基于单片机的LED自适应调光系统设计

1、河南城建学院本科毕业设计（论文）1 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

2、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%1-117HPS高压钠灯100-13055%55-72Halide金卤灯8055%44CPL型节能灯60-7060%3

3、6-42无极灯60（大功率50）60% 36（30）白炽灯15普通荧光灯60-8070%42-56LED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，可在安全低电压下工作，也可连续开关闪断，能实现0-100调光。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

4、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

5、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

6、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。1.3 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

7、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 Re

8、search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

9、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。1.4 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

10、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。图1 LED结构图1.4.2 LE

11、D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。（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，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为

12、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

13、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

14、，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

15、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

16、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。432系统设计原理2.1 总体设

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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.

22、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

23、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。3 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组成，原理图如图3-1所示。单

24、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9V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到9V，经过二极管全波整流、再经一只正输出稳压器LM7805,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。电路图如下框3-2所示。图3-2 电源电路如图

25、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C5、C6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

26、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=

27、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

28、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。图3-4 感光电路3.2.1 LED基本参数 (1

29、)光通量：指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。(2)发光效率：发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力。这是衡量现代光源性能的重要指标之一，如何提高电光源光效的研究是电光源研究中一个重要方面。(3)光强：描述点光源发光强弱的一个基本度量，以点光源在指定方向上的立体角元内所发出的光通量来度量。(4)照度：从同一方向看，在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度，照度是衡量物体表面被光源照亮的程度。3.3手动控制电路 手动控制电路框架如图3-5所示。通过手动按钮可以手动调节环境的亮度，从而改变LED亮度。图3-5手动控制电路3.4延时

30、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。电路通过P10P13设置4个延时时间，当P10P30无开关闭合时，系统按初始值进行延时；当P10P13有开关闭合时，程序从P13P10进行检测，若检测到某一端口为低电平时，则系统按当前端口设置的值进行延时。设置时间关系值如表1所示。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1,2,3,4管脚可以控制感光电路，其四个管脚和ADC0832相连，组成AD转换电路；21,22管脚控制手动控制

31、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。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

32、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。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

33、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。3.6.2 ADC0804简介 ADC0804 为一只具有20引脚8位CMOS 连续近似的A/D 转换器，引脚图如3-8所示图3-8ADC0804引脚图引脚功能说明：1. CS片选使能，低电平有效。2. RD：读信号输入端。3. WR：写信号输入端。4. CLK芯片时钟信号。5. INTR：转换完毕中断提供端。6 (VIN(+)、VIN(-)：差动模拟讯号的输入端。输入电压VINVIN(+) VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地。7. D0-D7：数字量输出端，输

34、出结果为八位二进制结果。8. VCC电源输入。9. GND电源接地。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。ADC0804 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。芯片转换时间仅为100S。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。3.5.3 单片机控制电路该电路由发光二极管、电容、电阻、晶振、AT89C52组成，如下图3-9所示。单片机驱动ADC0804采集当前环境亮度，PWM驱动发光二极管调节环境亮度；通过PID算法，自动调光。图3-9单片机控制电路3.5.4 AD转换电路AD转换电路由8位AD芯片

35、ADC0804组成,如下图3-10所示。ADC0804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3.5.5 PID控制的原理和特点 在实际工程中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，可以被称为PID调制或者PID控制。控制器作为最早实用化的控制器已经有50多年历史，PID控制器简单易懂，性能优越，稳定性好，因此成为工业控制的主要技术之一。当被控制的对象的参数和结构不能完全知道，或者是得不到精准的数学模型时，其他的控制理论技术很难采用时，系统控制器的参数和结构只能依靠现场调试以及经验判断来确定，这时应用PID控制技术最为方便。也就是

36、说我们不完全了解一个系统和被控对象，或者是无法通过有效可行的测量手段来获得系统参数，这时候用PID控制技术最适合。PID控制，具体使用中有PI和PD控制。在实际使用中PID控制器是依照系统的误差，通过比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P）控制比例控制是最容易的控制方式，其控制器的输入信号和输出信号成比例关系。只存在比例控制时系统输出会产生稳态误差。积分（I）控制积分控制中，控制器的输入信号和输出信号成积分反比关系。对于一个自动控制系统来说，假如在进入稳态后有稳态误差的存在，就可以说这个控制系统存在稳态误差。在控制器中引入“积分项”可以用来清除稳态误差。随着时间的增加，积分项也会增

