LED自适应调光系统设计

1、（20112011 届）届） 毕业设计毕业设计 题 目： 基于 AVR 单片机的 LED 自适应调光系统设计 姓名： 专业： 电子信息工程 班级： 学 号： 指导教师： 导师职称： 年 月 日 基于 AVR 单片机的 LED 自适应调光系统设计 摘 要 作为一种光源，调光是很重要的。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的 环境，在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更 加重要的一件事。而且对于 LED 光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、 高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的 LED 灯具中加上调光的功能。 自适应调光系统硬件电路由四个部分组成：感光电路、AD 转

2、换电路、单 片机控制电路、发光二极管驱动电路。软件部分采用 PID 算法，自动调节环境 光照度。本设计以 89C51 单片机为控制器，利用光敏电阻采集环境光照度，采 用脉宽调制方式调节三极管，进而调节 LED 的发光亮度，最终维持环境光照度 在一个设定的水平。 关键词：LED，自适应调光，AVR 单片机,PID 算法 LED Adaptive Dimming System Based on AVR Abstract The quality of dimming of light source is very important. It is not only for a better envi

3、ronment at home. At present, it is also an even more important issue to lessen waste of unnecessary electric light and further achieve the goal of energy saving and emission reduction. Whats more, for light source of LED, it is easier to adjust brightness than fluorescent lamp, energy saving lamp, h

4、igh pressure sodium lamp and other kinds of lamps. Therefore, wed better add the function of brightness- adjusting to various kinds of LED lamps. The hardware of adaptive adjustable optical-intensity system is consisted of four parts. They are photosensitive circuit, AD change-over circuit, single-c

5、hip microcomputer control circuit, and LED driving circuit. And the software of the system makes use of PID algorithm to adjust brightness of environment automatically. This design takes 89C51 SCM as controller, use photo conductive resistance to collect luminance of the environment. And the designe

6、r adopt pulse width modulation mode to adjust triode, which can help adjust brightness of LED to keep intensity of illumination of the environment at a set level. Keywords: LED, adaptive dimmer, AVR, PID 目录 摘 要 .I Abstract.II 1 绪论.1 1.1 LED 的国内外研究现状.1 1.2 课题的意义.2 2 系统设计原理.3 2.1 总体设计方案.3 2.2 系统驱动方式选择

7、.4 2.3 LED 驱动设计注意点.4 3 硬件设计.6 3.1 电源电路.6 3.2 感光电路.7 3.2.1 LED 发光原理.9 3.3 手动控制电路.9 3.4 单片机控制电路.10 3.4.1 AT89C51 简介.11 3.4.2 ADC0832 简介 .12 3.4.3 单片机控制电路.14 3.4.4 AD 转换电路.15 3.4.5 PID 控制的原理和特点 .15 3.5 晶振电路.17 3.6 发光二极管驱动电路.17 4 软件设计.18 4.1 系统流程图.18 4.2 初始化.19 4.3 读取当前亮度.19 4.4 手动调节.20 4.5 PWM 调制亮度调节.2

8、0 5 总结与展望.23 5.1 总结.23 5.2 展望.23 参考文献.24 致谢.25 附录.26 附录 硬件电路图.27 1 绪论 LED 光源是 21 世纪光源市场的希望，众多优点预告其未来将逐步取代传 统光源，奥科委指出高亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大 的发明之一，当前全球能源危机的时候，能源是一种宝贵的资源，所以节约能 源是我们未来面临的问题。 LED 作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。 1.1 LED 的国内外研究现状 在照明领域的技术革新中，LED 的应用毫无疑问是最令人振奋的，它改变 了整个照明市场的结构。 LED 的发光

