LED台灯设计与实现毕业论文

LED台灯的设计与实现毕业设计(论文)原件及使用授权说明原始语句我保证我提交的毕业设计(论文)是我在导师指导下的研究工作和成果。据我所知，除文中特别标注和注明的地方外，不包含其他人或组织已发表的研究成果，也不包含我曾用来与其他教育机构取得学位或学历的材料。对本研究有所帮助和贡献的个人或集体，都做出了明确的解释，并表达了对本文的兴趣。作者签名:日期:讲师签名:日期:授权说明本人完全理解学校关于毕业设计(论文)收集、保存和使用的规定，即按照学校的要求提交毕业设计(论文)的印刷版和电子版；学校有权保留毕业设计(论文)的印刷版和电子版，并提供目录检索和阅读服务；学校可以采用影印、减印、数字化或其他复制方式保存论文；在不盈利的前提下，学校可以发表论文的部分或全部内容。签名:日期:论文的原创性声明我再次声明，提交的论文是我在导师指导下独立研究的研究成果。除文中特别标注和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体发表或撰写的作品。对本论文研究做出重要贡献的个人和集体，在本文中均有明确标注。本人完全清楚，此声明的法律后果由本人承担。签名:日期:年月日学位论文使用授权书本学位论文的作者完全了解学校关于保存和使用学位论文的规定，并同意学校保存和向国家有关部门或机构发送学位论文的副本和电子版本，允许查阅和借阅学位论文。本人授权大学将本学位论文全部或部分编入相关数据库以供检索，并以影印、缩印或扫描的方式保存和编辑本学位论文。涉密论文按学校规定办理。作者签名: 日期:年、月、日导师签名:日期:年月日LED台灯设计摘要在现代城市中，随着人口和能源消耗的急剧增长，总用电量也在日益增加，而台灯又是每一个家庭必备的家用电器，如果没有节能措施，则会造成能源大量浪费，进而造成能源枯竭的不良后果。因此，LED智能台灯的设计有其重要的意义。本文针对台灯省电和使用方便进行了设计和研究，介绍了设计框架结构和组成模块以及各模块的原理，介绍了各部分的硬件设计和电路图，介绍了软件设计和程序，本设计是以单片机STC15F100为控制核心，利用PWM波调光技术，从而通过调整PWM波的周期和PWM波的占空比来控制电流，进而达到对LED台灯亮度亮暗进行调节的效果，实现对LED灯PWM调光控制。关键词:LED单片机；PWM灯目录论文总数:30页1前言１1.1LED灯的优缺点１1.2单片机的现状２1.3LED智能台灯功能和指标２1.4系统设计的容３2基本原理介绍３2.1单片机３2.1.1单片机的定义３2.1.2单片机的组成３2.2PWM基本概述５2.2.1PWM简介５2.2.2PWM控制LED亮度原理６2.3LED灯发光原理６3设备选择７3.1单片机的选择７3.2升压芯片和降压芯片的选择７3.2.1降压芯片的选择７3.2.2升压芯片的选择８3.3LED驱动芯片选择９4硬件电路１１4.1桥式电路１１4.2降压电路１４4.2.1基本原理１４4.2.2元器件选择１５4.3升压电路１６4.3.1基本原理１６4.3.2元件选择１７4.4LED恒流驱动电路１７4.4.1基本原理１７4.4.2元件选择１８4.5单片机产生PWM波电路１８4.6LED灯珠串联电路１９5硬件调试１９5.1单片机产生PWM波的仿真１９5.2整体电路调试２３6系统软件设计２４6.1系统软件设计２４6.2控制程序代码２４7总结２６参考文献２８致２９声明３０1前言1.1LED灯的优缺点LED的特性决定了它是取代传统光源的最理想光源，应用范围非常广泛。优势:第一，体积小LED基本上就是一个封装在环氧树脂里的小芯片，所以很小很轻。第二，低功耗LED的功耗很低。一般来说，LED的工作电压为2-3.6V，工作电流为0.02-0.03A..也就是说，它消耗的电能不超过0.1W。第三，使用寿命长在适当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。四、高亮度、低发热采用LED冷光照明技术，发热量远低于普通照明灯。动词（verb的缩写）环境保护LED由无毒材料制成，不像荧光灯含有汞并会造成污染。同时，LED可以回收利用。六、坚固耐用LED完全封装在环氧树脂中，比灯泡和荧光灯管更坚固。灯体没有松动的部分，这些特点使得LED不容易损坏。LED高节能:节能无污染就是环保。DC驱动，超低功耗(每管0.03-0.06W)，电光功率转换接近100%，同等光效比传统光源节能80%以上。长寿:LED光源有人称之为长寿灯，意思是永不熄灭的灯。固态冷光源，环氧树脂封装，灯体无松动部分，无灯丝发光、易燃烧、热沉积、光衰等缺点。其使用寿命可达6万至10万小时，比传统光源长10倍以上。品种:LED光源可以利用红、绿、蓝三原色的原理，在计算机技术的控制下，使三种颜色具有256个灰度级，并任意混合，从而产生256×256×256=16777216种颜色，不同光色的组合可以多种多样，实现多彩的动态变化效果和各种图像。环保:更好的环保效益，光谱中无紫外线和红外线，无热量和辐射，眩光少，废弃物可回收，无污染，无汞元素，冷光源，触摸安全，属于典型的绿色照明光源。高科技:与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是一种低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等。