37、大，所以说积分项对误差取决于时间的积分。因此，即使误差非常小，积分项仍会随着时间的增加而变大；它使控制器的输出增大以此来减小稳态误差，直到变成零。所以，利用PI控制器，可以使系统进入稳态以后没有稳态误差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的输入误差与输出误差信号的微分成反比关系。由于存在较大惯性组件或者是滞后组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化所以会导致自动控制系统在克服误差的调节过程中有可能会出现振荡甚至是失稳。解决振荡的方法是抑制误差作用的变化“超前”，也就是说在误差接近零时，抑制误差的作用就该是零。就是说，在控制器中仅仅只是引入“比例”项远远是不够的，比例项的作用仅是放

38、大误差的幅值，而目前要求它能预测误差变化的趋势，所以需要增加的是“微分项”，只有这样，具有比例微分的控制器才能提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至是负值，从而可以避免被控量的严重超调。因此对于有较大惯性或者滞后的被控对象，PD控制器可以改善系统在调节过程中的动态特性。/PID自动调节亮度if(PwmNow>PwmSet) 如果实际值大于设定值PwmCount+=5; 输出加5if(PwmCount>100) 如果超过最大值PwmCount=100; 输出最大值else if(PwmNow<PwmSet)PwmCount-=5;if(PwmCount>200)PwmCou

39、nt=0; 输出波形为方波。3.6时钟电路 AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。AT89C51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,

40、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12接口相连采用灌电流方式，驱动发光二极管。图3-12 AD发光二极管驱动电路4 软件设计4.1系统流程图初始化读取当前亮度当前亮度>设定亮度？减小PWM输出增大PWM输出NY本设计采用C语言编程，先设定当下的环境亮度为设定亮度，当环境的亮度变亮的时候，即大于那设定亮度时，减小PWM输出，LED灯会变暗，并且以此当下的环境作为设定的亮度；当环境亮度再次改变，变暗的时候，程序会增

41、大PWM输出，LED灯会变亮，并且以此为设定的环境亮度；通过设定环境亮度的标准来自动调节LED亮度。4.2 初始化 /亮度手动调节按钮初始化sbit Key1 = P20;uchar PwmCount = 0;uint T1sCount =0;uchar PwmSet = 0;/当前所设置的亮度uchar PwmNow = 0;/当前环境的实时亮度/定时器0初始化void Time0_Init()TMOD = 0x01;IE = 0x82;TH0 = 0xFF;TL0 = 0xA3;/11.0592MZ晶振，1msTR0 = 1;4.3 仿真环境介绍4.3.1 Keil介绍 随着单片机开发技术

42、的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil。该软件是美国Keil Software公司出品的软件开发系统，其允许用户使用汇编或者C语言来开发MCS-51单片机（或与MSC-51指令兼容的其它单片机）的应用软件。功能上，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。外观上采用全Windows

43、界面，容易上手。性能上，即便是使用高级语言开发应用程序，其生成的目标代码效率也非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑。4.3.2 Proteus介绍Porteus是一款集单片机仿真与SPICE分析于一身的EDA仿真软件，于1989年由英国Labcenter Eletronice Ltd研发成功，经过多年的发屏，现已成为当前EDA性价比最高、性能最强的一款软件。 Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其最大的特点是Proteus VSM(Virtual System Modelling)实现了混合模式的S

44、PICE电路仿真，它将虚拟仪器、高级图表仿真、微处理器软仿真器、第三方的编译器和调试器等有机结合起来，在世界范围内第一次实现了在硬件物理模型搭建成功之前，即可在计算机上完成原理图设计、电路分析与仿真、处理器代码调试及实时仿真、系统测试，以及功能验证。Proteus主要有两大部分组成：ISIS原理图设计、仿真系统。它用于电路原理图的设计以及交互式仿真。ARES印制电路板设计系统。它主要用于印制电路板的设计，产生最终的PCB文件。4.4 PWM调制亮度调节PWM是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，翻译成脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种很好