9、强度很高，但它发出的热量很少。白炽灯会浪费大量的热能， 霓虹灯容易破损，荧光灯会产生有毒气体 1。LED 已被全球看成一种新型的高 科技环保的节能光源。 近几年来，LED 的发光效率已增长了 100 倍，而成本下降了 10 倍。在目 前 LED 光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用 LED，其用作固 体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯2。目前， 照明 LED 的应用每年发展的速度超过 20%，世界上的许多发达国家都开始大量 应用 LED 照明。现在，一般的 LED 的发光效率超过 500m/W，专家预计， 2012 年可能超过 1000m/W。功率型 LED

10、 优异的散热特性与光学特性更能适应 普通照明领域。为替代荧光灯，白光 LED 必须具有 150200lm/W 的光效，而 且每流明的价格应该控制在 0.015 美元以下 3。想要做到这个标准，仍有很多 技术要突破。根据理论上的说法，LED 的发光效率可以非常接近 100%。所以 LED 被看成 21 世纪的新型光源，很有希望在白炽灯、荧光灯、高强度气体放 电灯之后的第四代光源。为了提高白光 LED 的发光效率，世界上许多国家的科 研人员正从改进工艺和开发新材料入手，以改进产品结构。 美国波士顿的 Photonics Research 研究中心报道了 LED 技术方面的新进展， 声称光效达到 3

11、30lm/W。这种被称作 photon-rectcling 的半导体光源可发出蓝、 黄两种波长的光4。所发出的光能使人感到的是白光。这种光效，与目前市场 上的 LED 比要高 10 倍甚至更高。不过，应该指出，从实验室到商业化的产品 这条路也许还十分漫长。 奥地利的照明设计公司做了一个大型的实验，用了 14000 只白光和彩色 LED 的混合照明整个房间。光照水平可以达到 600-700Lux，足够一间普通办公 室的照明。用计算机计算白光，蓝光，蓝/绿光，琥珀和红光二极管的混合效果， 可以得到 2500-3000K 的暖色温，其显色指数非常好5。 由于 LED 产业不断涌现新技术、新产品、新应

12、用，呈现出了朝阳工业的欣 欣向荣的景象，可以相信，半导体技术不仅不会被其他技术取代，而且会继续 沿着原来的轨道向前发展。半导体照明技术由于技术的先进性和产品使用的广 泛性，已经被广泛认为是最具发展潜力的高科技领域之一6。半导体照明产业 具有明显的节能和环保效果，也被认为是一个战略性的高技术产业。 1.2 课题的意义 LED 是一种新型半导体固态光源。它是一种不需要钨丝和灯管的颗粒状发 光原件7。LED 光源凭借环保、节能、寿命长、安全等众多优点在打造节能、 环保型社会的大环境下当仁不让地成为照明行业的新宠，许多国家都开始推广 LED 的应用。 LED 的应用在照明领域是最令人振奋的，它将开创一

13、个新的照明市场，很 快会成为市场的主打产品。其实 LED 的技术不是刚出现的，在许多年前就已经 出现，但是那个时候 LED 只是被用作仪器和设备的指示灯8。近些年随着科技 的突破，材料和芯片性能上都有新的改善和突破，使得 LED 的亮度和寿命都有 了极大的改进，从而也推动了 LED 更为广泛的使用。 普通白炽灯的寿命只有 1000 小时，而 LED 的寿命则高达 50000 小时，而 且消耗的电量要少得多。根据美国 Sandia 国家实验室的研究，如果白光二极管 系统能够普及，全世界照明用电的消耗将减少 509。影响白光二极管系统普 及的主要障碍还是它的亮度和价格，目前白光二极管的亮度不足以照

14、亮整个房 屋，而且其价格大约是白炽灯泡的 10 倍。LED 照明技术的发展将带来更加明 亮的光线和更少的能源消耗。 随着经济发展，我国的照明用电还将有大幅度的提高，国家对绿色节能科 技的投入越来越大，LED照明是借助着这个大环境下才得以发展的。据中国绿 色照明工程促进项目办公室专项调查，我国照明用电每年在3000亿度以上，用 LED取代全部白炽灯和部分荧光灯10，可节省13的照明用电，相当于三峡工 程全年的发电量。 LED的优点还有很多，作为全固态发光体，LED更加的耐震耐冲击，发热 量也更低，而且不易破碎、不含汞、钠等可能危害健康的元素11，更加安全， 更加环保。 LED的应用十分广泛，应用

