【文章內(nèi)容簡介】 塊 控 制 模 塊 三 環(huán) L E D 2 系統(tǒng)理論知識(shí) LED 的發(fā)光原理 LED是英文 light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以 LED的抗震性能好。 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(gè)過渡層，稱為 pn結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù) 載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。 PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。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。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從 LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體能 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) 。 LED 亮度控制方法 LED 一般是恒流操作的，如何改變 LED 的亮度呢？答案可以 是 PWM 控制。 在一定的 頻率的方波中，調(diào)整高電平和低電平的占空比，即可實(shí)現(xiàn)。比如我們用高電平點(diǎn)亮一個(gè) LED 燈，我們假設(shè)把一個(gè)頻率周期分為 100 個(gè)時(shí)間等份，如果方波中的高低電平占空比是 1： 99，這是就是一個(gè)比較暗的亮度，如果方波中高低電平占空比是0： 100，這時(shí)，全部是低 電平，燈是滅的。如果占空比是 50： 50，就是一個(gè)中間亮度，如果高低比是 99： 1，是一個(gè)比較亮的亮度，如果高低是 100： 0，這時(shí)全部是高 電平，就是最亮的。 所以從理論上討論 ， 用 PWM 方法控制三環(huán) LED 的 100 個(gè)亮度級別 是可以實(shí)現(xiàn)的 。 圖 1–1 設(shè)計(jì)方案 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 3 頁 整個(gè)系統(tǒng)的功能要求與結(jié)構(gòu) 電源模塊 :任務(wù)書中要求 ， 輸入電壓為 220V交 流電 ， 降壓 再轉(zhuǎn)換 為 15V的直流電 為LED系統(tǒng)供電 。 因此電源模塊中應(yīng)包括變壓器 ， 整流橋 ， 穩(wěn)壓管三種主要元件 。 為了增加直流電壓 的 穩(wěn)定性 ， 在電路中應(yīng)適當(dāng)?shù)亟尤?電容 。 為了便于觀察電源模塊的工作正常與否 ， 電源模塊中還應(yīng)有指示燈 。 控制模塊 :任務(wù)書中要求 ， 實(shí)現(xiàn)三環(huán) LED燈的 100個(gè)亮度級別的數(shù)字調(diào)光 ， 因此該模塊中應(yīng)包括 微控制器 (MCU)， 矩陣 鍵盤 ， 顯示設(shè)備 ， 光傳感器以及光信號(hào)處理電路 ， 放大電路 。 微控制器 (MCU): (1) 執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算。 (2) 執(zhí)行各種邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測試，如零值測試或兩個(gè)值的比較。運(yùn)算器所執(zhí)行全部操作都是由控制器發(fā)出的控 制信號(hào)來指揮的，并且，一個(gè)算術(shù)操作產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)算結(jié)果，一個(gè)邏輯操作產(chǎn)生一個(gè)判決。 矩陣鍵盤 :用于接收操作者的操作信號(hào) 。 顯示設(shè)備 :將整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)傳達(dá)給操作者。 光傳感器以及光信號(hào)處理電路： 用于感知外界環(huán)境的光照變化情況，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再把數(shù)字信號(hào)送到微控制器中處理。 放大電路：單片機(jī)的輸出信號(hào)強(qiáng)度一般都很小， 輸出電壓一般為 +5V以下 ， 電流大小一般為幾十毫安。所以單片機(jī)的輸出電壓是不能驅(qū)動(dòng)幾只到幾十只并聯(lián)的 LED燈，因此要設(shè)計(jì)放大電路，將單片機(jī)的輸出信號(hào) 放大，以使每一路輸出信號(hào)經(jīng)放大后可以驅(qū)動(dòng)十多只并聯(lián)的 LED燈。 