降压 幅度较大时 Buck 电路会产生稳定性降低效率低下等预想不到的问题 6 方案二 采用降压型方案二 采用降压型 LED 驱动芯片驱动芯片 该方案采用可用于市电输入 非隔离系统的高频降压型 LED 驱动芯片 如 PT4207 和 GR8210D 该方案可以直接利用市电作为电源 无需另外设 计电源 但由于非隔离的特性 存在安全隐患 调试难度大 方案三 采用升压型方案三 采用升压型 LED 驱动芯片驱动芯片 该方案由于升压型 LED 驱动芯片 BP1601 不能降压的特点 在低亮度 条件下该驱动 IC 有可能出现工作不稳定的状况 且当输出功率较大时升压 型 LED 驱动 IC 的供电电源将产生较大电流 这对于电源的设计要求很高 设计难度大 方案四 采用降压型方案四 采用降压型 LED 驱动芯片驱动芯片 PT4115 内置功率开关 采用高端电流采样设置 LED 平均电流 并通 过 DIM 引脚可以接受很宽范围的 PWM 调光 最高可达 97 的效率 且由 于是降压电路 电源主干电流小 对电源要求较低 综上所述 选择方案四 1 4 电源电路选择电源电路选择 方案一 线性稳压电源方案一 线性稳压电源 线性稳压电源是较早出现的一类稳压电源 技术比较成熟 电源我稳 定度及负载稳定度较高 输出纹波电压小 瞬态响应速度快且电路简单 便于维修 但体积大 效率低 方案二 开关稳压电源方案二 开关稳压电源 该方案采用开关稳压电源芯片 TOP227 设计一开关电源作为整个系统 的电源 开关稳压电源输出纹波较大 电路较复杂 设计难度较大 但开 关电源体积可以小型化 性能灵活 效率高 11 从体积 输出功率和效率上考虑开关稳压电源具有无可比拟的优势 故选用方案二 7 1 5 核心控制器选择核心控制器选择 方案一 选用方案一 选用 Atmel 公司的公司的 AT89S52 单片机作为核心控制器单片机作为核心控制器 AT89S52 单片机是一种低功耗 高性能的 CMOS 8 位微控制器 具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 电路设计简单 指令级易学易用 但该单 片机没有 PWM 功能 要实现 PWM 输出必须以定时器来模拟实现 增加了 程序设计复杂度 方案二 选用方案二 选用 STM32F103 单片机作为核心控制器单片机作为核心控制器 STM32F103 系列属于中等容量增强型单片机 是 32 位基于 ARM 核心 的带 64 或 128K 字节闪存的微控制器 具有单周期乘法器和硬件除法器 最高 72MHz 工作频率 拥有 CAN ADC PWM 等多种功能 但在本系统 中使用该单片机就显得资源过于浪费了 方案三 选用方案三 选用 Microchip 公司的公司的 PIC16F877A 单片机单片机 PIC16F877 属于内嵌功能比较多的一款单片机 具有 ADC PWM 和 看门狗定时器等多种功能 且抗干扰性强 保密性好 综上所述 选择方案三 1 6 软件算法方案软件算法方案选择选择 方案一 选用分级调控 逐步逼近的方法方案一 选用分级调控 逐步逼近的方法 该方案将亮度调节的速度等级分为 N 个等级 在不同亮度情况下使用不 同的速度等级 以此实现快速调节 该方法实现简单 但由于速度等级的 划分 容易产生程序漏洞甚至引起系统振荡 使得程序不够稳定 且由于 等级划分有限 很难达到最佳调节效果 方案二 采用增量式方案二 采用增量式 PID 算法算法 PID 是工业生产中最常用的一种控制方式 PID 适用于需要进行高精度 测量控制的系统 它具有原理简单 易于实现 使用面广 控制参数相互 独立 参数的选定比较简单等优点 12 与位置式 PID 算法相比 增量式 PID 算法不需做累加 对控制量的计算影响较小 是控制系统的理想选择 8 综上所述 选择方案二 第二章第二章 系统设计的基本系统设计的基本原理原理 2 1 PWM 调光工作原理调光工作原理 1 占空比 占空比 Duty Cycle or Duty Ratio 占空比的概念有如下几种表述方式 1 在一串理想的脉冲序列中 如方波 正脉冲的持续时间与脉冲 总周期的比值 例如 脉冲宽度 1 s 信号周期 4 s 的脉冲序列占空比为 0 25 2 在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值 3 在周期型的现象中 现象发生的时间与总时间的比 简单表述 占空比就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比 