，所以它也是一种数字信息产品，一种半导体光电器件的“高科技”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。缺点:价格贵，需要恒流驱动，散热处理不好，容易掉色。1.2单片机的现状20世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和计算机时代。然而，这种电脑通常是指个人电脑，简称PC。还有一种电脑是大多数人不熟悉的，那就是赋予各种机器智能的单片机(也叫微控制器)。顾名思义，这种计算机的最小系统只需要一个集成电路就可以进行简单的运算和控制。它的出现是现代计算机技术发展史上的一个里程碑。由于体积小，通常隐藏在受控机器的“肚子”里，扮演着人脑的角色。单片机具有体积小、功能强、应用广的优点。目前，它正以前所未有的速度取代传统电子电路构成的经典系统，侵占传统数字电路和模拟电路的固有领地。其优点为学习、应用和开发提供了便利条件。同时学会使用单片机，了解计算机原理和结构的最佳选择。现在，这种单片机已被广泛应用。彩电、冰箱、空调、录像机、vcd、遥控器、游戏机、电饭煲等。随处可见。SCM早已深深融入每个人的生活。不仅如此，它还可以大大提高这些产品的智能性、易用性和节能性，不仅给我们的生活带来舒适和便利，还可以大大提高工农业生产中的生产效率和产品质量，同时在很大程度上降低生产成本。1.3led智能台灯的功能和指标1.低功率LED光源:该系统采用8颗高亮度LED作为光源，最高功率为3W。市面上大部分台灯的光源功率一般都在10W以上。2.超长寿命光源:半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，寿命长达10万小时，远超普通光源。3.健康光源:光源发出的光多集中在可见光区，光线中含有较少的紫外线和红外线，导致辐射较少。而且是DC供电，没有交流电引起的频闪光源。5.多级PWM调光:根据自己的需求，通过触摸式按键实现光源强度的多级调节。6.指标:工作电压:220V市电工作电流:60mA～120ma最大功率:4W工作环境温度:0~70℃(单片机工作温度左右)1.4系统设计能力LED智能台灯系统主要包括以下四个模块:1)LED光源驱动模块用变压器把220V交流电转换成12V交流电，用全桥和电容整流滤波，使其相对稳定在15V左右。然后用PT4115功率驱动芯片将其转换成稳定的恒流源。2)MCU外围电路模块用STC15F104单片机通过两个按键实现PWM调光。3)二次降压电路模块LM2596芯片用于将15V电源的电压降至5V，提供给单片机。4)升压电路模块LM2577芯片用于将15V电源升压至30V，为LED灯供电。2基本原理介绍2.1微控制器2.1.1单片机的定义单片机又称单片微控制器，不是执行某种逻辑功能的芯片，而是将一个计算机系统集成在一块芯片上。一般来说，芯片就变成了电脑。它体积小、重量轻、价格便宜，为研究、应用和开发提供了便利条件。同时学会使用单片机，了解计算机原理和结构的最佳选择。根据用途，单片机可分为两类，一类是通用单片机，另一类是专用单片机。MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品。与MCS-48单片机相比，结构更先进，功能更强，在原有基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达到111条。MCS-51单片机可以算是一款相当成功的产品。到目前为止，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各大学和专业学校的培训教材仍在以MSC-51单片机为代表学习理论基础。MCS-51系列单片机主要有8031、8051、8751等通用产品。2.1.2单片机的组成1)公共汽车众所周知，电路总是由电线连接的元件组成。在模拟电路中，连接线不会成为问题，因为器件一般都是串联的，它们之间的连接线并不多。但是，电脑电路就不一样了。它以微处理器为核心，所有的设备都必须连接到微处理器上，它们之间的工作必须协调，所以需要很多连接线。如果还是像模拟电路一样，每个微处理器和每个器件分开连接的话，导线的数量会是惊人的。因此，总线的概念被引入到微处理器中，所有的设备共享导线。所有器件的八根数据线全部连接到八根公共线上，相当于把所有器件并联起来，但仅此还不够。如果有两根电线，就有两根电线。同时设备发出数据，一个是0，一个是1。那么，接收者收到了什么？这种情况是不允许的，需要通过控制线控制设备分时工作。任何时候只有一个设备可以发送数据(多个设备可以同时接收数据)。设备的数据线也叫数据总线，设备的所有控制线都叫控制总线。MCU或外部存储器和其他设备中有存储单元。这些存储单元只有在分配了地址的情况下才能使用。分配的地址也以电信号的形式给出。因为有很多存储单元，所以有很多用于地址划分的线，这些线称为地址总线。2)数据、地址、指令之所以把这三个放在一起，是因为它们本质上都是一样的——数字，或者说是字符串‘0’和‘1’的序列。换句话说，地址和指令也是数据。MCU芯片的设计者指定的一个数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，是MCU开发者无法更改的。