LED调光设计与研究

本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 I 页 共 I 页 目 次 1 绪论 1 1 1 题目的来源及研究意义 1 1 2 国内外调光系统的发展概况 1 1 3 LED 的发展与前景 4 2 系统设计方案 7 2 1 系统方案设计 7 2 2 单片机技术 7 2 3 LED 调光 11 3 硬件电路的设计 14 3 1 单片机部分 14 3 2 驱动模块的设计 15 3 3 电源电路的设计 22 3 4 键盘电路的设计 22 4 软件设计 24 4 1 控制调光软件的设计 25 5 PWM 信号的仿真 27 结 论 28 致 谢 29 参考文献 30 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 0 页 共 34 页 1 1 绪论绪论 1 11 1 题目的来源及研究意义题目的来源及研究意义 照明灯调光是将装饰在建筑空间不同层次的照明灯进行亮度调节 从 而产生出美化室内的光感空间环境 创造出满足视觉审美要求的环境气氛 随着 LED 应用市场的持续快速发展 应用范围的持续扩大也导致了对 产品要求的不断提高 在 LED 终端产品中关于 LED 亮度的调节这项功能也 就显得十分的必要 也是目前如 LED 灯具和显示屏等必须注重的环节 如今 LED 照明已确然成为一项主流技术 该项技术正日臻成熟 标志 之一就是大量 LED 照明标准和规范的陆续出台 严格的效率要求已存在相 当一段时间了 今后仍将不断提高 但近段时间 LED 照明设计师的工作却 更为棘手了 因为要同时满足以下两项要求 既要用针对白炽灯的调光器 来实现调光控制功能 又要实现高功率因数性能 对于 LED 亮度的调节 目前主要分为模拟调光和 PWM 调光 而调光是照明系统非常常见的功能 对于白炽灯来说 它可以以低成本轻易实现 LED 灯的调光却存在一定难度 但对于建筑师和住宅用户来说 在转换到 LED 照明时可不愿失去调光控制 应有的优势 本课题就将对 LED 调光的相关情况进行介绍 1 21 2 国内外调光系统的发展概况国内外调光系统的发展概况 1 2 1 国外调光系统的发展现状 最早的一个记录调光器是威伍兹的 安全调光器 发表于 1890 年 调光器在此之前 有可能引起火灾 早期调光器是通过直接控制操作手册 的大型调光板 但是这意味着所有权力来通过照明控制的位置 这可能是 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 1 页 共 34 页 不便和潜在危险 特别是与系统有大量的渠道 高功率灯或两者 如舞台 舞厅或其他类似的场地 早期的调光台极像一座钢琴 这座钢琴 调光台 分成两排琴键以现今集控 Submaster 的方式进行演出 并以琴键的黑键 作为灯光的色彩变换 在接下来的日子里由琴键改变为推杆型可变电阻已 成为今天的形式 但通讯协议还是一直沿用 0 10V 直流讯号 见上文通讯 协议发展经过 而操作介面更是异常简单 这情况一直到了 60 年代斯全 德公司把记忆单元 当时为磁环线圈阵列 首次放到调光台上开始 整个 调光台的操作模式与介面产生了巨大的变化 而在 70 年代初 第一台有着 现代化功能的数字式运算记忆调光台 MMS 正式问世 今天所使用的三项标 准 即集控 Submaster 场 Cue 和效果 Effect 均为配合舞台演出的 需要而产生且这些功能都必须依附在记忆功能上存在 当可控硅调光器投入使用 模拟远程控制系统 通常是 0 10V 时照明 控制系统 是可行的 该线的控制系统小得多 低电流和更低的危险 较 沉重的电力电缆以往的照明系统 每个暗有其自身的控制线这意味着大量 的电线离开照明控制的位置和运行的各个黯淡 现代系统采用数字控制协 议 如 DMX512 ETCnet 或 ETCnet2 控制了大量的调光器 和其他舞 台设备 通过一个电缆 在 20 世纪 60 年代以前 舞台上的调光设备从盐水缸至大型功率可变 电阻都是以改变交流电源的下弦波峰来对灯泡负载进行调光 这种形式的 缺点在于大量的热能损失和设备体积非常巨大 但优点是不存在干扰噪音 20 世纪 60 年代电子工业的迅速发展 单向可控硅 SCR 与双向可控硅 TRAIC 的先后发明使调光器在体积上变小 工作温度上减少和可能利 用低压记号对调光器进行控制 这就是调光硅 但这种以触发相切割波形 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 2 页 共 34 页 的方式带来了电力系统中的断续电流问题 在标准的三相供电系统中 这 些谐波能令在中心线导体的电流增加至正常的 1 4 倍 谐波会产生可听噪音 会令电力输送系统的金属导体甚至变电变压器产生高热 在欧盟国家中提 倡制定法律要求调光系统必须要以低水平的谐波泄漏为原则 在另一方面 