基于单片机的数字PWM控制器设计与应用软件毕业设计论文.docx

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基于单片机的数字PWM控制器设计与应用软件毕业设计论文

论文题目：

基于单片机的数字PWM控制器设计与应用—软件

摘要

基于C51单片机和PWM对LED亮度进行调节，STC89C52作为主控芯片，设置了手动控制。

在手动控制时，通过两个按键输出不同的PWM占空比对LED的电流进行控制，从而实现了对光度的手动调节。

51单片机本身是没有PWM接口的，本文是通过软件模拟PWM在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现LED灯亮度控制。

PWM调节LED亮度是一种利用简单的数字脉冲反复开关白光LED驱动器的调光技术。

系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流从而调节白光LED的亮度。

不管用Buck,Boost,Buck-Boost还是线性调节器来驱动LED。

它们的共同思路都是用驱动电路来控制光的输出。

一些应用只是简单地来实现“开”和“关”地功能，但是更多地应用需求是要基本从0到100%调节光的亮度。

而且经常要有很高的精度。

使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值，即数字调光。

使用脉冲宽度调制PWM来设置周期和占空度，可能是最简单的实现数字调光的方法，并且Buck调节器拓扑往往能够提供一个最好的性能。

关键词单片机，数字脉冲，占空比调节，驱动电路，LED亮度调节

ABSTRA

BecauseC51SCMandPWMcanregulatethebrightnessofthewhitelightLED,STC89C5astheDSPsetupthemanualcontrol.Duringtheprocessofthemanualcontrol,differentPWMdutyratiooutputbytwokeyregulatetheelectriccurrentofLEDsoastorealizethemanualcontroloftheluminosity.Asamatteroffact,C51SCMdon’thavetheinterface.ThecontrolofthebrightnessofLEDisrealizedbythesoftwarewhichsimulatingthesituationthatPWMadjustthedutyratioofthehighlevelandthelowlevel.PWMdimmingisatechnologywhichmakesuseofsimpledigitalpulsesoastoswitchwhiteLEDdriverepeatedly.

ForBuck,Boost,Buck-BoostorlinearregulationtodriveLED,theircommonideasareusingdrivecircuittocontroltheoutputoflight.Someapplicationsonlyachievethe“on”and“off”functionsimply.Whilemoreapplicationdemandthatitcanregulatethebrightnessoflightfrom0to100%andoftenhaveveryhighprecision.Digitaldimmeristheuseoftheswitchcircuitwhichworksinahighfrequencywithrespecttohumanrecognitioncapacitytochangetheaverageofthelightoutput.TheuseofpulsewidthmodulationtosetthecycleanddutyratioisprobablythesimplestmethodtorealizedigitaldimmingandBuckregulatortopologycanoftenprovidethebestperformance.

KEYWORDS:

SCM,digitalpulse,duty-cyclecorrection,drivercircuit,regulationofLEDbrightness

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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学位论文原创性声明

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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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前言

由于能源危机和温室效应的影响，人们对节能技术越来越关注。

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，具有环保、节能、安全可靠的特点，固态光源及LED光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源，代表照明技术的发展方向。

发展新固态照明，不但是照明领域的创新，而且符合当前政府提出的“低碳节能环保”的要求。

LED照明就是以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，具有广阔的应用前景。

在实际的应用中，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。

所以亮度可调的LED灯对生产生活是很有实际意义的。

目前，针对LED亮度控制方面,主要的两种解决方案为线性调节LED的电流（模拟调光）或在肉眼无法察觉的高频下，让驱动电流从0到目标电流值之间来回切换（数字调光）。

利用脉冲宽度调变（PWM）来设定循环和工作周期可能是实现数字调光的最简单的方法，原因是相同的技术可以用来控制大部分的开关转换器。

方案一:

利用单片机输出占空比可调的高频脉冲，来改变驱动电流从而精确地调节LED亮度。

即本论文所要介绍的调光方法（PWM调光为尽量降低听到噪声和辐射，高端照明系统的调光频率范围一般要求几万赫兹。

方案二:

