家用可调光LED照明系统设计.doc

毕毕 业业 设设 计计 论论 文文 题 目： 家用可调光LED照明系统设计 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 指导老师： 葛广军 完成时间： 2013 年 5 月 24 日 河南城建学院本科毕业设计（论文） 摘要 摘 要 作为一种光源，调光是很重要的。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的 环境，在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更 加重要的一件事。而且对于 LED 光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、 高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的 LED 灯具中加上调光的功能。 该系统硬件电路由四个部分组成：感光电路、AD 转换电路、单片机控制电 路、发光二极管驱动电路。可实现自动和手动两种控制方式。软件部分采用 PID 算法，自动调节环境光照度。本设计以 89C52 单片机为控制器，利用光敏 电阻采集环境光照度，采用脉宽调制方式调节三极管，进而调节 LED 的发光亮 度，最终维持环境光照度在一个设定的水平。 关键词关键词：发光二极管，PID 算法，照明,节能 河南城建学院本科毕业设计（论文） Abstract I Abstract The quality of dimming of light source is very important. It is not only for a better environment at home. At present, it is also an even more important issue to lessen waste of unnecessary electric light and further achieve the goal of energy saving and emission reduction. Whats more, for light source of LED, it is easier to adjust brightness than fluorescent lamp, energy saving lamp, high pressure sodium lamp and other kinds of lamps. Therefore, wed better add the function of brightness- adjusting to various kinds of LED lamps. The hardware of adaptive adjustable optical-intensity system is consisted of four parts. They are photosensitive circuit, AD change-over circuit, single-chip microcomputer control circuit, and LED driving circuit. And the software of the system makes use of PID algorithm to adjust brightness of environment automatically. This design takes 89C52 SCM as controller, use photo conductive resistance to collect luminance of the environment. And the designer adopt pulse width modulation mode to adjust triode, which can help adjust brightness of LED to keep intensity of illumination of the environment at a set level. Keywords: LED,PID,illumination,Energy Saving 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录 目录 摘 要 I AbstractII 第 1 章 绪论1 1.1 选题的背景及意义1 1.1.1 选题的背景1 1.1.2 课题的意义3 1.2 LED 的国内外研究现状.3 1.3 本课题设计内容及要求3 1.4 LED 相关知识.4 1.4.1 LED 的结构及发光原理4 1.4.2 LED 光源的特点4 1.4.3 LED 的应用5 第 2 章 系统设计原理7 2.1 总体设计方案.7 2.2 系统驱动方式选择.8 2.3 光照检测方式选择.8 2.4 人体感应方式选择.8 2.5 LED 驱动设计注意点9 第 3 章 硬件设计10 3.1 电源电路.10 3.2 感光电路.11 3.3 手动控制电路.13 3.4 延时时间选择电路.13 3.5 单片机控制电路.13 3.5.1 AT89C51 简介.14 3.5.2 ADC0832 简介 15 3.5.3 AD 转换电路.15 3.6 时钟电路.17 3.7 发光二极管驱动电路.18 3.8 相关计算.19 第 4 章 软件设计21 4.1 主程序流程图.21 4.2 系统初始化.21 4.3 人体红外感应子系统.22 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录 4.4 手动调节光强子系统.23 