【正文】 ........................................................................... 19 第六章 總結與展望 ............................................................................................... 22 參考文獻 ............................................................................................................... 23 致 謝 .................................................................................................................... 24 附錄 A 系統(tǒng)電路原理圖 ......................................................................................... 25 附錄 B 系統(tǒng)電路仿真 ............................................................................................ 26 附錄 C 系統(tǒng) PCB圖 ................................................................................................ 27 附錄 D 實物圖 ....................................................................................................... 28 附錄 E 程序代碼 ................................................................................................... 29 第一章 緒論 1 第一章 緒 論 引言 LED 照明技術是當今世界照明技術的一大趨勢，然而相對于傳統(tǒng)照明燈具， LED 具有亮度調節(jié)困難等缺點。在一些需要調光的場合，這一缺點限制了其發(fā)展。隨著電力電子技術的發(fā)展， PWM 制技術被大量應用于電力驅動和控制領域。同時， PWM 調制技術也解決了 LED 調光的問題，從而推動了 LED 照明技術的發(fā)展。 研究背景與意義 當前，隨著材料科學 、 計算機科學 、 現(xiàn)代電力電子技術等科學的進步和融合。 LED 照明技術得到了突飛猛進的發(fā)展。在很多家庭、機構、政府和工業(yè)應用中，高亮度 (HB)白光 LED(發(fā)光二極管 )正在迅速取代白熾燈照明。近年來，白光 LED 燈在通用照明應用中已經(jīng)超過了一半以上，并最終超越了以往大多由彩色照明的美感來驅動的彩色 LED 應用。白光 LED 照明 增長的新驅動力相當簡單：更低的能耗和低得多的電費。在很多情況下，LED 更高的效率使功耗降低多達 88%，從而也極大地降低了因發(fā)電產生的二氧化碳排放量。到 2020 年，高亮度 (HB)白光 LED 通用照明市場預計將超過 50 億美元，對應從 2020 年到 2020 年的年復合增長率 (CAGR)為 28%。這僅僅是開始，因為隨著 LED 在商業(yè)上更具經(jīng)濟效益，它們的高發(fā)光效率只會進一步加速推進從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈向高亮度白光 LED 轉變的好處。 根據(jù)一些計算，從傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈轉換成 LED 照明可以使目前全球所需總電能節(jié)省高達 10%。由于人們努力降低發(fā)電產生的總二氧化碳排放量，因此全球照明所需電能可能降低 10%這一點促進了這種轉變。 LED 產生光的效率比白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈 (HPS)高很多，因此極大地降低了提供所需光輸出 (以流明量度 )需要的電能。隨著 LED 的進一步發(fā)展，它們從電能產生光的效率將繼續(xù)提高，預計在未來幾年內將會翻翻。其次，今天的世界非常關注環(huán)境，而 LED 照明不需要像熒光燈那樣處理或清除有毒水銀蒸氣，也沒有泄露有毒水銀蒸氣的風險。