论文利用PWM调节LED亮度

微型计算机技术专业方向课程设计任务书题目名称：利用PWM调节LED亮度专业自动化(订单式培养)班级机电121班姓名胡炳华学号201228212学校：青岛理工大学自动化学院指导教师：史贺男2014年12月15日1课程设计任务书课程名称：微型计算机技术设计题目：利用PWM调节LED亮度系统硬件要求：LED亮度分四个档：灭、微亮、较亮、最亮，由四个按键控制软件设计：1）主程序设计2）各功能子程序设计其他要求：1、每位同学独立完成本设计。2、依据题目要求，提出系统设计方案。3、设计系统电路原理图。1、调试系统硬件电路、功能程序。2、编制课程设计报告书并装订成册，报告书内容（按顺序）（1）报告书封面（2）课程设计任务书（3）系统设计方案的提出、分析（4）系统中典型电路的分析（5）系统软件结构框图（6）系统电路原理图（7）源程序（8）课设字数不少于2000字成绩评语2摘要随着LED在照明领域的发展，其控制方法也在不断提高。而PWM技术利用数字输出来对模拟电路进行控制的优点被应用于众多领域。本项目以51单片机为核心，通过单片机产生PWM波来控制LED亮度，使LED亮度分四个档：灭、微亮、较亮、最亮，由四个按键控制。同时添加了数码显示管辅助显示，本系统设计简单，性能稳定，能够通过单片机灵活编程进行各参数的设定和修改。关键词：51单片机PWMLEDABSTRACTWiththedevelopmentoftheLEDinlightingfield,thecontrolmethodhasbeenimproved.PWMtechnologyusesdigitaloutputtocontrolanalogcircuits.TheadvantagesofPWMtechnologywasappliedinmanyfields.Thisprojectuses51single-chipmicrocomputerasthecore,andsinglechipmicrocomputertocontroltheLEDbrightnessbyproducingPWMwave.TheLEDhavefourkindsofbrightness:destroyed,careless,lighter,thebrightest,controlledbythefourbuttons,addedthedigitaldisplaytubeauxiliarydisplayatthesametime.Thesystemdesignissimple,stableperformance.Thesinglechipmicrocomputerprogrammingcouldsetandmodifytheparametersflexibly.KEYWORDS:51singlechipmicrocomputerPWMLED3前言当前社会能源短缺的问题日益严重，节约能源成为经济发展面临的重要问题。LED是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射。LED具有环保、节能、寿命长、体积小等特点、广泛应用于普通照明和各种指示、显示等领域。作为一种新型绿色光源产品，LED将成为未来照明领域的发展趋势。LED的亮度调节有多种方法。可以模拟电压和电流可直接用来进行控制。尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。此外，利用模拟电路调节还有可能严重发热。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种术广泛应用在测量、通信和功率变换的领域中。PWM控制信号从处理器到被控系统都是数字形式的,而无需进行数模转换，可以有效的降低噪声的影响。在电力电子技术中，PWM脉宽调制的方法有很多,比如：相电压控制PWM、电流控制PWM和矢量控制PWM等。在简单的系统中可以利用单片微机通过程序产生PWM波形来实现控制作用。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。4目录第一章系统设计.........................................51.1总体设计方案..................................................51.2单片机产生PWM波的分析........................................61.3LED亮度调节讨论..............................................6第二章系统硬件设计......................................82.1单片机........................................................82.2系统复位电路..................................................9第三章系统软件设计....................................123.1原理.........................................................123.2软件程序流程图...............................................12第四章系统的调试与仿真.................................134.1硬件调试.....................................................134.2软件调试.....................................................134.3KEIL和PROTEUS的联合调试....................................144.4实物PWM模拟信号调节灯亮度...................................16总结与体会.............................................19未来展望...............................................20参考文献...............................................21附录..................................................221.整体电路原理图及PCB图........................................222.程序..........................................................233.元器件清单....................................................285第一章系统设计1.1总体设计方案由项目要求我们可以初步确定整体方案，首先我们使用STC89C52RC单片机，它也是属于51单片机系列的一款。根据要可知，我们以51单片机为控制器，配合晶振电路和复位电路构成最小系统，外界LED显示，由软件控制产生PWM波，根据占空比不同，所以通过LED的平均电流不同，LED亮度也不同。从LED的伏安特性可知，其曲线是非线性的，0.1V的电压变化可能造成100～200mA的If的变化，不易控制;另外，LED具有负温度系数特性，所以，一般将LED说成是电流控制型器件。PWM是脉冲宽度调制信号，其中的“宽度”，就是脉冲的高电平的时间。PWM信号调节LED亮度时，信号频率是不变的，改变的是脉冲的高电平的时间，即LED的导通时间。这种信号调节亮度相当于调节LED的平均电流，所以电流会变化，即LED亮度会改变。通过学习我们知道可以用MCU产生PWM信号，也可以用模拟电子线路产生相应的PWM信号，但对我们所做的系统来说，采用单片机产生相应的PWM信号比较简单且成本低，因此我们选择用MCU来产生PWM信号。在原来的基础上我们又增加了数码管，以此来显示此时的占空比，增加此功能后更直观、清晰。下面是我们总体系统设计框图：6单片机及系统时钟电路、复位电路MAX232电路模块按键模块LED模块数码管显示模块图3.1总体系统设计框图1.2单片机产生PWM波的分析通过前面学习知道脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用和方波的占空比被调制来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。51系列单片机自身没有PWM接口，即无PWM输出功能，但可以采用定时器配合软件的方法输出。对精度要求不高的场合，非常实用。51系列单片机的工作频率我们选择的是12MHZ,并用T0定时器及定时中断来完成PWM输出，T0定时器设置成：16位定时器通过使用定时器0，方式1。1.3LED亮度调节讨论系统硬件要求LED亮度由4个按键控制。最初我们是利用这4个按键来控制7LED灯的灭、微亮、较亮、最亮，仅4种状态，但最终经我们商讨和向老师请教，我们决定设置了4个按键，分别为open键、close键、up键及down键，分别控制单片机P1.0口PWM的输出进而控制LED灯的开、关、亮度增加及亮度降低，在达到要求的基础上，我们使LED灯的亮度状态增加至16级。8第二章系统硬件设计2.1单片机我们选用的是STC89C52型号的单片机，该单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。其具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。图3.2STC89C52RC单片机原理图9系统时钟电路：控制单片机的工作节奏。12Y111.0592C930PFC330pf图3.3系统时钟电路原理图2.2系统复位电路：①上电复位：上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。②手动复位：首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。K0VCCC7104R10R11GND图3.4系统复位电路原理图LED模块：LED亮度显示。10R9470LED1VCCP1_0图3.5LED连接原理图数码管显示模块：用于显示当前的输出PWM占空比。A1f2g3e4d5A6c8D