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 I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 转换电路、单片机

2、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IILED Adaptive Dimming System Based on AVRAbstractThe quality of dimming of light source is very important. It is not only for a better environment at ho

3、me. 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, high pressure

4、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-chip microcompu

5、ter 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 designer adopt pulse

6、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 III目录 摘 要 .IAbstract.II1 绪论.11.1 LED 的国内外研究现状.11.2 课题的意义.22 系统设计原理.32.1 总体设计方案.32.2 系统驱动方式选择.42.3 LED 驱动设计注意点.4

7、3 硬件设计.63.1 电源电路.63.2 感光电路.73.2.1 LED 发光原理.93.3 手动控制电路.93.4 单片机控制电路.103.4.1 AT89C51 简介.113.4.2 ADC0832 简介 .123.4.3 单片机控制电路.143.4.4 AD 转换电路.153.4.5 PID 控制的原理和特点 .153.5 晶振电路.173.6 发光二极管驱动电路.174 软件设计.184.1 系统流程图.184.2 初始化.194.3 读取当前亮度.194.4 手动调节.204.5 PWM 调制亮度调节.205 总结与展望.235.1 总结.235.2 展望.23参考文献.24致谢.

8、25IV附录.26附录 硬件电路图.27基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计11 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

9、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 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

10、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 330lm/W。这种被称作 photon-rectcling 的半导体光源可发出蓝、黄两种波长的

11、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 毕业设计2LED 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

12、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

13、 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

14、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，应用在路灯照片、汽车尾灯、景观灯、液晶显示屏、基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计3手机背光源等12。 毕业设计42 系统设计原理2.1 总体设计方案本设计

15、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

16、境变亮，则调暗 L2 亮基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计5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

17、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

18、、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，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

19、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 毕业设计6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

20、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。基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计73 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

21、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 C8、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 毕业设计

22、8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 GND 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、

23、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

24、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。基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计9 一般情况：夏日阳光下为 100,000LUX；阴天室外为 10000LUX；室内日光灯为 10

25、0LUX；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 LM35

26、8 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 毕业设计103.2.1 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

27、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

28、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。基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计11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、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

29、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。 毕业设计12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

30、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。基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计13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 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

31、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

32、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。 毕业设计14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。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 25

33、6 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

34、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。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 个脉冲下沉基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计15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

35、 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

36、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 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

37、。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 毕业设计163.4.4 AD 转换电路AD 转换电路由 8 位 AD 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

38、、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

39、，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）控制基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计17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

40、，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

41、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 5if(PwmCount100) 如果超过最大值PwmCount=100; 输出最大值else if(PwmNow200)PwmCount=0; 毕业设计18else;/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

42、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基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计194 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NY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

43、，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。 毕业设计204.2 初始化 /亮度手动调节按钮初始化sbit Key1 = P20;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

44、 x82;TH0 = 0 xFF;TL0 = 0 xA3;/11.0592MZ 晶振，1msTR0 = 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while(1)/按键调节亮度处理基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计21if( 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

45、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 Modulation”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

46、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 毕业设计22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

47、时间调节一次亮度if(T1sCount1000)T1sCount =0;(PWM 在编程中的运用) 毕业设计245 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 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

48、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。基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计25参考文献1杨清德.LED 照明

49、工程与施工M.北京：金盾出版社，20092周志敏等.应用电路.电磁兼容.PCB 布线.北京：电子工业出版社,20043张巨芳.第四代新光源LED.安徽电子信息职业技术学院学报,20064王尔镇,王春锋.白色 LED 的开发和应用.光电技术,20025周继海等.LED 实用技术设计与应用.北京：人民邮电出版社,20036易安半导体照明21世纪的节能新光源J.中国创业投资与高科技,2004,32(1):32-337夏志清.LED 半导体照明创新方案与制定相应标准的建议J.现代显示,20078吕正.LED 参数测量标准CIE 和 IEC 的比较及其它.中国照明电器.20069Timothy M. S