今天用于大多數(shù)住宅附屬裝置的 CCFL 燈含有高達 5mg 的水銀，而更大的燈含有更多的水銀。第 三，白熾燈每 1000 小時就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用 1 萬小時，相比之下， LED 的壽命超過 10 萬小時。在大多數(shù)應用中，這允許 LED 永久性地嵌入到最終應用中，而無需裝置設備。 安康學院本科生畢業(yè)論文（設計） 2 國內外研究現(xiàn)狀及分析 當前，國內外有很多科研機構和公司在做關于 LED 照明技術的研究，很多半導體公司成立了專門的 LED 驅動器、控制器的研發(fā)機構。生產出專一的 LED 驅動器和控制器集成 IC,市場上應用較廣的有凌特、 TI、飛利浦、意法半導體等公司的芯片。國內很多高校公司和科研機構也做了很多關于LED 驅動照明的研究。國內關于這方面做 應用級的研究居多。有很多公司生產出了專門的 LED 驅動器設備等，用于工廠照明，商場，建筑照明的應用，以及舞臺裝潢等。 由于集成 LED 控制器其性能單一。在很多場合，特別是舞臺等場合需要多路照明燈具亮度協(xié)調調節(jié)，大型 LED 屏幕的色彩變化調節(jié)等，傳統(tǒng)的集成 LED 驅動 IC 都難以實現(xiàn)協(xié)調調節(jié)。這些方面的應用推動了基于微控制器的數(shù)字 LED 驅動控制器的發(fā)展。 本文主要設計的內容 針對以上背景，本文設計基于微處理器的多路 PWM 發(fā)生器用于多路LED 照明控制。該 PWM 發(fā)生器能同時控制 6 路 LED 照明，實現(xiàn)對 6 路LED 燈的開 關控制，光照調節(jié)控制和順序點亮等功能。本設計硬件電路結構簡單，分為控制器模塊，人機交互模塊， LED 驅動模塊等三大電路模塊，其中控制器選用 8 位微控制器 STC89C52。人機交互模塊選用 LCD1602 液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)，獨立鍵盤作為輸入設備。本文將詳細闡述和分析該PWM 發(fā)生器的原理和設計。 論文的結構安排如下： 第一部分，介紹本設計的背景，分析 PWM 控制器在 LED 照明中的實用意義，同時闡明本文的機構安排。 第二部分，研究 PWM 發(fā)生器以及 LED 驅動的原理，完成基于微處理器的多路 PWM 發(fā)生器的設計總體方案設計。 第 三部分，完成整個系統(tǒng)的硬件電路設計。 第四部分，完成系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設計。 第五部分，完成本設計的系統(tǒng)調試，并分析解決調試中遇到的問題。 最后，對文章進行了總結與展望 。第二章 系統(tǒng)方案總體設計 3 第二章 系統(tǒng)方案總體設計 系統(tǒng)需求分析 根據(jù)任務書要求：本文是設計出一款基于單片機的多路 PWM 輸出系統(tǒng)。用以驅動 6 路 LED 等以及對 LED 燈光進行調節(jié)。該系統(tǒng)技術指標為： （ 1）該發(fā)生器能產生多路 PWM 信號，各路 PWM 占空比可調。 （ 2）該發(fā)生器具有 LED 驅動電路 ,能驅動 LED 燈 。 （ 3）實現(xiàn)控制對各路 LED 燈的開啟和關閉，能進行各路 LED 燈的燈光調節(jié)。 （ 4）人機界面友好。 系統(tǒng)總體設計 基于上述的系統(tǒng)需求，本系統(tǒng)總體結構框圖如圖 所示。本設計硬件電路結構分為如下 5 大部分，分別是控制器、鍵盤、 LCD1602 液晶顯示器、LED 驅動電路、以及六路 LED。其中控制器選用 8 位微控制器 STC89C52。人機交互模塊選用 LCD1602液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)，獨立鍵盤作為輸入設備。利用控制器 STC89C52 其內部自帶的定時器單元，作為 PWM 的基頻發(fā)生器。通過程序設計利用控制器的 I/O 端口作為 PWM 輸出端實現(xiàn)多路 PWM的實現(xiàn)。 控 制 器L C D 1 6 0 2 液 晶鍵 盤L E D驅動電路六路L E D 圖 系 統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)方案選擇 PWM 方案比較 方案一：集成 PWM 控制器，采用集成 PWM 控制器，如 UC382 TL494等芯片輸出 PWM。由于該類芯片內部自帶比較電路，因此將該類芯片配合外部振蕩電路和參考電壓電路，即可實現(xiàn) PWM 輸出。由于此類芯片一般用于開關電源電機驅動等控制器，芯片還自帶反饋和，脈沖鎖定，死去電路等功能。 