由于LED的亮度在一定范围内与电流成正比，LED的模拟调光是对LED的每个周期进行调整。

简单地说，它是不断调整LED的电流大小来改变亮度的，可以通过调整电流检测电阻RSNS，或用模拟电压驱动IC的某个调光功能引脚来完成。

无论LED是经由降压、升压、降压/升压或线性稳压器驱动，连接每一个驱动电路最常见的线程就是需要控制光的输出。

现今仅有很少数的应用只需要开和关的简单功能，绝大多数都需要从0-100%去微调亮度。

因此，利用单片机输出PWM信号，能对LED进行精准，快速，有效地亮度调节。

利用单片机输出PWM信号，通过两个按键输出不同的PWM占空比对LED的电流进行控制，从而实现了对光度的手动调节。

PWM调节LED亮度是一种利用简单的数字脉冲反复开关白光LED驱动器的调光技术。

系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，通过BUCK驱动电路即可简单地实现改变输出电流从而调节白光LED的亮度。

电路简单，实用，是对LED亮度最理想的调节方法。

第1章单片机应用技术简介

1.1单片机的基础知识及发展趋势

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。

单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。

STC89C52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。

具有以下标准功能：

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

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35Mhz6T/12T可选。

实物图如下所示：

图1-1-1STC89C52实物图

下图为STC89C52引脚图以及各引脚功能：

图1-1-1STC89C52引脚图

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（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器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）

RST:

复位输入。

当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG:

当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。

在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是,每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起用。

另外,该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。

/PSEN:

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP:

当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1:

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2:

来自反向振荡器的输出。

现在，单片机的使用领域已十分广泛。

彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。

目前单片机产品百花齐放，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，有上千种之多，CPU位数有8位、16位、32位，时钟频率高达20MHZ，片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。

芯片向高度集成化、低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。

单片机技术的发展大致有以下趋势。

低功耗，多功能，微型化，高速度，多品种，长寿命，低噪声与高可靠性技术，OTP与掩膜，MTP向OTP挑战等。

1.2单片机内部构成

一个比较完整的单片机应该包括：

中央处理器（CPU）、片内数据存储器（RAM）、片内程序存储器（ROM）、输入/输出接口（I/O口）、可编程串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）。

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

1.3单片机的工作原理

单片微型计算机简称单片机是微型计算机的一个分支。

它是在一块芯片上集成嵌入了CPU、RAM和ROM存储器、I/O接口等而构成的微型计算机。

因主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。

单片机的核心是中央处理器CPU。

用超大规模集成技术把CPU集成在一块芯片上，称为微处理器。

微处理器、微控制器和微型计算机三者的关系十分密切。

目前单片机在工业测控领域中已占重要地位。

各电气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代、产品智能化的重要工具。

单片机自动完成赋予它的任务的过程也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的。

一条指令对应着一种基本操作，单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统不同种类的单片机，其指令系统亦不同。

为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令，这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令。

这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。

存储器由许多存储单元，最小的存储单位组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里。

单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样。

每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址。

这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出。

然后再被执行。

程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行。

必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC，包含在CPU中。

在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3。

以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

第2章PWM调光原理简介

2.1PWM调节LED亮度原理

2.1.1脉冲宽度调节

PWM是脉冲宽度调制的英文缩写指一个周期中亮灯时间所占的比例。

这个周期很短或说频率很高，至少要高过人眼感光的反应速度。

PWM调光就是通过调整灯亮的时间与灯灭时间的比例来调整平均感观亮度的方法。

在微小的时间片里，灯要么是全开、要么是全关，没有半开的中间状态。

PWM调光可以是分档的，也可以是无级的。

PWMDimming（脉宽调制）调光方式——这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。

应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。

PWM调光的优点在于能够提供高质量的白光以及应用简单，效率高。

例如在手机的系统中，利用一个专用PWM接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻连接到驱动器的EN接口。