市场上使用相切割波形调光硅的缺点愈见明显 愈来愈多的灯具已不是昨 天的纯电阻性负载 这些日光灯管 电子调光镇流器 LED 灯 电子或电 磁式低压变压器及一切非传 s 光源都有一共通点 就是相切割波形调光硅 已大大远离对这些类型光源进行调光的合理性 虽然后来的调光器发展方 向以 IGBT 为功放元件的逆向相切割波形调光器为取向 因为它的出现而可 以在技术上取消了笨重的滤波线圈 但原来相切割波形方式的问题还是存 在 只是可以减轻重量罢了 1 2 2 国内调光系统的发展现状 随着中国市场经济的发展与精神文明建设的需要 国内许多省 市 企业都在兴建电视台 大型舞台 体育场馆 在所有这些灯光控制场合中 所需的调光回路 从一百多至几百回路 这么多路灯都必须在灯光师个人 的操作下进行变化控制 这就要求灯光控制设备要有较好的集中控制性能 为了满足舞台影视灯光的集中控制需要 调光控制技术的发展从最早的强 电配电板 分组控制 分场控制发展到现在的数字化控制阶段 最近几年 灯光控制系统生产厂家迅速崛起 如广州河东电子有限公司就是其中的典 型 河东企业生产的大回路电脑调光台 HDL 2848 经过多年的发展和完善 以性能价格比高 国外同类产品价格的一半 操作 集控 Q 场 效果等 灵活和编辑修改方便 性能稳定可靠 独有的中英文用户界面等特点深受 电视台演播厅 剧场 体育场馆 多功能厅 电教馆灯光师的欢迎 目前 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 3 页 共 34 页 国内调光控制台种类比较齐全 有模拟 数字 电脑调光台 也有小回路 中回路和大回路调光台 可以充分满足各类场所的演出需要 而且无论人 产品质量 技术水平方面看都在迅速地接近国际先进水平 特别是国内生产的数字调光台 价格合理 功能强 可编程集控 走 灯效果 音频控制等 兼容性好 既有数字信号也有模拟信号输出 从技术上看 调光器可分为模拟式 半数字式和全数字式三类 全数 字调光器技术最先进 目前在国际上 在国内以调光一致性好 调光精度 高 调光范围大 调光曲线多 智能化程度高等特点风靡影视专业灯光界 1 31 3 LEDLED 的介绍与发展前景的介绍与发展前景 1 3 1 什么是 LED 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 1 3 2 LED 的优点 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 耗电量低 LED 耗电相当低 直流驱动 超低功耗 单管0 03 0 06瓦 电光功率 转换接近30 一般来说 LED 的工作电压是2 3 6V 工作电流是0 02 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 4 页 共 34 页 0 03A 这就是说 它消耗的电能不超过0 1W 相同照明效果比传统光源节 能近80 3 使用寿命长 有人称 LED 光源为长寿灯 它为固体冷光源 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 在恰当 的电流和电压下 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 4 高亮度 低热量 LED 使用冷发光技术 发热量比普通照明灯具低很多 5 环保 LED 是由无毒的材料作成 不像荧光灯含水银会造成污染 同时 LED 也可以回收再利用 光谱中没有紫外线和红外线 既没有热量 也没有辐 射 眩光小 冷光源 可以安全触摸 属于典型的绿色照明光源 6 坚固耐用 LED 被完全封装在环氧树脂里面 比灯泡和荧光灯管都坚固 灯体内 也没有松动的部分 使得 LED 不易损坏 1 3 3 LED 在照明领域的发展 从1962年第一只红光半导体发光二极管诞生起 人们不断开发出橙 黄 绿等多种单色 LED 并用于各种信号指示 标识 数码显示 逐步发 展到小型 LED 显示屏等 1991年业界采用 MOCVD 外延生长四元系材料 开发出高亮度发光二极管 1994年在 GaN 基片上研制出第一只蓝色的发光 二极管 1997年通过蓝光激发荧光粉 做出第一只白光 LED 2001年用紫 外光激发荧光粉做成了白光 LED 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 5 页 共 34 页 高亮度半导体发光二极管作为光源已逐步进入光色照明 装饰照明领 域 并形成产业 由于技术不断突破 发光效率不断提高 功率 LED 已经 产业化 多芯片组合的白光 LED 功率更是大幅提高 LED 逐步进入照明领 域 如 LED 汽车灯 LED 背光源 LED 手电筒 LED 台灯 LED 射灯 LED 路灯 LED 隧道灯 LED 室内普通照明等 LED 在目前阶段 