河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录 4.5 仿真环境介绍.23 4.5.1Keil 介绍23 4.5.2proteus 介绍 .23 4.4 PWM 调制亮度调节24 第 5 章 系统可靠性技术25 5.1 干扰产生的后果26 5.2 单片机应用系统的硬件抗干扰设计27 5.3 软件抗干扰技术28 第 6 章总结与展望29 致谢30 参考文献31 附录 A32 附录 B36 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 0 第 1 章 绪论 LED 光源是 21 世纪光源市场的希望，众多优点预告其未来将逐步取代传统 光源，奥科委指出高亮度 LED 将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大的 发明之一，当前全球能源危机的时候，能源是一种宝贵的资源，所以节约能源 是我们未来面临的问题。 LED 作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。 1.1 选题的背景及意义 1.1.1 选题的背景 随着全球经济的迅速发展，能源消耗以惊人的速度增长，伴随而来的则是 大量的环境污染和生态破坏。在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的 比例为 19%，而我国为 10%。随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高， 绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。开发和推广应用节能灯具，成为迫 在眉睫的任务。LED 照明就是在这样的形势下发展起来的。 传统光源白炽灯发热量大、耗电、发光效率较低、使用寿命短。荧光灯管 显色性较差（光谱是断续的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，需 要在设计上采取措施消除频闪效应，另外灯管内存在着有毒的汞蒸汽，不环保。 LED 光源与常见光源效率典型数据对比如下表 1 所示。 表 1 LED 光源与常见光源效率典型数据对比 灯具光源种类光源光效 （LM/W） 灯具效率（X%）灯具有效光效 （LM/W） LED 光源90-13090%1-117 HPS 高压钠灯100-13055%55-72 Halide 金卤灯8055%44 CPL 型节能灯60-7060%36-42 无极灯60（大功率 50）60%36（30） 白炽灯15 普通荧光灯60-8070%42-56 LED照明以其绿色环保，高效节能的优势成为当前最具潜力的照明方式之一。 LED号称“绿色照明的第四代光源” ，目前已经开始逐步应用于电信、交通、农 业、医学、军事等领域。LED（Light-emitting Diode，发光二极管）是一种固态 的半导体组件，能够把电能直接转化为光能。作为一种固体照明光源，LED具有 长寿命、高光效、多光色等特性，可以在安全低电压下工作，也可以连续开关 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 1 闪断，能 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 2 实现0-100调光。 1.1.2 课题的意义 LED 是一种新型半导体固态光源。它是一种不需要钨丝和灯管的颗粒状发 光原件。LED 光源凭借环保、节能、寿命长、安全等众多优点在打造节能、环 保型社会的大环境下当仁不让地成为照明行业的新宠，许多国家都开始推广 LED 的应用。 LED 的应用在照明领域是最令人振奋的，它将开创一个新的照明市场，很 快会成为市场的主打产品。其实 LED 的技术不是刚出现的，在许多年前就已经 出现，但是那个时候 LED 只是被用作仪器和设备的指示灯。近些年随着科技的 突破，材料和芯片性能上都有新的改善和突破，使得 LED 的亮度和寿命都有了 极大的改进，从而也推动了 LED 更为广泛的使用。 普通白炽灯的寿命只有 1000 小时，而 LED 的寿命则高达 50000 小时，而且 消耗的电量要少得多。根据美国 Sandia 国家实验室的研究，如果白光二极管系 统能够普及，全世界照明用电的消耗将减少 50。影响白光二极管系统普及的 主要障碍还是它的亮度和价格，目前白光二极管的亮度不足以照亮整个房屋， 而且其价格大约是白炽灯泡的 10 倍。LED 照明技术的发展将带来更加明亮的光 线和更少的能源消耗。 随着经济发展，我国的照明用电还将有大幅度的提高，国家对绿色节能科 技的投入越来越大，LED照明是借助着这个大环境下才得以发展的。据中国绿色 照明工程促进项目办公室专项调查，我国照明用电每年在3000亿度以上，用LED 取代全部白炽灯和部分荧光灯，可节省13的照明用电，相当于三峡工程全年 的发电量。 LED的优点还有很多，作为全固态发光体，LED更加的耐震耐冲击，发热量 也更低，而且不易破碎、不含汞、钠等可能危害健康的元素，更加安全，更加 环保。 LED的应用十分广泛，应用在路灯照片、汽车尾灯、景观灯、液晶显示屏、 手机背光源等。 1.2 LED的国内外研究现状 在照明领域的技术革新中，LED 的应用毫无疑问是最令人振奋的，它改变 了整个照明市场的结构。 LED 的发光强度很高，但它发出的热量很少。白炽灯会浪费大量的热能， 霓虹灯容易破损，荧光灯会产生有毒气体。LED 已被全球看成一种新型的高科 技环保的节能光源。 近几年来，LED 的发光效率已增长了 100 倍，而成本下降了 10 倍。