地址:是找到MCU部门、外部存储单元和输入输出端口的依据。单元的地址值已经由核心设计者指定，并且不能改变。外部单元可以由MCU开发者自己决定，但是一些地址单元是必须的。资料:这是微处理器处理的图像，在各种应用电路中是不一样的。一般来说，处理过的数据可能有以下几种情况:1.将地址(如MOV·DPTR，#1000H)，即地址1000H，发送到DPTR。2.模式字或控制字(如MOV·TMOD，#3)，而3是控制字。3.常数(如MOVTH0，#10H)10H是定时常数。4.实际输出值(例如，如果P1连接了彩色灯，如果所有灯都亮，则执行命令:mofp1，#0fh，如果所有灯都灭，则执行命令:mofp1，#00H)。这里，0fh和00H是实际输出值。再比如LED用的字体代码，也是真实输出的数值。知道了地址和指令的本质，就不难理解为什么程序会跑偏，把数据当指令了。3)P0/P2/P3港口功能刚开始学习的时候，经常对P0口、P2口、P3口的第二个功能的用法感到困惑，认为第二个功能和原来的功能之间应该有一个切换的过程，或者说是一个指令。其实每个端口的第二个功能都是完全自动的，不需要指令切换。例如，P3.6和P3.7分别是WR和RD信号。当微芯片处理器连接到RAM或具有外部I/O端口时，它们发挥第二种功能，不能用作通用I/O端口。微处理器一执行MOVX指令，就会从P3.6或P3.7发出相应的信号，事先没有指令。事实上，'不能用作通用I/O端口'也不能用作通用I/O端口。你完全可以在指令中按下一个设定的P3.7指令，当单片机执行这个指令时，也会使p3.7变成高电平，但用户不会这样做，因为这样通常会导致系统死机(即死机)。4)程序执行过程单片机上电复位后，8051的程序计数器(PC)中的值为‘0000’，所以程序总是从‘0000’单位开始。也就是说，系统的ROM中必须有‘000’个单元，在‘0000’个单元中必须存储有一条指令。5)堆栈堆栈是存储数据的区域。这个区域本身没什么特别的，就是RAM的一个副本。特别的是它存储和读取数据的方式，也就是所谓的‘先进后出，后进先出’。除此之外，堆栈还有专门的数据传输指令，即‘PUSH’和‘junOP’，有一个专门的单元专用于它，就是堆栈指针SP每次都执行PUSH指令。由于SP中的值可以通过指令改变，只要在程序开始时改变SP值，就可以在指定的存储单元中设置堆栈。例如，如果在程序开始时使用MOVSP，#5FH指令，则可以在从存储单元60H开始的单元中设置堆栈。一般程序开头总有这样一条设置堆栈指针的指令，因为在启动时，SP的初始值是07H，使得堆栈从08H单元到1FH。这个区域是8031的第二、第三和第四工作寄存器区，经常使用，会造成数字的混乱。不写程序的时候，初始化栈指令不完全一样，这是作者的习惯。堆栈区设置好了，并不意味着这个区域就变成了特殊内存，它仍然可以像普通内存区一样使用，但一般来说，程序员不会把它当作普通内存使用。2.2PWM的基本概述PWM的介绍脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)，英文“pulsewidthmodulation”的缩写，是一种非常有效的利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的技术。它广泛应用于从测量和通信到功率控制和转换的许多领域。脉宽调制(Pulsewidthmodulation，PWM)是一种模拟控制方法，它根据相应负载的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，从而改变开关稳压电源输出晶体管或晶体管的导通时间。这种方法可以在工作条件变化时保持电源的输出电压不变，被采用。微处理器数字信号对模拟电路一种非常有效的控制技术。脉宽灯具有控制简单灵活、动态响应好的优点。电力电子技术应用最广泛的控制方法也是人们研究的重点。随着电子技术的发展，出现了各种PWM技术，包括相压控制PWM、脉宽PWM、随机PWM、SPWM和线压控制PWM。2.2.2PWM控制LED亮度的原理脉宽PWM方法用于控制LED灯从亮到暗或从暗到亮。它使用等脉冲宽度的脉冲序列作为PWM波形。通过改变脉冲序列的周期，可以调节频率。通过改变脉冲宽度或占空比，可以调节电压。通过采用适当的控制方法，可以协调地改变电压和频率。通过调节PWM的周期和占空比，可以达到控制电流的目的。本设计采用STC15F100单片机产生占空比可变的矩形波。当产生这个矩形波的I/O通过滤波电路连接到LED灯上时，由于输出矩形波的占空比是不断变化的，所以在一个周期内LED会开启一段时间，关闭一段时间。总的来说，有一个平均电压。由于PWM信号具有很高的频率周期，我们无法用肉眼观察到LED灯在每个周期内的亮灭变化过程，所以用平均电压来确定LED。随着波形占空比的不断变化，LED灯也会由暗变亮或由亮变暗。2.3LED发光原理LED是处于热平衡状态的PN结。当扩散和漂移运动相等时，建立的电场是稳定的。此时，在N区有许多高迁移率的电子，在P区有许多低迁移率的空穴。由于PN结阻挡层的限制，两者在正常情况下无法自然复合。当PN结上加直流电压时，外加电场会减弱积累电场，缩小空间电荷区，降低结势垒，加强载流子的扩散运动。