其光效还远未达到可以取代三基色萤光灯的程度 但是以其独特的长处 可以在安全特地电压 游泳池 划水池内水下灯具 矿灯 条件下高效工作 此外 在直接采用绿色电能 太阳能 风能等 以及应急照明方面也有着其独特的优势 尤其在调光方面 LED 不仅可 实现0 100 的调光 并且可保证在整个调光过程保持较高光效 并且不损 害 LED 的寿命 而气体放电灯则很难做到这一点 1 1 4 4 论文研究的主要内容论文研究的主要内容 本文旨在研究通过单片机对 LED 的灯光控制 根据硬件系统能实现的 功能 键盘控制调节亮度 本文的主要内容有 1 深入了解国 内外相关技术研究现状 设计适合于本系统的电路 2 熟悉 MCS 51 系列单片机 掌握其结构原理 指令系统及硬件电路的 直接设计方法 3 设计调光系统的外围电路 包括键盘 电源 LED驱动等 4 学习仿真Keil软件 根据硬件电路的系统功能设计软件系统 编写相 应的硬件驱动程序及其它基本系统程序并对其编译仿真 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 6 页 共 34 页 2 2 系统设计方案系统设计方案 2 12 1 系统方案设计系统方案设计 根据设计系统所要实现的功能 本系统硬件结构以单片机 AT89C51 为 核心 单片机产生占空比可变的矩形波 当产生此矩形波的 I O 口通过 LED 驱动模块对 LED 即达到了调光的目的 其功能及特点 按键控制调光渐亮 渐暗 硬件结构图如图 2 1 所示 图 2 1 系统结构图 系统中采用 AT89C51 单片机作为处理器 其功能用来控制调光和时间 日期显示是完全满足的 双输出电源对单片机产生外部中断同时给 LED 供 电 单片机在外部中断中启动定时器并通过按键对定时器赋不同的值 每 当定时器满时 单片机会通过 I O 口发出 PWM 通过驱动控制灯光的亮度 调节 2 22 2 单片机技术单片机技术 2 2 1 单片机概述及特点 当今时代被人们称为信息时代 计算机技术迅速发展 其在工业 农 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 7 页 共 34 页 牧业 国防 科研及日常生活等领域发挥着重要的作用 成为各国工业发 展水平的重要标志之一 而单片机的出现是计算机技术发展史上的一个重 要里程碑 它使计算机从海量数值计算进入到智能化控制领域 单片机是 把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机 从 1976 年 8 位单片微机诞生以来 至今已发展有 16 位单片微机 32 位单片微机 1 但一直是以 8 位机为主流机型 单片微机的发展如日中天 全世界的年产 量已达 100 亿片 在中国年用量达 6 亿片 而且还在不断迅速增长 其应 用也相当广泛 从民用电器 机电一体化产品到航空航天技术 人工智能 工业机器人等一个极其广泛的领域中 2 单片机发展如此迅速应用如此广泛 有其自身的特点 1 集成度高 单片机把 CPU RAM ROM I O 接口以及定时器 计 数器都集成在一个芯片上 和常规计算机系统相比 它具有体积小 集成 度高的特点 2 存储量大 采用 16 位地址总线的 8 位单片机可寻址外部 64KB 数 据程序存储器 此外 大部分单片机还有片上 RAM 一般为 128 256B 和内部 ROM 一般为 2 4KB 在大多数情况下 内部存储器就已经足够 了 从而减少了器件的使用数量 降低了成本 3 性能高 速度快 为了提高速度和执行效率 单片机使用 RISC 体 系结构 并行流水线操作和 DSP 等设计技术 指令运行速度大幅度提高 一般单片机使用的时钟频率可以达到 12MHz 3 4 4 抗干扰性强 单片机各功能件都集成在一块芯片上 特别是存储器 也集成在芯片内部 因此单片机布线短 大多都是在芯片内部传送数据 因此不易受到外部的干扰 增强了抗干扰能力 系统运行更加可靠 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 8 页 共 34 页 5 指令丰富 单片机一般都有传送指令 逻辑运算指令 转移指令 加减运算指令和位操作指令 有些单片机还具有乘法及除法运算指令 6 可靠性高 易扩展 控制功能强也是单片机被广泛应用的特点 2 2 2 单片机的内部结构 与单片机相比 微型计算机是一种多片机系统 它是由中央处理器 CPU 芯片 ROM 芯片 RAM 芯片 I O 接口芯片等通过印刷电路板上 总线连成一体的完整计算机系统 其中 中央处理器 CPU 的字长 功 能强大 ROM 和 RAM 的容量很大 I O 的功能也很大 这是单片机无法 比拟的 因此单片在结构上与微型计算机十分相似 是一种集微型计算机 主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机 