三環(huán) LED燈 :接收放大電路的放大信號(hào)，實(shí)現(xiàn)三環(huán) LED燈 100個(gè)不同亮度級別的調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)框架 如 圖 2– 1： 3 模塊化設(shè)計(jì) 應(yīng)用軟件的介紹 電源模塊 控制模塊 三環(huán) LED 燈 圖 2– 1 系統(tǒng)框架圖 輸 入 A C 2 2 0 V整 流 橋 整 流7 8 1 2 , 7 9 1 2 ，7 8 0 5 穩(wěn) 壓輸 出 + 1 2 V , 1 2 V , + 5 V 直 流電顯 示 模 塊 放 大 電 路 微 控 芯 片輸 入 模 塊 ： 鍵 盤 光 電 傳 感 器 以 及 處 理 電 路三 環(huán) L E D 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 4 頁 軟件 Proteus 簡介 PROTEUS軟件是由英國 LabCenter Electronics公司開發(fā)的 EDA工具軟件 ，它集成了高級原理布圖，混合模式 SPICE電路仿真， PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)。它由 ISIS和 ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成，基中 ISIS是一款便捷的電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件， ARES是一款高級的布線編輯軟件。 (1) PROTEUS ISIS 概述 通過 PROTEUS ISIS軟件的 VSM（虛擬信真技術(shù)），用戶可以地模擬電路，數(shù)字電路，模數(shù)混合電路，以及基于微控制器的系統(tǒng)連同所有外圍接口電子器件一起仿真。 在原理圖中，電路激勵(lì)源，虛擬儀器，圖表以及真接布置在線路上的探針一起現(xiàn)在電路中。任何時(shí)候都能通過 ―運(yùn)行按鈕 ‖或 ―空格 ‖鍵對電路進(jìn)行仿真。 PROTEUS VSM有兩種截然不同的仿真 方式：交互式仿零點(diǎn)和基于圖表的仿零點(diǎn)?；薪换?式仿零點(diǎn)可實(shí)時(shí)觀測電路的輸出，因此可用于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的電路是否能正常工作。而基于圖表的仿零點(diǎn)能夠在仿真過程中放大一些特別的部分，進(jìn)行一些細(xì)節(jié)上的分析，四基于的圖表的仿零點(diǎn)可用于研電路的工作狀態(tài)和進(jìn)行細(xì)節(jié)的測量。 PROTEUS 軟件的模擬仿零點(diǎn)零點(diǎn)接兼容廠商的 SPICE模型，采用了擴(kuò)充了的SPICE3F5電路仿零點(diǎn)模型，能夠記錄基于圖表的頻率特性，直流電的傳輸特性，參數(shù)掃描，噪聲分析，傅里葉分析等，具有超過 8000種的電路仿真 模型。 PROTEUS軟件的數(shù)字仿真支持 JDEC文件的物理器件仿零點(diǎn)，有全系列的 TTL和CMOS數(shù)字電路仿零點(diǎn)模型，同時(shí)一致性分析易于系統(tǒng)的自動(dòng)測試。 PROTEUS軟件支持許多通用的微控器，如 PIC， AVR， HC11以及 8051；包含強(qiáng)大的調(diào)試工具，可對寄存器，存儲(chǔ)器實(shí)時(shí)監(jiān)測；具有斷點(diǎn)調(diào)試功能用單步調(diào)試功能；具有對顯示器，按包，鍵盤等外設(shè)進(jìn)行交互式可視化仿零點(diǎn)。此外， PROTEUS可對 IAR CSPY，Keil uVision等開發(fā)工個(gè)的源程序進(jìn)行調(diào)試，可與 Keil實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)。 圖 3– 1 PROTEUS ISIS Professional 界面 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 5 頁 此外，在 PROTEUS中配置了各種虛擬儀器，如示踴器，邏輯分析儀，頻率計(jì)， IIC調(diào)試器等，便于測量和記錄仿零點(diǎn)的 波形，數(shù)據(jù)。 (2) PROTEUS ARES 概述 PROTEUS ARES PCB的設(shè)計(jì)采用了原 32位數(shù)據(jù)庫存的高性能 PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以及高性能的自動(dòng)布局和自動(dòng)布線算法；支持多達(dá) 16個(gè)布線層， 2個(gè)絲網(wǎng)印刷層， 4個(gè)機(jī)械層，加上線路板邊界層，布線禁止層，阻焊層，可以在任意角度放置元件和焊盤連接線；支持光繪文件的生成；具有自動(dòng)的門交換功能；集成了高度智能的布線算法；有超過 1000個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的元器件引腳封裝 ；支持各種 Windows驅(qū)動(dòng)設(shè)備的輸出 ；可以導(dǎo)出其他線路板設(shè)計(jì)工具的文件格式；能自動(dòng)插入最近打開的文 檔；元件可以自動(dòng)放置。 目前的最高版本是 ，增加了 元器件數(shù)量，元器件封裝數(shù)量以及更多的虛擬測試工具。 軟件 Keil uVision4 簡介 2021年 2月發(fā)布 Keil uVision4， Keil uVision4引入靈活的窗口管理系統(tǒng)，使開發(fā)人員能夠使用多臺(tái)監(jiān)視器，并提供了視覺上的表面對窗口位置的完全控制的任何地方。新的圖 3– 2 PROTEUS ARES Professional 界面 圖 3– 3 Keil uVision4 界面 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 6 頁 用戶界面可以更好地利用屏幕空間和更有效地組織多個(gè)窗口，提供一個(gè)整潔，高效的環(huán)境來開發(fā)應(yīng)用程序。