因为电子的迁移率总是远大于空穴的迁移率，所以电子从N区向P区的扩散是载流子扩散运动的主体。根据半导体的能带理论，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子从高能级跃迁到低能级，电子以发射光子的形式释放多余的能量，产生电致发光。除了这种发光复合，还有一部分电子被非发光中心(这个中心位于导带和价带附近，即杂质能级或缺陷)俘获，然后与空穴复合，每次释放的能量都不大，所以不能形成可见光。也就是说，这些不发光的载流子很可能会被杂质能级(或缺陷)俘获，最终以发热的形式消耗掉。PN结发射的光子是无方向性的，即以相同的概率向各个方向发射。PN结材料相对于空气具有较高的折射率，因此半导体部分发射的光子只有很少一部分能够逸出半导体材料与空气的界面，大部分被反射回半导体部分，最终被吸收。我们将逃逸效率定义为从LED逃逸的光子数与PN结产生的光子数之比。为了提高逃逸效率，可以选择不同的包装材料和包装几何形状。这样，来自晶片的光子首先进入封装透镜，然后逃逸。由于封装材料的折射率介于半导体材料和空气的折射率之间，光子逃逸率大大提高。同时，封装透镜还起到保护半导体晶片和控制输出光分布的作用。3设备选择3.1单片机的选择为了实现LED台灯亮度的可调，可以用单片机产生PWM波。通过改变PWM波的占空比，总是改变流过LED灯的电流来改变LED灯的亮度，所以这里需要选择合适的单片机。考虑到LED台灯的紧凑性，应该考虑体积小、外部引脚少、外部电路不复杂的单片机。通过查询资料，我选择了小型的STC15F100系列单片机，集成了高精度的R/C时钟，室温下温漂为5%，宽度为5MHZ-35MHZ，完全可以省去外部昂贵的晶振。高可靠复位，8级可选复位阈值电压，可完全省略外部复位电路，使外部电路更加简洁。以下是这一系列单片机的一些特点。增强型8051CPU，1T，单时钟/机周期，比普通8051快6-12倍。工作电压:STC15F100系列的工作电压:5.5V-3.8V(5V单片机)STC15L100系列工作电压:3.6V-2.4V(3V单片机)高可靠复位，8级可选复位阈值电压，完全消除外部复位电路。一个高精度R/C时钟，时钟可以从5MHz到35MHz选择。工作频率范围:5MHZ-35MHZ，相当于普通8051的60MHZ-420MHZ。低功耗设计:低速模式、空闲模式、掉电模式(外部中断可以唤醒)。图3.1是STC15F104E的封装图。图3.1STC15f104e封装图从上图可以看出，STC15F104E结构简单，引脚少，比较适合LED台灯。3.2升压芯片和降压芯片的选择3.2.1降压芯片的选择由于降压芯片的作用是为单片机提供合适的工作电压，所以选择降压芯片首先要考虑其输出电压能满足单片机所需的工作电压，然后再考虑其外部电路尽可能简单、便宜、功耗低。通过询价数据的比较，我选择了LM2596开关稳压器。LM2596开关稳压器是一款降压型电源管理单片集成电路，可输出3A的驱动电流，具有良好的线性度和负载调节特性。固定版有3.3V，5V，12V，可调版可以输出37V以下的各种电压。器件部分集成了频率补偿和定频发生器，其开关频率为150KHz。与低频开关稳压器相比，它可以使用更小的滤波元件。由于该器件只需要四个外部元件，可以使用通用标准电感，优化了LM2596的使用，大大简化了开关电源电路的设计。该器件还具有其他一些特点:在特定的输入电压和输出负载条件下，可以保证输出电压的误差在±4%的范围内，振荡频率的误差在±15%的范围内；只需80μA待机电流即可实现外部断电；自保护电路(两级降频限流保护和异常情况下断电超温全保护电路)特点:3.3v、5V、12V固定电压输出和可调电压输出※可调输出电压范围从1.2V到37V±4%※输出线性度好，负载可调※输出电流可高达3A※输入电压可高达40V采用150KHz本振频率，属于第二代开关稳压器，功耗低，效率高。※※低功耗待机模式，典型的IQ为80μATtl断电能力具有过热保护和限流保护功能。※※包装形式:TO-220(T)和TO-263(S)外围电路简单，只需要4个外接元件，使用容易买到的标准电感。※图3.2是该芯片的一般外部电路图。图3.2lm2591的外部电路图3.2.2升压芯片的选择升压芯片的选择和降压芯片类似。升压后，输出电压给LED灯供电。由于我用了8个LED灯泡串联，每个灯泡的电压在4V左右，所以我需要30V左右的电压，所以我选择了一个可以调节输出电压的升压芯片LM2577。图3.2显示了该芯片的外部电路。图3.3LM2577外部电路输出电压由R1和R2的比值决定，所以我可以把R1换成滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来改变输出电压的值。LM2577的性能特征:输入电压为3.540伏。具有52KHZ固定频率的振荡器输出级NPN开关晶体管的耐压为65V，额定电流为3A。它具有抑制启动时浪涌电流的软启动功能。具有过流保护、低电压闭锁和过热保护功能。3.3LED驱动器芯片选择LED主要是恒流工作，驱动方式和芯片有很多种。目前LED驱动芯片可分为恒压驱动芯片、恒流驱动芯片和脉冲驱动芯片三种。其中恒压驱动芯片一般就是我们常见的DC/DCboost芯片。这种方案的优点是芯片成本便宜，没有复杂的外围电路。但只有恒压驱动LED，在驱动输出时会造成电路电流不可控。