【正文】 ........................................................................... 19 第六章 總結(jié)與展望 ............................................................................................... 22 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................... 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(shí)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(shù)是當(dāng)今世界照明技術(shù)的一大趨勢(shì)，然而相對(duì)于傳統(tǒng)照明燈具， LED 具有亮度調(diào)節(jié)困難等缺點(diǎn)。在一些需要調(diào)光的場(chǎng)合，這一缺點(diǎn)限制了其發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， PWM 制技術(shù)被大量應(yīng)用于電力驅(qū)動(dòng)和控制領(lǐng)域。同時(shí)， PWM 調(diào)制技術(shù)也解決了 LED 調(diào)光的問(wèn)題，從而推動(dòng)了 LED 照明技術(shù)的發(fā)展。 研究背景與意義 當(dāng)前，隨著材料科學(xué) 、 計(jì)算機(jī)科學(xué) 、 現(xiàn)代電力電子技術(shù)等科學(xué)的進(jìn)步和融合。 LED 照明技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在很多家庭、機(jī)構(gòu)、政府和工業(yè)應(yīng)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(lái)，白光 LED 燈在通用照明應(yīng)用中已經(jīng)超過(guò)了一半以上，并最終超越了以往大多由彩色照明的美感來(lái)驅(qū)動(dòng)的彩色 LED 應(yīng)用。白光 LED 照明 增長(zhǎng)的新驅(qū)動(dòng)力相當(dāng)簡(jiǎn)單：更低的能耗和低得多的電費(fèi)。在很多情況下，LED 更高的效率使功耗降低多達(dá) 88%，從而也極大地降低了因發(fā)電產(chǎn)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(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò) 50 億美元，對(duì)應(yīng)從 2020 年到 2020 年的年復(fù)合增長(zhǎng)率 (CAGR)為 28%。這僅僅是開(kāi)始，因?yàn)殡S著 LED 在商業(yè)上更具經(jīng)濟(jì)效益，它們的高發(fā)光效率只會(huì)進(jìn)一步加速推進(jìn)從白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈向高亮度白光 LED 轉(zhuǎn)變的好處。 根據(jù)一些計(jì)算，從傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈轉(zhuǎn)換成 LED 照明可以使目前全球所需總電能節(jié)省高達(dá) 10%。由于人們努力降低發(fā)電產(chǎn)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(diǎn)促進(jìn)了這種轉(zhuǎn)變。 LED 產(chǎn)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(jìn)一步發(fā)展，它們從電能產(chǎn)生光的效率將繼續(xù)提高，預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)將會(huì)翻翻。其次，今天的世界非常關(guān)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(méi)有泄露有毒水銀蒸氣的風(fēng)險(xiǎn)。今天用于大多數(shù)住宅附屬裝置的 CCFL 燈含有高達(dá) 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(shí)就需要更換，而熒光燈可持續(xù)使用 1 萬(wàn)小時(shí)，相比之下， LED 的壽命超過(guò) 10 萬(wàn)小時(shí)。在大多數(shù)應(yīng)用中，這允許 LED 永久性地嵌入到最終應(yīng)用中，而無(wú)需裝置設(shè)備。 安康學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外有很多科研機(jī)構(gòu)和公司在做關(guān)于 LED 照明技術(shù)的研究，很多半導(dǎo)體公司成立了專(zhuān)門(mén)的 LED 驅(qū)動(dòng)器、控制器的研發(fā)機(jī)構(gòu)。生產(chǎn)出專(zhuān)一的 LED 驅(qū)動(dòng)器和控制器集成 IC,市場(chǎng)上應(yīng)用較廣的有凌特、 TI、飛利浦、意法半導(dǎo)體等公司的芯片。國(guó)內(nèi)很多高校公司和科研機(jī)構(gòu)也做了很多關(guān)于LED 驅(qū)動(dòng)照明的研究。國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面做 應(yīng)用級(jí)的研究居多。有很多公司生產(chǎn)出了專(zhuān)門(mén)的 LED 驅(qū)動(dòng)器設(shè)備等，用于工廠照明，商場(chǎng)，建筑照明的應(yīng)用，以及舞臺(tái)裝潢等。 由于集成 LED 控制器其性能單一。在很多場(chǎng)合，特別是舞臺(tái)等場(chǎng)合需要多路照明燈具亮度協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)，大型 LED 屏幕的色彩變化調(diào)節(jié)等，傳統(tǒng)的集成 LED 驅(qū)動(dòng) IC 都難以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。