基于单片机PWM调光控制理论的RGB灯配光应用Word下载.docx

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由于信息时代的发展，Mirochip的PIC单片机在市场上占据着越来越多的份额，目前，PIC单片机的种类已经发展到10000多种，有高档、中档、低档等类型，在农业、工业上得到普遍的使用，在项目开发中可以根据实际需求进行PICMCU选型。

在我们实际生活中，PWM有着很广泛的用途，可以用步进电机、LED灯、开关电源等等。

单片机输出PWM波形的方法有很多，比如利用内置的定时器模块、ADC模块、CCP模块、等等。

相比于前两种模块，定时器模块过于占用CPU资源，且不停的进行计数；

ADC精确度如果不够，则会产生较大的误差，且操作起来不是很方便；

而利用PIC单片机独有的CCP模块，寄存器控制简单，并且便于程序修改，是输出PWM的最优选择。

在21世纪，LED灯在我们生活中扮演着越来越重要的角色。

虽然LED灯相比于其他照明灯具，价格比较贵，但是以自身节能、无污染、寿命长、体积小的优势在市场上赢得了大家的认同，前景充满阳光，被称为第四代绿色光源，广泛应用于家居装饰、城市夜景、电脑背光源、显示屏和普通照明等领域。

在我国十二五规划中，LED产业受到了大力的政策和资金支持，通过国家补贴推动LED灯的普及和加速，增大企业的竞争力，这对未来更好的推广和使用LED灯，淘汰白炽灯有着很重要的意义。

本论文根据PIC16F1827和XLAMPMC-ELED的datasheet，理解PIC16F1827的工作原理后，设计MCU与XLAMPMC-ELED彩灯进行引脚的接线控制和芯片的编程，通过使用PIC单片机的CCP模块输出PWM进行RGB灯配光，实现RGB三种颜色的256级灰度任意混合，产生256*256*256=1677216种颜色，形成不同光色的组合，满足生活的实际需求。

LED发光原理及其特点

发光原理

LED是一种能直接把电能转换成光能的半导体发光二极管，并且具有正向导通，反向截止的特点。

LED主要是由P型半导体和N型半导体两部分所组成，P区的多数载流子是空穴，N区的多数载流子是电子。

在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层叫做PN结。

在PN结当中，在外加电场的作用下，P区的空穴流向N区，N区的电子流向P区，在PN结处电子和空穴出发生复合，多余的能量则以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

的特点

首先，LED发出光的与自然光是截然不同的，普通的白炽灯的频谱是连续的，所产生的热量通过辐射的方式散出，而LED的频谱是不连续的，其中没有包括红外和紫外部分，因此它的光线没办法带走热量，只能通过传导方式来散出。

由于LED通过使用冷发光技术，相比普通照明灯具，在发光的过程中发热量低很多。

其次，LED由Ga与As、P的化合物制成，这种材料是不含毒性的，不会像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以进行回收和二次利用。

并且LED的温度不高，可以直接用手去安全触摸，是一种典型的新一代绿色照明光源。

LED被完全封装在环氧树脂里面，比起高压钠灯、金卤灯和荧光灯都更加牢固，不容易发生损坏现象。

LED耗电相当低，利用直流驱动，不会产生频闪，而普通灯都是采用交流驱动，必定会产生频闪，长时间使用会对人眼产生一定的伤害。

LED的电光功率转换接近30%，即相当于1W的电能，LED用到来发光，剩下的以热的形式消耗掉。

MC-ELED的特点

XLampMC-ELED是一种采用多芯片封装技术的LED，由红色、绿色、蓝色、白色四个正方形的LED芯片封装在一起。

这种多芯片LED的优点在于：

减少四个LED相互之间的距离，增加各芯片发出的红光、绿光、蓝光和白光的混合区域，进而提高红光、绿光、蓝光和白光混合的均匀度，使其出光效果更好。

由于各个LED是独立于整个封装，所以能够防止在某一点集中发热，进而很好的控制LED的温度不会过高。

这里需要注意的是，MC-ELED封装由于封装的芯片多，发热量大，采用铝基PCB电路板或铜基PCB电路板，芯片直接固定在金属基板上，因为使用金属基板可以方便外接散热器散热。

