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基于单片机的LED调光器的设计重庆科技学院 智能仪器课程设计报告 学 院:_电气与信息工程学院_ 专业班级: 测控0902班 学生姓名: 学号: 设计地点_I512_ _ _ _ 设计题目:_LED调光器设计_ 完成日期： 年 月 日 指导教师评语: _ _ _ _ _ 成绩:_ _ 指导教师:_ _ 基于单片机的PWM的LED调光设计 摘 要 LED作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯之后的第四代新光源。基于白光LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点。但在实际中发现LED灯功能单一，不能实现灯的亮度手动和自动控制，且不能随着环境光的变化而变化，造成能源的浪费。本文介绍了以高性能的STC12C5A60S2单片机为控制核心，利用单片机的PWM口产生的占空比LED进行光度的手动和自动调节。通过光敏电阻对环境光度进行AD采集，达到LED灯亮度随环境自动变化。 关键词：LED STC12C5A60S2单片机 PWM 占空比 AD采集 1 基于单片机的PWM的LED调光设计 目 录 摘要 . 1 1 绪论 . 3 1.1 研究LED调光的目的及意义 . 3 1.2 本课题设计内容及要求 . 3 2 LED调光系统总体设计 . 4 2.1 总体方案设计 . 4 3 系统硬件设计 . 4 3.1 单片机最小系统 . 4 3.2 LED驱动电路 . 7 3.3 按键电路 . 8 4 系统软件设计 . 9 4.1 软件总体设计 . 9 4.2 手动调光程序设计 . 10 4.3 自动调光程序设计 . 10 4.4 AD采集程序 . 11 4.5 按键程序设计 . 11 5 总结 . 13 参考文献 . 14 致谢 . 15 附录1 系统电路图 . 16 附录2 程序清单 . 17 2 基于单片机的PWM的LED调光设计 1 绪论 1.1 研究LED调光的目的及意义 随着全球能源危机和气候变暖问题的日益严重，绿色节能已经成为全球普遍关注的话题，人们正通过各种途径寻找新的节能方式。照明是人类消耗能源的重要方面，在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例是19%,我国也达到12%.随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究越来越受到重视。LED 作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯之后的第四代新光源。基于白光LED 的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相比，具有节能、环保、寿命长、体积小、安全可靠等特点，代表着照明技术的未来，并符合当前*提出的"建设资源节约型和环境友好型社会"的要求。可以预见不久的将来。 目前，市场上采用白炽灯、卤素灯、荧光灯为光源的台灯普遍存在着低效率、高能耗、不易调光等缺点；至于寿命结束的含汞灯，一旦处理不当，将对环境造成严重危害；且实际的应用中，发现LED灯在周边亮度大时依然以同一功率发光，存在电能浪费。另外一方面，因为LED的发热量和电流存在正相关的关系，发热影响了LED的寿命，所以在不必要的亮度下也减少了LED的寿命。然而，当LED在周边亮度小时，LED灯不能提供足够和恰当的光度，这样又影响了阅读，造成视觉疲劳。 而且部分LED灯功能单一，缺少亮度调节、手动控制、自动控制，通过环境变化改变自身亮度等功能。为解决当前问题，研究一个好的LED调光系统意义重大。 1.2 本课题设计内容及要求 本次课题设计的目标是，在了解当前LED现有功能的基础上，利用单片机设计一个LED调光系统，该系统能够调节LED灯的亮度，且满足一定的精度要求。因此，本课题研究设计内容概括如下： 1.基本功能 1）采用脉宽调制对LED进行调光； 2）按给定时间-输出功率曲线自动调整LED亮度； 3）按键选择手动/自动调光方式； 4）4位数码管显示LED光源的相对亮度； 5）具有电源开关、电源指示灯、复位等功能。 2. 扩展功能 1）实现光敏自动调光，根据室内的光照变化，自动改变LED光源的亮度； 2）对采集的光照数据进行处理，利用3准则剔除粗大误差，设计算术平均数字滤波器； 3）手动遥控调光功能。 3 基于单片机的PWM的LED调光设计 2 LED调光系统总体设计 2.1 总体方案设计 LED调光系统应主要包括称光敏采集、AD转换、单片机数据处理及控制、PWM控制、按键操作等部分。其系统组成如图2.1所示。在系统中，设置了手动调光和自动调光。在手动调光时，分为十档，每一档对应一个占空比对LED的电流进行控制，从而对LED的亮度进行调节。自动调光时，在一个子函数里调用控制LED亮度函数，再通过循环和延时实现一个简易的LED亮度的变化。光敏电阻采集的信号换成电信号送到线性放大器放大，经过 A/D转换送入单片机，再经数据处理后，反馈给LED灯改变其亮度，数码管则显示当前与光敏电阻串联10K电阻的电压值。 该调光系统是由硬件和软件两部分组成。