LED台灯及亮度调节电路设计
分类号：TP311
学校代码：11460
学号：10090228
南京晓庄学院本科生毕业论文
LED台灯及亮度调节电路设计
The circuit design of LED lamp and brightness adjustment
所在系（院）：物理与电子工程学院
学生：吴娟
指导教师：刘学明
研究起止日期：二○一三年十一月至二○一四年五月
学位论文独创性声明
本人郑重声明：
1. 坚持以“求实、创新”的科学精神从事论文写作工作。
2. 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和获得的研究成果。
3. 本论文中除引文和致谢的内容外，有对前人成果的借鉴和吸纳。
4. 其他同学和导师对本文研究所做的贡献均已在本论文中发表了声明并表示了谢意。
作者签名：吴娟
2014年 4 月 18 日
摘要
LED又被叫做发光二极管，是一种新式光源，拥有绿色环保、高效节能、使用寿命长等其他普通光源无法比拟的优点。作为绿色照明的光源产品，代表着未来照明技术的发展前景,相信在不久的将来，LED灯会有更加广阔的市场。为了实现LED的照明和调光功能，本文以STC89C51单片机为核心控制芯片，利用PWM技术，通过调整PWM的占空比来控制电流，从而达到对LED 灯的亮度的控制调节。本文给出了各模块硬件电路的设计，并编写了相应的软件控制程序。
关键词：单片机；PWM；LED灯；硬件电路；软件程序
Abstract
LED is also known as light-emitting diode. It is a new type of light source and has the advantages of high efficiency and energy saving, green environmental protection and long service life that other common sources can not compare. As green lighting products, represent the future direction of development of lighting technology, I believe that in the near future, LED light will have a broader market. This paper introduces the STC89C51 chip to control the core, using PWM dimming technology, through adjusting the cycle of PWM and duty ratio to control current, and thus achieve the LED lighting control to adjust the degree of light and dark, the LED lights to achieve PWM dimming control . This paper presents the design of hardware circuit of each module, and the preparation of the corresponding software control program
Keywords:MCU; PWM; LED; hardware circuit; software program
目录
第一章绪论 (1)
1.1 前言 (1)
1.2 论文结构 (1)
第二章单片机基础知识 (2)
2.1 单片机的发展 (2)
2.2 单片机的应用 (2)
第三章PWM基本概述 (3)
3.1 PWM简介 (3)
3.2 PWM调光原理 (4)
第四章系统硬件结构设计 (4)
4.1 硬件结构 (4)
4.2.1 STC89C51芯片简介 (5)
4.2.2 STC89C51芯片内部结构 (6)
4.2.3 STC89C51芯片引脚 (6)
4.2.4 STC89C51单片机的最小系统 (8)
4.3 LED台灯的驱动模块及调光实现 (10)
4.3.1 LED驱动电路的设计 (10)
4.3.2 调光实现 (11)
4.4光电检测模块 (11)
4.5 ADC0809 A/D转换模块 (12)
4.6 手动控制模块 (14)
4.7 指示电路模块 (14)
第五章系统软件设计 (15)
5.1 程序流程图 (15)
5.2 软件控制子程序介绍 (15)
