基于单片机的LED调光器的设计

1、重庆科技学院智能仪器课程设计报告告学院: :_ _电气与信息工程学院专业班级: :测控 09020902 班学生姓名：学号：设计地点（单位）_I512I512_设计题目:_LELE调光器设计_完成日期：年月日指导教师评语:_成绩（五级记分制）：_指导教师（签字）：_摘要LED 乍为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后的第四代新光源。基于白光 LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式， 与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点。但在实际中发 现 LED 灯功能单一，不能实现灯的亮度手动和自动控制，且不能随着环境光的变化而变 化，造成

2、能源的浪费。本文介绍了以高性能的STC12C5A60S 单片机为控制核心，利用单片机的 PWMR 产生的占空比 LED 进行光度的手动和自动调节。通过光敏电阻对环境光 度进行 AD 采集，达到 LED 灯亮度随环境自动变化。关键词：LEDSTC12C5A60S 单片机 PW 占空比 AD 采集目录1 绪论研究 LED 调光的目的及意义随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重， 绿色节能已经成为全球普遍关注的 话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是 19%我国也达到 12%随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提

3、高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。LED 作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）之后 的第四代新光源。基于白光 LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源 相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来， 并符合当前政府提出的建设资源节约型和环境友好型社会的要求。可以预见不久的将 来。目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的台灯普遍存在着低效率、高能 耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害； 且实际的应用中， 发现 LED 灯在周边亮度大时依然以同一功率发光， 存在

4、电能浪费。 另 外一方面， 因为 LED的发热量和电流存在正相关的关系，发热影响了 LED 的寿命，所以 在不必要的亮度下也减少了LED 的寿命。然而，当 LED 在周边亮度小时，LED 灯不能提 供足够和恰当的光度，这样又影响了阅读，造成视觉疲劳。而且部分 LED 灯功能单一，缺少亮度调节、手动控制、自动控制，通过环境变化改 变自身亮度等功能。为解决当前问题，研究一个好的LED 调光系统意义重大。本课题设计内容及要求本次课题设计的目标是，在了解当前 LED 现有功能的基础上，利用单片机设计一个 LED调光系统，该系统能够调节 LED 灯的亮度，且满足一定的精度要求。因此，本课题 研究设计内容

5、概括如下：1. 基本功能1） 采用脉宽调制（PWM 对 LED 进行调光；2） 按给定时间-输出功率曲线自动调整 LED 亮度；3） 按键选择手动/自动调光方式；4） 4 位数码管显示 LED 光源的相对亮度（% ；5） 具有电源开关、电源指示灯、复位等功能。2. 扩展功能1） 实现光敏自动调光，根据室内的光照变化，自动改变LED 光源的亮度；2） 对采集的光照数据进行处理，利用 3c准则剔除粗大误差，设计算术平均数字滤 波器；3） 手动遥控调光功能。2LED 调光系统总体设计总体方案设计LED 调光系统应主要包括称光敏采集、AD 转换、单片机数据处理及控制、PWI 控制、 按键操作等部分。其

6、系统组成如图所示。在系统中，设置了手动调光和自动调光。在手 动调光时，分为十档，每一档对应一个占空比对 LED 的电流进行控制，从而对 LED 的亮度进行调节。自动调光时，在一个子函数里调用控制LED 亮度函数，再通过循环和延时实现一个简易的 LED 亮度的变化。光敏电阻采集的信号换成电信号送到线性放大器放大， 经过A/D 转换送入单片机，再经数据处理后，反馈给 LED 灯改变其亮度，数码管则显示 当前与光敏电阻串联 10K 电阻的电压值。该调光系统是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括单片机最小系统、LED 驱动电路、按键电路、数码管显示电路、LED 显示电路等部分；软件部分主要包括系统初始