硬件主要包括单片机最小系统、LED驱动电路、按键电路、数码管显示电路、LED显示电路等部分；软件部分主要包括系统初始化子程序、手动控制子程序、自动控制子程序、AD采集及处理子程序、定时及中断子程序等，其软件采用模块化设计思想，可使程序设计思路清晰，便于调试。 图2.1系统组成框图 3 系统硬件设计 3.1 单片机最小系统 本系统采用新一代的8051单片机STC12C5A60S2，由国内宏晶科技生产，其指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，其工作电压范围是3.5V5.5V。STC12C5A60S2有60KB的用户应用程序空间，256B的RAM和1024B的XRAM。能满足程序代码的需求和缓冲区定义的需求。另外与程序存储空间独立的一片闪存区域，可在应用编程中作EEPROM使用。STC12C5A60S2有双UART以及ISP串口，串口资源足够系统使用。另外通过宏晶科技提供的软件，使用UART可很容易地实现程序下载。STC12C5A60S2有36个通用I/O口，大部分可位控，并且有强推挽输出的能力，足够系统使用。还拥有4个16bit定时器和一个独立的波特率发生器，另外还有两个PCA4 基于单片机的PWM的LED调光设计 模块，能获得丰富的定时器资源。STC12C5A60S2有PDIP-40封装的芯片，易于快速进入实验。封装引脚图如图3.1所示。 图3.1 STC12C5A60S2芯片PDIP封装引脚图 STC12C5A60S2主要性能： 1增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。 2STC12C5A60S2系列工作电压：3.3V- 5.5V；STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V-2.2V。 3工作频率范围：0-35MHz，相当于普通8051的0-420MHz。 4用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节等。 5片上集成1280字节RAM。 6通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉。可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA。 7ISP/IAP，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 8有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)。 9看门狗。 10内部集成MAX810专用复位电路。 11外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器。5V单片机为1.32V，误差为±5%；3.3V单片机为1.30V，误差为±3%。 12时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为±5%到±10%以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MHz；3.3V单片机为：8MHz12MHz。 5 基于单片机的PWM的LED调光设计 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。 13共4个16位定时器，两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器。做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。 14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟。 15外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3,T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 )，CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)。 16PWM(2路）/PCA，也可用来当2路D/A使用，也可用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)。 17A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)。 18通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口。 19STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)。 20工作温度范围：-40 - +85(工业级) /0 - 75(商业级)。 21封装：PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48，I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接，74HC164/165/595来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。 