多数厂商的驱动器都支持PWM调光。

采样控制理论中有一个重要结论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。

知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。

一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。

对于一般LED控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。

因此,本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。

2.1.2PWM对于LED调光的优势

我们知道用一个按键开关来控制放光二极管的亮灭。

能很明显看到它亮、暗的变化。

试想一下，假如用一个开、关频率很高的按键开关来控制发光二级管的亮、灭。

由于人的视觉有1/24秒左右的视觉停留当这个频率高于人的分辨能力，我们就会看到发光二级管一直亮着的错觉。

故而，我们控制这个频率的高低，就能达到调光的目的。

这种调光技术利用的是数字脉冲来实现的是一种有效精准快速的调光手段。

然而，现实中这种开关并非存在，而只是一种理想化的东西。

但是如果利用单片机输出高频脉冲就能达到同样的效果。

PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。

应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。

LED调光目前有两种思路：

一是线性调节LED电流（即模拟调光）,二是使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值（数字调光）。

PWM是属于数字调光的方法。

模拟调光通常可以很简单的来实现。

但是由于LED光的特性要随着平均驱动电流而偏移。

对于单色LED来说，其主波长会改变。

对白光LED来说，其相关颜色温度（CCT）会改变。

用PWM调光则保证了LED发出设计者需要的颜色。

PWM调光也可以提高输出电流精度。

用线性调节的模拟调光会降低输出电流的精度。

通常来说相对于模拟调光，PWM调光可以精度大于线性控制光输出。

从节能来说没有可比性。

因为PWM是保证CCT和颜色情况下测定电流光强模拟调光则是不存在这个前提。

如果要牺牲这个前提来考虑节能的话，需要实测数据。

但我估计在实现同等照度的情况下，PWM会有优势。

LED生产商在他们的产品电气特性表中特别制定了一个驱动电流,这样就能保证只以这些特定驱动电流来产生的光波长或CCT.用PWM调光保证了LED发出设计者需要的颜色,而光的强度另当别论。

这种精细控制在RGB应用中特别重要,以混合不同颜色的光来产生白光。

从驱动IC的前景来看,模拟调光面临着一个严峻的挑战,这就是输出电流精度。

几乎每个LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。

电流辨别电压（VSNS）通过折衷低能耗损失和高信噪比来选定。

驱动中的容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。

要在一个闭环系统中降低输出电流就必须降低VSNS.这样就会反过来降低输出电流的精度,最终,输出电流无法指定、控制或保证。

通常来说,相对于模拟调光PWM调光可以提高精度,线性控制光输出到更低级。

但是,PWM调光有其劣势。

主要反映在:

PWM调光很容易使得白光LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声（audiblenoise,或者microphonicnoise）。

这个噪声是如何产生?

通常白光LED驱动器都属于开关电源器件（buck、boost、chargepump等）,其开关频率都在1MHz左右,因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。

但是当驱动器进行PWM调光的时候如果PWM信号的频率正好落在200Hz到20kHz之间,白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。

所以设计时要避免使用20kHz以下低频段。

另外市面上也有些调光电路用到了可控硅调光可控硅前沿调光器若直接用于控制普通的LED驱动器,LED灯会产生闪烁,更不能实现宽范围的调光控制。

原因归结如下:

（1）可控硅的维持电流问题。

目前市面上的可控硅调光器功率等级不同，维持电流一般是7-75mA（驱动电流则是7-100mA），导通后流过可控硅的电流必须要大于这个值才能继续导通，否则会自行关断。

（2）阻抗匹配问题。

当可控硅导通后，可控硅和驱动电路的阻抗都发生变化，且驱动电路由于有差模滤波电容的存在，呈容性阻抗，与可控硅调光器存在阻抗匹配的问题，因此在设计电路时一般需要使用较小的差模滤波电容。

（3）冲击电流问题。

由于可控