2 调光比 调光比 调光比则是按下面的方法计算 调光比率 Foper Fpwm 其实也就是调光的最低有效占空比 其中 Foper 为工作频率 Fpwm 为调光频率 比如 Foper 100khz Fpwm 200Hz 则调光比为 100k 200 500 3 PWM 的基本原理的基本原理 脉宽调制 PWM 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及 LED 照明等许多领域中 通过以数字方式控制模拟电路 可以大幅度降低系统的成本和功耗 此外 许多微控制器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器 这使数字 控制的实现变得更加容易了 简而言之 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高 9 分辨率计数器的使用 方波的占空比被调制用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 因此 PWM 调光就是通过改变信号占空比从而改变驱动器输出电流来 实现调光的 2 2 PID 算法基本算法基本原理原理 1 PID 概述概述 按偏差的比例 积分和微分进行控制的调节器简称为 PID Proportional Integral Differential 调节器 7 PID 调节是连续系统中 技术最成熟 应用最广泛的一种调节方式 其调节的实质是根据输入的偏 差值 按比例 积分 微分的函数关系进行运算 其运算结果用于输出控 制 它具有原理简单 易于实现 适用面广 控制参数相互独立 参数的 选定比较简单等优点 在实际应用中 根据具体情况 可以灵活地改变 PID 的结构 取其一部分进行控制 2 增量式 增量式 PID 算法算法 增量型 PID 算法与位置使 PID 算法相比 具有诸多优点 增量式算法 不需要做累加 位置式算法要用到过去偏差的累加值 容易产生较大的累 计误差 增量式 PID 算法与原始值无关 易于实现手动到自动的无冲击切 换 增量式 PID 算法推导过程如下 10 0 k d kPkjkk j i TT uKeeeeu TT 2 1 1 11120 0 k d kPkjkk j i TT uKeeeeu TT 10 2 2 1kkk uuu 12 1 2 kkk Pkkkd i eeeT KeeeT TT 12 2 1 1 ddd PkPkPk i TTTT KeKeKe TTTT 12 kkk AeBeCe 2 3 其中 2 1 1 ddd PPP i TTTT KBKKAC TTTT 3 PID 各参数对系统的影响各参数对系统的影响 1 比例系数 Kp 对系统性能的影响 比例系数加大 使系统的动作灵敏 速度加快 稳态误差减小 7 Kp 偏大 振荡次数加多 调节时间加长 Kp 太大时 系统会趋于不稳定 Kp 太小 又会使系统的动作缓慢 Kp 可以选负数 这主要是由执行机构 传 感器以控制对象的特性决定的 如果 Kp 的符号选择不当对象状态 pv 值 就 会离控制目标的状态 sv 值 越来越远 如果出现这样的情况 Kp 的符号就一 定要取反 2 积分控制 Ti 对系统性能的影响 积分作用使系统的稳定性下降 Ti 小 积分作用强 会使系统不稳定 但能消除稳态误差 提高系统的控制精度 3 微分控制 Td 对系统性能的影响 微分作用可以改善动态特性 Td 偏大时 超调量较大 调节时间较短 7 Td 偏小时 超调量也较大 调节时间也较长 只有 Td 合适 才能使 超调量较小 减短调节时间 4 PID 参数的整定参数的整定 1 确定比例系数 Kp 11 确定比例系数 Kp 时 首先去掉 PID 的积分项和微分项 可以令 Ti 0 Td 0 使之成为纯比例调节 输入设定为系统允许输出最大值的 60 70 比例系数 Kp 由 0 开始逐渐增大 直至系统出现振荡 再反过 来 从此时的比例系数 Kp 逐渐减小 直至系统振荡消失 记录此时的比例 系数 Kp 设定 PID 的比例系数 Kp 为当前值的 60 70 2 确定积分时间常数 Ti 比例系数 Kp 确定之后 设定一个较大的积分时间常数 Ti 然后逐渐 减小 Ti 直至系统出现振荡 然后再反过来 逐渐增大 Ti 直至系统振荡 消失 记录此时的 Ti 设定 PID 的积分时间常数 Ti 为当前值的 150 180 3 确定微分时间常数 Td 