5.2.1 函数介绍 (15)
5.2.2 子程序介绍 (16)
第六章总结 (18)
致谢 (19)
参考文献 (20)
附录一 (20)
附录二 (21)
附录三 (22)
附录四 (23)
第一章绪论
1.1 前言
LED（Light Emitting Diode）也被称作发光二极管，是20世纪中期发展起来的新技术，是一种固态的半导体器件，它能够直接把电转化为光。LED的核心是一个半导体晶片，晶片的一端是负极，一端附在一个支架上，另外一端连接电源的正极，让整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片包括三个部分，一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间一般为1-5个周期的量子阱；另外一端是P型半导体，在它内部空穴占主导地位。当电流经过导线作用于这个晶片的时候，空穴和电子就会被推向量子阱，在量子阱内电子与空穴复合，然后会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。LED灯具有节能、寿命长、适用性好等特点。
单片机拥有应用面广、体积小、功能强等优点，当前正以前所未有的速度代替着传统电子线路组成的经典系统，蚕食着传统模拟电路与数字电路固有的领地。这些优势为研究，应用和开发提供了便利前提。与此同时，学习使用单片机为了解计算机结构和原理提供了最佳选择。
本篇论文介绍了采用STC12C5A60S2芯片为控制核心，采用PWM调光技术，通过调节PWM周期和占空比来控制电流，从而达到对LED灯亮度的控制调节，最终实现对LED灯的PWM调光控制。1.2 论文结构
本篇论文首先在本文第1章对本次课题——LED台灯及亮度调节设计的背景和意义进行阐述，并概述了论文结构。
第2章介绍了单片机的基础知识，包括单片机的发展及其应用。
第3章阐述了PWM调光技术。
第4章详细说明设计中的系统硬件结构，包括STC89C51主控电路结构，光电检测电路，A/D转换，手动控制电路和指示电路。
第5章介绍设计中的系统软件设计，给出编译程序并对关键设计作出进一步的解释说明。
第二章单片机基础知识
2.1 单片机的发展
单片机是指在一个集成芯片中，集成微处理器(CPU)、存储器、基本的I/O接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上达到一台微型计算机的基本功能。
在20世纪70年代，微电子技术处于发展阶段，集成电路正属于中规模发展时代，各类新工艺新材料还没有成熟，单片机还仍然处于初级的发展阶段，功能还比较单一，元件集成规模还较小，一般把CPU、一些简单的I/O口、RAM均集成到芯片上，它还要加上其他的外围处理电路才能够组成完整的计算机系统。
在1976年，INTEL公司引进了MCS-48单片机，并推向市场，该单片机是真正的8位的单片微型计算机。它具备体积小，功能全，价格低的优点，因此被广泛使用，奠定了单片机发展的基础，成为单片机的发展历史上的重要里程碑。
到80年代，全球各大公司也都竞相开发出了品种更多，功能更强的单片机，大约有了几十个系列，300多个品种，这个时候的单片机均才达到真正的单片化，多数都集成了CPU、ROM、RAM、多种中断系统、数量众多的I/O接口，此外甚至有一些具备A/D转换功能的单片机，RAM 和ROM的容量越来越大，功能也越来越强大，甚至寻址空间可以达到64kB，可以说，此时，单片机已经发展到了一个崭新的阶段，在更加广泛的领域被应用，越来越多的家用电器走向使用单片机来控制的智能化的发展道路。
九十年代后，单片机已取得了迅速的发展，全球各大半导体公司已经开发了具有更加强大功能的单片机。比如，美国的Microchip公司推出了一种与MCS-51完全不兼容的新一代的PIC 系列单片机，受到业界的普遍关注，特别的是，它的产品只有33条精简的指令集，因此吸引了很多用户，让人们从具有111条复杂指令集的INTEL中走出来。PIC系列单片机取得了迅速的发展，在单片机的业界中也拥有了有一席之地。
在1990年，美国的INTEL公司发布了80960超级32位的单片机，引发了计算机界的轰动，产品被相继投放到市场中，成为了单片机发展历史上的又拥有重要性的里程碑。
2.2 单片机的应用
随着计算机技术的快速发展及其在控制系统领域中的广泛应用，加上设备向智能化、小型
