【正文】 STC89C51 為控制核心，并利用 PWM 調光技術對 LED 進行光亮度的控制。 LED照明的不斷普及對調光和控制技術提出了越來越高的要求。越來越多的 LED 燈開發(fā)人員意 識到到，傳統(tǒng)的驅動方式很難同時兼顧到所有的要求，無法大量推廣 LED燈。 該 系統(tǒng)可劃分為 主控 電路部分 （ STC89C51，單片機） 、 矩陣鍵盤 部分 (4 4矩陣鍵 盤 )、 驅動電路電路（ NPN 三極管） 和 LED 顯示四 部分。因此，在保證行車安全性和舒適性的前提下，如何減少能源消耗，降低運營成本，改善照明效果、提高照明質量，成為迫切需要解決的問題。 課題設計的目的及意義 課題設計的目的 通過本次畢業(yè)設計 ,主要想達到以下目的： 1. 加強對單片機的認識，加深對單片機理論方面的理解 。 發(fā)光二極管 LED(Light Emitting Ddiode)是利用半導體 PN 結或類似結構把電能轉換成光能的器件，以其高效率、低功耗、低電壓驅動、使用壽命長等優(yōu)點，已在眾多應用領域中得到普遍的應用，如各類消費電子產品 ——手機、 PDA、 液晶電視的背光光源等。調光器的目的是調整燈光不同的亮度。該項技術正日臻成熟，標志之一就是大量 LED 照明標準和規(guī)范的陸續(xù)出臺。對于白熾燈來說，它可以以低成本輕易實現。降低電力使用對環(huán)境所造成影響的最有效方式是減少浪費，因此世界各地的監(jiān)管機構都在進一步嚴格他們的功率因數規(guī)范。汽車駕駛員在 白天從明亮的環(huán)境接近、進入和通過隧道的過程中 將發(fā)生種種特殊的視覺問題 進入隧道 前 由于隧道內外亮度差別極大從隧道外部去看照明很 不充分的隧道 入口處會看到一個 “黑洞” 。目前 隧道照明設計者依據規(guī)范通常把隧道分為入口段、過渡段、中間段和出口段等四個段來設計照明。 傳統(tǒng)的隧道照明為實現各段的合理照明 按晴天、云天、陰 天、重陰天加強照明和全日基本照明、白日基本照明、全日基本應急照明七種模式控制 控制方式過于簡單 ,無法 根據室外環(huán)境度、交通流量、隧道內車輛行駛速度等參數實現照明的自適應控制 ,照明效 果不佳 ,電能浪費嚴重。同等亮度條件下使用 LED 照明耗能僅為白熾燈的 10% 熒光燈的 50%。 LED 在調光性能上具有巨大的優(yōu)勢 可實現數字調光 尤其適合在 隧道照明等需要調光的特殊場合。 （ 2） 模仿調光方法或線性調光方法 該種調光方法的好處是：當驅動電流線性增長或減小時，減小了驅動電流過沖過程中對 LED芯片壽命的影響，而且調光電路的抗滋擾性較強。因為人的眼睛視覺的滯后性，不會感覺得到光源在調光過程中產生的閃耀現象。對于單色 LED 來說，其主波長會改變。用線性調節(jié)的模擬調光會降低輸出電流的精度。如果要犧牲這個前提來考慮節(jié)能的話，需要實測數據。 本課題采用的方法 由系統(tǒng)設計要求以及上述分析和論證決定了系統(tǒng)個模塊所采 用的最終方案（ 3）： 基于 C51單片機和 PWM 調光的 LED臺燈以 STC89C51 作為主控芯片，設置了手動控制。LED是英文 light emitting diode 發(fā)光二極管的縮寫它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料置于一個有引線的架子上然后四周 用環(huán)氧樹脂密封 起到保護內部芯線的作用所以 LED 的抗震性能好。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二 極管叫發(fā)光二極管 通稱 LED。如小電流時為紅色的 LED， 隨著電流的增加 ， 可以依次變?yōu)槌壬?， 黃色最后為綠色 8. 價格： LED的價格比較 昂貴 ， 較之于白熾燈 ， 幾只 LED 的價格就可以與一只白熾燈的價格相當 而通常每組信號燈需 由上 300500 只二極管構成。因此許多業(yè)者便千方百計進行藍光 LED 的研發(fā)生產。 70年代中期 ， 引入元素 In 和 N， 使 LED 產生綠光 （ λ p=555nm）， 黃光（ λ p=590nm） 和橙光 （ λ p=610nm）， 光效也提 高到 1 流明 /瓦。 LED 發(fā)光二極管說明 發(fā)光二極管簡稱 LED， 采用砷化鎵、鎵鋁砷、和磷化鎵等材料制成 ， 其內部結構為一個 PN結具有單 向導電性。 常用的發(fā)光二極管應用電路有四種 ： 即直流驅動電路、交流驅動電路、脈沖 驅動電路、變色發(fā)光驅動電路。