基于51单片机PWM调光灯设计Word格式.docx

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dimming 

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前言

LED照明又称固态照明，作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术，具有节能、环保、安全可靠的特点，固态显示光源是照明领域里面比较看好的发展产业，在未来十年中将传统的照明工具替换，是代表照明技术的未来。

发展新型固态照明，不仅是照明领域的革命，且符合政府所提出的“建设节约型资源和节能环保型社会”的要求。

LED台灯就是以LED（LightEmittingDiode）即发光二极管为光源的台灯，LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED台灯是典型的绿色照明光源产品，作为国家绿色照明推广使用的产品，具有广阔的应用市场前景。

随着科技的进步、时代的发展，节能环保、健康生活等话题被人们日益关注，照明工具是人们生活中的必需品，我国是一个人口大国，每年所用的电量为5185.9万兆瓦，其中照明占到总用电量的百分之十二，每年还以3.44%的速度持续增长，“如何更好地节约能源”这已成为当今时代性的话题，作为照明工具，灯具的损耗以及生产灯具的剩余材料丢弃，势必会造成环境的污染，使用寿命的不断减少使得每年浪费的材料数量巨大，不仅在材料能源上进行浪费，而且在人们的健康上也有影响，据统计，我国有四分之二的人有不同程度视力问题，由于不正确的用眼方式造成近视人数占到总人数的百分之三十，因此健康的用眼越来越被人重视。

本文介绍了以单片机STC系列的89C51为主要控制核心，通过光敏电阻感应光度的强度，并利用PWM调光技术对LED进行光度的自动调节。

同时设置手动控制。

该LED台灯电路简易操作，便于携带，使用寿命延长，适宜学生、以及长期工作在灯光下的人群。

第1章绪论

1.1 

课题研究背景

在许多人家庭中，台灯是生活的必须品，但是因为忘了关灯造成极大的能源浪费。

在我国,照明所耗电的时间已经超过100亿千瓦每小时 

如今台灯很多都是采用的灯的种类是有白炽灯、荧光灯、节能灯和螺旋节能灯等等 

采用的控制方式有多种,不需要连续调节，只需要台灯的自动调节。

当屋内变黑时，人们在黑暗中开灯，特别不方便，并且与现在家电的智能化、便捷和低碳设计理念相违背。

LED是21世纪的主要照明光源的显示方式之一。

LED发出的光是冷光源，光效高，工作电压在3V至5V之间，所需能耗较低，在相同的亮度下，LED灯的能耗是白炽灯的百分之十，是荧光灯的百分之五十。

LED灯使用的寿命可达十万多小时，这是荧光灯使用寿命的十倍，白炽灯的一百倍。

在能源紧缺、电价升高的时代,用LED灯替代白炽灯或荧光灯在台灯里的使用，既可以环保无污染，又可以节约资源。

另外，在LED的光谱中，几乎全部集中于可见光频段,其百分之八十至百分之九十可以看到发光效率，在传统的台灯中，光源体使用交流电，每秒钟产生100－120次的频闪对眼睛有极大的伤害。

LED灯是把交流电直接转换为直流电，产生闪烁现象基本没有，既保护眼睛，又可以营造一个舒适的照明环境。

在现在中国大约百分之三十的人存在视力问题，最近几年，我国的近视率逐渐飙升，已然成为全球排名第二的国家，近视总人数为全球第一。

其中造成近视的主要问题，就是台灯的影响，其中近视的主要原因是用眼不健康，如看书的光线不在正常可视范围之内，学习时的坐姿不正确，台灯的光源影响和眼睛的视疲劳等等。

由于眼睛健康对于人来说的重要性，解决上述问题已然迫在眉睫了。

1.2 

系统方案的提出

通过采用LED照明模块，减少电能消耗率，采用传感器模块进行检测，微处理器控制模块为主控电路，通过与专业知识相结合进行实现自动调节光源量度、人走灯灭自动断电的功能，而达到视力保护、安全环保等多功能的智能型台灯。

1.2.1 

LED优势 

相较于普通照明，LED照明有以下主要优点：

（1）使用寿命时间长。

白炽灯的发光原理：

通电时，钨丝通过电能的转换进行发热而产生热能，从而使得钨丝发光。

在经过长时间加热时，钨丝会发生老化、断裂的现象，白炽灯也因此不能使用了。

发光二极管的发光机理是由它的特殊结构决定的，它是由PN结晶片、两个相反电极和光学原理系统构成，在电极两端加上正向偏置电压时，P区和N区分别注入空穴和电子，非平衡少数的载流子和多数的载流子发生复合，将多余的能量以辐射光子的形式转化为光能，二极管的工作原理是载流子的不断移动而发光的，所以不存在老化、断裂的现象，发光寿命可长达5~10万小时。