45、用的技术，在许多领域中有广泛的应用，比如说测量、通信、功率控制与变换等。脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过使用高分辨率计数器，方波的占空比被调制用来对一个具体的模拟信号电平进行编码。PWM信号还是数字的，在给定的任何时间，满幅值的直流供电不是完全有(ON)，就是完全无(OFF)。电流源或电压是以一种断(OFF) 或通 (ON)的重复脉冲序列被加载到模拟的负载上。断的时候即是供电被断开的时候，通的时候即是直流供电被加到负载上的时候。只要满足带宽足够这个条件，任何的模拟值都可以使用PWM进行编码。/PWM输出，一个周期100等分，PwmCount表示LED点亮所占的比例，这个

46、比例越大，LED越亮if(TCount<PwmCount)LedPwm = 0;elseLedPwm = 1;TCount+;if(TCount=100)TCount = 0;/end of PWMTH0 = 0xFF;TL0 = 0xA3;/11.0592MZ晶振，1ms/主函数void main()Time0_Init();PwmCount = 0;delay(100);PwmSet = GetVal0832(1);/读初始亮度while(1)/按键调节亮度处理if( Key1=0)while(Key1=0);PwmSet+=10;if(PwmCount>250)PwmSet

47、=0;/end of KeySet PwmNow = GetVal0832(1);/读取当前亮度/1s时间调节一次亮度if(T1sCount>1000)T1sCount =0;5 系统可靠性技术 在实验室里设计的控制系统，在安装、调试后完全符合设计要求，但把系统置入现场后，系统常常不能正常稳定地工作。产生这种情况的原因主要是现场环境复杂和各种各样的电磁干扰，所以单片机应用系统的可靠性设计、抗干扰技术变得越来越重要了。 工业现场环境中干扰是以脉冲产的形式进人单片机系统的，其主要的渠道有三条，即空干扰多发生在高电压、大电流、高频电磁场附近，并通过静电感应，电磁感应等方式侵入系统内部；供电系统

48、干扰是由电源的噪声干扰引起的；过程通道干扰是干扰通过前向通道和后向通道进入系统的。干扰一般沿各种线路侵入系统。系统接地装置不可靠，也是产生干扰的重要原因；各类传感器，输人/输出线路的绝缘损坏均有可能引入干抚。5.1干扰产生的后果（1）数据采集误差的加大。当干扰侵入单片机系统的前向通道叠加在信号上，会使数据采集误差增大，特别是前向通道的传感器接口是小电压输入时，此现象会更加严重。（2）程序运行失常：控制状态失灵。在单片机系统中，由于干扰的加人使输出误差加大，造成逻辑状态改变，最终导致控制失常。死机。在单片机系统受强干扰后，造成程序计数器（PC）值的改变，破坏程序正常运行。（3）系统被控对象误操作

49、。单片机内部程序指针错乱，指向了其它地方，运行了错误的程序；DRAM中的某些数据被冲乱或者特殊寄存器的值被改变，使程序计算出错误的结果。中断误触发，使系统进行错误的中断处理。（4）被控对象状态不稳定。锁存电路与被控对象间的线路（包括驱动电路）受干扰，从而造成被控对象状态不稳定。（5）定时不准。单片机内部程序指针错乱，使中断程序运行超出定时时间；RAM中计时数据被冲乱，使程序计算出错误的结果。（6）数据发生变化。在单片机应用系统中，由于外部RAM是可读写的，在干扰的侵入下，RAM中数据有可能发生改变，虽然ROM能避免干扰破坏，但单片机片内RAM以及片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受干扰而变化

50、，甚至EPROM中的数据也可能误读写,使程序计算出错误的结果。 针对以上出现的问题，本系统分别从硬件和软件两个方面来探讨一些提高单片机应用系统抗干扰能力的方法。合理地使用软件和硬件抗干扰技术，可使系统最大限度地避免干扰的产生和受干扰后能使系统恢复正常运行，保证系统长期稳定可靠地工作。5.2 单片机应用系统的硬件抗干扰设计（1）供电系统。防止从电源系统引入干扰，可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压和欠压。使用隔离变压器滤掉高频噪声，低通滤波器滤掉工频干扰。采用开关电源并提供足够的功率余量，主机部分使用单独的稳压电路，必要时I/O供电分别采用DC-DC模块隔离，以避免各个部分相互干扰。