它具備 pn結結型器件的電學特性 IV特性、CV特性和光學特性 光譜響應特性、發(fā)光光強指向特性、時間特性以及熱學特性。 (b) 正向工作區(qū) 電流 IF 與外加電壓呈指數關系 IF = IS (e qVF/KT – 1) IS 為反向飽和電流。由于所用化合物材料種類不同 各種 LED的反向擊穿電壓 VR 也不同。 () 最大允許功耗 PFm 當流過 LED 的電流為 IF、管壓降為 UF則功率消耗為 P=UF IF LED工作時 外加偏壓、偏流一定促使載流子復合發(fā)出光 ， 還有一部分變?yōu)闊?， 使結溫升高。 ① 響應時間從使用角度來看 ， 就是 LED 點亮與熄滅所延遲的時間 ， 即圖中 tr 、 tf 。 LED 熄滅時間 —— 下降時間 tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的 10%所經歷的時間。其正法線方向的亮度 BO=IO/A， 指定某方向上發(fā)光體表 面亮度等于發(fā)光體表面上單位投射面積在單位立體角內所輻射的光通量 ， 單位cd/m2 或 Nit。另外 ， 亮度還與環(huán)境溫度有 關 ， 環(huán)境溫度升高 ，η c 復合效率下降 BO減小。通常把亮度降到Bt=1/2BO 所經歷的時間 t 稱為二極管的壽命。隨著功率型 LED 開發(fā)應用 ， 國外學者認 為以 LED 的光衰減百分比數值作為壽命的依據。若環(huán)境溫度較高 ， LED的主波長或λ p 就會向長波長漂移 ， BO也會下降 尤其是點陣、大顯示屏 的溫升對 LED 的可靠性、穩(wěn)定性影響應專門設計散射通風裝置。它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。電壓或電流源是以一種通 (ON)或斷 (OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。沖量指窄脈沖的面積。其輸出電流 i(t)對不同窄脈沖時的響應波形如圖 31 b） 所示。用傅里葉級數分解后 將可看出，各 i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 頻率：如 16 位的 PWM，它的分辨率達到了 1： 65535，要達到這個分辨率， T/C 就必須從 0計數到 65535 才能達到。 可見，雙斜率的計數時間多了一倍，所以輸出的 PWM 頻率就慢了一半，但是分辨率卻是 1：(80+80) ＝ 1： 160，就是提高了一倍。 其二是單片機擴展 AD,不斷檢測電源的輸出電壓 ,根據電源輸出電壓與設定值之差 ,調整 DA的輸出 ,控制 PWM 芯片 ,間接控制電源的工作 .這種方式單片機已加入到電源的反饋環(huán)中 ,代替原 來的比較放大環(huán)節(jié) ,單片機的程序要采用比較復雜的 PID 算法。 51 單片機內部含有兩個 16 位可編程定時器 /計數器，可設置計數器 位數 16 位， 13 位， 8 位 計數器位數 16，振蕩周期 12分頻后脈沖計數，則計數一次為 1us，每個 PWM 周期為 65536us，頻率為 1*1000000/65536=15Hz。 計數器位數 8，振蕩周期 12 分頻后脈沖計數，則計數一次為 1us，每個 PWM 周期為 256us，頻率為 1*1000000/256=3906Hz。在音頻范圍之內，且開關電源工作在這個頻率下顯然不夠。 還 要注意 ,上 面所述只有一個 PWM 波 ,是單端工 作 。 綜上， 本設計選用 51 單片機產生 PWM 波。 本課題選用 51單片機內部共有兩個 16 位可編程的定時器 /計數器，即定時器 T0和 T1。 TMOD是定時器 /計數器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能； TCON是控制寄存器，控制 T0和 T1 的啟動和停止及設置標志。在每個機器周期的 S5P2 期間采樣 T0、 T1 引腳電平當某采樣周期到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時，則計數器加一，更新的 計數值在下一個機器周期的 S3P1 期間裝入計數器。單片機復位時 TMOD全部清 0。因此，計數器不是由外部時鐘負邊沿觸發(fā)，而是在兩次檢測到負跳變存在時才進行計數的。