7、 化子程序、手动控制子程序、自动控制子程序、AD 采集及处理子程序、定时及中断子程序等，其软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。图系统组成框图3 系统硬件设计单片机最小系统本系统采用新一代的 8051 单片机一一 STC12C5A60S2 由国内宏晶科技生产，其指 令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX81 专用复位电路，其工作 电压范围是STC12C5A60S 有 60KB 的用户应用程序空间， 256B 的 RAM 和 1024B 的 XRAM 能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另外与程序存储空间独立的一片闪存区 域，可在应用编程中作

8、 EEPRO 使用。STC12C5A60S 有双 UART 以及 ISP 串口，串口资源 足够系统使用。另外通过宏晶科技提供的软件，使用UART 可很容易地实现程序下载。STC12C5A60S 有 36 个通用 I/O 口，大部分可位控，并且有强推挽输出的能力，足够系 统使用。还拥有 4 个 16bit 定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个 PCA 模块， 能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S 有 PDIP-40 封装的芯片，易于快速进入实验。 封装引脚图如图所示。图芯片 PDIP 封装引脚图STC12C5A60S 主 要性能：1. 增强型 8051CPU 1T,单时钟/机器

9、周期，指令代码完全兼容传统 8051。2. STC12C5A60S 系列工作电压：；STC12LE5A60S 系列工作电压：。3. 工作频率范围：0-35MHz 相当于普通 8051 的 0-420MHz4. 用户应用程序空间 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K 字节等。5 .片上集成 1280 字节 RAM6. 通用 I/O 口（36/40/44 个），复位后为：准双向口 /弱上拉（普通 8051 传统 I/O 口）。可设置成四种模式：准双向口 /弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。 每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过

10、 55mA7.ISP （在系统可编程）/IAP （在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真 器，可通过串口（）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。8. 有 EEPRO 功能 （STC12C5A62S2/AD/PW 无 I 内部 EEPROM）9. 看门狗。10内部集成 MAX81C 专用复位电路 （外部晶体 12M 以下时， 复位脚可直接 1K 电阻 到地） 。11.外部掉电检测电路：在口有一个低压门槛比较器。5V 单片机为，误差为土 5%单片机为，误差为 3%。12时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器（温漂为土 5%到土 10%以内）用 户在下载用户程序时，可选择是使用内部

11、 R/C 振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部 R/C 振荡器频率为：单片机为：11MH;单片机为：8MH 12MHz 精度要求不高时， 可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。13.共 4 个 16 位定时器，两个与传统 8051 兼容的定时器 /计数器， 16 位定时器 T0 和T1，没有定时器 2,但有独立波特率发生器。做串行通讯的波特率发生器，再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器。个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 T0 输出时钟，可由 T1 的溢出在 T1 输出时钟。15. 外部中断 I/O 口 7 路，传统的下降沿中断或低电平触发中断 ,

12、并新增支持上升 沿中断的 PCA 模块，PowerDowrl 模式可由外部中断唤醒，INT0/，INT1/,T0/，T1/，RxD/， CCP0/他可通过寄存器设置到，CCP1/（也可通过寄存器设置到。16. PWM（2 路）/PCA（可编程计数器阵列，2 路），也可用来当 2 路 D/A 使用，也可 用来再实现 2 个定时器， 也可用来再实现 2 个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分 别或同时支持 ）。17. A/D 转换，10 位精度 ADC 共 8 路，转换速度可达 250K/S（每秒钟 25 万次）。18. 通用全双工异步串行口（UART）,由于 STC12 系列是高速的 8051

13、,可再用定时器 或PCA 软件实现多串口。19.STC12C5A60S 系列有双串口，后缀有 S2 标志的才有双串口，RxD2/（可通过寄 存器设置到，TxD2/（可通过寄存器设置到。20 .工作温度范围：-40-+85C（工业级）/0- 75E（商业级）。21.封装： PDIP-40， LQFP-44， LQFP-48， I/O 口不够时，可用 2 到 3 根普通 I/O 口线外接，74HC164/165/595（均可级联）来扩展 I/O 口，还可用 A/D 做按键扫描来节 省 I/O 口，或用双 CPU 三线通信，还多了串口。STC12C5A60S 单片机最小系统由 STC12C5A60S