15、在路灯照片、汽车尾灯、景观灯、液晶显示屏、 手机背光源等12。 2 系统设计原理 2.1 总体设计方案 本设计以 89C51 单片机为控制器，利用光敏电阻采集环境光照度，采用脉 宽调制方式调节三极管，进而调节 LED 的发光亮度，最终维持环境光照度在一 个设定的水平。包括手动控制模块、光采集模块、电源模块、LED 照明模块， 总体框架图如下图 2-1 所示。 手动控 制模块89C51 单片机 LED 照明 光采集 模块 电源模块 图 2-1 总体框架图 自适应调光调光示意图如下图 2-2 所示。 L2 这个 LED 用来自适应调光 L1 这个 LED 模拟环境亮度 电位器可以改变环境亮度 单

16、片 机 图 2-2 调光示意图 工作原理：通电的时候，单片机采集亮度，以当前亮度为基准。如果环境 变暗，则调亮 L2 亮度，直到环境亮度达到基准；如果环境变亮，则调暗 L2 亮 度，直到环境亮度达到基准。 调节方法：L1 是手动调的，代表环境其他光线的亮度的变化，如果 L1 变 暗，这时候 L2 就要变亮，保证环境总的亮度不变，反之，如果环境其他光线 L2 变亮，这个时候 L2 就要暗下来了。L1 手动调，L2 会根据 L1 的亮度自动调 节，这就是自适应调光。在一个环境比较暗的地方，调节 L1，让 L2 亮起来。 然后在拿到一个比较亮的地方，L2 会变暗，甚至熄灭。 2.2 系统驱动方式选择

17、 为发光二极管照明选择一个可行的供电方式，是半导体照明普及必须要解 决的一个问题。如果选择用市电驱动发光二极管，则需要解决降压和整流问题， 还有较小的体积和较低的成本，有比较高的变换效率，特别要考虑到安全隔离 问题；考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因素等问题。对中小 功率的发光二极管灯来说，其最理想的电路结构是隔离式单端反激变换器。对 于大功率的应用而言，则应该使用桥式变换电路。 现阶段，家庭用电均为 220V 的市电，为了能够更加方便的应用我这个课 题，我选择了使用市电驱动。 2.3 LED 驱动设计注意点 电源有各种各样，但不管何种电源，都不能直接给 LED 供电。所以说要用

18、LED 做照明光源就必须解决好电源变换这个问题。实际上 LED 是一个电流驱 动的低电压单向导电的器件，LED 驱动器应具有小尺寸、高效率、直流控制、 PWM 调光、过压保护、负载断开、以及简单易用等特点。为 LED 提供电的电 源变换器设计的时候一定要注意以下的几个特点： （1）LED 是一种单向导电器件。根据这个特点，我们就可以考虑用直流 电流或单向脉冲电流给 LED 提供电能。 （2）发光二极管是具有 PN 结结构的半导体器件，有势垒电势，这会形成 导通门限电压，只有加载到 LED 上的电压值超出了这个门限电压，LED 才会 充分的导通。一般大功率的 LED 门限电压在 2.5V 以上，

19、一般工作的时候的管 压降为 34V。 （3）二极管的电流/电压特性是非线性的。一般情况下流过 LED 电流的数 值等于供电电源的电动势减去 LED 的势垒电势再除以回路的总电阻，总电阻是 电源内阻、引线电阻、发光管体电阻的和。所以，流过 LED 的电流跟加在发光 管两端的电压不会成正比关系。 （4）二极管的 PN 结是负的温度系数。温度升高会导致 LED 的势垒电势 下降。根据这个特点，我们不能直接给 LED 电压源供电，而是需要采取限流 措施，不然随着管子工作时温度的升高电流会越来越大直到损坏器件。 （5）流过发光管的电流跟发光管的光通量之间的比值是非线性的。LED 的光通量会随着流过发光管