在目前 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 3 LED 光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用 LED，其用作固体照明 器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯。目前，照明 LED 的应用每年发展的速度超过 20%，世界上的许多发达国家都开始大量应用 LED 照明。功率型 LED 优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域。为 替代荧光灯，白光 LED 必须具有 150200lm/W 的光效，而且每流明的价格应该 控制在 0.015 美元以下。想要做到这个标准，仍有很多技术要突破。根据理论 上的说法，LED 的发光效率可以非常接近 100%。所以 LED 被看成 21 世纪的新 型光源，很有希望在白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。 为了提高白光 LED 的发光效率，世界上许多国家的科研人员正从改进工艺和开 发新材料入手，以改进产品结构。 美国波士顿的 Photonics Research 研究中心报道了 LED 技术方面的新进展， 声称光效达到 330lm/W。这种被称作 photon-rectcling 的半导体光源可发出蓝、 黄两种波长的光。所发出的光能使人感到的是白光。这种光效，与目前市场上 的 LED 比要高 10 倍甚至更高。不过，应该指出，从实验室到商业化的产品这条 路也许还十分漫长。 奥地利的照明设计公司做了一个大型的实验，用了 14000 只白光和彩色 LED 的混合照明整个房间。光照水平可以达到 600-700Lux，足够一间普通办公 室的照明。用计算机计算白光，蓝光，蓝/绿光，琥珀和红光二极管的混合效果， 可以得到 2500-3000K 的暖色温，其显色指数非常好。 由于 LED 产业不断涌现新技术、新产品、新应用，呈现出了朝阳工业的欣 欣向荣的景象，可以相信，半导体技术不仅不会被其他技术取代，而且会继续 沿着原来的轨道向前发展。半导体照明技术由于技术的先进性和产品使用的广 泛性，已经被广泛认为是最具发展潜力的高科技领域之一。半导体照明产业具 有明显的节能和环保效果，也被认为是一个战略性的高技术产业。 1.3 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）实现光敏自动调光，根据室内的光照变化，自动调整 LED 亮度； 3）按键选择手动/自动调光方式； 4）具有电源开关、电源指示灯、复位等功能。 2. 扩展功能 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 4 1）利用热释电红外检测模块来检测是否有人靠近台灯，若有人则自动开 启光源，当一段时间检测不到人时台灯就会自动熄灭。 2）4 位数码管显示 LED 光源的相对亮度。 1.4 LED 相关知识 1.4.1 LED 的结构及发光原理 LED 是英文 Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一 块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密 封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，p 型半 导体里面空穴占主导地位，n 型半导体里面主要是电子，当两种半导体连接起 来的时候，在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某 些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的 能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少 数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫 发光二极管，通称 LED。当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压） ，电 流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线， 光的强弱与电流有关。一种 LED 结构图如图 1 所示。 1.4.2 LED 光源的特点 （1）电压：LED 使用低压电源，根据产品不同而异，所以它是一个比使用 高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。 图 1 LED 结构图 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 5 （2）效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80%。 （3）适用性：很小，每个单元 LED 小片是 3-5mm 的正方形，所以可以制 备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境 （4）稳定性：10 万小时，光衰为初始的 50%。 （5）响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒 级。 （6）对环境污染：无有害金属汞。 （7）颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调 整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿蓝橙多色发光。如小电流时为红色的 LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。 （8）价格：LED 的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只 LED 的价格就可以 与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上 300500 只二极管构成。 1.4.3 LED 的应用 （1）建筑物外观照明 对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的 投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。但是，由于 LED 光源小而薄， 线性投射灯具的研发无疑成为 LED 投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本 没有出挑的地方放置传统的投光灯。它的安装便捷，可以水准也可以垂直方向 安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师带来了新的照明语汇，拓展了 创作空间。并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。 （2）景观照明 由于 LED 不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的 有机结合。可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行 照明。对于花卉或低矮的灌木，可以使用 LED 作为光源进行照明。LED 隐藏式 的投光灯具会特别受到青睐。固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度， 方便进行调节。 （3）标识与指示性照明 需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局 部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的 LED 自发光埋地灯或 嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯， 以及购物中心内楼层的引导灯等。另外，LED 与霓虹灯相比，由于是低压，没 有易碎的玻璃，不会因为制作中弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。 （4）室内空间展示照明 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 6 就照明品质来说，由于 LED 光源没有热量、紫外与红外辐射，对展品或商 品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单， 费用低廉，易于安装。其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。商业 照明大都会使用彩色的 LED，室内装饰性的白光 LED 结合室内装修为室内提供 辅助性照明，暗藏光带可以使用 LED，对于低矮的空间特别有利。 （5）娱乐场所及舞台照明 由于 LED 的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以创造 静态和动态的照明效果。从白光到全光谱中的任意颜色，LED 的使用在这类空 间的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值（10000 小时后仍然维 持 90的光通） ，与 PAR 灯和金卤灯的 50250 小时的寿命相比，降低了维护 费用和更换光源的频率。另外，LED 克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的 现象。与 PAR 灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。目前 LED 彩色 装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。 （6）视频屏幕 全彩色 LED 显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用 先进的数字化视频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高亮度。根据不同的 户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以 满足各种用途。它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类 多媒体文件。世界上目前最有影响的 LED 显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽 约证券交易所，总计使用了 18677760 只 LED，面积为 10736 平方英尺。屏幕可 以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面 前。另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建 筑立面镶上了长 100 米的超大型 LED 屏，总计面积达到 3600 平方米。堪称世界 第一。 （7）车辆指示灯照明 汽车信号灯也是 LED 光源应用的重要领域。