化趋势发展，作为高新技术之一的单片机因其具备体积较小、功能强大、价格低廉、使用灵活等优点，所以显示出很强的生命力。当前，在我们生活中的各个领域，几乎都有单片机的踪迹，单片机已经渗透到了我们生活中的各个领域。与普通的集成电路相比，单片机能够更好地适应环境的湿度和温度，具备更好的抗干扰的能力，在工业条件下可以稳定的工作。并且，在各种仪器仪表中，单片机也同样被广泛地应用，来让仪器仪表达到智能化，从而提高它们的测量精度和速度，最终使控制功能加强。例如，MCS-51系列的单片机，可以用来控制“智能超声波测厚仪”、“烟叶水分测试仪”、“船舶航行状态自动记录仪”等。此外，在实时控制系统中，单片机也被广泛地应用。比如，对工业上各种酸度、窑炉的温度以及化学成分的测量和控制。将自动控制技术、测量技术和单片机技术结合起来，充分发挥了其数据处理功能和实时控制功能，让系统处于最佳的工作状态，从而提高系统的产品质量和生产效率。
第三章PWM基本概述
3.1 PWM简介
PWM（Pulse Width Modulation）即脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种采用微处理器的数字输出，来对模拟电路进行控制的技术，在通信、测量及功率变换与控制的很多领域中被广泛应用。
脉宽调制是一种模拟控制的方式，是依据相应载荷的变化来调制MOS管栅极或晶体管基极的偏置，从而使MOS管或晶体管导通时间发生改变，进而使开关稳压电源的输出发出改变，这种方式下，当工作条件发生变化时，电源的输出电压可以保持恒定，是一种采用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的技术。PWM控制技术是人们研究的热点，是一种在电力电子技术中最广泛应用的控制方式。
由于电子技术的发展，目前已经出现了多种PWM技术，包括：脉宽PWM法、相电压控制PWM、线电压控制PWM、随机PWM、SPWM法等。
PWM具有的一个优点是，处理器和被控系统信号均是由数字形式的，不需要再进行数模的转换。让信号维持为数字的形式，噪声的影响被降到了最小。只有在噪声可以强到可以把逻辑0变成逻辑1或者将逻辑1变成逻辑0的时候，、才可以对数字信号产生一定的影响。
相对于普通的模拟控制，PWM的另外一个优点是增强了对噪声的抵抗能力，这也成为在某些时
刻在通信中应用PWM的重要原因。把模拟信号转向PWM能够大大地延长通信的距离。在接收端，经过适当的LC或RC网络能够滤除调制高频的方波并且可以把信号还原成模拟形式。
总之，PWM具有经济、节省空间、高抗噪性能等优点，是可以在许多设计应用中值得采用的有效技术。
3.2 PWM调光原理
本论文中控制LED灯的亮度由暗到亮或由亮到暗，采用的是PWM调光的方法。它把脉冲宽度都相同的脉冲列作为PWM的波形，利用改变脉冲列的周期来进行调频，改变脉冲的占空比来调压，应用恰当的控制方法就可以让电压与频率协调变化。通过调整PWM的周期、PWM的占空比可以进而实现控制电流的目的。
本次设计中使用的是STC89C51芯片内部自带的PWM功能，由引脚P1.3实现。可以使用软件程序来调控波形的占空比，从而自动检测，实现LED灯的亮度调节。
第四章系统硬件结构设计
4.1 硬件结构
本次设计的电路图包括光电检测模块，LED驱动模块，A/D转换模块，STC89C51单片机主控电路模块，手动开关控制模块和指示电路模块。总体电路结构方框图如下图1所示。本次设计是以STC89C51作为主控芯片，利用C51单片和PWM调光方式对LED台灯进行亮度调控。设置了手动控制和自动控制。在自动控制时，通过ADC0809模拟-数字转换芯片不断检验光敏电阻的电压来间接测量感应光度，将电压和预设的阈值进行对比，调整PWM的占空比对LED的电流进行控制，从而实现了对光度的自动调节。在手动控制时，分为两档，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。
图1 总体电路结构方框图
4.2 STC89C51单片机主控电路模块
4.2.1 STC89C51芯片简介
本次设计的控制核心是STC89C51芯片。STC89C51系列单片机是STC 推出的新一代的8051
单片机，具备高速、低功耗、超强抗干扰等特点。它的指令代码和传统的8051单片机完全兼容，但速度比普通的8051单片机要快。其内部集成了ISP Flash 存储单元、MAX810专用的复位电路，4路PWM 。
STC89C51单片机主要集成的资源如下：
1、增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器周期8051 CPU
2、工作频率范围：0 -35 MHz ，相当于普通8051 的0-420MHz.实际工作频率可达48MHz.