50、chmidl. LED Fixture For Family Application J.Semiconductor Optoelectronics, 2001,12:554-55810陈明祥.大功率白光 LED 封装设计与研究进展J.半导体光电,200611Chitara,Basent. Room-temperature gas sensors based on gallium nitride nanoparticlesJ.Nov2010:212王正选.超辐射发光二极管J.光纤通讯技术,200313王占庆,毛兴武.交流电源供电的大电流 LED 驱动电路.中国照明电器.200614王莹.明星应

51、用带动中国 LED 市场快速发展J.电子产品世界,200615陈明祥.大功率白光 LED 封装设计与研究进展J.半导体光电,2006 毕业设计26附录 基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计27附录 硬件电路图模拟环境亮度比较高的时候，自适应的那个 LED 灯不发光模拟环境暗的时候，自适应的那个 LED 灯发光 毕业设计28板子的正面基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计29毕业设计（论文）文献综述毕业设计（论文）文献综述题目：基于 AVR 单片机 LED 的自适应调光系统设计 专业：电子信息工程1 1 前言部分前言部分（阐明课题的研究背景和意义）LED 是 Light Emitting

52、Diode 的缩写，翻译成中文为“LED”，这是一种可以发光的半导体元件，具有二极管的电子特性。 在 20 世纪 70 年代，LED 最早应用作指示灯、文字和数字显示。随着科技的发展，第三代半导体材料氮化镓(GAY)的突破1，高亮度蓝光二极管的出现解决了发光二极管的三原色缺色问题，因而彻底解决了大屏幕全彩色显示问题，有了红橙黄绿青蓝紫七种色彩，更加重要的是由此产生了白光半导体灯2 。随着白光发光二极管的出现，LED开始慢慢走进了人们的日常生活。 LED 是一种半导体发光器件，它可以将电能转变为光能，是固态光源3。高亮度白光 LED 的成功开发，使得 LED 在照明领域得到了推广，使照明技术进入

53、一个新的时代。LED 具有寿命长、启动时间短、色彩丰富饱满、无紫外线、可做全彩变化、低压安全等特点，是一种新型的绿色光源。LED 不仅可用于大型交通照明、广告显示屏、建筑和城市重点建筑的夜景照明，而且正在逐渐成为普通车辆的标准配置。目前，白光 LED 已成为便携式电子产品显示屏的主要光源，并朝日常照明应用的方向发展。LED 技术的发展引起了国内外的普遍关注，如今已成为具有发展前景和影响力的一项高新技术产业。LED 产品的开发、研制和生产已经成为发展前景十分诱人的朝阳产业4。如今，随着 LED 技术的不断应用以及潜在的市场，LED 发展潜能巨大。许多研究表明在本世纪的前几十年，LED 产业将会继

54、续快速发展。因此，白光 LED 被普遍认为是在未来最有可能替代传统照明灯具的一种新型灯具。作为新型的发光器件，LED 具有体积小、寿命长、效率高、节能、环保等优点，能量转化效率很高，从理论上来讲，发射相同光通量的耗电量大约是白炽灯的105，和荧光灯相比，LED 也可以达到 50的节能效果6。照明用电占发电总量的比例在在我国为 10，在发达国家占 19，并且在我国是以低效照明为主，是终端节电的主要对象之一。随着经济的发展，我国的照明用电一定会大幅度的提高，绿色节能照明的研究应用会受到重视，LED 照明在这样的环境下肯定能快速发展起来。根据中国绿色照明工程促进项目办公室的专项调查，我国照明用电量每

55、年在 3000 亿度以上7，如果用 LED 取代全部白炽灯和部分荧 毕业设计30光灯，可节省 1/3 的照明用电8。同时，在“十一五”期间，国家发展和改革委员会将重点在公用设施、写字楼、商厦、宾馆、体育场馆、居民住宅中推广高效节电照明系统9。国家还将严格控制照明产品市场进入标准，达不到标准的产品不得生产销售，达不到建筑照明节能标准的建筑不准开工建设。国家还会建立激励机制，不断加大高效照明产品的推广，研究提出大力支持高效照明产品生产及使用的财政税收政策10。这些政策为 2007 年的 LED 市场铺平了一条顺畅的发展道路。可见对 LED 家用照明系统的推广，具有积极的意义。从全球形势来看，半导体