微分时间常数 Td 一般不用设定 为 0 即可 此时 PID 调节转换为 PI 调节 如果需要设定 则与确定 Kp 的方法相同 取不振荡时其值的 30 4 系统空载 带载联调 对 PID 参数进行微调 直到满足性能要求 2 3 LED 驱动芯片驱动芯片 PT4115 工作原理工作原理 1 PT4115 概述概述 PT4115 是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源 用于驱动一颗或 多颗串联 LED PT4115 输入电压范围从 6 伏到 30 伏 输出电流可调 最大可达 1 2 安 培 根据不同的输入电压和外部器件 PT4115 可以驱动高达数十瓦的 LED PT4115 内置功率开关 采用高端电流采样设置 LED 平均 电流 并 通过 DIM 引脚可以接受模拟调光和很宽范围的 PWM 调光 当 DIM 的电压 低于 0 3 伏时 功率开关关断 PT4115 进入极低工作电流的待机状态 其 简化模块图如图 2 1 所示 12 图 2 1 PT4115 简化模块图 2 PT4115 工作原理工作原理 PT4115 和电感 L 电流采样电阻 Rs 形成一个自振荡的连续电感 电流模式的降压型恒流 LED 控制器 VIN 上电时 电感 L 和电流采样电阻 Rs 的初始电流为零 LED 输 出电流也为零 这时候 CS 比较强的输出为高 内部功率开关导通 SW 的电位为低 电流通过电感 L 电流采样电阻 Rs LED 和内部功率 开关从 VIN 流到地 电流上升的斜率由 VIN 电感 L 和 LED 压降决定 在 Rs 上产生一个压差 Vcsn 当 Vin Vcsn 115mv 时 CS 比较强的输出 变低 内部功率开关关断 电流以另一个斜率流过电感 L 电流采样电阻 Rs LED 和肖特基二极管 D 当 Vin Vcsn 1A27 47uH 0 8A Iout 1A33 82 uH 0 4A Iout 0 8A47 100 uH Iout 0 4A68 220 uH 大于输出电流 1 3 1 5 倍 由于该系统中 LED 的电流限制在了 700mA 所以选取电感值为 80uH 3 应用电路中应注意的问题 应用电路中应注意的问题 1 在电源输入必须就近接一个低等效串联电阻 ESR 的旁路电容 ESR 越大 效率损失会变大 19 该旁路电容要能承受较大的峰值电流 并 能使电源的输入电流平均 减小对输入电源的冲击 该旁路电容尽可能靠 近芯片的输入管脚 2 电感的布板时应尽量靠近 VIN 和 SW 以避免寄生电阻所造成的 效率损失 3 PCB 铜箔与 PT4115 的散热 PAD 和 GND 的接触面积要尽可能大 以利散热 4 尽量减小 RS 两端走线引起的寄生电阻 以保证采用电流的准确 20 3 4 PIC16F877A 单片机小系统的设计单片机小系统的设计 1 单片机电源电路 单片机电源电路 21 由于单片机需要采样信号并做精确的控制等操作 单片机电源需要相 当的稳定且纹波要足够小 以防止单片机误操作 故采用线性稳压电源电 路 又由于前级 LED 驱动电源设计为 25V 故需要采用两级降压的线性稳 压电源 如上图所示 虽然采用两级降压的线性稳压电源效率低下 但由 于单片机本身的功耗很小 所以由压降引起的整个系统效率的降低可以忽 略不计 且线性稳压电源纹波小等特点大大提高了系统的稳定性 单片机 电源电路设计如图 3 5 所示 Vin 1 GND 2 Vout 3 U7 LM7805 5V 15V C9 470u C13 330u C14 0 1u C10 0 1u Vin 1 GND 2 Vout 3 U6 LM7815 25V C7 470u C8 0 1u 图 3 5 单片机电源电路 2 亮度采样电路 亮度采样电路 亮度采样电路是将亮度信号转换为模拟信号提供给单片机作为亮度调 节的主要依据 亮度采样电路中的核心器件为光敏电阻 光敏电阻是利用 半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器 入 射光强 电阻减小 入射光弱 电阻增大 在黑暗条件下 光敏电阻的阻 值 暗阻 可达 1 到 10M 欧姆 在强光条件 100LX 下 它的阻值 亮 阻 仅有几百至数千欧姆 21 在上图所示的采样电路中 当亮度减小时 光敏电阻的电阻值增大 光敏电阻在回路中的压降增大 则采样回来的电 压值减小 减小的电压值就作为单片机调光的主要依据 亮度采样电路如 图 3 6 