1987 年，我国开始在汽车上安 装高位刹车灯，由于 LED 响应速度快（纳秒级） ，可以及早让尾随车辆的司机知 道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论 7 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统设计原 理 8 第 2 章 系统设计原理 2.1 总体设计方案 本设计以 89C52 单片机为控制器，利用光敏电阻采集环境光照度，采用脉 宽调制方式调节三极管，进而调节 LED 的发光亮度，最终维持环境光照度在一 个设定的水平。包括手动控制模块、光采集模块、电源模块、LED 照明模块， 总体框架图如下图 2-1 所示。 手动控 制模块 89C52 单片机 LED 照明 光采集 模块 电源模块 图 2-1 总体框架图 自动调光调光示意图如下图 2-2 所示。 L2 这个 LED 用来自动调光 L1 这个 LED 模拟环境亮度 电位器可以改变环境亮度 单 片 机 图 2-2 调光示意图 工作原理：通电的时候，单片机采集亮度，以当前亮度为基准。如果环境 变暗，则调亮 L2 亮度，直到环境亮度达到基准；如果环境变亮，则调暗 L2 亮 度，直到环境亮度达到基准。 调节方法：L1 是手动调的，代表环境其他光线的亮度的变化，如果 L1 变 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统设计原 理 9 暗，这时候 L2 就要变亮，保证环境总的亮度不变，反之，如果环境其他光线 L1 变亮，这个时候 L2 就要暗下来了。L1 手动调，L2 会根据 L1 的亮度自动调 节，这就是自适应调光。在一个环境比较暗的地方，调节 L1，让 L2 亮起来。 然后在拿到一个比较亮的地方，L2 会变暗，甚至熄灭。 2.2 系统驱动方式选择 为发光二极管照明选择一个可行的供电方式，是半导体照明普及必须要解 决的一个问题。如果选择用市电驱动发光二极管，则需要解决降压和整流问题， 还有较小的体积和较低的成本，有比较高的变换效率，特别要考虑到安全隔离 问题；考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因素等问题。对中小 功率的发光二极管灯来说，其最理想的电路结构是隔离式单端反激变换器。对 于大功率的应用而言，则应该使用桥式变换电路。 现阶段，家庭用电均为 220V 的市电，为了能够更加方便的应用我这个课 题，我选择了使用市电驱动。 2.3 光照检测方式选择 方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的 数字电平，然后直接接入单片机 IO 引脚。 方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值） ，然后通 过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。 由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。 2.4 人体感应方式选择 方案一、采用红外对管进行检测。红外发送管和红外接收管分别安装在通 道两侧。当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过， 可以视为有人体进入。 方案二、采用集成电路 BIS0001，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处 理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热 释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、 荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于 企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的 自动灯光、照明和报警系统。 由于方案一要求红外发送管和接收管必须相对才行，而且两者距离有限， 实现起来较为不便，所以本设计采用方案二。 2.5 LED 驱动设计注意点 电源有各种各样，但不管何种电源，都不能直接给 LED 供电。所以说要用 LED 做照明光源就必须解决好电源变换这个问题。实际上 LED 是一个电流驱动 河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统设计原 理 10 的低电压单向导电的器件，LED 驱动器应具有小尺寸、高效率、直流控制、PWM 调光、过压保护、负载断开、以及简单易用等特点。为 LED 提供电的电源变换 器设计的时候一定要注意以下的几个特点： （1）LED 是一种单向导电器件。根据这个特点，我们就可以考虑用直流电 流或单向脉冲电流给 LED 提供电能。 （2）发光二极管是具有 PN 结结构的半导体器件，有势垒电势，这会形成 导通门限电压，只有加载到 LED 上的电压值超出了这个门限电压，LED 才会充 分的导通。一般大功率的 LED 门限电压在 2.5V 以上，一般工作的时候的管压降 为 34V。 （3）二极管的电流/电压特性是非线性的。一般情况下流过 LED 电流的数 值等于供电电源的电动势减去 LED 的势垒电势再除以回路的总电阻，总电阻是 电源内阻、引线电阻、发光管体电阻的和。所以，流过 LED 的电流跟加在发光 管两端的电压不会成正比关系。 （4）二极管的 PN 结是负的温度系数。温度升高会导致 LED 的势垒电势下 降。根据这个特点，我们不能直接给 LED 电压源供电，而是需要采取限流措施， 不然随着管子工作时温度的升高电流会越来越大直到损坏器件。 （5）流过发光管的电流跟发光管的光通量之间的比值是非线性的。LED 的 光通量会随着流过发光管的电流上升而上升，但是却并不是正比关系，越是后 来光通量的增加越是少。所以，我们应该让发光管在一个发光效率高的电流值 下进行工作。 LED 和其他光源一样，能够承受的电功率是有限的。