56、照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主的三足鼎立的产业分布。随着市场的高速发展，美国、日本、欧洲各主要厂商纷纷加大生产，加快抢占市场份额。根据全球 LED 产业的发展状况，预计LED 半导体照明的使用将使全球照明用电减少一半，自 2007 年以来澳大利亚、欧盟、美国、加拿大、日本及中国台湾等国家和地区已陆续宣布将逐步淘汰白炽灯，发展 LED 照明为全球产业的关注点。2 2 主题部分主题部分（阐明课题的国内外发展现状和发展方向，以及对这些问题的评述）恒流技术国内外研究现状：在早期，由于发光效率、光色、光通量和价格等方面的限制，LED 主应用于显示、指示领域，如用作警戒灯、指示灯以及显示牌等

57、。随着 LED 光色的不断增多，尤其是白光 LED 技术的不断完善，发光效率逐渐提高，价格也不断降低，大功率超高亮的 LED 有 1W、3W、5W 等规格在市场上销售，现在主要在研究的是功率在 1W 以上的。因为大功率 LED 的应用受到了世界上许多国家的关注，所以大功率 LED 的驱动电路设计自然也成为热点，大功率 LED 的驱动电路大多数采用恒流驱动方式，LED 恒流驱动电路有 Buck、电荷泵、Boost 等多种驱动方式。Buck、电泵、Boost 实质上都是通过电流反馈控制电路。由于 LED 色彩比较丰富，因此除了大量应用于照明和背光源之外，另外一个用途就是景观照明。LED 应用于古建

58、筑景观照明，如颐和园11、城市立交桥景观照明12等。由于 LED 驱动电压低，控制比较灵活，结合各种驱动方式对其控制，还可以应用做路灯照明13等。自适应调光技术国内外研究现状：人眼对光线的感受是非线性的，因此将亮度级降低 10以上人却觉察不到亮度的变化，这样就可以节省将近 10的电能。假如将调光级别降低 50，就可以节省约 40的电能。如果采用智能调光就可以将灯的亮度逐渐调到预设级别。白炽灯没办法达到这个要求，是因为冷的灯丝会受到热冲击。将灯亮度渐渐调到设定级别，不仅节省了电能而且还会极大地延长灯的使用寿命。使用 10的调光级别就可以将灯的使用寿命延长 2倍，而 50调光级别将可以延长使用寿命

59、 20 倍。基于 AVR 单片机的自适应调光系统设计31调光方式可以分为脉冲宽度调制方式(PWM) 和变电阻型调光两种。PWM方式是通过每秒钟多次的接通和断开电源来调节发光亮度，开关之间的时间比率同发光亮度成正比关系。但并不意味着所有的灯都可调光的，LED 的响应时间很短，仅仅几到几十纳秒，更加适合于 PWM 方式调节亮度。变电阻型调光方式是通过调节电阻性负载的电阻值来改变电流，从而改变灯的亮度，变电阻型调光在电阻上将多余的电能转变为热能，这是能量的损失14。自适应调光方式利用控制器，以及用传感器为核心，传感器会向控制器提供发光照度值，控制器做出判断并且根据所得到的信息将照明回路打开或调节光亮

60、度到预定级别15。因为 LED 的响应非常快，所以 PWM 调光非常可行。美国的北伊利诺伊大学针对 2 串 6 并的 LED 灯组，在恒流驱动电路基础上并接了 N 型 MOSFET 功率器件实现 PWM 控制，调节的范围为 0-100，当占空比低至 1时输出电流仍可以保持稳定。传统的 PWM 调光方式是将负载与调光开关串联，当打开开关时，LED 支路上没电流流过，当关闭开关时，LED 支路有电流流过，LED 灯发光15。PWM 调光方式是将负载与调光开关并联，一般 LED 驱动电路采用 BUCK 电路。当打开调光开关时，LED 支路有电流流过；当关闭开关时，LED 支路支路没有电流流过，LED