所示 R14 1K R15 光光光光 5V RA0 图 3 6 亮度采样电路 3 单片机整机电路 单片机整机电路 22 单片机整机电路如图 3 7 所示 在单片机整机电路中包括了时钟电路 复位电路 应特别注意的是由于 PIC16F877A 单片机引脚内部无上拉或下拉 电阻 故使用 PWM 功能的引脚要加上一个下拉电阻 否则所产生的 PWM 电平将不稳定甚至无法驱动 LED 驱动芯片 另外 由于市电非常不稳定 特别是开关电源出来后的电压存在较大的纹波 虽然采用了二次滤波和线 性稳压等措施 仍然难以满足单片机对于电源的苛刻要求 因此 需要在 单片机的电源引脚附近加一滤波电容 增强单片机系统的稳定性 22 Y2 4M C11 30P C12 30P OSC1 OSC2 M CLR RA0 RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 RE0 RE1 RE2 Vdd Vss OSC1 OSC2 RC0 RC1 RC2 RC3 RD0 RD1RD2 RD3 RC4 RC5 RC6 RC7 RD4 RD5 RD6 RD7 Vss Vdd RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 U8 PIC16F877A R12 10k 5V 5V RA0 RA1 RA2 RA3 RA4 RA5 RE0 RE1 RE2 RC0 RC1 RC2 RC3RC4 RC5 RC6 RC7 RD0 RD1RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7 RB0 RB1 RB2 RB3 RB4 RB5 RB6 RB7 OSC1 OSC2 5V R13 10k C1 0 1u C2 0 1u C3 0 1u 5V 图 3 7 单片机整机电路 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 软件设计部分是以 PIC16F877A 单片机为控制核心 主要负责光强信息 的 AD 采样 并通过 PID 算法产生 PWM 增量调节 PWM 控制寄存器 产生 PWM 信号送往 LED 驱动器使得 LED 光强变化 因此 软件设计主要包含了 PID 算法的设计 PWM 程序模块的设计和 ADC 程序模块的设计 23 4 1 系统设计主流程图系统设计主流程图 系统设计主流程图如图 4 1 所示 4 2 PID 程序模块的设计程序模块的设计 增量式 PID 控制算法式子如下所示 01122kkkk ud ed ed e 4 1 增量式控制算法提供执行机构的增量 它将作为 PWM 程序模块的 k u 入口参数 是亮度调节的重要依据 PID 程序模块初始化时 需首先置入 调节参数和设定值 并设置误差初值为零 012 dd d W PID 程序模块流程图如图 4 2 所示 4 3 PWM 程序模块的设计程序模块的设计 PWM 程序模块用于控制 LED 驱动电路 以实现亮度调节 在此程序 设计中采用的是 PIC16F877A 单片机自带的 10 位 PWM 模块 PIC16F877A 单片机内部有 2 个 CCP 模块 当它工作在 PWM 方式时 可以产生周期和 电平宽度均可由编程决定的 PWM 波形 PWM 程序模块的设计流程如图 4 3 所示 24 Y Y N 开始 MCU 时钟 IO 口初始化 初始化 PWM 端 口输出低电平 PID 参数初始 化为 0 AD 采样取值 等于设 定值 PID 算法得出 PWM 增量 调用 PWM 程序 模块调节 PWM AD 采样取值 看门狗定时器 监测系统运行 等于设 定值 N 图 4 1 系统设计主流程图 25 入口 取 W 和 yi 构成偏差 ei W yi 取 d0 d1 d2 计算 d0ei d1ei 1 d2ei 2 形成控制增量 Wi d0ei d1ei 1 d2ei 2 存入输出单元 Wi Uk 为下一时刻做准备 ei 1 ei 2 ei ei 1 返回 图 4 2 PID 程序模块流程图 26 入口 将相应的 TRIS 位 清零将 CCPx 引脚 设为输出 写入 PR2 寄存器 设定 PWM 周期 写入 DCxB9 DCxB0 设定 PWM 占空比 写入 T2CON 设置 TMR2 预分频比并 使能 Timer2 将 CCP 模块设置 为 PWM 模式 返回 图 4 3 PWM 程序模块流程图 4 4 ADC 