安康學院本科生畢業(yè)論文（設計） 4 但由于本設計中需要對六路 LED 分別進行獨立的調節(jié)，該類芯片只能輸出一路或兩路互補 /對偶輸出 PWM 信號，要完成本設計的任務需求需要6 路控制器。 方案二：采用數(shù)字控制器通過軟件 設計生成輸出 PWM。目前很多微控制器都帶有硬件定時器，在一些高檔的控制器中，其內部集成了硬件 PWM 單元可以直接輸出 PWM 信號。即使不帶 PWM 模塊，也可以利用定時器通過程序設計模擬 PWM 輸出 [1]。 該方案下，由于軟件設計的靈活性，可以根據(jù)用戶的需求，很方便的產生多路 PWM 信號。同時獨立的對各路 PWM 信號進行控制。 綜合以上方案對比，本設計選用方案二作為 PWM 產生方案。利用宏晶公司生產的 STC89C52 微控制器作為控制器，利用其內部的定時器模擬輸出 PWM 信號，實現(xiàn)多路可調 PWM 輸出。 顯示器方案 比較 方案一：數(shù)碼管顯示。利用 LED 發(fā)光數(shù)碼管分別顯示當前各路 LED驅動信號 PWM 的占空比，同時顯示工作模式。 該方案硬件設計簡單，但由于數(shù)碼管存在只能顯示數(shù)字，不能顯示字符的缺點，同時由于每個數(shù)碼管需要 8 位控制端口控制，占用控制器 I/O資源。若顯示數(shù)據(jù)大，則需要另外的編碼器進行設計。該方案需要占用大量的軟件資源，同時人機交互界面不友好。 方案二： LCD 液晶屏顯示。根據(jù)任務要求，采用 LCD1602 顯示， 1602為工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 32 個字符。（ 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯 示字母、數(shù)字、符號等的 點陣 型液晶模塊。它由若干個 5 7 或者 5 11 等 點陣 字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD 是指顯示的內容為 16 2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。通過將 LCD1602 接口連接到控制器 I/O 端，控制器將需要顯示的內容發(fā)送到液晶屏，液晶即可將數(shù)據(jù)顯示出來，并保存當前顯示狀態(tài)。 該方案硬件電路簡單，同時顯示更加人性化。 LED 驅動電路方案比較 本設計需要驅動六路 LED 燈發(fā)光。由于 LED 對工作電流要求比較高，不同型號的 LED 其驅動電流大小也不同，當 LED 在額定電流下工作時，第二章 系統(tǒng)方案總體設計 5 LED 可保持長時間工作而不發(fā)熱。當電流過大時 LED 半導體 PN 結結溫就會升高，若溫度不能散去， LED 就會因為過熱而 燒毀 [2]。所以 LED 驅動電路的合理性對 LED 是否正常工作很重要。根據(jù)本設計需求， LED 驅動電路可以有如下幾種方案。 方案一：采用集成 LED 驅動芯片進行驅動。此類芯片自帶 LED 限流保護等功能可同時驅動多路 LED。該方案電路結構簡單，但硬件成本較高。 方案二：采用三級管放大電路驅動。利用三級管構成開關電路驅動LED，同時在 LED 到電源端串接一限流電阻用于限制 LED 的最大工作電流。 綜上所述，本設計采用方案二用于 LED 驅動電路。其電路結構簡單，成本低廉，完全能滿足本設計的任務需求。 安康學院本科生畢業(yè)論文（設計） 6 第三章 系統(tǒng)硬件設計 通 過第 二 章，本文完成了系統(tǒng)的方案比較與整體結構設計。本章將完成整個系統(tǒng)的硬件電路設計。本章將分五大部分來介紹本系統(tǒng)硬件電路，分別為控制單元模塊、人機交互模塊、電源電路、 LED 驅動電路，最后對所用控制器做相應的介紹。 控制單元模塊 如圖 所示為控制單元模塊，其中控制器采用 STC89C52，按鍵 S1為復位按鍵， Y1 為晶振。控制器采用 STC89C52，為普通 8051 的內核架構。電路中為了計時方便計算，本設計的晶振選用 12MHz 無源外部晶振。配合兩個起振電容 C2,C3。形成晶體諧振電路為單片機提供一個 12MHz 的穩(wěn)定的時鐘源。為了方便起振，起振電容選用 22pF。圖中 所示單片機 P0 口輸出是做為 LCD1602 顯示器的數(shù)據(jù)輸出端。由于 51 單片機 P0 口輸出為集電極開路門輸出形式，對輸出高電平需要增加上拉電阻將高電平上拉到VCC。由于宏晶公司生產的 STC 系列微控制器都支持串口下載程序，本設計中控制單元外擴出一串口端口做為程序下載口。 圖 控制單元模塊 人機交互模塊 其中人機交互模塊包括按鍵設定電路和 LCD1602 顯示電路。 按鍵設定電路 如圖 所示為按鍵設定電路，其中電阻 R3~R5 為上拉電阻，大小為1234P3Header 4HGND5VRXDTXD控制電路液晶電路