无法保证LED亮度的均匀性。恒流驱动芯片解决了以往恒压驱动中电流不可控的问题。目前比较好的恒流芯片可以达到1%左右的恒流精度，因其简单的外围控制接口可以灵活设置所需的输出电流而广受欢迎。但这类芯片价格远高于恒压芯片，外围电路复杂。同时，由于输出电流不变，以电池为电源时，整个芯片放电会更快。目前脉冲驱动芯片通过高频脉冲发生器的输出接口给LED灯供电。由于脉冲信号频率很高，人眼感觉不到频闪LED，所以这种方法既满足了视觉需求，又能有效节省功率输出。而且这类芯片的工作频率一般可以通过外部接口控制(输出电流可以通过外围电路进一步设定)。但目前这类芯片的振荡频率一般在100KHz~500KHz左右。因此，电流驱动能力仅适用于低功率应用。但相信在不久的将来会推广到大功率LED驱动的场合。PT4115是具有连续电感电流传导模式的降压恒流源，用于驱动一个或多个串联led。PT4115的输入电压范围从6伏到30伏，输出电流可调，最高可达1.2安培。根据不同的输入电压和外部设备，PT4115可以驱动高达几十瓦的led。PT4115配有电源开关，采用高端电流采样设置LED的平坦电流，通过DIM引脚可以接受模拟调光和宽PWM调光。当DIM的电压低于0.3V时，电源开关关闭，PT4115进入待机状态，工作电流极低。其特点如下:特点:极少的外部元件宽输入电压范围:6V至30V最大输出电流为1.2A用于LED开关、模拟调光和PWM调光的多路调光引脚5%输出电流精度Led开路自然保护高达97%的效率输出可调的恒流控制方法具有增强散热能力的ESOP8封装可用于大功率驱动。图3.4显示了该芯片的典型应用电路。图3.4pt4115的典型应用电路PT4115、电感(L)和电流采样电阻(RS)构成自振荡连续电感电流模式降压恒流LED控制器。VIN上电时，电感(L)和电流采样电阻(RS)的初始电流为零，LED的输出电流也为零。此时CS比较器输出高，部分功率开关导通，SW电位低。电流从VIN流经电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和部分电源开关。电流上升的斜率由VIN、电感(L)和LED压降决定，从而在RS上产生电压差VCSN。当(VIN-VCSN)>115mV时，CS比较器的输出变低，部分电源开关关闭。电流以另一个斜率流经电感(L)、电流采样电阻(RS)、LED和短路二极管(D)。当(VIN-VCSN)<85mV时，电源开关再次打开，因此LED上的电流为:Iout=0.085+0.115/2×Rs=0.1/Rs4硬件电路LED台灯的整体硬件电路如下图4.1整体硬件电路该电路由六部分组成:桥式电路、两级降压电路、升压电路、LED恒流驱动电路、单片机PWM波产生电路和LED灯珠串联电路。4.1桥式电路由于LED灯工作在低压DC恒流环境下，首先要考虑将220V交流电转换成LED工作所需的低压DC恒流，通过变压器将220V高压交流电降低为12V低压交流电，再通过电容滤波单相桥式整流电路将12V低压交流电转换为12V低压恒流DC。图4.2显示了电容滤波器单相桥式整流电路。图4.2带电容滤波的单相桥式整流器电路图中CON2的两个接口连接到变压器低压端对应的两个接口，即输入电流为12VAC，输入电流的波形如下图所示。图4.3输入电流波形图当电流高于wt轴时，二极管D1和D4导通，D2和D3不导通，输出端的电流波形保持不变。当电流低于wt轴时，二极管D2和D3导通，而D1和D4不导通，输出端的电流与输入端的电流相反。因此，wt下半轴的电流波形反转至上半轴，电压保持不变。转换后的波形如下图所示。图4.4二极管转换后的电流波形图此时电流虽然都是正的，但不是DC恒流，所以被具有储能功能的电容滤波。由于电容器具有充电和放电的功能，当输入端的电流处于下降状态时，它将向负载供电。如果电容足够大，放电足够慢，在输入电流下降到与电容电压相同水平的期间，提供给负载的电压基本保持不变，然后输入电流继续给电容充电到最大值，重复后得到下图所示的波形。图4.5电容滤波后的波形图从上图可以看出，转换后的电流几乎接近DC恒流，符合LED灯的工作环境。因为输出电压值和输入电压值之间存在误差，所以需要进行一定的计算。以下计算方法引自《电力电子学》第四版第63页。平均输出电压:空载时，R=无穷大，放电时间常数无穷大，输出电压最大太好了，Ud=。通常在设计中，根据负载选择电容C的值，使RC，T为交流电源的周期，输出电压为。这里的输出电压。4.2降压电路基本原则由于这款LED台灯使用的单片机需要5V的电源电压，需要降压电路将之前获得的15V电压转换成5V电压。通过3.2.1可知，我选择了一款LM2596的降压芯片，可以将不同的输入电压转换成12V、5V、3V三种不同的电压值。考虑到直接通过芯片LM2596将15V的电压降低到5V会造成芯片发热严重，容易损坏芯片。另外，电压从12V降到5V时芯片的效率更高，所以我选择了两级降压电路。下表分别给出了芯片降压到12V和降压到5V的参数。