14、 单片机及其时钟和复位电路组成，是整个自动称重系统控制部分的核心。该单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期的 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍，提供 Flash 程序存储器 60kByte， 1kByte 的EEPRQM 片上集成 1280ByteRAM 工作电压，内部集成 MAX81 专用复位电路， 拥有 4 个定时器，2 个串口，2 路 PWM 8 路高速 10 位 A/D 转换，ISP/IAP，内置看门狗 电路，外部掉电检测电路等。STC12C5A60S 的最小系统包括复位电路和时钟电路，复位电路有上电复位、按键复位、看门狗等复位方式，本设计采用按键复位方

15、式。在单片机 的 XI、X2 引脚之间加上的晶振，并通过 20pF 左右的电容接地为单片机提供工作时钟。 其最小系统如图所示。图单片机最小系统电路图驱动电路本次设计 LED 光源共由 1 只 5mm 高亮度小功率 LED 灯珠组成；灯珠的压降约，工作 电流约 20mA 由白光 LED 的正向伏安特性可知，当 LED 端电压超过其正向导通电压后， 较小的电压波动都会导致工作电流的的剧烈变化，从而影响LED 的正常使用，固 LED 宜采用恒流驱动方式。采用 PWM 调光，其基本原理是保持 LED 正向导通电流恒定，而通过 控制电流导通和关断的时间比例，即改变输入脉冲信号的占空比，使 LED 产生亮

16、暗变化； 并利用人眼的视觉残留效应，当 LED 亮暗变化频率大于 120Hz 时，人眼就不会感觉到闪 烁，而看到是LED 的平均亮度。PWM 调光的优势是 LED 正向导通的电流是恒定的，LED 的色度就不会像模拟调光时产生变化。输出的电流值计算公式为：IL亘IT()单片机的频率是 20KHz 时钟周期为 T 为 50 卩 S。LED 驱动电路如图图驱动电路图L1 为镇流电感，选取 100 卩 H,用于稳定通过 LED 的电流。D1 是续流二极管，当芯片 内部 MOST 截止状态时为储存在电感 L1 中的电流提供放电回路。PW 脉冲信号则由单片 机口产生，其高低电平决定 LED 的通断状态。将

17、定时器 T0 溢出中断定为 1/2500 秒(即 400 卩 S),每10 次脉冲作为一个周期，即频率为 250HZ 这样，在每 1/250 秒的方波周 期中，通过改变方波的输出占空比，从而实现 LED 灯的 10 级亮度调节，即 LED 亮度等 级由每个周期内的高电平脉冲数目决定。当高电平脉冲个数为 1 时，占空比为 1/10,亮 度最低，其调光原理如图所示；当高电平脉冲为 10 时，占空比为 1,LED 亮度最大。图调光原理图按键电路该系统有 3 个选择模式，模式的切换需要按键完成，根据所需功能和要求，该系统 采用的是 4 个独立式按键，分别为 MODE!、UP 键、DN 键和 ENT 键

18、。MOD 键功能为模式 切换，ENT键为数字清零及部分画面切换功能，UP 键起数字加作用，DN 起数字减功能。 MOD 键与单片机 P20 口相接，UP 键与单片机 P21 口相接，DN 键与单片机 P22 口相接， ENT 键与单片机P32 口相接，最终完成模式切换和数码管显示电压功能。 电路如图所示。图按键电路图4 系统软件设计软件总体设计对于该 LED 调光系统，软件部分主要包括系统初始化子程序、手动控制子程序、自 动控制子程序、AD 采集子程序、模式选择子程序等。总体设计思路为：首先进行系统初 始化，主要是设置定时器的工作方式、赋初值及等。在 while 循环中调用各个子程序， 实现