并由此而得名 单片机的内 部结构如图 2 2 所示 其中 中央处理器是通过内部总线与 ROM RAM I O 接口以及定时器 计数器相连的 系统时钟定时器 计数器 中央处理器 CPU 外部 定时元件 RAM ROM串行I O接口 并行I O接口 TXD RXD T 内 部 总 线 复位 电源 中断 图 2 2 单片机内部结构图 1 存储器 在单片机内部 ROM 和 RAM 存储器是分开制造的 通常 ROM 存储器容量是很大 RAM 存储器的容量较小 这是单片机控制的一 大特点 ROM 用于存放应用程序 称为程序存储器 在控制系统中一旦系 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 9 页 共 34 页 统研制成功 其硬件和应用程序均已定型 为了提高系统的可靠性 应用 程序通常固化在片内 ROM 中 RAM 是随机存储器 容量为 64 256 字节 最多可达 48K 字节 其主要用来存放实时的数据或作为通用寄存器 数据 堆栈和数据缓冲器之用 2 处理器 CPU 中央处理器的内部结构极其复杂 通常由运算器 控制器和中断电路等组成 其中运算器用于对二进制数进行算术运算和逻 辑操作 其操作顺序在控制器控制下进行 运算器由算术逻辑单元 ALU 累加器 A 通用寄存器 R0 暂存器 TMP 和状态寄存器 PSW 等五部分组成 控制器是发布操作命令的机构 是计算机的指挥中心 相当于人脑的神经 中枢 控制器由指令部件 时序部件和微操作控制部件等三部分组成 指 令部件是一种能对指令进行分析 处理和产生控制信号的逻辑部件 也是 控制器的核心 通常 指令部件由 PC 程序计数器 IR 指令寄存器 和 ID 指令译码器 三部分组成 时序部件是由时钟系统和脉冲分配器组 成 用于产生微操作控制部件所需的定时脉冲信号 5 6 微操作部件可以为 ID 输出信号配上节拍电位和节拍脉冲 也可与外部进来的控制信号组合 共同形成相应的微操作控制序列 以完成规定的操作 3 总线 单片机内部总线是 CPU 连接片内各主要部件的纽带 是各 类信息传送的公共通道 内部总线主要由三种不同性质的边线组成 它们 是地址线 数据线和控制 状态线 地址线主要用来传送存储器所需要的地 址码或外部设备的设备号 通常由 CPU 发出并被存储器或 I O 接口电路所 接收 数据线用来传送 CPU 写入存储器或经 I O 接口送到输出设备的数据 也可以传送从存储器或输入设备经 I O 接口读入的数据 控制 状态线有两 类 一是 CPU 发出的控制命令 如读命令 写命令 中断响应等 另一类 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 10 页 共 34 页 是存储器或外设的状态信息 如外设的中断请求 存储器忙和系统复位信 号等 4 I O 接口和特殊功能部件 I O 接口电路有串行和并行两种 串行 I O 用于串行通信 它可以把单片机内部的并行 8 位数据变成串行数据向外 传送 也可以串行接收外部送来的数据并把它们变成并行数据送给 CPU 外 理 并行 I O 口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送 8 位数据 特殊功能部件包括定时器 计数器 A D 和 D A DMA 通道和系统时钟等电 路 定时器 计数器用于产生定时脉冲 以实现单片机的定时控制 2 32 3 LEDLED 调光调光 2 3 1 LED 调光的方式 LED 的调光方式分为两种 模拟调光和 PWM 调光 1 模拟调光 模拟调光方式是通过连续的方式线性的调节流过 LED 的电流 来改变 灯的发光亮度 可以较大范围内调节 LED 的亮度 模拟调光技术是通过利用一半的电流驱动 LED 可降低一半的亮度 尽 管不是绝对的 1 1 但 LED 的亮度随正向电流的变化而变化 2 PWM 调光 PWM 调光是通过反复的通断来改变开关电流的脉宽而不是改变电流幅 值 从而达到调节 LED 亮度的目的 流过 LED 的平均电流与调节占空比 是线性关系 而人眼的频率响应是 60Hz 及以下 因此高于 60Hz 以上的频 率开关 LED 人眼就会看到平均的 LED 亮度 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 11 页 共 34 页 图 2 3 模拟调光与 PWM 调光的对比 2 3 2 PWM 技术 脉宽调制 PWM 是开关型稳压电源中的术语 这是按稳压的控制方式 分类的 除了 PWM 型 还有 PFM 型和 PWM PFM 混合型 脉宽宽度调 制式 PWM 开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下 通过 电压反馈调整其占空比 从而达到稳定输出电压的目的 1 PWM 软件法控制充电电流 