使用 12MHz的晶振，那么機器周期為： Tcy= t/Tcy= 12（ 1/120xx0000） = 1us 預設需要的產生一次中斷的周期為： t= 5ms （寫程序時，當產生 20 次 5ms 定時器中斷后為 ） 其計數個數為： N= 5000/1= 5000 在程序開始時，為 TH0 和 TL0 裝入初值總數為： 655365000=60536 裝 入 TH0 和 TL0 的數分別為： THX=（ 65536N） /256=（ 655365000） /256≈ 236 TLX=（ 65536N） %256=（ 655365000） %256=120 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 14 頁 共 69 頁 4 系統(tǒng)的硬件設計 硬件總設計 本設計選用 STC89C51單片機和 PWM 調光的 LED燈為元件，以 STC89C51 作為主控芯片，設置了手動控制。 PWM 方法的基本思想就是利用單片機具有的 PWM 端口，在不改變 PWM 方波周期的前提下，通過軟件的方法調整單片機的 PWM 控制寄存器來調整 PWM的占空比，從而控制充電電流。同時為 LED 燈組接入保護電阻，防止因驅動電流過大而燒掉 LED 燈。用STC89C51 單片機構成最小應用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，如下圖所示。 1. 單片機的最小系統(tǒng) 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 16 頁 共 69 頁 STC89C51 單片機的介紹 單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、 A/D 轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領域的廣泛應用。該器件的基本功能與普通的 51 單片機完全兼容。以期點亮外部連接的 LED（發(fā)光二極管），采用單片機的原理、最小系統(tǒng)的組成，并通過簡單的 C51 程序設計來講述編譯軟件 Kei的使用 并下載 Hex文件燒寫單片機。 (RAM)512B。 (4) P1 口 :P1 是一個帶內部上拉電阻的 8位雙向 I/O口 P1的輸出緩沖級可驅動 (吸收 或輸出電流 )4個 TTE 邏輯門電路。 Flash 編程和程序校驗期間 ， P1 接收低 8 位地址。在訪問 8 位地址的外部數據存儲器 (如執(zhí)行 MOVX RI 指令 )時 P2口輸出 P2 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 18 頁 共 69 頁 鎖存器的。對端口 P2寫“ 1” 通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平 此時可作輸入口作輸入口使用時因為內部存在上拉電阻 ， 某個引腳被外部信號拉低時會 輸出一個電流 (ILL)。作輸入口使用時 因為內部存在上拉電阻某個引腳被外部信號拉低時會輸 出一個電流 (ILL)。作為輸出口用時每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路 對端口 P0 寫“ 1”時可作為高阻抗輸入端用。 0~40MHZ 相當于普通 8051 的 0~80MHZ。 STC89C52RC 系列單片機是單時鐘 /機器周期 (1T)的兼容8051 內核單片機，是高速 / 低功耗的新一代 8051 單片機，全新的流水線 /精簡指令集結構 ,內部集成 MAX810 專用復位電路 。 STC 系列單片機是美國 STC 公司最新推出的一種新型 51 內核的單片機。 51 系列單片機的最小系統(tǒng)的實現并通過編寫程序來實現對單片機 IO 口的輸出控制。 STC89C51 是一款八位，片內 ROM/EPROM的單片機，其硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。 當驅動一組 LED 燈的要求電流輸出時，接入 NPN 三極管，選用共基極接法，放大驅動電流的同時不改變電壓。 利用 keil為矩陣鍵盤寫入程序，在按下不同的按鍵時，程序對矩陣鍵盤進行連續(xù)掃描，從而確定輸入要求的預設占空比值，向單片機提交命令。通常， T0 或 T1 輸入線上的計數脈沖頻率總小于 100kHz。 GATE=1，定時計 /數器器啟動與停止由 TCON 寄存器中 TRX（ X=0,1）和外部中斷引腳（ INT0或 INT1）上的電平狀態(tài)來共同控制。當晶振為 12MHz 時，最高計數器頻率不