单片机课程论文-频闪功能调光方式的设计

1、单片机原理与技术单片机原理与技术 结课论文结课论文 完成日期：完成日期：2014 年年 11 月月 11 日日 学 院：物理与材料工程学院 专 业：光电子技术科学 班 级：光电子 设计题目： 学生姓名： 教 师：冯志庆 目目 录录 目目 录录 .1 一、设计任务和要求一、设计任务和要求 .2 1.1 设计背景.2 1.2 设计任务.2 1.3 性能指标.2 二、设计方案二、设计方案 .3 2.1 调光方式的设计.3 2.2 控制方式的选择.4 2.3 单片机选型.4 三、系统硬件设计三、系统硬件设计 .4 3.1 硬件总体结构.4 3.2 单片机 PIC16F873.5 3.3 单片机的附加电

2、路.5 3.4 板内电源部分.7 3.5 系统的输入部分.7 3.6 系统的输出部分.8 3.7 系统的 485 通信部分.10 四四. .系统软件设计系统软件设计 .10 4.1 系统的补光功能的实现.10 4.2 系统的频闪功能的实现.10 4.3 系统的爆闪功能的实现.11 4.4 系统的过热保护功能的实现.11 4.5 系统的 485 通信功能的实现.12 五五. .系统的调试系统的调试 .12 5.1 控制系统电路的调试.12 5.2 控制系统与系统电源、LED 灯盘的联接调试.13 六六. .心得体会心得体会 .15 七七. .参考文献参考文献 .15 一、设计任务和一、设计任务和

3、要求要求 1.11.1 设计背景设计背景 随着半导体照明光源光效的不断提升和成本的不断下降，半导体照明的应 用越来越广泛，对半导体照明灯具的调光和智能控制也成为一个热门的研究课 题。与传统照明灯具相比，发光二极管作为半导体器件，在照明领域的调光和 智能控制方面具有不可比拟的先天优势。本论文的主题是设计一个可靠的智能 LED 频闪/爆闪补光灯控制系统。系统将智能监控系统的摄像拍照闪光功能与低 照度下自动补光功能结合起来，并能够与上位机通信，实现上位机对系统的设 置和控制。 1.21.2 设计任务设计任务 （1）介绍 LED 调光的各种方法和特点。为系统的功能选择合适的调光方案： 补光和频闪功能选

4、择脉冲宽度调制调光方案；爆闪功能选择模拟调光方案。 （2）结合单片机和电子电路理论，以单片机 PIC16F873 为核心控制芯片搭 建电路。 （3）设计实现系统各功能的软件：使用 MPLAB 软件，充分考虑了软件调试 和升级的需要，以 C 语言编写了程序。 （4）完成控制系统软硬件的调试和频闪/爆闪补光灯的组装调试。 1.31.3 性能指标性能指标 LED 频闪补光灯应用于道路或路口监控，起到低照度下自动补光、外部频 闪信号输入时频闪、外部爆闪信号输入时爆闪、多台灯具可级联同步工作以及 与上位 PC 机之间实现串口通信等功能。具体功能如下： （1）频闪触发与抓拍主机频闪信号输出相连，通过频闪信

5、号控制 LED 灯的 一定频率的亮灭，达到同步为视频补光的效果，同时人眼辨识出的是 LED 灯常 亮状态。输入信号为低电平脉冲，每输入一个低电平脉冲，则频闪灯爆闪一次。 输入信号由外部的摄像机或其他设备提供。 （2）某些场合需多个频闪灯同步工作，所以在灯具上需提供一个同步的频 闪输出信号，频闪同步输出功能用于一台抓拍相机对应多个闪光点的情况，该 频闪同步输出信号可作为另一台频闪灯的频闪输入信号，达到多车道同步补光 的效果。 （3）爆闪触发与抓拍主机爆闪信号输出相连，通过爆闪信号控制 LED 灯瞬 间的高亮，达到同步为图片抓拍补光的效果。输入信号为低电平脉冲，每输入 一个低电平脉冲，则频闪灯爆闪

