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（单位）________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（五级记分制）:________________指导教师（签字）:________________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（如高压钠灯和金卤灯）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：LEDSTC12C5A60S2单片机PWM占空比AD采集目录1绪论研究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（如高压钠灯和金卤灯）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，并符合当前政府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。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（PWM）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3σ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。2LED调光系统总体设计总体方案设计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。图系统组成框图3系统硬件设计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~。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PCA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。封装引脚图如图所示。图芯片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。2．STC12C5A60S2系列工作电压：；STC12LE5A60S2系列工作电压：。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（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）。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。7．ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），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（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）。11．外部掉电检测电路：在口有一个低压门槛比较器。5V单片机为，误差为±5%；单片机为，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：单片机为：11MHz～；单片机为：8MHz～12MHz。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。个时钟输出口，可由T0的溢出在T0输出时钟，可由T1的溢出在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，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/，INT1/,T0/，T1/，RxD/，CCP0/(也可通过寄存器设置到，CCP1/(也可通过寄存器设置到。16．PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路），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)。17．A/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。19．STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/(可通过寄存器设置到，TxD2/(可通过寄存器设置到。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（均可级联）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1280ByteRAM。工作电压，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。其最小系统如图所示。图单片机最小系统电路图驱动电路本次设计LED光源共由1只5mm高亮度小功率LED灯珠组成；灯珠的压降约,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：onLTIIT（）单片机的频率是20KHz，时钟周期为T为50μS。LED驱动电路如图图驱动电路图L1为镇流电感，选取100μH,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（即400μS），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，其调光原理如图所示；当高电平脉冲为10时，占空比为1,LED亮度最大。图调光原理图按键电路该系统有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