這些方面的應(yīng)用推動(dòng)了基于微控制器的數(shù)字 LED 驅(qū)動(dòng)控制器的發(fā)展。 本文主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容 針對(duì)以上背景，本文設(shè)計(jì)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(shí)控制 6 路 LED 照明，實(shí)現(xiàn)對(duì) 6 路LED 燈的開(kāi) 關(guān)控制，光照調(diào)節(jié)控制和順序點(diǎn)亮等功能。本設(shè)計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分為控制器模塊，人機(jī)交互模塊， LED 驅(qū)動(dòng)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(jī)交互模塊選用 LCD1602 液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)，獨(dú)立鍵盤(pán)作為輸入設(shè)備。本文將詳細(xì)闡述和分析該P(yáng)WM 發(fā)生器的原理和設(shè)計(jì)。 論文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一部分，介紹本設(shè)計(jì)的背景，分析 PWM 控制器在 LED 照明中的實(shí)用意義，同時(shí)闡明本文的機(jī)構(gòu)安排。 第二部分，研究 PWM 發(fā)生器以及 LED 驅(qū)動(dòng)的原理，完成基于微處理器的多路 PWM 發(fā)生器的設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)。 第 三部分，完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。 第四部分，完成系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 第五部分，完成本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)調(diào)試，并分析解決調(diào)試中遇到的問(wèn)題。 最后，對(duì)文章進(jìn)行了總結(jié)與展望 。第二章 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì) 3 第二章 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)需求分析 根據(jù)任務(wù)書(shū)要求：本文是設(shè)計(jì)出一款基于單片機(jī)的多路 PWM 輸出系統(tǒng)。用以驅(qū)動(dòng) 6 路 LED 等以及對(duì) LED 燈光進(jìn)行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為： （ 1）該發(fā)生器能產(chǎn)生多路 PWM 信號(hào)，各路 PWM 占空比可調(diào)。 （ 2）該發(fā)生器具有 LED 驅(qū)動(dòng)電路 ,能驅(qū)動(dòng) LED 燈 。 （ 3）實(shí)現(xiàn)控制對(duì)各路 LED 燈的開(kāi)啟和關(guān)閉，能進(jìn)行各路 LED 燈的燈光調(diào)節(jié)。 （ 4）人機(jī)界面友好。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于上述的系統(tǒng)需求，本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。本設(shè)計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)分為如下 5 大部分，分別是控制器、鍵盤(pán)、 LCD1602 液晶顯示器、LED 驅(qū)動(dòng)電路、以及六路 LED。其中控制器選用 8 位微控制器 STC89C52。人機(jī)交互模塊選用 LCD1602液晶顯示器顯示數(shù)據(jù)，獨(dú)立鍵盤(pán)作為輸入設(shè)備。利用控制器 STC89C52 其內(nèi)部自帶的定時(shí)器單元，作為 PWM 的基頻發(fā)生器。通過(guò)程序設(shè)計(jì)利用控制器的 I/O 端口作為 PWM 輸出端實(shí)現(xiàn)多路 PWM的實(shí)現(xiàn)。 控 制 器L C D 1 6 0 2 液 晶鍵 盤(pán)L E D驅(qū)動(dòng)電路六路L E D 圖 系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(lèi)芯片內(nèi)部自帶比較電路，因此將該類(lèi)芯片配合外部振蕩電路和參考電壓電路，即可實(shí)現(xiàn) PWM 輸出。由于此類(lèi)芯片一般用于開(kāi)關(guān)電源電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 但由于本設(shè)計(jì)中需要對(duì)六路 LED 分別進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)節(jié)，該類(lèi)芯片只能輸出一路或兩路互補(bǔ) /對(duì)偶輸出 PWM 信號(hào)，要完成本設(shè)計(jì)的任務(wù)需求需要6 路控制器。 方案二：采用數(shù)字控制器通過(guò)軟件 設(shè)計(jì)生成輸出 PWM。目前很多微控制器都帶有硬件定時(shí)器，在一些高檔的控制器中，其內(nèi)部集成了硬件 PWM 單元可以直接輸出 PWM 信號(hào)。即使不帶 PWM 模塊，也可以利用定時(shí)器通過(guò)程序設(shè)計(jì)模擬 PWM 輸出 [1]。 該方案下，由于軟件設(shè)計(jì)的靈活性，可以根據(jù)用戶(hù)的需求，很方便的產(chǎn)生多路 PWM 信號(hào)。同時(shí)獨(dú)立的對(duì)各路 PWM 信號(hào)進(jìn)行控制。 綜合以上方案對(duì)比，本設(shè)計(jì)選用方案二作為 PWM 產(chǎn)生方案。