STC12C5A60S2单片机最小系统由STC12C5A60S2单片机及其时钟和复位电路组成，是整个自动称重系统控制部分的核心。该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，提供Flash程序存储器60kByte，1kByte的EEPROM，片上集成1280Byte RAM。工作电压3.5-5.5V，内部集成MAX810专用复位电路，拥有4个定时器，2个串口，2路PWM，8路高速10位A/D转换，ISP/IAP，内置看门狗电路，外部掉电检测电路等。STC12C5A60S2的最小系统包括复位电路和时钟电路，复位电路有上电复位、按键复位、看门狗等复位方式，本设计采用按键复位方式。在单片机的X1、X2引脚之间加上11.0592MHZ的晶振，并通过20pF左右的电容接地为单片机提供工作时钟。其最小系统如图3.2所示。 6 基于单片机的PWM的LED调光设计 图3.2单片机最小系统电路图 3.2 LED驱动电路 本次设计 L ED 光源共由1只5mm 高亮度小功率LED 灯珠组成；灯珠的压降约3.1V,工作电流约20mA。由白光LED 的正向伏安特性可知，当LED 端电压超过其正向导通电压后，较小的电压波动都会导致工作电流的的剧烈变化，从而影响LED的正常使用，固LED 宜采用恒流驱动方式。采用PWM调光，其基本原理是保持LED正向导通电流恒定，而通过控制电流导通和关断的时间比例，即改变输入脉冲信号的占空比，使LED产生亮暗变化；并利用人眼的视觉残留效应，当LED 亮暗变化频率大于120Hz 时，人眼就不会感觉到闪烁，而看到是LED 的平均亮度。PWM 调光的优势是LED正向导通的电流是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光时产生变化。 输出的电流值计算公式为： IL=TonIT 单片机的频率是20KHz，时钟周期为T为50S。LED驱动电路如图3.3 7 基于单片机的PWM的LED调光设计 图3.3 LED驱动电路图 L1为镇流电感，选取100H,用于稳定通过LED 的电流。D1 是续流二极管，当芯片内部MOS 管截止状态时为储存在电感L1中的电流提供放电回路。PWM 脉冲信号则由单片机P1.4口产生，其高低电平决定LED的通断状态。将定时器T0溢出中断定为1/2500 秒，每10 次脉冲作为一个周期，即频率为250HZ。这样，在每1/250 秒的方波周期中，通过改变方波的输出占空比，从而实现LED 灯的10 级亮度调节，即LED 亮度等级由每个周期内的高电平脉冲数目决定。当高电平脉冲个数为1 时，占空比为1/10,亮度最低，其调光原理如图3.4所示；当高电平脉冲为10 时，占空比为1,LED亮度最大。 图3.4PWM 调光原理图 3.3 按键电路 该系统有3个选择模式，模式的切换需要按键完成，根据所需功能和要求，该系统采用的是4个独立式按键，分别为MODE键、UP键、DN键和ENT键。MODE键功能为模式切换，ENT键为数字清零及部分画面切换功能，UP键起数字加作用，DN起数字减功能。MODE键与单片机P20口相接，UP键与单片机P21口相接，DN键与单片机P22口相接，ENT键与单片机P32口相接，最终完成模式切换和数码管显示电压功能。电路如图3.5所示。 8 基于单片机的PWM的LED调光设计 图4.3 按键电路图 4 系统软件设计 4.1 软件总体设计 对于该LED调光系统，软件部分主要包括系统初始化子程序、手动控制子程序、自动控制子程序、AD采集子程序、模式选择子程序等。总体设计思路为：首先进行系统初始化，主要是设置定时器的工作方式、赋初值及等。在while循环中调用各个子程序，实现LED调光系统的各个功能。LED调光系统主函数流程图设计为如图4.1所示。 图5.1 系统主函数流程图 9 基于单片机的PWM的LED调光设计 4.2 手动调光程序设计 手动调光时，分为十档，分别输出不同的占空比对LED的电流进行控制，从而对LED的亮度进行调节。其流程图如图4.2所示。 图4.2手动调光程序流程图 4.3 自动调光程序设计 自动调光时，在一个子函数里调用控制LED亮度函数，再通过循环和延时实现一个LED亮度的变化。其流程图如图4.3所示。 图4.3手动调光程序流程图 10 基于单片机的PWM的LED调光设计 4.4 AD采集程序 本次设计AD采集所用的位数为10位，光敏电阻采集的信号经过放大器放大反馈给P10口，经过单片机的处理数码管显示其采样值，再送给LED灯，从而达到控制灯亮度的变化。其流程图如图4.4所示。 图4.4AD采样程序流程图 4.5 按键程序设计 4个按键操作主要在定时器0中断中完成。进入按键扫描程序，如果有键按下就先延时去抖动确定有键按下，再判断是哪个键按下。每个按键具体作用如下： 在模式1中，MODE键功能默认工作方式为手动控制；UP键为灯亮度的加控制；DOWN为灯亮度的减控制，长按MODE键则跳出手动控制。 在模式2中，按下MODE键则进入自动控制，每100ms对应一个亮度变化，长按MODE键则跳出自动控制 在模式3中，按下MODE键进入AD采集模式，灯的亮度变化与环境光和光敏电阻反馈的信号有关。长按MODE键则跳出AD采集模式。 按键程序流程图如图4.5所示。 