该方法的基本思想就是利用单片机具有的 PWM 端口 在不改变 PWM 方波周期的前提下 通过软件的方法调整单片机的 PWM 控制寄存器来调 整 PWM 的占空比 从而控制充电电流 该方法所要求的单片机必须具有 ADC 端口和 PWM 端口这两个必须条件 另外 ADC 的位数尽量高 单片 机的工作速度尽量快 在调整充电电流前 单片机先快速读取充电电流的 大小 然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较 若实际 电流偏小则向增加充电电流的方向调整 PWM 的占空比 若实际电流偏大 则向减小充电电流的方向调整 PWM 的占空比 在软件 PWM 的调整过程中 要注意 ADC 的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰 合理采用算术 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 12 页 共 34 页 平均法等数字滤波技术 2 PWM 在推力调制中的应用 1962 年 Nicklas 等提出了脉冲调制理论 指出利用喷气脉冲对航天器 控制是简单有效的控制方案 同时能使时间或能量达到最优控制 脉 宽调制发动机控制方式是在每一个脉动周期内 通过改变阀门在开或关位 置上停留的时间来改变流经阀门的气体流量 从而改变总的推力效果 对 于质量流率不变的系统 可以通过脉宽调制技术 来获得变推力的效果 脉宽调制通常有两种方法 第一种为整体脉宽调制 对控制对象进行控制 器设计 并根据控制要求的作用力大小 对整个系统模型进行动态的数学 解算变换 得出固定力输出应该持续作用的时间和开始作用时间 第二种 为脉宽调制器 不考虑控制对象模型 而是根据输入进行 动态衰减 性 的累加 然后经过某种算法变换后 决定输出所持续的时间 这种方式非 常简单 也能达到输出作用近似相同 脉宽调制控制技术结构简单 易于 实现 技术比较成熟 俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭的角度稳定 系统控制中 但是当调制量为零时 正反向的控制作用相互抵消 控制效 率明显比变流率系统低 而且系统响应有一定的滞后 其开关的频率必须 远大于 KKV 本身的固有频率 否则不但起不到调制效果 甚至会发生灾难 性后果 3 在 LED 中的应用 在 LED 控制中 PWM 作用于电源部分 脉宽调制的脉冲频率通常大于 100Hz 人眼就不会感到闪烁 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 13 页 共 34 页 3 3 硬件电路的设计硬件电路的设计 3 13 1 单片机部分单片机部分 3 1 1 晶振电路的设计 单片机的定时控制功能是用片内的时钟电路和定时电路来完成的 而 片内的时钟产生有两种方式 内部时钟方式和外部时钟方式 本课题采用内部时钟方式 片内高增益反相放大器通过 XTAL1 和 XTAL2 外接作为反馈元件的晶体 呈感性 与电容组成的并联谐振回路构 成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟 7 8 AT89S52 工作的时钟 频率为 0 33MHz 对外接电容 C1 C2 虽然没有十分严格的要求 但电容 容量的大小会轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作的稳定性 起振的难 易程度 本设计中选择 12MHz 的石英晶振与 30pF 的电容构成并联谐振电 路 电路如图 3 1 所示 X 1 19 X 2 18 Y 1 12 M Hz C 230 p C 330 p 图 3 1 晶振电路 3 1 2 复位电路的设计 复位是单片机的一个重要工作状态 当单片机应用系统出现程序运行 错误 系统操作错误而死机或单片机开机后进行初始化时常常需要复位操 作 其作用是使 CPU 和单片机系统中其它相关部件都处于一个确定的初始 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 14 页 共 34 页 状态 并从这一状态开始工作 AT89S52 的复位引脚 Reset 是第 9 脚 当此引脚连接高电平超过 2 个机器周期 1 个机器周期为 6 个时钟脉冲 即可产生复位的动作 常见的复位电路有上电自动复位和上电按钮复位电 路 本系统采用上电按钮复位电路方式 复位前 由于单片机 9 脚经电阻 接地 所以呈低电平 当按键开关按下时 9 脚由于点位提升至 5V 引脚 状态呈高电平 复位有效 单片机执行复位 电路如图 3 2 所示 图 3 2 复位电路 3 3 2 2 驱动模块的设计驱动模块的设计 采用 LED 照明 首先需要考虑的是其亮度 成本以及寿命 由于影响 LED 寿命的主要原因是其频繁启动瞬间的电流冲击 