51、（2）注意印制电路板的布线与工艺。尽量采用多层印制电路板，多层板可提供良好的接地网，可防止产生地电位差和元件之间的耦合。印制电路板要合理分区。模拟电路区、数字电路区、功率驱动区要尽量分开，地线不能相混，分别和电源端的地线相连。元件面和焊接面应采用相互垂直、斜交、或者弯曲走线，避免相互平行以减小寄生耦合：避免相邻导线平行段过长；加大信号线间距。高频电路互联导线尽量短，使用45°或者圆弧折线布线，不要使用90°折线，以减小高频信号的发射。印制电路板要按单点接电、单点心接地的原则送电。三个区域的电源线、地线分三路引出。地线、电源线要尽量粗，噪声元件与非噪声元件要尽量离远一些。时钟

52、振荡电路、特殊高速逻辑电路部分用地线圈起来，让周围电场趋近于零。使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该个TTL或20多个CMOS。如果输出负载过重，会降低输出电平，使电平处于或低于被驱动器件的输入门槛电平，从而造成系统不稳定。（3）提高元器件的可靠性。选用质量好的电子元件，并进行严格的测试、筛选和老化。设计时元件技术参数要有一定的余量。提高印制板和组装的质量。（4）使用双机冗余设计。在对控制系统的可靠性有严格要求的场合，使用双机冗余可进一步提高系统抗干扰能力。双机冗余，就是执行同一个控制任务，可安排两个单片机来完成，即主机与从机。正常情况下，主机掌握着三总线的控制权，对整

53、个系统进行控制，此时，从机处于待机状态，等待仲裁器的触发。当主机由于某种原因发生误动作时，仲裁器根据判别条件，若认为主机程序已混乱，则切断主机的总线控制权，将从机唤醒，从机将代替主机进行处理与控制。（5）用好去耦电容。好的高频去耦电容可以去除高到1AHZ的高频成份。陶瓷片电容或多层陶瓷电容的高频特性较好。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面是本集成电路的蓄能电容，提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容为0.1uf的去耦电容有5nH分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，也就

54、是说对于10MHz以下的噪声有较好的去耦作用，对40MHz以上的噪声几乎不起作用。1uf，10uf电容，并行共振频率在20MHz以上，去除高频率噪声的效果要好一些。在电源进入印刷板的地方和一个1uf或10uf的去高频电容往往是有利的，即使是用电池供电的系统也需要这种电容。每10片左右的集成电路要加一片充放电电容，或称为蓄放电容，电容大小可选10uf。5.3 软件抗干扰技术1数据采集误差的软件对策（1）用软件滤波算法，可滤掉大部分由输入信号干扰而引起的输出控制错误。最常用的方法有算术平均值法、比较舍取法、中值法、一阶递推数字滤波法。具体选取何种方法，必须根据信号的变化规律选择。对开关量采用多次采

55、集的办法来消除开关的抖动。（2）关键数据可使用软件冗余技术，即给数据增加一定的冗余位，以实现数据的检错和纠错功能。常用的方法有：奇偶校验，海明码和循环码校验。2程序运行失控的软件对策对于程序运行失常的软件对策，主要是发现失常状态并及时将系统引导到初始状态。（1）指令冗余。对MCS-51系列单片机，大部分指令为单字节，当出错的程序落到其上时，出错的程序可自动纳入正轨；当落到多字节指令的操作数时，程序将继续出错，所以在关键的对程序的流向起决定性的指令之前插入两条NOP指令，以使被弹飞的指令恢复正轨。（2）设置程序指针陷阱。软件陷阱将出错的程序捕获并强行引入出错处理的程序，软件陷阱可安排在四个地方：未使用的中断向量区，干扰可使未使用的中断开放并激活中断，在这些地方设置软件陷阱就能及时捕获到错误中断。未使用的ROM空间，在其中每隔一段设置一个陷阱，可将弹飞至该区域的出错程序捕获。表格，储存在EPROM中的表格后安排软件陷阱，可在一定程度上防止软件弹飞。程序区，一般程序中不能任意安排软件陷阱，但是在正常程序中会有一些跳转指令，在这些指令后使用软件陷阱可捕获到弹飞到跳转指令的操作数上的出错程序。（3）使用程序监视跟踪定时器。程序监视跟踪定时器即Watchdog，在单片机抗干扰设计中使