11 基于单片机的PWM的LED调光设计 图4.5 按键程序流程图 12 基于单片机的PWM的LED调光设计 5 总结 此次设计LED调光系统，历时4周，克服了经验不足等诸多问题，最终得以完成。在整个设计中，实现了手动调光，自动调光，基于环境变化调光等，基本功能全部实现。拓展功能做得不是很好，只实现光敏自动调光，而对采集的光照数据进行处理，利用3准则剔除粗大误差，设计算术平均数字滤波器和手动遥控调光功能没能实现，主要因素是在这方面能力欠缺和时间不足。调试过程中也遇到不少的问题：先是拓展板的光敏电阻位置焊错，在拆卸的时候废了不少的劲。软件调试过程中：先是未加“STC12C5A60S2.H”头文件，导致出现大量的错误。之后在按键模块各个分程序没有很好的衔接，导致数码管显示乱码，LED灯亮度没有变化，最后在老师和同学的帮助下最终很好地解决了上诉问题。 13 基于单片机的PWM的LED调光设计 参考文献 1 谭浩强.C程序设计M.北京:清华大学出版社,1991 2 高海生,杨文焕.单片机应用技术大全M.西南交通大学出版社,1999-06. 3 徐爱钧,彭秀华.单片机高级C51应用程序设计M.中国计量出版社,2001. 4 马盅梅.单片机的C语言应用程序设计M.北京航 5 胡文金.单片机应用技术实训教程M.重庆:重庆大学出版社,2005. 14 基于单片机的PWM的LED调光设计 致谢 通过4周的努力，终于完成了LED调光的设计及调试工作。由于设计经验的不足在设计及调试中遇到了很多困难，但得到了老师和同学们的帮助，在此对他们表示感谢。在软件编写与调试中也得到了老师们的指导，在此由衷地感谢他们。由于本人的硬件设计和调试全在I509实验室完成，实验室的负责老师给我提供了设计地方和全部所需器材，非常感谢老师的帮助。 在整个课程设计过程中，我的指导老师杨波老师一直都是耐心的指导，至始至终都没有停止过对我的辅导，让我学到了许多知识，使我受益非浅。 最后，感谢学校、学院给予这样的一次机会，经历了整个设计过程，我的收获是丰富的，也对整个大学的知识进行了梳理，对所学专业有了更深刻的认识。 15 基于单片机的PWM的LED调光设计 附录1 系统电路图 16 基于单片机的PWM的LED调光设计 附录2 程序清单 /头文件 #include<intrins.h> #include<STC12C5A60S2.H> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define THCO 0xEE #define TLCO 0x3F #define AD_CHANNEL 0 unsigned int vx=10; unsigned char code Duan=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x76;/段选码 unsigned char Data_Buffer6=0,0,0,0; unsigned char Hour=7,Min=0,Sec=20; /时钟时间 unsigned int flag=0;/1分时间到标志 bit AD_flag=0; bit SOS_flag=0; char tp=0; unsigned int v; unsigned int temp1=600; unsigned char Mode=0; unsigned char K=1; bit flag1=0; /vx=5在用于12864LCD的LED背光调整时上电为半亮度状态，可根据自己的用途及要求任意设定 sbit KEY_H=P22; sbit KEY_L=P21; sbit MODE=P20; sbit P34=P34; sbit P35=P35; sbit P36=P36; sbit P37=P37; sbit P14=P14; sbit P24=P24; sbit P25=P25; sbit P26=P26; sbit P27=P27; sbit P32=P32; /*/ void PWM_init (void) /PWM初始化函数 CMOD=0x02; /设置PCA定时器 系统时钟 SYclk/2 CL=0x00; CH=0x00; CCAPM1=0x42; /PWM1设置PCA工作方式为PWM方式 8位pwm输出无中断 CCAP1L=0xff; /设置PWM1初始值与CCAP0H相同 CCAP1H=0xff; / PWM1初始时为0 /启动PCA定时器 /*/ void PWM1_set (unsigned int a) /PWM1占空比设置函数 17 基于单片机的PWM的LED调光设计 CCAP1L=a; /设置值直接写入CCAP1L CCAP1H=a; /设置值直接写入CCAP1H /*/ void DelayM(unsigned int a)/延时函数 1mS/次(用于1T单片机) unsigned char n,i,j; while(-a!