外界的各种浪涌脉冲 以及正常工作时的电流限制等 综合了这些因素 从电路设计上尽量避免 大电流对 LED 照明灯具的冲击 并将其工作电流稳定在某一范围内 解决 目前 LED 照明灯具的亮度衰减问题 从而能有效地延长其使用寿命 3 2 1 驱动的选择 LED 均采用直流驱动 因此在市电与 LED 之间需要加一个电源适配器 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 15 页 共 34 页 即 LED 驱动电源 它的功能是把交流市电转换成适合 LED 的直流电 LED 的发光原理是在它两端加上正向电压 使半导体中的少数载流子 和多数载流子发生复合 放出过剩能量 从而引起光子的发射 LED 驱动 电路的主要功能是将交流电压转换为恒流电源 同时按照 LED 器件的要求 完成与 LED 的电压和电流的匹配 LED 驱动电路除了要满足安全要求外 另外的基本功能应有两个方面 一是尽可能保持恒流特性 尤其在电源电压发生 15 的变动时 仍应 能保持输出电流在 10 的范围内变动 用 LED 作为显示器或其他照明设 备或背光源时 需要对其进行恒流驱动 主要原因是 1 避免驱动电流超出最大额定值 影响其可靠性 2 获得预期的亮度要求 并保证各个 LED 亮度 色度的一致性 二是驱动电路应保持较低的自身功耗 这样才能使 LED 的系统效率保 持在较高水准 PWM 脉宽调制 技术是一种传统的调光方式 它利用简 单的数位脉冲 反覆开关 LED 驱动器 系统只需要提供宽 窄不同的数位 式脉冲 即可简单地实现改变输出电流 从而调节 LED 的亮度 该技术的 优点在于能够提供高品质的白光 以及应用简单 效率高 但一个致命的 缺点是容易产生电磁干扰 有时甚至会产生人耳能听见的杂讯 本设计中 选择 PT4115 对 LED 实现驱动调光 升压是 LED 驱动电路的重要任务 而电感升压和电荷泵升压是两种不 同的拓扑模式 由于 LED 是由电流驱动的 而电感在进行电流转换时效 率最高 因此电感升压方式最大的优点就是效率高 如果设计得当可以超 过 90 不过它的缺点也同样明显 就是电磁干扰很强 对手机等通信产 品的系统要求就非常高 随着电荷泵的出现 目前大多数手机都不再采用 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 16 页 共 34 页 电感升压方式 当然 采用电荷泵的升压方式其效率将低于电感升压 3 2 2 PT4115 介绍 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 1 特点 极少的外部元器件 很宽的输入电压范围 从 6V 到 30V 最大输出 1 2A 的电流 复用 DIM 引脚进行 LED 开关 模拟调光和 PWM 调光 5 的输出电流精度 LED 开路自然保护 高达 97 的效率 输出可调的恒流控制方法 增强散热能力的 ESOP8 封装可用于大功率驱动 2 应用 低压 LED 射灯代替卤素灯 车载 LED 灯 LED 备用灯 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 17 页 共 34 页 LED 信号灯 3 管脚介绍及封装形式 图 3 3 两种封装形式 管脚号管脚名称描述 1SW 功率开关的漏端 2GND 信号和功率地 3DIM 开关使能 模拟和 PWM 调光端 4CSN 电流采样端 采样电阻接在 CSN 和 VIN 端之间 5VIN 电源输入端 必须就近接旁路电容 Exposed PAD 散热端 内部接地 贴在 PCB 板上减小热阻 ESOP8 4 5NC 无连接 接地或悬空 4 极限参数 符号参数参数范围单位 VIN 电源电压 0 3 45V SW 功率开关的漏端 0 3 45V CSN 电流采样端 相对 VIN 0 3 6 0 V 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 18 页 共 34 页 DIM 开关使能 模拟和 PWM 调光 端 0 3 6V ISW 功率开关输出电流 1 5A PDMAX 功耗 注 2 1 5W PTR 热阻 SOT89 5 JA 45 oC W PTR 热阻 ESOP 8 JA 40 oC W TJ 工作结温范围 40 to 150 oC TSTG 储存温度范围 55 to 150 oC ESD 2kV 5 工作原理 图 3 4 PT4115 内部结构 PT4115 和电感 L 电流采样电阻 RS 形成一个自振荡的连续电感 电阻模式的降压 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 比较器的 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 19 页 共 34 页 