新版本支持更多最新的 ARM芯片，還添加了 一些其他新功能。 2021年 3月 ARM[1]公司發(fā)布最新集成開發(fā)環(huán)境 RealView MDK開發(fā)工具中集成了最新版本的 Keil uVision4，其編譯器、調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)與 ARM器件的最完美匹配。目前使用Keil uVision4的產(chǎn)品有 Keil MDKARM， Keil C51， Keil C166和 Keil C最新的 Keil uVision4 IDE，旨在提高開發(fā)人員的生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)更快，更有效的程序開發(fā)。 uVision4引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，能夠拖放到視圖內(nèi)的任何地方，包括支持多顯示器窗口。 uVision4在 μVision3 IDE的基礎(chǔ)上，增加了更多大眾化的功能。多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng) ； 系統(tǒng)瀏覽器窗口的顯示設(shè)備外設(shè)寄存器信息 ； 調(diào)試還原視圖創(chuàng)建并保存多個(gè)調(diào)試窗口布局 ； 多項(xiàng)目工作區(qū)簡化與眾多的項(xiàng)目 。 軟件 Proteus 與軟件 Keil uVision4 的聯(lián)合調(diào)試 （ 1）假若 KeilC與 Proteus均已正確安裝在 C:\Program Files的目錄里，把 C:\Program Files\Labcenter Electronics\Proteus 7 Professional\MODELS\VDM51。 dll復(fù)制到 C:\Program Files\keilC\C51\BIN目錄中。 （ 2） 用記事本打開 C:\Program Files\keilC\C51\TOOLS。 INI文件，在 [C51]欄目下加入： TDRV5=BIN\VDM51。 DLL (Proteus VSM Monitor51 Driver) 其中 ―TDRV5‖中的 ―5‖要根據(jù)實(shí)際情況寫，不要和原來的重復(fù)。（步驟 （ 1） 和 I（ 2） 只需在初次使用 時(shí) 設(shè)置。） （ 3）在 Keil uVision4建立好工程以及編寫好相應(yīng)的程序后， 還 要對相應(yīng) 的工程作相應(yīng)的設(shè)置。 （ 4）在軟件 PROTEUS ISIS勾選上菜單欄中 ―Debug‖下的 ‖Use Remote Debug Monitor‖ 到此， PROTEUS ISIS中的原理圖與 Keil uVision4中的程序就可以聯(lián)合仿真了。 電源模塊的設(shè)計(jì) 電源模塊的功能要求和結(jié)構(gòu) 電源模塊的功能要求 :將 220V的交流電轉(zhuǎn)換成 +12V， 12V， +5V三種直流電。 電源模塊結(jié)構(gòu)框圖 3– 4： 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 7 頁 變 壓 器1 P 2 S整 流 橋 1整 流 橋 2濾 波 電 路 1濾 波 電 路 1穩(wěn) 壓 管7 8 1 2穩(wěn) 壓 管7 9 1 2穩(wěn) 壓 管7 8 0 5脈 動(dòng) 直流 電 壓脈 動(dòng) 直流 電 壓+ 1 2 V 1 2 V+ 5 VA C2 2 0 V 變壓器 ， 整流橋的計(jì)算與選擇 設(shè)系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng) N=30顆白光 LED， 每顆 LED燈的電流為 I=20mA， 正常工作條下 ，每顆 LED的兩端電壓為 U=。 則 LED的功率為 P1= 再加上其它各芯片及其它電子元器件的功耗 ， 設(shè)整個(gè)系統(tǒng)的功率為 P=2瓦 。 則變壓器的一次 端電流為 I1= =2/220= 則變壓器的二次端電流為 I2= =2/15= 整流電流的平均值 整流電壓平均值 流過整流橋的中每個(gè)二極 管的電流平均值 整流橋中每個(gè)二極管承受的最高反向電壓 穩(wěn)壓管 7812， 7912， 7805 的功能介紹 (1) 穩(wěn)壓管 W7812 三端穩(wěn)壓集成電路使用時(shí)要求輸入電壓比輸出電壓值至少在 2V以上 ， 即|U1||U2|=2V， 但也不宜過大 。 另外還有接地端流過的靜態(tài)電流 IQ=8mA。 W7812為三端固定下 12V輸出的集成穩(wěn)壓器 ， 7812主要參數(shù)有 :輸出真流電壓 UO=+12V， 輸出電流的最小值為 ， 最大值 為 ，電壓調(diào)整率為 10mV/V， 輸出電阻 RO= ， 輸入電壓 UI的范圍 15V~17V， 因?yàn)橐话闱闆r下 UI要比 UO大 3~5V， 才能保證集成穩(wěn)壓管工作在線性區(qū) 。 7812引腳 圖如 圖 3– 5所示 : 圖 3– 4 電源模塊 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告用紙 第 8 頁 (2)穩(wěn)壓管 LM7912 輸入電壓 VI=18V， 輸出電流 IO=0。 5A， 輸入