程序模块的设计程序模块的设计 ADC 程序模块用于采样光强信号 采样结果作为 PID 程序模块的入口 参数 本设计中采用的是 PIC16F877A 自带的 ADC 模块 并使用查询方式 采样取值 该模块程序流程图如下 27 Y 入口入口 设置 ADC 状态控 制寄存器 设置 ADC 采样通 道 清 ADC 采样完成 标志并启动 ADC 进入查询和等待 状态 采样转换标 志为 1 清状态标志并取 出低八位和高两 位的值 运算得出 10 位 AD 值 返回 N 图 4 3 ADC 程序模块流程图 28 第五章第五章 系统调试和误差分析系统调试和误差分析 5 1 开关电源的调试及误差分析开关电源的调试及误差分析 在本系统中基于 TOP227 的开关稳压电源设计成输入端为市电 输出 电压 负载电流为 Vout 20V 1 5A 由于市电在不同时间段时电压波动较大 因此调试时不仅要测试该开关稳压电源输出功率和效率 还要测试该开关 稳压电源的稳压特性 具体测试情况如表 5 1 表 5 1 开关稳压电源测试表 460 50 25 13 输 入 电 流 mA 输 出 电 压 V 输 入 电 流 mA 输 出 电 压 V 输 入 电 流 mA 输 出 电 压 V 输 入 电 流 mA 输 出 电 压 V 70AC2020 465 17020 269 30019 975 56019 675 100AC1120 482 11020 374 20020 080 40019 674 220AC520 482 4020 393 9020 182 15019 891 250AC42196 3520 393 8020 181 14019 987 从表格中可以看出 在市电 85AC 250AC 范围之内 接各种阻值的负 载该开关稳压电源输出电压基本能够稳定在 20V 左右 而且能够保证较高 的效率 当负载减小时输出功率增大 此时输出电压略有减小 从理论上说 基于 TOP227 的开关稳压电源最大可以输出 150W 的功率 当输出 30W 功率时理论上是不会出现输出电压值下降的情况 但该开关电 源在接上较小阻值的负载时输出电压略有减小 主要原因在于变压器设计 的缺陷 高频变压器的制作是开关稳压电源的关键 在实验室手动绕制变 压器存在工艺的差异 很难达到工业的水准 故在较大功率输出的情况下 输出电压略有减小是正常现象 负 载 输 入 29 5 2 LED 驱动电路的调试及误差分析驱动电路的调试及误差分析 LED 驱动电路的调试主要是确定 LED 驱动电路的恒流效果 如果电流 过大容易烧坏 LED 灯 如果电流过小则不能完全发挥 LED 灯的作用 此 外还需测试该电路的效率等 在本系统中选用的是 3W LED 故 LED 驱动 电路设定的最大电流为 700mA 在实际测试时用的是纯电阻来测试 LED 驱 动电路的恒流效果 具体测试情况如表 5 2 表 5 2 LED 驱动电路测试表 15 10 5 输入电流 mA 输出电压 V 输入电流 mA 输出电压 V 输入电流 mA 输出电压 V 20VDC40010 422606 931313 46 效率 90 5 92 4 91 3 恒流 mA695693692 从表格中可以看出恒流很接近且小于 700mA 且效率非常高 这符合 设计的要求 如果大于 700mA 有可能烧毁 LED 或使 LED 寿命减少 实 际恒流小于 700mA 原因在于采样电阻与理论上分析并不一致 在实际的电 路板中还存在很小的引线电阻 该引线电阻相当于增大了采样电阻 Rs 由 式子 Iout 0 1 Rs 可得 Iout 减小 5 3 亮度调节的调试及误差分析亮度调节的调试及误差分析 亮度调节的调试是该系统中的主要部分 也是较难调试的部分 因为 在调试过程中不存在一个可以测试的指标 仅凭人的主观感受来感知调节 效果 亮度调节的主要要求是快速且调节不振荡 LED 无闪烁现象等 但 在实际测试中 调节效果并没有理论上的理想 特别是外部光强从亮到全 灭的突变的时候 该调节器并不能取得令人满意的调节效果 分析其原因 主要有如下 2 个 一是所选用的传感器 光敏传感器对可见光的感应效果虽接近于人 眼 但随着光照的增强光敏电阻的阻值变化越来越小 在较强光照的情况 负 载 参 数 30 下光敏电阻的灵敏度明显下降 二是由于所选用的 LED 驱动器本身的缺陷 在较小电流的情况下该驱 动器恒流效果不佳 还可能些许出现闪烁现象 31 结束语结束语 该亮度自动调节器采用 LED 作为补充光源 较好的实现了亮度自动化 调节