19、LED 调光系统的各个功能。LED 调光系统主函数流程图设计为如图所示。图系统主函数流程图手动调光程序设计手动调光时，分为十档，分别输出不同的占空比对 LED 的电流进行控制，从而对 LED 的亮度进行调节。其流程图如图所示。图手动调光程序流程图自动调光程序设计自动调光时，在一个子函数里调用控制 LED 亮度函数，再通过循环和延时实现一个 LED亮度的变化（呼吸灯）。其流程图如图所示。图手动调光程序流程图采集程序本次设计 AD 采集所用的位数为 10 位（便于计算，且比 8 位更精确），光敏电阻采 集的信号经过放大器放大反馈给 P10 口，经过单片机的处理数码管显示其采样值，再送 给 LED

20、灯，从而达到控制灯亮度的变化。其流程图如图所示。图采样程序流程图按键程序设计4 个按键操作主要在定时器 0 中断中完成。进入按键扫描程序，如果有键按下就先 延时去抖动确定有键按下，再判断是哪个键按下。每个按键具体作用如下：在模式 1 中，MOD 键功能默认工作方式为手动控制；UP 键为灯亮度的加控制；DOWN 为灯亮度的减控制，长按 MOD 键则跳出手动控制。在模式 2 中，按下 MOD 键则进入自动控制（呼吸灯），每 100ms 对应一个亮度变 化，长按 MOD 键则跳出自动控制在模式 3 中，按下 MOD 键进入 AD 采集模式，灯的亮度变化与环境光和光敏电阻反 馈的信号有关。长按 MOD

21、 键则跳出 AD 采集模式。按键程序流程图如图所示。图按键程序流程图5 总结此次设计 LED 调光系统，历时 4 周，克服了经验不足等诸多问题，最终得以完成。 在整个设计中，实现了手动调光，自动调光，基于环境变化调光等，基本功能全部实现。 拓展功能做得不是很好，只实现光敏自动调光，而对采集的光照数据进行处理，利用3c准则剔除粗大误差，设计算术平均数字滤波器和手动遥控调光功能没能实现，主要因 素是在这方面能力欠缺和时间不足。调试过程中也遇到不少的问题：先是拓展板的光敏 电阻位置焊错，在拆卸的时候废了不少的劲。软件调试过程中：先是未加“”头文件， 导致出现大量的错误。之后在按键模块各个分程序没有很

22、好的衔接，导致数码管显示乱 码，LED 丁亮度没有变化，最后在老师和同学的帮助下最终很好地解决了上诉问题。参考文献1 谭浩强.C 程序设计M.北京：清华大学出版社，19912 高海生,杨文焕.单片机应用技术大全M.西南交通大学出版社，1999-06.3 徐爱钧，彭秀华.单片机高级 C51 应用程序设计M.中国计量出版社,2001.4 马盅梅.单片机的 C 语言应用程序设计M.北京航胡文金.单片机应用技术实训教程M.重庆：重庆大学出版社,2005.致谢通过 4 周的努力，终于完成了 LED 调光的设计及调试工作。由于设计经验的不足在 设计及调试中遇到了很多困难，但得到了老师和同学们的帮助，在此对

23、他们表示感谢。 在软件编写与调试中也得到了老师们的指导，在此由衷地感谢他们。由于本人的硬件设 计和调试全在 I509实验室完成，实验室的负责老师给我提供了设计地方和全部所需器 材，非常感谢老师的帮助。在整个课程设计过程中，我的指导老师杨波老师一直都是耐心的指导，至始至终都 没有停止过对我的辅导，让我学到了许多知识，使我受益非浅。最后，感谢学校、学院给予这样的一次机会，经历了整个设计过程，我的收获是丰 富的，也对整个大学的知识进行了梳理，对所学专业有了更深刻的认识附录 1 系统电路图附录 2 程序清单10:TheP0addresssetuptimea ndholdtimetoALE negati