3、工作电压：3.4-5.5V （5V 单片机）
4、通用I/O 口，复位后为：准双向口/弱上拉
每个I/O 口的驱动能力都能够达到20mA ，但整个芯片最大不要超过55mA 5、512B 的内部存储器RAM
6、ISP （在系统可编程）/IAP （在应用可编程），无需专用编程器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
7、在内部，集成了MAX810专用复位电路（外部晶体20M 以下时，可省外部复位电路） 8、2个16位的可编程定时器/计数器（T0、T1） 9、时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C 振荡器
在常温下，内部R/C 振荡器的频率可为5.2MHZ-6.8MHZ
手动开关控制模块 模块 光电检测 模块
LED 驱动模块
A/D 转换模块
STC89C51 单片机主控电路模块
指示电路 模块
10、外部中断 2 路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
11、4路PWM/PCA(可编程计数器阵列)
12、通用异步串行口（UART）
13、封装：PLCC-44，PDIP-40，LQFP-44
4.2.2 STC89C51芯片内部结构
STC89C51单片机的内部的结构框图如下图2所示。STC89C51单片机中包含中央处理器(CPU)、数据存储器(SRAM)、程序存储器(Flash)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D 转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC89C51单片机，几乎包含了数据采集和控制中所需要的所有的单元模块，可以称得上是一个片上系统。
图2 STC89C51单片机的内部结构框图
4.2.3 STC89C51芯片引脚
STC89C51单片机的引脚图如下图3所示。
图3 STC89C51引脚图
各引脚功能介绍如下：
VCC:电源正极
GND:电源负极，接地
P0-P3口:8位双向I/O口,其功能用途由软件程序定义。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表1所示：
RST：复位脚，外接电阻电容组成的复位电路。当振荡器复位时，要保持RST引脚有两个机器周期的高电平时间
ALE:地址锁存允许。当进行访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用来锁存地址的低位字节。在进行FLASH编程时，该引脚用于输入编程脉冲。平常情况下，ALE端以不改变的频率周期来输出正脉冲信号，该频率是振荡器频率的1/6。因此，它可以用作对外部输出的脉冲或者用于定时目的。
EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH ) 。EA端必须保持低电平(接地)。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VCC
XTAL1：内部时钟电路反相振荡放大器的输入端，接外部晶振的一个引脚。直接用外部时钟源时，该引脚是外部时钟源的输入端
XTAL2：内部时钟电路反相振荡放大器的输出端，接外部晶振的另一端。
表1 P3口的第二功能
4.2.4 STC89C51单片机的最小系统
最小系统包括单片机及其所需要的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。
STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用STC89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如下图4所示。
复位电路
单片机
时钟电路
图4 单片机最小系统原理框图
本设计中STC89C51单片机的最小系统原理图如下图5所示。
图5 STC89C51单片机的最小系统原理图
（一）复位电路
单片机复位的条件是：①单片机的复位引脚处于高电平；②单片机的复位引脚要一定时间长度处于高电平（时间t由R和C决定）。
本设计中采用上电自动复位方式，电路图如下图6所示复位电容C3=10uF,上拉电阻R11=10K,所以充电时间t=R2*C1=(10*1000)*(10/1000000)=0.1S。当上电的瞬间，电容C1的充电电流达到最大，此时电容相当于短路，因此RESET端(引脚9)为高电平，自动复位；经过0.1S后，当电容两端的电压达到电源电压的时候，电容的充电电流变为0，此时电容相当于开路，RST端为低电平，这时程序正常运行。
图6 STC89C51复位电路
（二）时钟电路
STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。本
设计采用的是内部时钟方式，如图7所示。在STC89C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的X1(18)和X2(19)引脚外接石英晶体(简称晶振)，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值为30pF。晶振Y1的振荡频率为11.0529MHZ，因此其时钟周期是1/11.0529=0.091us,机器周期约为1us（12倍的时钟周期）。