假若加在 LED 上的电 功率超过了一定的数值，发光管就有可能被损坏。因为材料特性和生产工艺等 方面的区别，相同型号的发光管的势垒电势以及发光管的内阻也并不完全相同， 这将导致发光管工作的时候管压降不一样，加上发光管势垒电势具有负的温度 系数，所以说 LED 不能够直接并联使用。综上所述，用发光管作照明必须要设 计一个合理的驱动。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 11 第 3 章 硬件设计 自动调光系统主要由：电源电路、感光电路、手动控制模块、单片机控制 电路、AD 转换电路、发光二极管驱动电路、人体红外感应模块组成，原理图 如图 3-1 所示。 单片机 AT89C52 电源电路 感光 电路 AD 转换 电路 发光二极管 驱动电路 晶振电路 手动控制模 块 图 3-1 自动调光系统原理图 3.1 电源电路 电源是电路中很重要的一个部分，其设计的好坏对整个系统的性能有非常 大的影响。 要想得到+5V 的电压，若选用 12V 的变压器，整流滤波后输出往往大于 12V，会使稳压器功耗大，自身温度过高。故不选用输出电压为 12V 的变压器， 而选用输出电压为 8V 的变压器。系统接通 220V 交流电源后，将 220V 交流电 变压到 8V，经过二极管全波整流、电解电容 C5、C6 滤波，再经一只正输出稳 压器 LM7805。为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容 C7、C8，最后得到+5V 的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它 外围电路供电。电路图如 3-2 所示。 人体红外感 应模块 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 12 图 3-2 电源电路 如图所示电路为输出电压+5V，它由电源变压器 T，桥式整流电路 D1D4，滤波电容 C5、C6，防止自激电容 C7、C8 和一只固定式三端稳压器 (7805)极为简捷方便地搭成的。 220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路 D1D4 和滤波电容 C5、C6 的整流和滤波，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电 压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过 LM7805 的稳压和 C7、C8 的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 本稳压电源可作为 TTL 电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、 系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可 靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片 式集成稳压器件。 3.2 感光电路 照度是指被照物表面在单位面积上受到的光通量。一般用“呎烛光”来表 示照度。1 呎烛光，是指发光强度为 1 烛光的光源，在距离光源一呎、面积为 一平方呎的垂直面上所产生的光照度。呎烛光平均的光照度就是每平方呎 1 流 明，故可写作 1 流明/平方呎。光照度也有用“米烛光”为单位，称作“勒克司” ，即一平方公尺的面积上受距离一米的烛光的照射。同样强度的光源，在物体 上的照度和其与光源的距离有关，所以呎烛光的光照度大于米烛光的光照度。 1 呎烛光的光照度=10.76 米烛光；1 米烛光的光照度=0.093 呎烛光。 照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 13 量，照度的单位是每平方米的流明(Lm)数，也叫做勒克斯(Lux)：1Lux=1Lm/平 方米。上式中，Lm 是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度(约 1770)时， 其 1/60 平方米的表面面积于 1 球面度的立体角内所辐射的光量。 一般情况：夏日阳光下为 100,000Lux；阴天室外为 10000Lux；室内日光灯 为 100Lux；距地面 60cm 桌面 60W 台灯为 300Lux；电视台演播室为 1000Lux；黄昏室内为 10Lux；夜间路灯为 0.1Lux；烛光(20cm 远处) 1015Lux。 下表 3-3 为学校照度标准参考表： 表 3-3 学校照标准参考表 照 度(Lux)场 所 1500300制图教室、缝纫教室、电脑教室 750200 教室、实验室、实习工场、研究室、图书阅览室、办公室、 教职工员休息室、会议室、保健室、餐厅、广播室、室内运动场 300150大教室、礼堂、休息室、楼梯间 15075走廊、电梯走道、厕所、值班室、校内室外运动场 7530仓库、车库、安全梯 感光电路由光敏电阻、运算放大器 LM358 组成，如下图 3-4 所示,当环境亮 度变化时，光敏电阻的阻值也会发生对应的变化，此时光敏电阻上的压降也发 生变化。该压降通过 LM358 构成的电压跟随器，输出到 AD 转换电路。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 14 图 3-4 感光电路 3.3 手动控制电路 手动控制电路框架如图 3-5 所示。通过两个点触式开关来实现光源光强的 调节。当按下减弱开关时，单片机会检测到低电平，并将 PWM 波的占空比减 少，这样光强变弱。当按下增强开关时，单片机会检测到低电平，并将 PWM 波的占空比增加，这样光强变强。 