表4.1lm2596参数表标志参数情况平均数极限值单位LM2596-5.0输出电压输出电压7V≤VIN≤40V，0.2A≤ILOAD≤3A5.04.800/4.7505.200/5.250V五(分钟)v(最大)η效率VIN=12V，ILOAD=3A73%LM2596-12输出电压输出电压15V≤VIN≤40V，0.2A≤ILOAD≤3A12.011.52/11.4012.48/12.60V五(分钟)v(最大)η效率VIN=25V，ILOAD=3A88%两级降压的电路图如下图所示:图4.6两级降压电路图第一步降压将VCC=15V降低到12V，第二步降压将12V降低到5V。4.2.2组件选择输入电容的选择:为防止输入端出现较大的瞬态电压，应在输入端和地之间增加一个低等效电阻的铝或钽电容作为旁路电容，该电容应靠近IC。此外，输入电容电流的有效值至少应为DC负载电流的一半。确保所选电容器的该参数不小于DC负载电流的一半。铝电解电容器的耐压应该是最大输入电流的1.5倍，所以这里我选择220uf/50V的电解电容器，可以满足上述要求。吸收二极管的选择:A.吸收二极管的最大电流承载能力至少应为最大负载电流的1.3倍。如果设计的电源要承受持续的短路输出，吸收二极管的最大电流承受能力应等于LM2596的极限输出电流。对于吸收二极管，最坏的情况是过载或输出短路。B.吸收二极管的反向耐受电压至少应为最大输入电压的1.25倍。C.吸收二极管必须快速恢复并接近LM2596。这个二极管的引脚要短，连接的铜线要短。肖特基二极管开关速度快，正向电压低，是首选。同时，它具有良好的性能和效率，尤其是在低输出电压下。使用超快恢复或高效整流二极管的效果也很好。超快速恢复二极管的典型恢复时间为50ns或更快。像IN5400系列的整流二极管很慢，通常不使用。所以这里我选择了肖特基二极管1N5819，其最大整流电流为1A，点亮LED灯珠只需要200mA。这个二极管的最大反向电压是40V，但是这里的最大电压不超过15V，所以符合要求。输出电容的选择:在大多数应用中，低等效电阻的电解电容值在82μF到820μF之间，低等效电阻的钽电容值在10μF到470μf之间，电容应靠近ic。同时，电容器的引脚应短，连接的铜线应短，电容值不应大于820μFF，电解电容器的耐压应至少为输出电压的1.5倍。为了获得纹波更低的输出电压，需要耐压更高的电容。由于第一步降压的输出电压为12V，需要一个耐压大于的电容，所以我选择了一个220uf/25V的电解电容作为第一步降压的输出电容。第二步降压的输出电压为5V，所以需要耐压大于的电容，所以我选择了100uf/25V的电容作为第二步降压的输出电容。4.3升压电路由于LED恒流驱动器需要30V的输入电压，所以需要通过升压电路将12V的电压转换为30V，其电路图如下。图4.7升压电路图基本原则3.2.2我知道我选了一个LM2577的降压芯片进行降压。LM1577以52kHz的固定频率控制NPN晶体管vT的开/关操作，并将能量存储在外部电感中。当晶体管ⅵ导通时，外部电感线圈的电流以VL/L的速率增加，并储存在电感中。储存的电流(能量)与vT的传导时间成比例。当晶体管vT截止时，电感器中累积的电流以(v0-vi)/L的速率通过外部二极管VD放电，并且能量被转移到输出电容器CO。这样，当vT导通时存储在电感器中的能量在vi截止时被转移到输出端。传输到输出端的能量决定了输出电压。因此，只要控制开关管导通和关断的时间比(占空比)，使占空比随负载的变化而变化，就可以控制电感存储和传输的能量，获得稳定的输出电压。的占空比通过外部反馈网络R1和R2(图3)按比例将输出电压反馈到误差放大器的反相端来调整。误差放大器放大该电压与1.23V的参考电压之间的差，并且误差放大器的输出与电流感测电压(其与vT开启时的电流成比例)进行比较。当输出电压因负载变化而变化时，如果输出电压较低，比较器的输出会通过逻辑电路控制开关晶体管的导通时间延长，占空比增加，电感传递的能量增加，输出电压上升。如果输出电压偏高，晶体管导通时间会缩短，占空比会降低，输出电压会下降，从而实现输出电压的稳定输出。过流时，一些过流电阻反馈信号关断开关晶体管vT，保护电路；当温度过高时，器件部分热敏电阻的反馈信号关断开关晶体管vT，从而实现电路的过温保护。当输入电压过低时，相应的检测电路禁止开关晶体管vT导通。4.3.2组件选择升压芯片的元器件选择原理与降压芯片几乎相同，这里不再赘述。不同的是，升压芯片的输出电压是可以调节的，它的输出电压是。于是我选择了20K的滑动变阻器作为R1，2K的固定电阻作为R2，通过调节滑动变阻器R1的阻值来改变输出电压Vout。4.4LED恒流驱动电路从3.3可以看出，我选择了一个PT4115作为这个驱动电路的驱动芯片。这款芯片的输入电压从6V到30V不等，输出电流可调，最高可达1.2A，远远超过点亮LED灯珠所需的200mA电流。驱动电路图如下。图4.8LED恒流驱动电路图基本原则这个电路的作用是提供合适的电流使LED发光，改变电流使LED发光亮度可调。在图4.4中，电阻R2是一个采样电阻。通过选择采样电阻的电阻值，可以确定输出电流的最大电流值。最大输出电流值和采样电阻R2之间的关系是。因为我用的是8颗LED串珠，最大允许电流是230mA。如果电流超过230mA，LED灯就会烧坏。这里，我选择输出电流为100mA，因此采样电阻的电阻值为。仪表板集成模块端子悬空或施加的仪表板集成模块端子电压高于2.5伏(但必须低于5伏)。实际上RS设定的是LED的最大输出电流，LED的实际输出电流可以通过DIM端降低到任意值。