图7 STC89C51时钟电路
由于STC89C51单片机的P0口是开漏的，除了复位电路和时钟电路外，还在P0口加了上拉电阻103，由8个10K的电阻组成。
4.3 LED台灯的驱动模块及调光实现
4.3.1 LED驱动电路的设计
本次设计驱动电路采用的是三极管驱动。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。
设计中的LED驱动电路如下图8所示。本次设计中使用12个LED灯的串并联来模拟LED台灯，
实现照明效果。使用的驱动三极管是SS8550，是一种PNP 型三极管。
图 8 LED 驱动电路
4.3.2 调光实现
LED 的亮度受电流控制，通过控制电流调节LED 灯的亮度。利用公式
I
T t I on
L
（I 为电流的幅
值，L I 为输出的平均电流值）可知，通过调整PWM 不同的占空比T t on
就可以控制电流的大小。 本设
计中通过STC89C51单片机引脚P1.3输出PWM 波，PWM 波为高电平时，三极管Q1输出小电流，PWM 波为低电平时，Q1输出大电流。即PWM 改变占空比，则输出的平均电流发生改变，平均发光亮度改变，实现了对LED 灯的调光。
4.4光电检测模块
本次设计的光电检测电路由光敏电阻和电位器RD1构成。电路图如下图9所示。
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；光照越强，电阻减小，光照越弱，电阻增大。
通过光线强度的不同，引起光敏电阻阻值的变化，光敏电阻和电位器RD1（电容C6：滤波）分
压后输出一个电压值，这个电压值给ADC0809进行模数转换，则每一个电压对应一个脉冲，实现自动检测，使PWM的占空比发生变化，最终引起LED灯亮度的变化。通过STC89C51芯片自带的PWM功能实现对LED灯光线的调节。当室内光线亮度较强时，光敏电阻的阻值越小，电压越小，PWM的占空比越小，则LED灯组输出的平均电流变小，LED灯越暗。反之，LED灯则越亮，实现LED灯的亮度调节。
图9 光电检测电路
4.5 ADC0809 A/D转换模块
本次设计使用ADC 0809来实现A/D转换功能。ADC 0809是CMOS器件，不仅包括一个8位的逐次逼近型的ADC部分，而且还提供一个8通道的模拟多路开关和通道寻址逻辑。利用它可直接输入8个单端的模拟信号分时进行A/D转换，在多点巡回检测和过程控制、运动控制中应用十分广泛。
ADC 0809主要特性：
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs(时钟为640kHz时)，130μs（时钟为500kHz时）
4）单个+5V电源供电。
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。
7）低功耗，约15mW。
ADC0809引脚功能：
IN0～IN7：8路模拟量输入端。
2-1～2-8：8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。
ALE：地址锁存允许信号输入端，高电平有效。
START：A/D转换启动脉冲输入端。当START端输入一个正脉冲时，A/D转换启动
EOC：A/D转换结束信号输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：A/D转换结果输出允许控制端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。
REF（+）、REF（-）：基准电压。
VCC：电源，+5V。
GND：地。
如下图10所示，ADC0809的参考电压设置成5V，时钟信号通过单片机P3.3口利用定时器中断输出。光敏电阻的对地电压从IN0口输入，ADC0809将其转换成数字量后输出，以便单片机进一步处理。
图10 A/D转换电路
4.6 手动控制模块
本设计中LED 灯的亮度既可以根据光线亮度的强弱自动调节，也可以由按键来手动控制。手动控制电路图如下图11所示，手动控制部分有三个按键K1，K2，K3。其中K1是用来控制调节方式的。当K1=0时，LED 灯的亮度处于自动调节状态；当K1=1时，处于手动调节状态，通过分别控制按键K2和K3并通过软件程序来实现LED 灯亮度的调节。按K2时，占空比增加，则LED 灯组输出的平均电流变大，使LED 灯变亮；按K3时，占空比减小，则LED 灯组输出的平均电流变小，使LED 灯变暗。
图11 手动控制电路
4.7 指示电路模块
如下图12，本次设计中还包含了指示电路。用红黄两种不同颜色的发光二极管来指示不同的工作模式。当K1=0时，LED 灯亮度处于自动调节模式，此时黄色LED 灯亮；当K1=1时，LED 灯亮度处于手动调节模式，此时红色LED 灯亮。
图12 指示电路
第五章系统软件设计
5.1 程序流程图
本次设计实现的程序流程图如下图13所示。
图13 软件程序流程图
5.2 软件控制子程序介绍
5.2.1 函数介绍
函数名：uchar ADC0809()
//宏定义
#define Data_ADC0809 P0
//ADC0809
sbit ST=P1^0;