MC-ELED消耗的总功率，是各芯片消耗功率的总和，总光通量也是各芯片发光通量的和，用总光通量除以总消耗功率，即可得出该器件的发光效率。

单片机编程理论

PIC单片机工作原理

的主要结构

　　PIC16F1827主要由CPU、振荡器模块、参考时钟模块、比较器模块、ADC模块、IO端口、Timer2/4/6模块、捕捉/比较/PWM模块所构成。

PIC16F1827包含了一个增强型中档8位CPU内核。

该CPU具有49条指令，提供了直接寻址、间接寻址和相对寻址模式。

中断功能包括定时器中断、ADC中断、外部中断、外设中断、比较器中断、电平变化中断和自动现场保护。

PIC16F1827器件中有三种类型的存储器：

数据存储器RAM、程序存储器ROM和数据EEPROM存储器。

下图为PIC16F1827主要结构：

　　PIC16F1827的引脚功能介绍

　　PIC16F1827引脚图

　　PIC16F1827引脚功能图

　　PIC16F1827的RA端口和RB端口具有很丰富的复用功能，根据芯片datasheet，配置引脚复用寄存器，设置相应的引脚功能。

其中每个端口有3个寄存器与其操作有关系，包括：

TRISx寄存器，是一个数据方向寄存器；

PORTx寄存器，用来读取器件引脚上的电平；

LATx寄存器，作用是输出锁存器。

有些端口还包括其他寄存器，如：

ANSELx寄存器，用来做模拟选择，WPUx寄存器，是用来设置弱上拉。

　　的配置字

在对单片机编程的过程中，配置位的信息十分重要，一个系统是否能正常运行，配置位的设置准确是关键。

PIC16F8127的器件配置包括配置字寄存器1、配置字寄存器2、代码保护和器件ID。

代码保护是用来保护MCU不受XX的访问。

　　PIC单片机开发板原理

　　在开发的过程中，用到了爱晶电子的PIC18F4620开发板。

开发板可以用来进行嵌入式系统开发，做程序烧写的一个桥梁，其中硬件组件包括CPU、RAM、IO口等等。

这个开发板上有很多模块，其中常用到的模块是MCU主模块、4*4矩阵键盘、PICKIT2接口、IO口设备。

各模块之间相互接线可以通过使用短路帽或者软跳线，也叫杜邦线，这种连接方式其他模块的接线可以由开发人员自己来决定，具有很好的灵活性。

开发板可以由USB1供电或者USB2供电。

晶振接口可以根据实际需要改换成4MHZ、10MHZ、20MHZ等等。

ICSP接口即在线调试编程接口可以用来与ICD2、ICD3进行连接。

通过开发板，我们可以利用这个板上的一些模块来对MCU做程序测试，缩短研发的进度，提高效率。

　　4.绘制电路图及制作PCB电路板

LED电路驱动方式

LED驱动电路的形式包括：

直流驱动和交流驱动两种形式。

其中直流驱动包括恒流型、恒压型、限流型等方式。

但是在实际的应用当中，使用最多的就是直流驱动的形式。

假如采用恒压来作为LED电路驱动的时候，则LED两端电压基本上是保持在一个固定值不变，但是由于电压中会存在一些波动，会导致LED的电流会随着电压的变化而发生变化，产生不稳定现象。

然而，如果采用的是恒流驱动的方式，即保持LED的电流不变，一旦外界发生了一定的干扰，导致电流发生了变化，LED电流也能在自身电路调节下恢复到原先设置的参数。

在本次实验中，使用的方法就是恒流型驱动方式。

这种方式使用简单，电路不复杂，使用了PT4115作为恒流芯片，资料充足，性价比高，是很好的选择。

驱动电路原理

要在220V情况下工作，需要一个降压整流滤波电路。

首先从输入端220V先经过变压器转为交流的12V，通过整流桥，即将桥式整流的四个二极管封装在一起，只引出4个引脚，作用是把交流电转换为直流电。

电解电容C5的作用是进行滤波，去除掉整流后的杂波。

LM317是一个三段可调节输出正电压稳压器，这种稳压器的使用非常方便，只需要在两个外部电阻来设置输出电压。

这次实验中PIC16F1827采用的电压是，所以根据稳压器的数据手册计算得到R5的阻值为320欧姆。

P1接口是用来提供烧写程序的接口，5个脚分别表示：

VCC、GND、VPP、PGD、PGC。

PT4115是一款高调光比LED恒流驱动器，功能是可以用来驱动一颗或者多颗串联LED。

PT4115的输入电压范围从6V到30V，输出电流是可以调整的，最大可以达到。

其中，CSN表示电六采样端，SW表示功率开光的漏端，DIM表示开关使能、模拟和PWM调光端，GND表示信号和功率地，VIN是电源输入端，必须就近接旁路电容。

电路中采用4个PT4115，每个恒流源分别为一个LED供电。

PIC16F1827的RA2，RA3，RA4，RB3四个脚分别连接到4个PT4115的DIM端，分别通过MCU输出PWM信号来对LED灯进行调光，进而对RGB灯进行配光。

　　LED驱动电路板

　　编写RGB灯配光程序

MPLABXIDE软件介绍

MPLABXIDE可以用来运行在Windows或者Linux系统上的调试软件，是专门用来开发Microchip单片机应用。

由于它提供了一个统一的集成“环境”来支持嵌入式单片机的代码开发，因此称为集成开发环境（IDE）。

PIC单片机的开发工具链被MPLABX集成开发环境带来了巨大变化。

跟以往完全由内部开发的MPLAB版本不同，MPLABX是一种基于Oracle的开源NetBeansIDE。

由于采用这种开源方式，使我们得以非常方便自如地添加了许多常用功能，同时还提供了一种更易于扩展的架构以便将来添加新功能。

本次实验中利用MPLABXIDE软件来做进行开发，MPLABXIDE这个软件可以用来进行C语言程序的编写，同时可以用来烧写到单片机芯片内。

并且利用这个软件，可以查看每一个寄存器的地址和数据，可以进行断点调试，使用起来非常方便开发。

要注意的是，在开始安装MPLABX时要先安装JAVA，另外在文件中要使用中文注释的时候，文件类型一定要改为GBK、GB2312中的一种。

并且配置位一定要根据具体的芯片手册，进行配置位的设置，如果设置错误，会导致整个MCU无法正常运行。

　　MPLABXIDE界面图

调光控制理论

调光方法

　　LED调光的方式主要有三种：

线性调光、可控硅调光以及PWM调光。

　　线性调光主要利用电路的分压原理，这种方式的优点是操作方便，不产生干扰，缺点在于效率比较低，而且当LED的电流在下降的时候，会导致白光LED向黄色光谱偏移，同时还会因为分压产生过多的热量。

可控硅调光的优点在于工作效率较高，性能稳定。

但是缺点在于可控硅导通后需要一个维持电流来保持导通，否则会恢复到截止状态，并且在低负载的时候会出现不稳定现象。

在使