在图4.4中，DIM端的输入是一个PWM波，通过在DIM引脚上加一个占空比可变的PWM信号，可以调节输出电流实现调光。当DIM端子的电压为时，其输出电流为(D为PWM波的占空比，周长为0%100%)。DIM端电压为时，其输出电流为(D为PWM波的占空比，圆周为0%100%)。这样，可以通过将输入占空比从0%改变到100%来调节LED的亮度。从图4.4可以看出，PWM3端子与开关S3相连。当S3开启时，PWM波被输入到驱动器芯片的调光端子，从而可以实现调光。S3关断时，PWM波直接接地，使得芯片的DIM端没有输入时LED灯无法供电，此时LED灯熄灭。因此，开关S3可以控制LED灯的开和关。4.4.2组件选择电感的选择:PT4115推荐的电感参数为27uH~100uH。电感的饱和电流必须比输出电流高30%至50%。LED输出电流越小，电感值越大。这里输出电流比较小，所以我选择了尽可能大的电感。我选了一个67uH的电感。在电流容量满足要求的前提下，希望电感大一些，这样恒流的效果会更好。请将电感尽可能靠近VIN和SW放置，以避免寄生电阻引起的效率损失。二极管的选择:为了保证最大的效率和性能，二极管(D)应选择具有快速恢复、低正向压降、低寄生电容和低泄漏的肖特基二极管。电流容量和耐受电压取决于具体应用，但应保持30%的裕量，这有助于稳定可靠地工作。另外值得注意的是，温度高于85°c时要考虑肖特基的反向漏电流，过大的漏电流会增加系统的功耗。AC12V整流二极管(D)必须选用低压降的肖特基二极管，以降低其功耗。我这里选了一个1N4148肖特基二极管。4.5单片机产生PWM波电路为了调节LED灯的亮度，由4.4.1可知，需要向恒流驱动芯片输入一个PWM波，所以用单片机STC15F104产生一个PWM波。电路图如下。图4.9单片机PWM电路图因为台灯的亮度是可调的，所以P3.3和P3.5连接了两个按钮，按下KEY2和KEY3就可以增加和降低台灯的亮度。P3.4作为输出端口，用于输出PWM波。4.6LED灯珠串联电路从4.4可以看出，LED横流驱动芯片的最大输出电流为1.2A，所以这里选用8个LED灯泡串联，其最大电流值为200mA。电路图如下。图4.10LED灯珠串联电路从上图可以看出，电路由8颗LED灯珠串联而成，两端连接一个10uf的电解电容储能，可以防止灯闪烁。5硬件调试5.1单片机产生PWM波的模拟下图是单片机产生的PWM波的仿真图。图5.1单片机产生的PWM波仿真图图中P3.3接按键1，P3.5接按键2，P3.4为输出端。按下键1，可以增加PWM波的占空比，增加台灯的亮度；按下键2，可以降低PWM波的占空比，减弱台灯的亮度。以下三幅图显示了按键后PWM波形的变化。图5.2波形图1上图为PWM波占空比为90%时的波形。此时PWM波的占空比最高，台灯的亮度最亮。此图为按下按钮1两次后的波形图。PWM波的初始占空比为50%。因此，按下按钮1可以增加PWM波的占空比，从而增加台灯的亮度。让我们看看波形图2。图5.3波形图2上图是在波形图1的基础上按一次键2后的波形图。可以看到其占空比降低，此时占空比为70%。很明显，按一次按钮2，PWM波的占空比可以降低20%。此时台灯的亮度较之前的亮度有所降低。请看波形图3。。图5.4波形图3上图是在波形图2的基础上按两次按钮2产生的PWM波，占空比为30%。进一步证实了按下按钮2可以降低PWM波的占空比，减弱台灯的亮度。上面的波形图2和波形图3显示了按下键2以降低占空比的效果。另一方面，按下按钮1会增加PWM波的占空比，这里不一一列举。还应注意，当PWM波的占空比增加到90%时，按下按钮1，PWM波的占空比将变为10%，当PWM波的占空比减少到10%时，按下按钮2，PWM波的占空比将变为90%。从而实现调光的循环利用。5.2整体电路调试首先焊接电路板，然后简单测试电路。接通电源后，按下开关KEY1，LED灯珠亮，再按KEY2，LED亮度增大，按KEY3，LED亮度减小，再按KEY3三次，发现LED亮度减弱两次，然后变得最强，表示LED灯减弱最少时，下一个按钮会使亮度变得最亮。首先，对芯片进行测试。用万用表测量芯片各引脚的电压，观察是否接入正常工作电压，判断是否能正常工作。之后，检测按键电路以测量当按下不同按键时输出PWM波的占空比是否改变。6系统软件设计6.1系统软件设计LED台灯要求亮度可调，所以需要设计一个程序，配合单片机和按键产生占空比可变的PWM波。PWM波的周期可以设置为10ms，MCU的晶振为12M，时钟周期为十二分之一微秒，机器周期为1ms时钟周期的12倍。因此，根据定时器设置，中断时间可以确定为1ms。这样，一个PWM波被分成10个部分，每个部分占1毫秒。PWM信号由单片机P3.4产生，其高低电平决定LED的开关状态。利用定时器控制产生占空比可变的PWM波，按K3，PWM值增大，占空比减小，LED灯熄灭。按K2，PWM值减小，占空比增大，LED逐渐点亮。6.2控制程序代码#包含<REG51。h>#定义uchar无符号字符#defineV_TH00xFC//252#定义V_TL00x18//24#定义V_TMOD0x01//00000001Bsbitkey1=p3^3；//引脚位定义sbitkey2=p3^5；sbitout=p3^4；voidinit_sys(void)；/*系统初始化功能*/voiddelay5ms(void)；/*延迟功能*/void键(void)；/*按键处理功能*/ZKB境内；无效总管(无效){init_sys()；ZKB=5；/*占空比的初始值设置*/P3=0x3f；while(1){key()；}}Voiinit_sys(void)/*系统初始化函数*/{/*定时器初始化*/TMOD=TMOD；//将定时器0设置为模式1，16位。 