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 和 LED 压降决定 在 RS 上产生一个压差 VCSN 当 VIN VCSN 115mV 时 CS 比较器的输出变低 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 和肖特二极管 D 当 VIN VCSN 85mV 时 功率开关重新打开 这样使得在 LED 上的平均电流为 Rs Rs IOUT 1 0 2 115 0 085 0 高端电流采样结构使得外部元器件数量很少 采用 1 精度的采样电阻 LED 输出电流控制在的精度 PT4115 可以在 DIM 管脚加 PWM 信号 5 进行调光 DIM 管脚电压低于 0 3V 关断 LED 电流 高于 2 5V 全部打开 LED 电流 PWM 调光的频率范围从 100Hz 到 20KHz 以上 当高电平在 0 5V 到 2 5V 之间 也可以调光 DIM 管脚也可以通过外加直流电压 VDIM 调小 LED 电流 模拟调光 最大 LED 电流由采样电阻 RS 决定 直流电压 VDIM 高于 2 5V 输出 LED 电流保持恒定 并由 0 1 RS 设 定 LED 电流还可以通过 DIM 到 LED 之间接一个电阻进行调节 内部有 一个上拉电阻接在内部稳压电压 5V 上 DIM 管脚的电压由内部和外部的 电阻分压决定 DIM 管脚在正常工作时可以浮空 当加在 DIM 上的电压低于 0 3V 时 内部功率开关关断 LED 电流也降为零 关断期间 内部稳压电路保持待 机工作 静态电流仅为 A 95 此外 为了保证可靠性 PT4115 内部包含过热保护功能 TSD 封装 含有散热 PAD 过热保护功能在芯片过热 时保护芯片和系统 C 160 外部的散热 PAD 增强了芯片功耗 于是 PT4115 能够安全输出较大电流 PT4115 还可以通过 DIM 管脚外接热敏电阻 NTC 到 LED 附近 检测温 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 20 页 共 34 页 度动态调节 LED 电流保护 LED 3 2 3 PT4115 与 LED 连接的设计 图 3 5 PT4115 与 LED 连接 LED 的最大电流由连接在 VIN 和 CSN 两端的电阻 RS 决定 通过在 DIM 管脚加入可变占空比的 PWM 信号可以调小输出电流以实现调光 计 算方法如下所示 如果高电平 Rs D IOUT 1 0 VVVDpulse55 2 1000 小于 2 5V 则 通过 Rs DV I pulse OUT 5 2 1 0 VVVDpulse5 25 0 1000 PWM 调光 LED 的输出电流可以从 0 到 100 变化 LED 的亮度是由 PWM 的占空比决定的 LED 可以入图中所示选择一个 3W 的大功率灯珠 也可以选择三个 1W 的电铸串联 电源供电为 12V 的 DC 供电 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 21 页 共 34 页 3 33 3 电源电路的设计电源电路的设计 图 3 6 双输出电源结构图 本设计中单片机部分的电路需要的电压为5V 而选用的三个1WLED 灯珠需要 的电压为12V 同时需要电路输出电流应在3 5A 以上 为了方便直接选用市 面上的维修液晶显示器等电器时用的双输出电源 此电源电路可提供一个 小电流 可调整的负偏置电压 适用于传感器偏置 LCD 对比度偏压 或压控 振荡器 VCO 的调谐电压 该电路利用 DAC 驱动一个电荷泵倍压器提供所需 电压 免去了通常由运算放大器和诸多分离器件构成的庞大的电平偏移电路 3 43 4 键盘电路的设计键盘电路的设计 键盘是若干按键的集合 是单片机的常用输入设备 操作人员可以通 过键盘输入数据或命令 实现人机通信 14 15 键盘可以分为独立连接式和 行列 矩阵 式两类 每一类又可根据对按键的译码方式分为编码键盘和 非编码键盘两种类型 本设计中用了三个按键 按键 S1 的功能为 将灯光 逐渐调暗至关灯 按键 S2 的功能为 将灯光逐渐调亮至最大值 由于键盘 实现功能较少 所以均采用独立式非编码键盘的设计 设计电路如图 3 30 所示 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 22 页 共 34 页 图 3 30 键盘电路 如图所示 每个按键都是彼此独立的 均需占用 CPU 的一条 I O 数据 输入线 若没有键按下时 单片机从 P2 口读得的引脚电平均为 1 5V 若某一按键被按下 则该按键所对应的端口线变为低电平 单片 机定时对 P2 口进行程序查询 即可发现键盘上是否有键按下以及哪个键被 按下 独立式键盘的优点是程序设计简单 但是占用 I O 口较多 