（2）发光效率高。

当LED通电发光时，实验测定，有百分之十的电能转换为光能，普通白炽灯的转化效率仅有百分之七到百分之八，如果想要达到同等的照明效果时，LED灯是更加节能的选择。

（3）发光响应速度快。

LED灯的响应时间在几秒内，高频特性高，能显示脉冲信号，与LED灯进行对比，白炽灯响应时间在毫秒级，高频特性较差。

（4）方向性较强，一般定向照明适用于发光性强的灯。

（5）易控制。

LED驱动可采用驱动模块模拟调光技术、PWM脉宽调制解调技术、TRICA双向晶闸管调光方式、带总线接口LED驱动器、单片机或其他微处理器等多种方式进行调光。

（6）绿色环保型。

普通节能灯工作原理是加热电阻丝，所以容易产生对环境有害的物质比如汞和其他重金属。

（7）使用性灵活。

LED灯固态封装，体积小防水，颜色百变，可根据应用需求对LED灯进行灵活组合，其颜色也可进行灵活搭配。

因此，我们提出新型LED智能多功能台灯方案。

1.2.2 

方案简述 

针对上述节能、环保、健康等问题研究，基于STC系列的C51单片机和PWM调光的LED台灯以STC89C51作为主控芯片，设置了手动调节控制、自动控制和多种呼吸模式。

在手动控制时，设置十个调节档位，由于PWM的输出不同，所以其占空比对LED的电流控制也不同，根据不同的调节效果及方案，从而实现人对光度调节的控制。

在自动控制时，通过ADC0832芯片进行模拟转换，其不断测量光敏电阻的两端电压来间接测量感应的光强度，将检测到的电压和预设的工作阈值进行对比，并且调整PWM的占空比对LED的电流进行控制，通过单片机的信号处理，以便实现对光度的自动调节。

总体框图如下（图1.1）:

图1.1

第2章 

系统方案的选择

2.1 

控制芯片的选择方案 

选择嵌入式型MCU的主要考虑因素有以下几个方面：

所应用领域：

一个产品的主要功能一旦限定下来，其所应用的领域也随之确定。

应用领域的确定将减少选型的考虑。

自身带有的资源：

芯片自带资源越符合产品的需求，产品开发越相对便捷。

，芯片属于可扩展存储器。

低功耗的特征：

低功耗的产品节能环保，成本低，可以降低环境污染，还能增加使用的稳定性，所以选择芯片时，低功耗也是一个重要的指标。

芯片及技术的延续性与继承性，这是所有的芯片和供货必须考虑的因素，所以选型时尽量选择销量比较多的商家，这样可以显现出来此款芯片应用较为广泛，其中的资料比较齐全，如果以后应用中有问题还可以进行非常广泛的询问卖家，因为毕竟多年经营的型号产品所出现的问题对卖家来说可以轻易给出解决方案。

2.1.1 

STC89C51RC单片机 

STC89C51RC单片机是具有40个引脚的双列直插式微型MCU，STC系列的单片机比ATM公司的8051单片机效果和质量上增强一些，其价格低廉、兼容性强、超强抗干扰能力、超低功耗等优点。

其工作电压在3.3V~5.5V之间，内集成4K字节ROM和256字节RAM，具有扩展内存的功能，两个定时器和计数器中，有看门狗功能，工作频率为0~40MHz，实际工作频率可达48MHz左右，其中有32个外接通用I/O口，可应用在系统编程或在应用编程中，不需要专门的编程器和仿真器，在相应的程序内所写的指令代码可以完全兼容传统型的8051单片机。

2.1.2 

AVR微控单片机 

AVR型单片机的硬件结构主要以8位机与16位机的为应用处理策略，使用寄存器进行储存（有32个寄存器文件）和单体高速输入/输出的方案（即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑）。

提高了指令执行速度（1Mips/MHz），克服了拖卡现象，增强处理信号的功能；

同时又减少了对外设管理的费用，相对硬件结构简化精装，降低成本。

故AVR单片机在软/硬件速度、功能和成本等方面取得更好的平衡，集成于高性价比的单片机。

AVR单片机内嵌入高质量的程序存储器，擦写方便，支持ISP和IAP，便于产品的调试、开发、生产、更新。

内嵌有长寿命EEPROM，可长期保存关键数据，避免在断电的时候或者电脑出现故障时丢失。

大容量的RAM不仅能满足一般程序语言的使用，同时也支持高级语言开发系统程序的使用，并可像MCS-51单片机那样扩展外部 

存储。

AVR单片机的I/O以及总线设置上拉电阻进行电路的稳定，通过单独设定输入/输出可以使得单片机更改灵活，可设定初始时高阻输入状态，保护电路，I/O口的数量较多，且应用灵活多样、功能运用广泛，较适合大型电子电路板的设计。

AVR单片机片内置多种独立的时钟分频器。

AVR单片机具有上电复位电路（自动）、看门狗电路、低电压检测电路（BOD），多个复位按键源，设置的启动后延时程序可以进行认为设定，增强了嵌入式系统的可靠性。

AVR单片机具有省电休眠模式的功能，宽电压运行程序可以进行，电压在5-1.8V之间，抗干扰能力较强，可以降低一般8位单片机中的软件抗干扰因素。

AVR单片机技术体现了单片机集多种电路如：

FLASH程序存储器电路、看门狗、EEPROM、同/异步串行口电路连接、TWI、SPI、A/D模数转换器的应用、定时器/计数器的程序设定等，和多种功能增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器/计数器、具替换功能的I/O端口，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的发展方向。