TH0=V_TH0//将计时器设置为初始值TL0=V_TL0TR0=1；//启动定时器T0ET0=1；//开启定时器T0中断EA=1；//打开总中断}/*延迟*/无效延迟5毫秒(无效){无符号intTempCyc=5000while(TempCyc-)；}/*中断功能*/无效定时器0(无效)中断1{静态ucharI=0；/*中断计数变量*/TH0=V_TH0/*恢复定时器的初始值*/TL0=V_TL0++I；如果(I>9)I=0；If(i<ZKB)/*小于占空比值时输出高电平，大于占空比值时输出低电平，实现占空比调整*/OUT=1；其他OUT=0；}/*按键判断功能*/空键(void){如果(！1)//如果按下+键，则增加占空比。{delay5ms()；//震动消除而(！key1)；ZKB+=2；如果(ZKB>9)ZKB=1；delay5ms()；}如果(！2)//如果-键被按下，减小占空比。{delay5ms()；而(！key2)；ZKB-；ZKB-；如果(ZKB<1)ZKB=9；delay5ms()；}}7总结智能LED台灯是一种采用高亮度白光发光二极管的光源，具有光效高、功耗低、寿命长、易控制、免维护、安全环保等特点。是新一代光色柔和、损耗低、能耗低、环保的固体冷光源。适用于家庭、商场、银行、医院、宾馆、饭店等各种公共场所的长时间照明。没有直流闪光灯，对眼睛起到了非常好的保护作用。是台灯和手电筒的最佳选择。台灯基于智能化、多功能、低碳、人性化的设计理念，智能实现人体自动感应和手动亮度调节；台灯的底座可以分离，用途广泛。众所周知，电脑已经成为我们生活的主流。但是随着计算机的升降，单片机也发展很快。单片机是以完成某种逻辑功能的芯片命名的。具体来说，就是把一个计算机系统集成到一个芯片上。总结一下:芯片变成电脑。其体积小、重量轻、价格低，为研究、应用和开发提供了便利条件，为单片机的灵活、方便和结构简单奠定了基础。它可以通过编程、测试和运行来完成特定的功能，因此单片机被应用到各个领域。单片机对LED灯的调光只是单片机的一个小应用。通过这个设计，我发现整个单片机控制音乐播放的程序并不复杂，功能之间相互涉及。bit在程序实现过程中起着非常重要的作用。正是通过这些位，程序才能很好地切换功能，位的值是通过软件模块返回的参数来修改的。所以程序的实现过程应该是读取参数→修改标志位→发送指令→翻译→控制发生器→驱动LED灯变化，整个过程一气呵成。本设计以80C51单片机和PWM调光LED灯为核心，以STC10F08XE为主控芯片，通过输出不同的PWM占空比实现光度的手动调节。LED灯调光电路可以有效调节8个LED灯的亮度，最亮和最暗的时候都有蜂鸣器报警。同时，在本次课程设计中，主要有以下几点体会:1.单片机基础知识得到了进一步的巩固和深化。2.对LED驱动有较好的了解，了解如何用规定的电流驱动LED，通过输出不同的占空比来调节LED灯的亮度；3.在设计前的准备和设计实验的过程中，我们获得了经验，锻炼了能力，开阔了视野。4.实验设计完成后，提高了动手能力，提高了学习新知识的意识，在配置实验设备时拓展了思路和知识面。5.查阅资料和阅读相关文献的重要性，并充分利用互联网的大型数据库。6.咨询同学的重要性，团队合作的重要性。7.凡事要有耐心和恒心。遇到问题，冷静思考，积极找出症结，逐一解决。参考[1]王兆安。电力电子技术第4版。交通大学，2002[2]王魁。电力系统自动化第2版。中国电力，2007[3]余永泉。单片机在控制系统中的应用。电子工业，2003[4]福尔摩斯。电力电子变换器PWM技术的原理与实践。人民邮电，2010[5]雪海。经典80C51单片机，上手容易，上手快。清华大学，2009[6]周志敏。集成稳压电源电路图[M]。中国电力，2007[7]子美。电子电路设计-实验-测试[M]。华中科技大学，2000[8]洪乃刚。电力电子技术基础。清华大学，2008[9]兴。先进的电力电子技术。机械工业，2011[10]李琳。单片机原理及应用。电子行业，2013派遣这篇文章是在学苑老师的指导下完成的，从选题到开报告，从写提纲，到一遍又一遍地指出每篇稿子中的具体问题。在这里我想表达一下我的心声。同时，我要感谢所有在我学习期间给予我极大关心和支持的老师，感谢关心我的同学和朋友。写毕业论文是一个系统学习的过程。毕业论文的完成也意味着新的学习生活的开始。另外，这篇文章的顺利完成也离不开文学院其他老师的帮助。他们虽然没有直接参与我的论文指导，但是在开题的时候也给了我很多意见。在此，我向他们表达我的深情！最后，我想感受一下我的父母，他们不仅培养了我对中国传统文化的浓厚兴趣，让我的灵魂在漫长的人生旅途中有了一个虔诚的避难所，也为我顺利完成毕业论文提供了巨大的支持和帮助。以后我会更加努力的学习和工作，不辜负父母的厚望！我会尊重和回报他们！时光荏苒，四年就要结束了。毕业后，很多熟悉的身影可能会永远失去。每年的这个时候，校园里总是充满了情绪。我想向食堂里的同学、朋