如果是按 键较多的情况下则应该选用矩阵式编码键盘 这样的话就能节约 I O 口 节 省系统资源 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 23 页 共 34 页 4 4 软件设计软件设计 单片机的应用系统是由硬件和软件两部分组成的 硬件是软件运行的 条件与保障 软件使控制要求得到实现 硬件和软件只有密切配合 协调 一致 才能组成一个高性能的单片机应用系统 所以系统控制单元必须设 计出完善的与硬件相配合的软件 才能保证系统的实用性与可靠性 在编 程过程要建立在硬件的工作原理和系统要实现的功能上 依据了系统化 模块化的设计原则 本章在控制系统硬件的基础上 详细介绍了控制系统 的软件设计 单片机开发系统的程序设计语言有机器语言 汇编语言和高级语言 机器语言是计算机能够识别的惟一语言 由于机器语言程序的设计 输入 修改和调试都非常麻烦只能在非常简单的开发系统中使用 汇编语言比机 器语言使用灵活 且程序便于优化 与硬件系统关系紧密 单片机中常用 汇编语言进行程序设计 高级语言编程方便 易于掌握 且通用性好 MCS 51 系列单片机开发系统所使用的高级语言有 C 51 PL M51 和 MBASIC 51 16 17 语言 C 语言等 用高级语言编写控制程序 在实用性 质量和结构紧凑等方面均有一定难度 综合考虑本设计使用 C 51 语言进行 编程 其还有以下的优点 1 寄存器分配 数据类型等由编译器管理 2 编程及调试的时间减少 大大缩短开发周期 3 明显增加软件可读性 便于改进和扩充 程序仿真软件使用 Keil 该软件具备对用户程序进行调试的功能 软 件能使用户有效地控制目标程序的运行 以检查程序运行的结果 并对程 序错误进行定位 软件中的单步运行 设置断点运行和连续运行的功能可 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 24 页 共 34 页 以对程序的运行进行跟踪 其对目标系统状态读出和修改的功能可以方便 地读出或修改目标系统所有资源的状态 以检查运行结果和了解设置的初 始参数等 4 14 1 控制调光软件的设计控制调光软件的设计 在本系统中 软件设计的程序框图如图 4 1 图 4 1 系统主程序流程图 Keil uVision2 IDE 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列单片机 C 语言集成开发系统 与汇编语言相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 25 页 共 34 页 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 Keil uVision2 IDE 开发系统提 供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 26 页 共 34 页 5 5 PWMPWM 信号的仿真信号的仿真 由于驱动芯片部分无法用 Protues 软件实现 故此部分只做了让单片 机输出 PWM 脉冲信号的仿真 图 5 1 单片机与示波器的连接图 图 5 2 亮度增加 图 5 3 亮度减小 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 27 页 共 34 页 结结 论论 本文在学习过零检测系统原理和单片机等相关知识的基础上 从硬件 和软件两方面对可控调光灯系统进行了设计 选用 AT89C51 型 8 位低功耗 单片机 系统不仅实现了对灯光的亮度控制 而且还实现了对读取 DS1302 的日期时间进行 LCD 显示 操作方便 界面美观 整个系统采用稳压电源 在家庭生活中有很好的实用价值和推广价值 设计主要完成了以下工作 1 在广泛查阅资料的基础上 提出了本设计的意义 确立了设计方案 2 从硬件方面详细介绍了 AT89C51 单片机的硬件电路 过零检测电路 触发电路 键盘和显示以及整个系统的供电电路 同时用 Protel99SE 绘制 了整体的电路图 3 从软件方面阐述了如何由单片机指令实现对过零点的检测 首先 给出了如何整体控制并给出了主程序流程图 其次 为了程序的移植将程 序模块化成多个子程序 阐述了各子程序的功能及如何实现 4 硬件的制作实现了预期的目标 能对 LED 灯光进行逐渐亮暗调节 并将日期和时间用液晶实时显示 检测的稳定性和准确性也符合设计的要 求 为了使本设计更加完善 需要在以下方面进一步深入研究 从精度方 面来完善调光控制系统 如系统采用 Z0409MF 控制电压的大小 配上光耦 设计更加稳定的电源 从而使检测的电压更加精确 进一步优化软件的设 计 包括研究更多的算法 抗干扰能力 使控制更加迅速 准确 本科毕业设计说明书 论文 本科毕业设计说明书 论文 第 28 页 共 34 页 致致 谢