20、的上升而上升，但是却并不是正比关系，越是后来 光通量的增加越是少。所以，我们应该让发光管在一个发光效率高的电流值下 进行工作。 LED 和其他光源一样，能够承受的电功率是有限的。假若加在 LED 上的 电功率超过了一定的数值，发光管就非常有可能被损坏。因为材料特性和生产 工艺等方面的区别，相同型号的发光管的势垒电势以及发光管的内阻也并不完 全相同，这将导致发光管工作的时候管压降不一讲，加上发光管势垒电势具有 负的温度系数，所以说 LED 不能够直接并联使用15。综上所述，用发光管作照 明必须要设计一个合理的驱动。 3 硬件设计 自适应调光系统主要由：电源电路、感光电路、手动控制模块、单片机控

21、制电路、AD 转换电路、发光二极管驱动电路组成，原理图如图 3-1 所示。 单片机 AT89C51 电源电路 感光 电路 AD 转换 电路 发光二极管 驱动电路 晶振电路 手动控制模 块 图 3-1 自适应调光系统 3.1 电源电路 电源是电路中很重要的一个部分，其设计的好坏对整个系统的性能有非常 大的影响。 要想得到+5V 的电压，若选用 12V 的变压器，整流滤波后输出往往大于 12V，会使稳压器功耗大，自身温度过高。故不选用输出电压为 12V 的变压器， 而选用输出电压为 9V 的变压器。系统接通 220V 交流电源后，将 220V 交流电 变压到 9V，经过二极管全波整流、电解电容 C

22、8、C9 滤波，再经一只正输出稳 压器 LM7805。为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容 C6、C7，最后得到+5V 的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它 外围电路供电。电路图如下框 3-2 所示。 图 3-2 电源电路 如图所示电路为输出电压+5V，它由电源变压器 T，桥式整流电路 D1D4，滤波电容 C8、C9，防止自激电容 C6、C7 和一只固定式三端稳压器 (7805)极为简捷方便地搭成的。 220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路 D1D4 和滤波电容 C8、C9 的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 G

23、ND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电 压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过 LM7805 的稳压和 C6、C7 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、 系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可 靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片 式集成稳压器件。 3.2 感光电路 照度是指被照物表面在单位面积上受到的光通量。一般用“呎烛光”来表示 照度。1 呎烛光，是指发光强度为 1 烛光的光源，在距离

24、光源一呎、面积为一 平方呎的垂直面上所产生的光照度。呎烛光平均的光照度就是每平方呎 1 流明， 故可写作 1 流明/平方呎。光照度也有用“米烛光”为单位，称作“勒克司”，即一 平方公尺的面积上受距离一米的烛光的照射。同样强度的光源，在物体上的照 度和其与光源的距离有关，所以呎烛光的光照度大于米烛光的光照度。1 呎烛 光的光照度=10.76 米烛光；1 米烛光的光照度=0.093 呎烛光。 照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通 量，照度的单位是每平方米的流明(Lm)数，也叫做勒克斯(Lux)：1Lux=1Lm/平 方米上式中，Lm 是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温

25、度(约 1770)时，其 1/60 平方米的表面面积于 1 球面度的立体角内所辐射的光量。 一般情况：夏日阳光下为 100,000LUX；阴天室外为 10000LUX；室内日光 灯为 100LUX；距地面 60CM 桌面 60W 台灯为 300LUX；电视台演播室为 1000LUX；黄昏室内为 10LUX；夜间路灯为 0.1LUX；烛光(20CM 远处) 1015LUX。 下表 3-3 为学校照度标准参考表： 表 3-3 学校照标准参考表 照 度(Lux)场 所 1500300制图教室、缝纫教室、电脑教室 750200 教室、实验室、实习工场、研究室、图书阅览室、办公室、 教职工员休息室、会议