=0) for(n=1;n>0;n-) for(j=222;j>0;j-) for(i=12;i>0;i-); /*/ /*/ void manual_control /手动控制 PWM1_set(vx*25); /-减调整-/ if (KEY_L = 0 ) DelayM(20); /延时20毫秒消抖动 if(KEY_L = 0) /如果20SM后KEY_L还是0状态则确认下调键是按下的 vx-; if(vx<1)vx=10; /如果设定vx=10,将语句改为if(vx<1)vx=10;则为单按键循环控制，则可去除加调整控制部分 while(KEY_L = 0);/等待键松开 /-加调整-/ if (KEY_H = 0 ) DelayM(20); if(KEY_H = 0) vx+; if(vx>=11)vx=1; while(KEY_H = 0); /*/ void dispaly1 flag=0 ; Data_Buffer0=0; Data_Buffer1=vx; Data_Buffer2=0; Data_Buffer3=0; /*/ void a1 18 基于单片机的PWM的LED调光设计 P34=0,P37=1,manual_control; dispaly1;CR=1; /*/ unsigned int AD_Sample(unsigned char channel) uint i,q=0; unsigned int temp; for(i=0;i<10;i+) tp=0; ADC_RES=0; ADC_RESL=0; ADC_CONTR=0x88|channel;/选择AD当前通道，并启动转换 while(!tp) tp=0x10; tp&=ADC_CONTR; ADC_CONTR&=0xe7; temp=(ADC_RES&0x03)*256+ADC_RESL; q=q+temp; temp=q/10; return temp; / void a2 if(flag1=1) flag1=0; v=AD_Sample(AD_CHANNEL); Data_Buffer0=v/1000; Data_Buffer1=v/100%10; Data_Buffer2=v/10%10; Data_Buffer3=v%10; if(v<500) PWM1_set(25); if(v>510) PWM1_set(0xff); void AD_init P1M0=1; /P10设为A/D转换功以能 P1M1=1; P1ASF=0X01; /通道选择 AUXR1|=0x04; ADC_CONTR=0x80; /打开A/D转换器电源 19 基于单片机的PWM的LED调光设计 / /*/ void SOS_LED /呼吸灯子函数 unsigned int i; for(i = 100;i < 240;i=i+5) PWM1_set(i); DelayM(200); for(i = 240;i > 100;i=i-5) PWM1_set(i); DelayM(200); /*/ void main(void) static unsigned int flag1=0; unsigned char i; TMOD=0x11; /定时器0初始化 TH0=THCO; TL0=TLCO; TR0=1; ET0=1; EA=1; KEY_H = 1;KEY_L = 1; PWM_init ; while(1) if (MODE = 0 ) DelayM(20); /延时20毫秒消抖动 if(MODE = 0) /如果20SM后KEY_L还是0状态则确认下调键是按下的 flag1+ ; if(flag1>=4)flag1=0; /如果设定vx=10,将语句改为if(vx<1)vx=10;则为单按键循环控制，则可去除加调整控制部分 while(MODE = 0);/等待键松开 switch(flag1) case 0:a1;break; case 1: PWM_init;CR=1; P37=0; P36=1; SOS_LED;break; case 2: CR=0,CL=0,CH=0;break; case 3: AD_init;PWM_init;CR=1;a2;break; void timer0 interrupt 1 static unsigned char count=0; static unsigned char AD_count=0; 20 基于单片机的PWM的LED调光设计 static unsigned char Bit=0; /静态变量，退出程序后，值保留 TH0=THCO; TL0=TLCO; if(flag=1) count+; if(count>=200) /秒计时，定时器定时5ms,计200次为一秒 count=0; Sec-; if(Sec=0) Sec=20,CR=0, CCON = 0; CL = 0; /复位PCA的计数器 CH = 0; flag=0; AD_count+; if(AD_count>=100) /半S时间到 AD_count=0; flag1=1; Bit+; if(Bit>=4)Bit=0; P24=P25=P26=P27=1; /先关位码 P0=DuanData_BufferBit; /开段码 if(count<100&&Bit=1)P0|=0x80;/0.5S中间小数点亮，之后灭，不断循环 switch(Bit) /送位码 case 0: P24=0;break; case 1: P25=0;break; case 2: P26=0;break; case 3: P27=0;break; 头文件 STC12C5A60S2.H /- /新一代 1T 8051系列 单片机内核特殊功能寄存器 C51 Core SFRs / 7 6 5 0 Reset Value