24、veedgeisthreeclockcycles.(default)11:TheP0addresssetuptimea ndholdtimetoALE negativeedgeisfourclockcycles.RWS2,RWS1,RWS0:000:TheMOVXread/writepulseis1clockcycle.001:TheMOVXread/writepulseis2clockcycles.010:TheMOVXread/writepulseis3clockcycles.011:TheMOVXread/writepulseis4clockcycles.(default)100:The

25、MOVXread/writepulseis5clockcycles.101:TheMOVXread/writepulseis6clockcycles.110:TheMOVXread/writepulseis7clockcycles.111:TheMOVXread/writepulseis8clockcycles.*/-新一代 1T8051 系列单片机中断特殊功能寄存器有的中断控制、中断标志位散布在其它特殊功能寄存器中，这些位在位地址中定义/其中有的位无位寻址能力，请参阅新一代1T8051 系列单片机中文指南/ResetValuesfrlE=0 xA8; 中断控制寄存器 EAELVDEADCES

26、ET1EX1ET0EX00 x00,0000/-sbitEA=IEA7;sbitELVD=IEA6;/低压监测中断允许位sbitEADC=IEA5;/ADC 中断允许位sbitES=IEA4;sbitET 仁归八 3;mt创讥旧日iliilii删古p p卜 4!nrnr 勺卜1 jli-IIsbitEX 仁归八 2;sbitET0=IEA1;sbitEX0=IEA0;/-sfrIE2=0 xAF;/AuxiliaryInterrupt-ESPIES20000,0000B/-/ResetValuesfrIP=0 xB8;/ 中断优先级低位 PPCAPLVDPADCPSPT1PX1PT0PX000

27、00,0000/-sbitPPCA=IPA7;/PCA 模块中断优先级sbitPLVD=IPW;/低压监测中断优先级sbitPADC=IPA5;/ADC 中断优先级sbitPS=IPA4;sbitPT1=IPA3;sbitPX 仁 IPA2;sbitPT0=IPA1;sbitPX0=IPA0; /-/ResetValuesfrlPH=0 xB7;中断优先级高位PPCAHPLVDHPADCHPSHPT1HPX1HPT0HPX0H0000,0000sfrIP2=0 xB5;/- PSPIPS2xxxx,xx00sfrIPH2=0 xB6;/- PSPIHPS2Hxxxx,xx00/-/新一代 1T

28、8051 系列单片机 I/O 口特殊功能寄存器/ResetValuesfrP0=0 x80;/ x000,xxxxsfrP5=0 xC8;新一代 1T8051 系列单片机定时器特殊功能寄存器/ResetValuesfrTCON=0 x88;/T0/T1ControlTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT00000,0000/-sbitTF1=TCONA7;sbitTR1=TCONA6;sbitTF0=TCONA5;sbitTR0=TCONA4;sbitIE1=TCONA3;sbitIT1=TCONA2;sbitIE0=TCONA1;sbitIT0=TCONA0;/-sfrTMOD=0

29、x89;/T0/T1ModesGATE1C/T1M1_1M1_0GATE0C/T0M0_1M0_00000,0000sfrTL0=0 x8A;/T0LowByte0000,0000sfrTH0=0 x8C;/T0HighByte0000,0000sfrTL1=0 x8B;/T1LowByte0000,0000sfrTH1=0 x8D;/T1HighByte0000,0000/-/新一代 1T8051 系列单片机串行口特殊功能寄存器/ResetValuesfrSCON=0 x98;/SerialControlSM0/FESM1SM2RENTB8RB8TIRI0000,0000/-sbitSM0=

30、SCONA7;/SM0/FE sbitSM1=SCONA6;sbitSM2=SCON5;sbitREN=SCONH;sbitTB8=SCONA3;sbitRB8=SCONA2;sbitTI=SCONA1；sbitRI=SCONA0;/-sfrSBUF=0 x99;/SerialDataBufferxxxx,xxxx sfrSADEN=0 xB9;/SlaveAddressMask0000,0000sfrSADDR=0 xA9;/SlaveAddress0000,0000/-/ResetValuesfrS2CON=0 x9A;/S2ControlS2SM0S2SM1S2SM2S2RENS2TB8