26、室、保健室、餐厅、广播室、室内运动场 300150大教室、礼堂、休息室、楼梯间 15075走廊、电梯走道、厕所、值班室、校内室外运动场 7530仓库、车库、安全梯 感光电路由普通电阻、光敏电阻、运算放大器 LM358 组成，如下图 3-4 所 示。普通电阻和光敏电阻组成分压电路，当环境亮度变化时，光敏电阻的阻值 也会发生对应的变化，此时光敏电阻上的压降也发生变化。该压降通过 LM358 构成的电压跟随器，输出到 AD 转换电路。 图 3-4 感光电路 3.2.1 LED 发光原理 二极管由两部分组成，一端是 P 型，另一端是 N 型，P 型中空穴占主导地 位，N 型中主要为电子。当他们连接在一

27、起时，就会形成一个 P-N 结。当有电 流通过时，电子就会被推向 P 区，在 P 区中电子会跟空穴复合，然后会以光子 的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。 2.LED基本参数 (1)光通量：指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的 辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。 (2)发光效率：发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力。这是衡量 现代光源性能的重要指标之一，如何提高电光源光效的研究是电光源研究中一 个重要方面。 (3)光强：描述点光源发光强弱的一个基本度量，以点光源在指定方向上的 立体角元内所发出的光通量来度量。 (4)照度：从同一方向看，在给定方向上的任何表面的

28、每单位投影面积上的 光照强度，照度是衡量物体表面被光源照亮的程度。 LED的基本参数有： (1)最大正向电流IFm：在正常工作条件下加在LED两端的最大正向电流。 (2)最大反向电压VRm：在正常工作条件下加在LED两端的最大反向电压。 (3)允许功耗Pm：LED两端正向电压与正向电流之积的最大值。 (4)工作环境温度 Topm：LED 可以正常工作的环境温度范围。 3.3 手动控制电路 手动控制电路由电阻、电容、按键组成，其框架如图 3-5 所示。通过手动按 钮可以手动调节环境的亮度，从而改变 LED 亮度。 图 3-5 手动控制电路 3.4 单片机控制电路 单片机控制电路由单片机、感光电路

29、、手动控制模块、AD 转换电路、发 光二极管驱动电路等组成，电路如图 3-6 所示。通过 1,2,3,4 管脚可以控制感光 电路，其四个管脚和 ADC0832 相连，组成 AD 转换电路；21,22 管脚控制手动 控制模块，18,19 管脚控制晶振电路。以 89C51 单片机为控制器，利用光敏电 阻采集环境光照度，采用脉宽调制方式调节三极管，进而调节 LED 的发光亮度， 最终维持环境光照度在一个设定的水平。 图 3-6 单片机控制电路 3.4.1 AT89C51 简介 1、89C51 单片机的基本组成： 一个 8 位微处理器；片内 256 字节数据存储器 RAM/SFR；用以存放可以读/写

30、的数据；片内 4KB 程序存储器 Flash ROM；4 个 8 位并行 I/O 端口 P0-P3,可输 入和输出；两个 16 位的定时器/计数器，可计数；有 5 个中断源，两个中断优 先级的中断控制系统；一个 UART 的串行 I/O 口，实现串行通信；片内振荡器 和时钟产生电路；具有节电工作方式，也就是说掉电方式。 2、89C51 单片机引脚及其功能 如下图 3-7 所示，为单片机 AT89C51 的引脚简单介绍几个用到的引脚功能。 图 3-7 单片机 AT89C51 的引脚图 （1）1 到 4 这四个管脚属于 P1 口，其功能：8 位准双向 I/O 口，可驱动 4 个 LS 型 TTL

