【正文】 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 69 頁 目前存在的實現(xiàn)方法 LED 燈具的調(diào)光方法最主要、常見的有三種，這三種調(diào)光技能都是根據(jù) LED 驅(qū)動電流輸入的變化來進(jìn)行調(diào)光的。其缺陷則是驅(qū)動電流的大小變化過程肯定對 LED芯片的色溫有一定的影響。此種調(diào)光方法的好處是能改善 LED 的散熱性能，缺陷是驅(qū)動電流的過沖對 LED 芯片的壽命肯定有一定的影響。對白光 LED 來說，其相關(guān)顏色溫度 (CCT)會改變。通常來說，相對于模擬調(diào)光， PWM 調(diào)光可以精度大于線性控制光輸出。但估計在實現(xiàn)同等照度的情況下， PWM 會有優(yōu)勢。在手動控制時，采用矩陣鍵盤輸入控制單片機(jī)輸出不同占空比的 PWM 對 LED的驅(qū)動電流進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)了對光度的手動調(diào)節(jié)。 發(fā)光二極管的核心部分是由 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體組成的晶片 在 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體之間有一個過渡層 稱為 pn 結(jié)。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時 即兩端加上正向電壓電流從 LED 陽極流向陰極時 半導(dǎo) 體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線 光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。 單色光 LED 的種類及其發(fā)展歷史 在 LED 業(yè)者中 6， 日亞化學(xué)是最早運(yùn)用上述技術(shù)工藝研發(fā)出不同波長的高亮度 LED,， 以及藍(lán)紫光半導(dǎo)體激光 （ Laser Diode； LD） ,是業(yè)界握有藍(lán)光 LED 專利權(quán)的重量級業(yè)者。目前除日亞化學(xué)和住友電工外 ,還有豐田合成、羅沐、東芝和夏普 美商 Cree 全球 3 大照明廠奇異、飛利浦、歐司朗以及 HP、 Siemens、 Research、 EMCORE等都投入了該產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn) 對促進(jìn)白光LED 產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化、市場化方面起到了積極的促進(jìn)作用。到了 80 年代初 出現(xiàn)了 GaAlAs的 LED 光源 ， 使得紅色 LED 的光效達(dá)到 10 流明 /瓦。當(dāng)在發(fā)光二極管 PN結(jié)上加正向電壓時 ， PN結(jié)勢壘降低 ， 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動大于漂移運(yùn)動 ， 致使 P 區(qū)的空穴注入到 N區(qū) ， N 區(qū)的電子注入到 P 區(qū) ， 這樣相互注入的空穴與電子相遇后會產(chǎn)生復(fù)合 ， 復(fù)合時產(chǎn)生 的能量大 部分以光的形式出現(xiàn) ， 因此而發(fā)光 .發(fā)光二極管在制作時 ， 使用的材料有所不同 ， 那么就可以發(fā)出不同顏色的光。使用 LED 作指示電路時 ,應(yīng)該串接限流電阻 ,該電阻的阻值大小應(yīng)根據(jù)不同的使用電壓和 LED所需工作電流來選擇。 (1)LED 電學(xué)特性 () IV特性 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 69 頁 表征 LED芯片 pn結(jié)制備性能主要參數(shù)。 V=0 時 V VF 的正向工作區(qū) IF 隨 VF 指數(shù)上升 ， IF = IS e qVF/KT (c) 反向死區(qū) V=0 時 pn 結(jié)加反偏壓 V= VR 時 ， 反向漏電流 IR V= 5V 時 ， GaP 為 0VGaN 為 10uA。 () CV特性 鑒于 LED 的芯片有 9 9mil (250 250um)， 10 10mil， 11 11mil (280 280um)， 12 12mil ，(300 300um)故 pn 結(jié)面積大小不一 ， 使其結(jié)電容零偏壓 C≈ n+pf 左右。若結(jié)溫為 Tj、外部環(huán)境溫度為 Ta， 則當(dāng) Tj=Ta 時 ， 內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱 ， 散逸熱量功率可表示為 P = KT Tj – Ta 。圖中 t0值很小 ， 可忽略。不同材料制得的 LED 響應(yīng)時間各不相同 ， 如 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 其響應(yīng)時間 ： 109S， GaP 為 107 S。若光源表面是理想漫反射面 亮度 BO與方向無關(guān)為常數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度不變 ， 電流增大足以引起 pn 結(jié)結(jié)溫升高 ， 溫 升后 ， 亮度呈飽和狀態(tài)。測定 t 要花很長的時間 ， 通常以推算求得壽命。如 LED 的光衰減為原來 35%壽命 （ 6000h）。 LED 的主波長隨溫度關(guān)系可表示為λ p， T′ =λ 0， T0+△ Tg ℃ 由式可知 每當(dāng)結(jié)溫升高 10℃ 則波長向長波漂移 1nm， 且發(fā)光的均勻性、一致性變差。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 69 頁 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。 圖 32 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 69 頁 占空比：就是輸出的 PWM 中，高電平保持的時間 與 該 PWM 的時鐘周期的時間之比 。相對于周期就是 65535*計數(shù)脈沖時間。 假設(shè) PWM是單斜率，設(shè)定最高計數(shù)是 80，我們再設(shè)定一個比較值是 10，那么 T/C 從 0計數(shù)到10 時 (這時計數(shù)器還是一直往上計數(shù)，直到計數(shù)到設(shè)定值 80)，單片機(jī)就會根據(jù)你的設(shè)定，控制某個IO 口在這個時候是輸出 1 還是輸出 0 還是端口取反，這樣，就是 PWM 的最基本的原理了。 