31、S2RB8S2TIS2RI00000000BsfrS2BUF=0 x9B;/S2SerialBufferxxxx,xxxxsfrBRT=0 x9C;/S2Baud-RateTimer0000,0000/-/新一代 1T8051 系列单片机看门狗定时器特殊功能寄存器sfrWDT_CONTR=0 xC1;/Watch-Dog-TimerControlregister /ResetValue/WDT_FLAG-EN_WDTCLR_WDTIDLE_WDTPS2PS1PS0 xx00,0000/-/-/新一代 1T8051 系列单片机 PCA/PWM 特殊功能寄存器/ResetValuesfrCCON=

32、0 xD8;/PCA 控制寄存器。 CFCR-CCF1CCF000 xx,xx00/-sbitCF=CCONA7;/PCA 计数器溢出标志 ,由硬件或软件置位 ,必须由软件清 0。sbitCR=CCONA6;/1:允许 PCA 计数器计数，必须由软件清 0。/-/-sbitCCF1=CCONA1；/PCA 模块 1 中断标志，由硬件置位，必须由软件清 0。sbitCCF0=CCONA0；/PCA 模块 0 中断标志，由硬件置位，必须由软件清 0。/-sfrCMOD=0 xD9;/PCA 工作模式寄存器。 CIDL-CPS2CPS1CPS0ECF0 xxx,x000/*CIDL:idle 状态时

33、 PCA 计数器是否继续计数,0:继续计数,1:停止计数。CPS2:PCA 计数器脉冲源选择位 2。CPS1:PCA 计数器脉冲源选择位 1。CPS0:PCA 计数器脉冲源选择位 0。CPS2CPS1CPS0000 系统时钟频率 fosc/12。001 系统时钟频率 fosc/2。010Timer0 溢出。011 由 ECI/脚输入的外部时钟，最大 fosc/2。100 系统时钟频率， Fosc/1101 系统时钟频率 /4， Fosc/4110 系统时钟频率 /6， Fosc/6111 系统时钟频率 /8，Fosc/8ECF:PCA 计数器溢出中断允许位 ,1-允许 CF 产生中断。*/-s

34、frCL=0 xE9;/PCA 计数器低位 0000,0000sfrCH=0 xF9;/PCA 计数器高位 0000,0000/-/ResetValue sfrCCAPM0=0 xDA;/PCA 模块 0PWM 寄存器-ECOM0CAPP0CAPN0MAT0TOG0PWM0ECCF0 x000,0000 sfrCCAPM1=0 xDB;/PCA 模块1PWM 寄存器 -ECOM1CAPP1CAPN1MAT1TOG1PWM1ECCF1x000,0000/ECO Mn=1:允许比较功能。/CAPPn= 1 :允许上升沿触发捕捉功能。/CAPN n=1:允许下降沿触发捕捉功能。/MATn=1:当匹配

35、情况发生时，允许 CCON 中的 CCFn 置位。/TOGn=1:当匹配情况发生时,CEXn 将翻转。/PWMn=1:将 CEXn 设置为 PWM 输出。/ECCFn=1:允许 CCON 中的 CCFn 触发中断。/ECOMnCAPPnCAPNnMATnTOGnPWMnECCFn/00000000 x00 未启用任何功能。/x10000 x0 x2116 位 CEXn 上升沿触发捕捉功能。/x01000 x0 x1116 位 CEXn 下降沿触发捕捉功能。x11000 x0 x3116 位 CEXn 边沿(上、下沿)触发捕捉功能。 /100100 x0 x4916 位软件定时器。/100110 x0 x4d16 位高速脉冲输出。/x428 位 PWM。/ECOMnCAPPnCAPNnMATnTOGnPWMnECCFn/00000000 x00 无此操作/x42 普通 8 位 PWM,无中断/x63PW