6、一次。输入信号由外部摄像机或其他设备提供。 （4）提供 RS485 通信功能，可对闪光灯内部参数进行设置。 二、设计方案二、设计方案 2.12.1 调光方式的设计调光方式的设计 2.1.12.1.1 频闪功能调光方式的设计频闪功能调光方式的设计 频闪通过控制 LED 回路的通断来实现。因此 PWM 调光成为唯一合适的选择。 图 1 频闪 PWM 调光电路方案设计 该功能由图 1（a）所示方式实现。具体实现过程是：输入信号中每个低电 平脉冲来临时，经过处理后产生一个输入到控制 LED 电流回路的开关管栅极的 高电平脉冲输出，通过控制此高电平的脉冲持续时间来控制频闪亮度，如图 1（b） 。 2.1

7、.22.1.2 补光功能调光方式的设计补光功能调光方式的设计 图 2 补光功能理论框图 补光系统包括三个部分：亮度检测、信号处理和 LED 补光输出。 此功能较易实现，采用脉冲宽度调制的方式。 2.1.32.1.3 爆闪功能的调光设计爆闪功能的调光设计 爆闪多用于光线较暗的场合的瞬间照明，也用于光线较亮的场合给被拍摄 对象局部补光。因为爆闪时灯具的亮度可能达到灯具正常补光或频闪时亮度的 数倍甚至十数倍，而灯具不可能采用两套光源和电源，因此我们在选择光源时 应满足爆闪时的电压电流条件，而频闪和补光功能可在此基础上进行进一步设 计。 图 3 频闪、爆闪电路实现 因此，在图 1（b）的基础上改进，在

8、原电路中加入一个分压电阻，并加入 另一个旁路开关管，即可实现这个功能，电路史通恒压源供电。 2.22.2 控制方式的选择控制方式的选择 由系统的工作原理和功能可看出，本系统有 2 个外部输入信号：频闪输入 和爆闪输入；一个待测信号：亮度检测信号。输出信号有频闪同步输出信号， 而系统控制部分必须产生频闪脉冲、爆闪脉冲和补光脉冲 3 个脉冲信号提供给 控制 LED 电流回路通断的开关管。另外，系统还要实现与上位 PC 机 deep 单片 机通信。控制部分的功能比较简单，因此本方案采用成本低廉、灵活易用的单 片机进行控制。 2 个外部输入信号频闪输入和爆闪输入因为是低电平脉冲信号，因此可使 用单片机

9、的外部中断功能进行处理。亮度检测信号是模拟量，需进行 AD 转换再 交由单片机进行处理。 2.32.3 单片机选型单片机选型 选择 PIC 单片机作为本系统的控制器件。 PIC 单片机采用了精简指令集，指令具有单字节、两级流水线结构的特点。 另外，与其他公司的同类产品相比，其功耗高、驱动能力大、外围模块设计方 便快捷等特点使其成为了一款方便实用的高性价比单片机。 三、系统硬件设计三、系统硬件设计 3.13.1 硬件总体结构硬件总体结构 硬件总体设计框图如图 4 所示，系统外置了 220VAC-20VDC 的转换电源。因 此系统采用 20V 直流供电。LED 灯盘采用 30 颗单颗 3W 的高亮

10、度 LED 灯珠，其 最大正向电流可达 1500 毫安。30 颗 LED 光源采用 5 并 6 串的方式连接，单颗 LED 灯珠的额定电压为 3.3V。 图 4 系统硬件总体理论框图 单片机的输出部分包括 4 个部分：补光脉冲输出、频闪脉冲输出、爆闪脉 冲输出和频闪同步信号输出。 3.23.2 单片机单片机 PIC16F873PIC16F873 在 PIC 单片机系列中，PIC16F873 属于中档单片机，采用 28 脚贴片封装。 其各引脚及名称如图 5 所示。 图 5 PIC16F873 的引脚图 3.33.3 单片机的附加电路单片机的附加电路 为了保证单片机的正常工作和电路的稳定工作，附加

11、电路是必不可少的部 分，附加电路包括单片机的时钟振荡电路、单片机的程序写入电路、单片机的 过热保护电路和单片机工作指示灯电路。 3.3.13.3.1 单片机的时钟振荡电路单片机的时钟振荡电路 PIC 单片机可工作与 4 种振荡模式下。用户可通过对系统配置字中的 FOSC1 和 FOSC0 两位的编程来选择 4 种振荡模式中的一种。这四种振荡模式为： LP、XT、HS、RC。 图 6 单片机的时钟振荡电路 3.3.23.3.2 单片机的程序在线调试电路单片机的程序在线调试电路 图 7 单片机的在线调试电路 3.3.33.3.3 单片机的工作指示灯电路单片机的工作指示灯电路 为了方便调试和观察，在