2.1.3 

FPGA 

FPGA是Field－Programmable 

Gate 

Array的缩写，意思是现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

是作为（ASIC）领域中的一种专门半定制电路而出现的，既解决了定制电路中稳压电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，特别符合当下的软件程序编写。

系统设计师可以根据不同的需要，通过编写把FPGA内部的相关程序逻辑块连接起来，将部分连接成一个大的整体。

一个出厂的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能的模块。

FPGA芯片和ASIC集成芯片相比，其速度慢，复杂的设计进行比较困难，但是功耗较低。

但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

另外一种方法是用CPLD（复杂可编程逻辑器件备）。

2.1.4 

主控制芯片的确定 

STC系列的单片机，如选用89C51RC可以满足系统开发需要，而且使用普遍，开发编程环境容易实现，与其他系统兼容性强，开发成本低，较AVR和FPGA具有明显的价格优势，超强抗干扰能力、超低功耗、价格低廉等优点，最终选择作为系统控制芯片。

2.2 

照明模块的选择 

LED功率的大小，首先要选择具有足够的输出功率的芯片，能够驱动所要求的LED功率。

输入电压的高低 

，输入电压的稳定度 

，LED的连接通常可以是串联或是并联，串联的数目越多，所需的驱动芯片数目就越少。

LED驱动器通用要求，选择LED驱动方式 

，LED驱动器标准，进一步提高能效、 

增加功能及功率密度。

产品寿命周期及可靠性问题，考虑更好的散热功率管发热功率管的功耗分成两部分，开关损耗和导通损耗。

工作频率降频，电感或者变压器的选择，LED电流大小。

2.2.1 

三极管驱动 

三极管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。

但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。

IC 

的变化量与IB变化量之比叫做三极管的放大倍数β（β=ΔIC/ΔIB, 

Δ表示变化量。

），三极管的放大倍数β一般在几十到几百倍。

三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，即要先建立合适的静态工作点，也叫建立偏置，否则会放大失真。

选择合适放大倍数三极管，通过放大电流驱动LED，三级管放大有成本低，易实现，易控制等优点。

2.2.2 

PWM芯片控制 

LED的调光控制，传统上LED的调光是利用一个DC信号或滤液PWM对LED中的正向电流进行调节来完成的。

减小LED电流将起到调节LED光输出强度的作用，然而，正向电流的变化也会改变LED的彩色，因为LED的色度会随着电流的变化而变化。

许多应用（例如汽车和LCD 

背光照明）都不能允许LED发生任何的色彩漂移。

在这些应用中，由于周围环境中存在不同的光线变化，而且人眼对于光强的微小变化都很敏感，因此宽范围调光是必需的。

通过施加一个PWM信号来控制LED亮度的做法允许不改变彩色的情况下完成LED的调光。

PWM是脉冲宽度调制信号，注意其中的“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。

采用LM3410X串联驱动LED灯，具体电路图如图2.1所示。

图2.1LM3410X串联驱动电路

LM3410恒流LED驱动器是单片频率，PWM升压型DC 

/ 

DC转换器，5引脚或6引脚封装。

它可以驱动典型2.5A峰值电流与内部160MΩ 

NMOS切换。

开关频率在内部设置为525kHz或1.60MHz，允许使用极小的表面贴装电感器和片式电容器。

即使操作频率高，高达88％的效率很容易实现的。

外部关闭包括在内，具有超低待机电流为80nA。

LM3410采用电流模式控制和内部补偿功能，提供高性曼斯在广泛的操作条件。

额外功能包括调光，脉冲的脉冲电流限制，热关断。

2.2.3 

照明方案的确定 

考虑照明需要，需要驱动电压5V,驱动电流3A，需要驱动16个大草帽白光LED，因为三极管驱动具有成本低，易控制，易实现等优点，而LM3410X成本高且不易寻找，最终选用大功率三极管SS8550驱动照明模块。

第3章硬件设计

硬件设计总体框图如下：

图3.1硬件设计总体框图

3.1单片机STC89C51芯片简介

STC89C51微型处理器是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

在单片机芯片上，拥有8位CPU处理和编程Flash，使得STC89C51为许多电子产品MCU的选择对象最好的之一，它具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线路设定，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。

另外STC89X51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。

图3.2STC89C51单片机引脚图

单片机是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。

片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、PWM等模块。

（一）STC89C51主要功能、性能参数如下：

（1）内置标准51内核，机器周期：

增强型为6时钟，普通型为12时钟;

（2）工作频率范围：

0~40MHZ，相当于普通8051的0~80MHZ;

（3）STC89C51RC对应Flash空间：

4KB;

（4）内部存储器（RAM）：

512B;

（5）定时器\计数器：

3个16位；

（6）通用异步通信口（UART）1个；

（7）中断源:

8个；

（8）有ISP（在系统可编程）\IAP（在应用可编程）,无需专用编程器\仿真器；

（9）通用I\O口：

32\36个；

（10）工作电压：

3.8~5.5V；

（11）外形封装：

40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。

（二）STC89C51单片机的引脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。

读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部