利用宏晶公司生產(chǎn)的 STC89C52 微控制器作為控制器，利用其內(nèi)部的定時(shí)器模擬輸出 PWM 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多路可調(diào) 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(dāng)前各路 LED驅(qū)動(dòng)信號(hào) PWM 的占空比，同時(shí)顯示工作模式。 該方案硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(diǎn)，同時(shí)由于每個(gè)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(jìn)行設(shè)計(jì)。該方案需要占用大量的軟件資源，同時(shí)人機(jī)交互界面不友好。 方案二： LCD 液晶屏顯示。根據(jù)任務(wù)要求，采用 LCD1602 顯示， 1602為工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 32 個(gè)字符。（ 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)顯 示字母、數(shù)字、符號(hào)等的 點(diǎn)陣 型液晶模塊。它由若干個(gè) 5 7 或者 5 11 等 點(diǎn)陣 字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)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?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16 2,即可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。通過(guò)將 LCD1602 接口連接到控制器 I/O 端，控制器將需要顯示的內(nèi)容發(fā)送到液晶屏，液晶即可將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，并保存當(dāng)前顯示狀態(tài)。 該方案硬件電路簡(jiǎn)單，同時(shí)顯示更加人性化。 LED 驅(qū)動(dòng)電路方案比較 本設(shè)計(jì)需要驅(qū)動(dòng)六路 LED 燈發(fā)光。由于 LED 對(duì)工作電流要求比較高，不同型號(hào)的 LED 其驅(qū)動(dòng)電流大小也不同，當(dāng) LED 在額定電流下工作時(shí)，第二章 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì) 5 LED 可保持長(zhǎng)時(shí)間工作而不發(fā)熱。當(dāng)電流過(guò)大時(shí) LED 半導(dǎo)體 PN 結(jié)結(jié)溫就會(huì)升高，若溫度不能散去， LED 就會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而 燒毀 [2]。所以 LED 驅(qū)動(dòng)電路的合理性對(duì) LED 是否正常工作很重要。根據(jù)本設(shè)計(jì)需求， LED 驅(qū)動(dòng)電路可以有如下幾種方案。 方案一：采用集成 LED 驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此類(lèi)芯片自帶 LED 限流保護(hù)等功能可同時(shí)驅(qū)動(dòng)多路 LED。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但硬件成本較高。 方案二：采用三級(jí)管放大電路驅(qū)動(dòng)。利用三級(jí)管構(gòu)成開(kāi)關(guān)電路驅(qū)動(dòng)LED，同時(shí)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(shè)計(jì)采用方案二用于 LED 驅(qū)動(dòng)電路。其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，完全能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的任務(wù)需求。 安康學(xué)院本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 通 過(guò)第 二 章，本文完成了系統(tǒng)的方案比較與整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本章將完成整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)。本章將分五大部分來(lái)介紹本系統(tǒng)硬件電路，分別為控制單元模塊、人機(jī)交互模塊、電源電路、 LED 驅(qū)動(dòng)電路，最后對(duì)所用控制器做相應(yīng)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(fù)位按鍵， Y1 為晶振。控制器采用 STC89C52，為普通 8051 的內(nèi)核架構(gòu)。電路中為了計(jì)時(shí)方便計(jì)算，本設(shè)計(jì)的晶振選用 12MHz 無(wú)源外部晶振。配合兩個(gè)起振電容 C2,C3。形成晶體諧振電路為單片機(jī)提供一個(gè) 12MHz 的穩(wěn)定的時(shí)鐘源。為了方便起振，起振電容選用 22pF。圖中 所示單片機(jī) 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(jī) P0 口輸出為集電極開(kāi)路門(mén)輸出形式，對(duì)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(chǎn)的 STC 系列微控制器都支持串口下載程序，本設(shè)計(jì)中控制單元外擴(kuò)出一串口端口做為程序下載口。 圖 控制單元模塊 人機(jī)交互模塊 其中人機(jī)交互模塊包括按鍵設(shè)定電路和 LCD1602 顯示電路。 按鍵設(shè)定電路 如圖 所示為按鍵設(shè)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