31、负载。 （2）RST（9 脚），其功能：复位输入，当振荡器工作时，RST 引脚出现两个 机器周期以上高电平将使单片机复位。 （3）12 脚属于 P3 口，其功能：8 位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 （4）XTAL2（18 脚）：振荡器反相放大器的输出端。 XTAL1（19 脚）：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 （5）21，22 脚为 P2 口，其功能：8 位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8 位） 复用，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 （6）31 脚接+5V。 3.4.2 ADC0832 简介 ADC0832 是美国国家半

32、导体公司生产的一款芯片，它体积比较小，性价比 高，兼容性好，应用比较广泛。 ADC0832 特点：8 位分辨率，双通道 A/D 转换；输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容；5V 电源供电时输入电压在 05V 之间；工作频率为 250KHZ，转换时间为 32S；一般功耗仅为 15mW；PICC 多种封装；商用 级芯片温宽为 0C to +70C。引脚图如下框 3-8 所示。 图 3-8ADC0832 引脚图 引脚功能说明： 1.CS 片选使能，低电平有效。 2.CHO 模拟通道 0，差分输入时，作为 IN+或 IN-使用。 3.CH1 模拟输入通道 1，差分输入时，作为 IN+或 IN-使用

33、。 4.GND 电源接地。 5.DI 数据信号输出，选择通道控制。 6.DO 数据信号输出，选择数据输出。 7.CLK 芯片时钟信号。 8.VCC 电源输入。 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适 应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模 拟电压输入在 05V 之间。芯片转换时间仅为 32S，据有双数据输出可作为数 据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入， 使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的 实现通道功能的选择。 单片机对 ADC0832 的控制： 一

34、般情况下 ADC0832 和单片机有四条数据线相连，分别是 CS、CLK、DO、DI。因为 DO 与 DI 在通信的时候不是同时有效的，而且和单 片机的接口是双向的，因此有时候在电路设计时可以把这两个端口接在一根数 据线上来用。当 ADC0832 没有工作时它的 CS 输入端应该是高电平，这个时候 芯片禁止使用，CLK 和 DO/DI 的电平可以是低电平或者是高电平。当进行 A/D 转换的时候，要先把 CS 的使能端置于低电平而且要持续到转换完全结束。 这个时候芯片开始进行转换工作，同个时间处理器会向芯片时钟 CLK 端输入 时钟脉冲，DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。

35、在第 1 个时 钟脉冲的下沉之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3 个脉冲下沉 之前 DI 端应输入 2 位数据用于选择通道功能，当此 2 位数据为“1”、 “0”时，只 对 CH0 进行单通道转换。当 2 位数据为“1”、 “1”时，只对 CH1 进行单通道转换。 当 2 位数据为“0”、 “0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进 行输入。当 2 位数据为“0”、 “1”时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输 入端 IN+进行输入。到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作 用，此后 DO/DI 端则开始利用数

36、据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个脉 冲下沉开始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO 端 输出下一位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数 据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节 的下沉输出为 DATA0。紧接着输出 8 位数据，直到第 19 个脉冲的时侯数据输 出才算完成，也就是意味着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁止使 用的芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。 作为单通道模拟信号输入时 ADC0832 的输入电压是 05V 并且 8 位分辨率 时的电压精度为

37、 19.53mV。如果作为由 IN+与 IN-输入的输入时，可以将电压值 设定在一个比较大的范围之内，这样可以提高转换的宽度。但值得注意的是， 当进行 IN+和 IN-的输入的时候，假如 IN-的电压大于 IN+的电压则转换后的数 据结果始终为 00H。 3.4.3 单片机控制电路 该电路由发光二极管、电容、电阻、晶振、STC89C51 组成，如下图 3-9 所 示。单片机驱动 ADC0832 采集当前环境亮度，PWM 驱动发光二极管调节环境 亮度；和单片机 12 接口相连。通过 PID 算法，自动调光。 图 3-9 单片机控制电路 3.4.4 AD 转换电路 AD 转换电路由 8 位 AD