图 3-5 手动控制电路 3.4 延时时间选择电路 系统在 AT89C52 的 P1 中设置了延时时间选择电路，其目的是在环境光照 较弱时，照明设备延时一段时间后自动熄灭。延时时间由程序灵活设定。 3.5 单片机控制电路 单片机控制电路由单片机、感光电路、手动控制模块、AD 转换电路、发 光二极管驱动电路等组成，电路如图 3-6 所示。通过 6,7,8 管脚可以控制感光电 路，其三个管脚和 ADC0832 相连，组成 AD 转换电路；21,22 管脚控制手动控 制模块，18,19 管脚控制晶振电路。以 89C52 单片机为控制器，利用光敏电阻 采集环境光照度，采用脉宽调制方式调节三极管，进而调节 LED 的发光亮度， 最终维持环境光照度在一个设定的水平。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 15 图 3-6 单片机控制电路 3.5.1 AT89C52 简介 1、89C52 单片机的基本组成： 一个 8 位微处理器；片内 256 字节数据存储器 RAM/SFR；用以存放可以读/写 的数据；片内 4KB 程序存储器 Flash ROM；4 个 8 位并行 I/O 端口 P0-P3,可输 入和输出；两个 16 位的定时器/计数器，可计数；有 5 个中断源，两个中断优 先级的中断控制系统；一个 UART 的串行 I/O 口，实现串行通信；片内振荡器和 时钟产生电路；具有节电工作方式，也就是说掉电方式。 2、89C52 单片机引脚及其功能 如下图 3-7 所示，为单片机 AT89C52 的引脚简单介绍几个用到的引脚功能。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 16 图 3-7 单片机 AT89C52 的引脚图 （1）1 到 4 这四个管脚属于 P1 口，其功能：8 位准双向 I/O 口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 （2）RST（9 脚），其功能：复位输入，当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机 器周期以上高电平将使单片机复位。 （3）12 脚属于 P3 口，其功能：8 位准双向 I/O 口，双功能复用口，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 （4）XTAL2（18 脚）：振荡器反相放大器的输出端。 XTAL1（19 脚）：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 （5）21，22 脚为 P2 口，其功能：8 位准双向 I/O 口，与地址总线（高 8 位） 复用，可驱动 4 个 LS 型 TTL 负载。 （6）31 脚接+5V。 3.5.2 ADC0832 简介 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一款芯片，它体积比较小，性价比 高，兼容性好，应用比较广泛。 ADC0832 特点：8 位分辨率，双通道 A/D 转换；输入输出电平与 TTL/CMOS 相兼容；5V 电源供电时输入电压在 05V 之间；工作频率为 250KHZ，转换时间为 32S；一般功耗仅为 15mW；PICC 多种封装；商用级 芯片温宽为 0C to +70C。引脚图如下 3-8 所示。 图 3-8ADC0832 引脚图 引脚功能说明： 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 17 1.CS 片选使能，低电平有效。 2.CHO 模拟通道 0，差分输入时，作为 IN+或 IN-使用。 3.CH1 模拟输入通道 1，差分输入时，作为 IN+或 IN-使用。 4.GND 电源接地。 5.DI 数据信号输出，选择通道控制。 6.DO 数据信号输出，选择数据输出。 7.CLK 芯片时钟信号。 8.VCC 电源输入。 ADC0832 为 8 位分辨率 A/D 转换芯片，其最高分辨可达 256 级，可以适应 一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟 电压输入在 05V 之间。芯片转换时间仅为 32S，据有双数据输出可作为数据 校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使 多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过 DI 数据输入端，可以轻易的实 现通道功能的选择。 单片机对 ADC0832 的控制： 一般情况下 ADC0832 和单片机有四条数据线相连，分别是 CS、CLK、DO、DI。因为 DO 与 DI 在通信的时候不是同时有效的，而且和单片机 的接口是双向的，因此有时候在电路设计时可以把这两个端口接在一根数据线 上来用。当 ADC0832 没有工作时它的 CS 输入端应该是高电平，这个时候芯片禁 止使用，CLK 和 DO/DI 的电平可以是低电平或者是高电平。当进行 A/D 转换的 时候，要先把 CS 的使能端置于低电平而且要持续到转换完全结束。这个时候芯 片开始进行转换工作，同个时间处理器会向芯片时钟 CLK 端输入时钟脉冲， DO/DI 端则使用 DI 端输入通道功能选择的数据信号。在第 1 个时钟脉冲的下沉 之前 DI 端必须是高电平，表示启始信号。在第 2、3 个脉冲下沉之前 DI 端应输 入 2 位数据用于选择通道功能，当此 2 位数据为“1” 、 “0”时，只对 CH0 进 行单通道转换。当 2 位数据为“1” 、 “1”时，只对 CH1 进行单通道转换。当 2 位数据为“0” 、 “0”时，将 CH0 作为正输入端 IN+，CH1 作为负输入端 IN-进行 输入。