12、电路中设计了一个指示灯以监测单片机的工作状 况。 图 8 单片机的工作指示灯电路 3.3.43.3.4 单片机的过热保护电路单片机的过热保护电路 图 9 单片机的过热保护电路 3.43.4 板内电源部分板内电源部分 因为整个电路采用 20V 直流供电，而单片机及各外围芯片均需要 5V 直流供 电，所以在板上需要一个电源模块将 20VDC 转换为 5VDC。 图 10 BUCK 型电压转换器的基本电路 图 11 电路的板内电源电路 3.53.5 系统的输入部分系统的输入部分 系统的输入部分由频闪信号输入、爆闪信号输入和亮度检测信号输入 3 部 分组成。 3.5.13.5.1 系统的频闪和爆闪信号

13、输入电路系统的频闪和爆闪信号输入电路 图 12 系统的频闪、爆闪输入电路 3.5.23.5.2 系统的亮度检测信号输入电路系统的亮度检测信号输入电路 图 13 系统的亮度检测信号输入电路 3.63.6 系统的输出部分系统的输出部分 系统的输出部分由补光、频闪和爆闪输出电路和系统的频闪同步输出电路 组成。 3.6.13.6.1 系统的补光、频闪和爆闪输出电路系统的补光、频闪和爆闪输出电路 图 14 系统的补光、频闪和爆闪输出电路 图 15 系统的爆闪辅助电路 3.6.23.6.2 系统的频闪同步输出电路系统的频闪同步输出电路 图 16 系统的频闪同步输出电路 3.73.7 系统的系统的 4854

14、85 通信部分通信部分 图 17 系统的 485 通信电路 四四. .系统软件设计系统软件设计 4.14.1 系统的补光功能的实现系统的补光功能的实现 图 18 补光程序流程 4.24.2 系统的频闪功能的实现系统的频闪功能的实现 图 19 频闪中断程序流程 4.34.3 系统的爆闪功能的实现系统的爆闪功能的实现 图 20 爆闪中断程序流程 4.44.4 系统的过热保护功能的实现系统的过热保护功能的实现 图 21 系统的温度读取子程序流程 4.54.5 系统的系统的 485485 通信功能的实现通信功能的实现 图 22 系统的 485 通信程序流程 五五. .系统的调试系统的调试 5.15.1

15、 控制系统电路的调试控制系统电路的调试 图 23 控制系统电路板 对电路进行电气连接方面的检查之后，对此电路上电检测，供电电压为直 流 20V。电路运行正常：板内电源模块能够输出标准的 5V 直流电压，各芯片电 源脚均可测得 5V 电压。 将程序烧写进入单片机并经过调试，控制系统最终实现了各功能。 图 24 系统的补光 PWM 输出波形 图 25 系统的爆闪输出脉冲 5.25.2 控制系统与系统电源、控制系统与系统电源、LEDLED 灯盘的联接调试灯盘的联接调试 智能 LED 频闪/爆闪补光灯由 3 个模块组成：电源模块、控制系统和 LED 灯 盘。如图 26 所示。 图 26 智能频闪/爆闪

16、补光灯的组成 系统的电源模块采用 220VAC-20VDC 的 BUCK 型恒压电源。输出电压为 20V，最大输出电流为 5A，如图 27 所示。 图 27 系统的电源模块 图 28 系统的 LED 灯盘 图 29 系统的组装调试 经过检测，智能频闪/爆闪补光灯整灯参数如表 1 所示。 表 1 智能频闪/爆闪补光灯参数 图 30 智能频闪/爆闪补光灯整灯外观 六六. .心得体会心得体会 本论文提出并设计实现了一种 LED 智能频闪/爆闪补光灯控制系统。该系统 与频闪/爆闪补光灯的电源模块和 LED 灯盘共同构成了 LED 补光灯系统。该系统 主要用于路口智能监控系统中，为系统的视频拍摄 heels 照片拍摄自动频闪爆 闪补光。在本文中，阐述了系统的设计和软硬件实现的方法，最后完成了 LED 智能频闪/爆闪补光灯控制系统的电路制作、软件调试、整灯联接调试等工作。 通过本次锻炼，提升了我