38、芯片 ADC0832 组成,如下图 3-10 所示。ADC0832 的基准电压为 5V，输入电压范围为 05V，输出数字量最大值为 255。 图 3-10 AD 转换电路 3.4.5 PID 控制的原理和特点 在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 可以被称为 PID 调制或者 PID 控制。控制器作为最早实用化的控制器已经有 50 多年历史，PID 控制器简单易懂，性能优越，稳定性好，因此成为工业控制的 主要技术之一。当被控制的对象的参数和结构不能完全知道，或者是得不到精 准的数学模型时，其他的控制理论技术很难采用时，系统控制器的参数和结构 只能依靠现场调试以及经

39、验判断来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。也 就是说我们不完全了解一个系统和被控对象，或者是无法通过有效可行的测量 手段来获得系统参数，这时候用 PID 控制技术最适合。PID 控制，具体使用中 有 PI 和 PD 控制。在实际使用中 PID 控制器是依照系统的误差，通过比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 比例（P）控制 比例控制是最容易的控制方式，其控制器的输入信号和输出信号成比例关 系。只存在比例控制时系统输出会产生稳态误差。 积分（I）控制 积分控制中，控制器的输入信号和输出信号成积分反比关系。对于一个自 动控制系统来说，假如在进入稳态后有稳态误差的存在，就可以说这个控制

40、系 统存在稳态误差。在控制器中引入“积分项”可以用来清除稳态误差。随着时 间的增加，积分项也会增大，所以说积分项对误差取决于时间的积分。因此， 即使误差非常小，积分项仍会随着时间的增加而变大；它使控制器的输出增大 以此来减小稳态误差，直到变成零。所以，利用 PI 控制器，可以使系统进入稳 态以后没有稳态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输入误差与输出误差信号的微分成反比关系。由 于存在较大惯性组件或者是滞后组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后 于误差的变化所以会导致自动控制系统在克服误差的调节过程中有可能会出现 振荡甚至是失稳。解决振荡的方法是抑制误差作用的变化“超前”，也就

41、是说 在误差接近零时，抑制误差的作用就该是零。就是说，在控制器中仅仅只是引 入“比例”项远远是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前要求 它能预测误差变化的趋势，所以需要增加的是“微分项”，只有这样，具有比 例微分的控制器才能提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至是负值，从而可 以避免被控量的严重超调。因此对于有较大惯性或者滞后的被控对象，PD 控制 器可以改善系统在调节过程中的动态特性。 /PID 自动调节亮度 if(PwmNowPwmSet) 如果实际值大于设定值 PwmCount+=5; 输出加 5 if(PwmCount100) 如果超过最大值 PwmCount=100; 输出最

42、大值 else if(PwmNow200) PwmCount=0; else;/end of PID 输出波形为方波。 3.5 晶振电路 晶振电路由晶振、和电容组成，跟单片机的 18,19 这两个管脚相连，电路 如下图 3-11 所示。 图 3-11 晶振电路 晶振即晶体振荡器，能产生振荡，其特点是固有频率十分稳定，而且震动 具有多谐性，除了奇频震动外还有奇次谐波泛音震动。性能上，晶振的品质因 素 Q 和特性阻抗都非常高，而且接入系数很小，因此具有很高的频率稳定度。 3.6 发光二极管驱动电路 该电路由发光二极管、电阻和三极管 9012 组成如下图 3-12 所示，和单片 机 12 接口相连采

43、用灌电流方式，驱动发光二极管。 图 3-12 AD 发光二极管驱动电路 4 软件设计 4.1 系统流程图 初始化 读取当前亮度 当前亮度设定亮度？ 减小 PWM 输出 增大 PWM 输出 N Y 本设计采用 C 语言编程，先设定当下的环境亮度为设定亮度，当环境的亮 度变亮的时候，即大于那设定亮度时，减小 PWM 输出，LED 灯会变暗，并且 以此当下的环境作为设定的亮度；当环境亮度再次改变，变暗的时候，程序会 增大 PWM 输出，LED 灯会变亮，并且以此为设定的环境亮度；通过设定环境 亮度的标准来自动调节 LED 亮度。 4.2 初始化 /亮度手动调节按钮初始化 sbit Key1 = P2