当 2 位数据为“0” 、 “1”时，将 CH0 作为负输入端 IN-，CH1 作为正输 入端 IN+进行输入。到第 3 个脉冲的下沉之后 DI 端的输入电平就失去输入作用， 此后 DO/DI 端则开始利用数据输出 DO 进行转换数据的读取。从第 4 个脉冲下沉 开始由 DO 端输出转换数据最高位 DATA7，随后每一个脉冲下沉 DO 端输出下一 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 18 位数据。直到第 11 个脉冲时发出最低位数据 DATA0，一个字节的数据输出完成。 也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第 11 个字节的下沉输出 为 DATA0。紧接着输出 8 位数据，直到第 19 个脉冲的时候数据输出才算完成， 也就是意味着一次 A/D 转换的结束。最后将 CS 置高电平禁止使用的芯片，直接 将转换后的数据进行处理就可以了。 作为单通道模拟信号输入时 ADC0832 的输入电压是 05V 并且 8 位分辨率 时的电压精度为 19.53mV。如果作为由 IN+与 IN-输入的输入时，可以将电压值 设定在一个比较大的范围之内，这样可以提高转换的宽度。但值得注意的是， 当进行 IN+和 IN-的输入的时候，假如 IN-的电压大于 IN+的电压则转换后的数 据结果始终为 00H。 3.5.3 AD 转换电路 AD 转换电路由 8 位 AD 芯片 ADC0832 组成,如下图 3-10 所示。ADC0832 的基 准电压为 5V，输入电压范围为 05V，输出数字量最大值为 255。 图 3-10 AD 转换电路 3.6 时钟电路 AT89C52 虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。 AT89C52 单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在 XTAL1、XTAL2 引 脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 19 部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在 1.2MHZ 到 12MHZ 之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定 性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2 可在 20pF 到 100pF 之间 取值。所以本设计中，振荡晶体选择 11.0592MHZ,电容选择 30pF。 晶振电路由晶振、和电容组成，跟单片机的 18,19 这两个管脚相连，电路 如下图 3-11 所示。 图 3-11 晶振电路 3.7 发光二极管驱动电路 该电路由发光二极管、电阻和三极管组成如下图 3-12 所示，和单片机 17 接口相连采用灌电流方式，驱动发光二极管。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 20 图 3-12 AD 发光二极管驱动电路 3.8 相关计算 1、5V 稳压电源 1)器件参数： 变压器参数：220/12V；额定功率 8W-12W 7805 参数：输出电压：4.75-5.25V；最大输入电压： 35V；静态电流： 4.2- 8mA； 输出噪音电压： 40uV； 纹波抑制比： 78dB；输出电阻： 17m； 输出电压温度系数 -1.1mV/C； 2)稳压电源计算 因为变压器变比是 220/12V,所以经过整流桥后电压变为： VU UD 8 . 10129 . 09 . 0 7805 最大输入电压为 35V，所以符合 7805 的输入要求。 经稳压电路出来后最终测的电压是 5.02V. 误差率是：=0.4% 5 502 . 5 %100 2、各部分电容的计算分析 1）470u 电容计算： 电容阻抗计算：， fcjcj Z 2 11 470u 电容对 50HZ 的工频阻抗为 6.7,对 1MHZ（20000 次谐波）信号阻 抗为 310，对高频信号有很好滤除作用。 4 470u 电容的分析：8V 电压经过 470u 的电容后，电流为 1.3A，可以通过整 流桥的另一个二极管。换成与 470u 容值相差不大的电容也可以，如果电容太小 河南城建学院本科毕业设计（论文） 硬件设计 21 会对工频产生很大阻抗，则可能无法通过整流桥的另一个二极管。下面的 0.1u 电容可以证明。 2）0.1u 电容计算： 电容阻抗计算式，对于 1MHZ 的波行对应的阻抗为 1.6， fcjcj Z 2 11 而 对 50HZ 工频对应的阻抗为 32K，流过 0.1u 电容的电流为 0.28mA,不利于通过 整流桥的另一个二极管，所以有必要在前面加一个 470u 的电容。当然 0.1u 的 电容比 470u 的电容有更好的滤除高频信号能力。设变压器 2 次侧电压为， 2 U 设经过电容后平均电压为 U： av U=2* av2 U) 4 1 ( CR T L 为负载电阻，由于 T=0.02，空载时=，则空载时电容后的电压为 L R L R 1.414 倍电压，加上负载后就得用公式计算，一般估算为 1.2。 3）7805 后面 2 个电容计算： 经过 7805 后，100u 的电容电流主要成分就是直流了，加 100u 的电容有进 一步稳压的效果，再者可以防止来自负载上电压冲击，避免流进稳压管 7805。 100u 电容对工频信号阻抗为 32，对 3 次谐波阻抗为 10，5 次谐波阻 抗为 6.4，对 10 次谐波阻抗为 3.2，对 100 次谐波为 0.32。 0.1u 电容同 100u 电容效果，不过 0.1u 对来自负