其三是單片機(jī)擴(kuò)展 AD,不斷檢測電源的輸出電壓 ,根據(jù)電源輸出電壓與設(shè)定值之差 ,輸出 PWM波 ,直接控制電源的工作 .這種方式單片機(jī)介入電源工作最多。頻率太低，導(dǎo)致開關(guān)電源嚴(yán)格的電慣性。音頻范圍之內(nèi)，且頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)階段開關(guān)電源的頻率范圍。 取 PWM 分辨率為 9 位 ,這次開關(guān)電源的工作頻率為 16000000/512=32768(Hz),在音頻范圍外 ,可以用 ,但距離現(xiàn)代開關(guān)電源的工作頻率還有一定距離 。 如果要推挽工作 (包括半橋 ),那就需 要兩PWM 波 ,上述控制精度還要減半 ,只能控制到約 1/64。 PWM 調(diào)控方法的基本思想就是利用單片機(jī)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(diào)整單片機(jī)的 PWM 控制寄存器來調(diào)整 PWM的占空比，從而控制充電電流。它們既有定時功能又有計數(shù)功能，通過設(shè)置與它們相關(guān)的特殊功能寄存器可以選擇啟用定時功能或計數(shù)功能。 設(shè)置為定時器模式時，加 1計數(shù)器是對內(nèi)部機(jī)器周期計數(shù)（一個機(jī)器周期等于 12 個震蕩周期，即計數(shù)頻率為晶振頻率的 1/12）。由于檢測一個從 1~0 的下降沿需要 2 個機(jī)器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機(jī)器周期。其各位的定義如表3表 33 所示： 表 32 位序號 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 位符號 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 GATE—— 門控制位 GATE=0，定時計 /數(shù)器器啟動與停止僅受 TCON 寄存器中 TRX（ X=0,1）來控制。由于兩次檢測需要 24個時鐘脈沖，故 T0/T1 線上輸入的 0 或 1 的持續(xù)時間不能 少于一個機(jī)器周期。在手動控制時，接入矩陣鍵盤，輸出不同的 PWM 占空比對 LED 的電流進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)了 對光度的手動調(diào)節(jié)。在調(diào)整充電電流前，單片機(jī)先快速讀取充電電流的大小，然后把設(shè)定的充電電流與實際讀取到的充電電流進(jìn)行比較，若實際電流偏小則向增加充電電流的方向調(diào)整 PWM 的占空比； 若實際電流偏大則向減小充電電流的方向調(diào)整 PWM 的占空比。 圖 41 系統(tǒng)總框圖 矩陣鍵盤 （輸入） 90 單片機(jī) （軟件調(diào)占空比） 驅(qū)動電路部分 （ NPN 三極管） 預(yù)設(shè)的 PWM LED 顯示 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 69 頁 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X / S S2P 1 .2 /E C I3P 1 .3 /C E X 04P 1 .4 /C E X 15P 1 .5 /CE X 2 /M I S O6P 1 .6 /CE X 3 / S C K7P 1 .7 /CE X 4 /M O S I8P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C51 RC 2C12 0 u FX1CR Y S T A LC23 0 u FG NDQ1NP N D1L E D R E DD2L E D R E DD3L E D R E DD4L E D R E DD5L E D R E DD6L E D R E DD7L E D R E DD8L E D R E DV C CG NDR110C31nFR21 0 kR31 0 kV C C 圖 42 系統(tǒng)硬件仿真設(shè)計 功能模塊 主控電路 主控電路采用 STC89C51 作為主 MCU。本設(shè)計所選用的晶振為 12MHZ，晶振電容為 30PF。從上世紀(jì) 80 年代，由當(dāng)時的 4位、 8 位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300M 的高速單片機(jī)。 STC89C51RC 是采用 8051 核的 ISP（ In System Programming）在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時鐘 頻率 為 80MHz，片內(nèi)含 8K Bytes 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程 （ ISP）特性，配合 PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，省去了購買通用編程器，而且速度更快。 主要功能、性能參數(shù) 51 內(nèi)核 機(jī)器周期 增強(qiáng)型為 6 時鐘 普通型為 12 時鐘 。 \計數(shù)器 3 個 16 位 UART1 個 :8 個 ISP(在系統(tǒng)可編程 \IAP(在應(yīng)用可編程 ),無需專用編程器 \仿真器 I\O 口 32\36 個 ~ 40 腳 PDIP、 44 腳 PLCC 和 PQFP 等 圖 43 stc89c51 實物 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 69 頁 圖 44 89C51 單片機(jī)的引腳 89C51 單片機(jī)的引腳功能說明 (1) VCC:電源電壓 (2) GND:地 (3) P0 口 :P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。對端口寫“ 1‖通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平此 時可作輸入口。 表 41 和 的第二功能 引腳號 功能特性 T2（定時 /計數(shù)器 2 外部計數(shù)脈沖輸入），時鐘 輸出 T2EX（定時 /計數(shù)器 2 捕獲 /重裝載觸發(fā)和方向控制） (5) P2 口 :P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL邏輯