44、0; uchar PwmCount = 0; uint T1sCount =0; uchar PwmSet = 0;/当前所设置的亮度 uchar PwmNow = 0;/当前环境的实时亮度 /定时器 0 初始化 void Time0_Init() TMOD = 0 x01; IE = 0 x82; TH0 = 0 xFF; TL0 = 0 xA3;/11.0592MZ 晶振，1ms TR0 = 1; 4.3 读取当前亮度 /主函数 void main() Time0_Init(); PwmCount = 0; delay(100); PwmSet = GetVal0832(1);/读初始亮度

45、 while(1) /按键调节亮度处理 if( Key1=0) while(Key1=0); PwmSet+=10; if(PwmCount250) PwmSet =0; /end of KeySet PwmNow = GetVal0832(1);/读取当前亮度 4.4 手动调节 /按键调节亮度处理 if( Key1=0) while(Key1=0); PwmSet+=10; if(PwmCount250) PwmSet =0; /end of KeySet PwmNow = GetVal0832(1);/读取当前亮度 4.5 PWM 调制亮度调节 PWM 是英文“Pulse Width Mo

46、dulation”的缩写，翻译成脉冲宽度调制，是利 用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种很好用的技术，在许多 领域中有广泛的应用，比如说测量、通信、功率控制与变换等。脉冲宽度调制 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过使用高分辨率计数器，方波 的占空比被调制用来对一个具体的模拟信号电平进行编码14。PWM 信号还是数 字的，在给定的任何时间，满幅值的直流供电不是完全有(ON)，就是完全无 (OFF)。电流源或电压是以一种断(OFF) 或通 (ON)的重复脉冲序列被加载到模 拟的负载上。断的时候即是供电被断开的时候，通的时候即是直流供电被加到 负载上的时候。只要满足带宽足够这个

47、条件，任何的模拟值都可以使用 PWM 进行编码。 /PWM 输出，一个周期 100 等分，PwmCount 表示 LED 点亮所占的比例，这个 比例越大，LED 越亮 if(TCount250) PwmSet =0; /end of KeySet PwmNow = GetVal0832(1);/读取当前亮度 /1s 时间调节一次亮度 if(T1sCount1000) T1sCount =0; (PWM 在编程中的运用) 5 总结与展望 5.1 总结 本次毕业设计由于时间、经验、水平等局限，做出的东西并不完美。虽然 能够做出了实物，简单的功能也能够运用；但是有很多地方都没做到位。最主 要的是以下

48、 3 点： 1.当初设计的时候是想产生白光的，但由于时间紧张，技术要求比较高， 没有达到这个要求。 2.有个 LED 会一闪一闪的，主要是采用的 AD 是 8 位精度的，当初在选择 芯片的时候考虑的不够周到，下次有时间一定把它完善。 3.本来考虑用一串 LED 来做效果会更好，但是考虑到成本及精力问题没能 达到。 本设计主要做了一个基于 51 单片机的自适应调光系统。其中硬件电路有四 个部分组成：感光电路、AD 转换电路、单片机控制电路、发光二极管驱动电 路。软件部分采用 PID 算法，自动调节环境光照度。本设计以 89C51 单片机为 控制器，利用光敏电阻采集环境光照度，采用脉宽调制方式调节三极管，进而 调节 LED 的发光亮度，最终维持环境光照度在一个设定的水平。 5.2 展望 目前世界上许多国家都在研究LED的应用，本课题选取了LED应用的一个 部分，基于单片机的自动调光。本系统的研究还有很多不成熟的地方，希望以 后有时间多多改进，争取能够运用到实际生活中。 参考文献 1杨清德.LED 照明工程与施工M.北京：金盾出版社，2009 2周志敏等.应用电路.电磁兼容.PCB 布线