1、（20112011 屆）屆）畢業設計畢業設計題 目： 基于 AVR 單片機的 LED 自適應調光系統設計 姓名： 專業： 電子信息工程 班級： 學 號： 指導教師： 導師職稱： 年 月 日 I基于 AVR 單片機的 LED 自適應調光系統設計摘 要作為一種光源，調光是很重要的。不僅是為了在家居中得到一個更舒適的環境，在今天來說，減少不必要的電光線，以進一步實現節能減排的目的是更加重要的一件事。而且對于 LED 光源來說，調光也是比其他熒光燈、節能燈、高壓鈉燈等更容易實現，所以更應該在各種類型的 LED 燈具中加上調光的功能。自適應調光系統硬件電路由四個部分組成：感光電路、AD 轉換電路、單片機

2、控制電路、發光二極管驅動電路。軟件部分采用 PID 算法，自動調節環境光照度。本設計以 89C51 單片機為控制器，利用光敏電阻采集環境光照度，采用脈寬調制方式調節三極管，進而調節 LED 的發光亮度，最終維持環境光照度在一個設定的水平。關鍵詞：LED，自適應調光，AVR 單片機,PID 算法IILED Adaptive Dimming System Based on AVRAbstractThe quality of dimming of light source is very important. It is not only for a better environment at ho

3、me. 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

4、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 microcompu

5、ter 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 89C51 SCM as controller, use photo conductive resistance to collect luminance of the environment. And the designer adopt pulse

6、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, adaptive dimmer, AVR, PID III目錄 摘 要 .IAbstract.II1 緒論.11.1 LED 的國內外研究現狀.11.2 課題的意義.22 系統設計原理.32.1 總體設計方案.32.2 系統驅動方式選擇.42.3 LED 驅動設計注意點.4

7、3 硬件設計.63.1 電源電路.63.2 感光電路.73.2.1 LED 發光原理.93.3 手動控制電路.93.4 單片機控制電路.103.4.1 AT89C51 簡介.113.4.2 ADC0832 簡介 .123.4.3 單片機控制電路.143.4.4 AD 轉換電路.153.4.5 PID 控制的原理和特點 .153.5 晶振電路.173.6 發光二極管驅動電路.174 軟件設計.184.1 系統流程圖.184.2 初始化.194.3 讀取當前亮度.194.4 手動調節.204.5 PWM 調制亮度調節.205 總結與展望.235.1 總結.235.2 展望.23參考文獻.24致謝.

8、25IV附錄.26附錄 硬件電路圖.27基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計11 緒論 LED 光源是 21 世紀光源市場的希望，眾多優點預告其未來將逐步取代傳統光源，奧科委指出高亮度 LED 將是人類繼愛迪生發明白熾燈泡之后，最偉大的發明之一，當前全球能源危機的時候，能源是一種寶貴的資源，所以節約能源是我們未來面臨的問題。 LED 作為一種新型的節能、環保的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢。1.1 LED 的國內外研究現狀在照明領域的技術革新中，LED 的應用毫無疑問是最令人振奮的，它改變了整個照明市場的結構。LED 的發光強度很高，但它發出的熱量很少。白熾燈會浪費大量的熱能，霓虹燈容

9、易破損，熒光燈會產生有毒氣體 1。LED 已被全球看成一種新型的高科技環保的節能光源。近幾年來，LED 的發光效率已增長了 100 倍，而成本下降了 10 倍。在目前 LED 光源及市場開發中，極具發展與應用前景的是照明用 LED，其用作固體照明器件的經濟性顯著，且有利于環保，正逐步取代傳統的白熾燈2。目前，照明 LED 的應用每年發展的速度超過 20%，世界上的許多發達國家都開始大量應用 LED 照明。現在，一般的 LED 的發光效率超過 500m/W，專家預計，2012 年可能超過 1000m/W。功率型 LED 優異的散熱特性與光學特性更能適應普通照明領域。為替代熒光燈，白光 LED 必

10、須具有 150200lm/W 的光效，而且每流明的價格應該控制在 0.015 美元以下 3。想要做到這個標準，仍有很多技術要突破。根據理論上的說法，LED 的發光效率可以非常接近 100%。所以LED 被看成 21 世紀的新型光源，很有希望在白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源。為了提高白光 LED 的發光效率，世界上許多國家的科研人員正從改進工藝和開發新材料入手，以改進產品結構。美國波士頓的 Photonics Research 研究中心報道了 LED 技術方面的新進展，聲稱光效達到 330lm/W。這種被稱作 photon-rectcling 的半導體光源可發出藍、黃兩種波長的

11、光4。所發出的光能使人感到的是白光。這種光效，與目前市場上的 LED 比要高 10 倍甚至更高。不過，應該指出，從實驗室到商業化的產品這條路也許還十分漫長。奧地利的照明設計公司做了一個大型的實驗，用了 14000 只白光和彩色 畢業設計2LED 的混合照明整個房間。光照水平可以達到 600-700Lux，足夠一間普通辦公室的照明。用計算機計算白光，藍光，藍/綠光，琥珀和紅光二極管的混合效果，可以得到 2500-3000K 的暖色溫，其顯色指數非常好5。由于 LED 產業不斷涌現新技術、新產品、新應用，呈現出了朝陽工業的欣欣向榮的景象，可以相信，半導體技術不僅不會被其他技術取代，而且會繼續沿著原

12、來的軌道向前發展。半導體照明技術由于技術的先進性和產品使用的廣泛性，已經被廣泛認為是最具發展潛力的高科技領域之一6。半導體照明產業具有明顯的節能和環保效果，也被認為是一個戰略性的高技術產業。1.2 課題的意義LED 是一種新型半導體固態光源。它是一種不需要鎢絲和燈管的顆粒狀發光原件7。LED 光源憑借環保、節能、壽命長、安全等眾多優點在打造節能、環保型社會的大環境下當仁不讓地成為照明行業的新寵，許多國家都開始推廣LED 的應用。LED 的應用在照明領域是最令人振奮的，它將開創一個新的照明市場，很快會成為市場的主打產品。其實 LED 的技術不是剛出現的，在許多年前就已經出現，但是那個時候 LED

13、 只是被用作儀器和設備的指示燈8。近些年隨著科技的突破，材料和芯片性能上都有新的改善和突破，使得 LED 的亮度和壽命都有了極大的改進，從而也推動了 LED 更為廣泛的使用。普通白熾燈的壽命只有 1000 小時，而 LED 的壽命則高達 50000 小時，而且消耗的電量要少得多。根據美國 Sandia 國家實驗室的研究，如果白光二極管系統能夠普及，全世界照明用電的消耗將減少 509。影響白光二極管系統普及的主要障礙還是它的亮度和價格，目前白光二極管的亮度不足以照亮整個房屋，而且其價格大約是白熾燈泡的 10 倍。LED 照明技術的發展將帶來更加明亮的光線和更少的能源消耗。隨著經濟發展，我國的照明

14、用電還將有大幅度的提高，國家對綠色節能科技的投入越來越大，LED照明是借助著這個大環境下才得以發展的。據中國綠色照明工程促進項目辦公室專項調查，我國照明用電每年在3000億度以上，用LED取代全部白熾燈和部分熒光燈10，可節省13的照明用電，相當于三峽工程全年的發電量。LED的優點還有很多，作為全固態發光體，LED更加的耐震耐沖擊，發熱量也更低，而且不易破碎、不含汞、鈉等可能危害健康的元素11，更加安全，更加環保。LED的應用十分廣泛，應用在路燈照片、汽車尾燈、景觀燈、液晶顯示屏、基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計3手機背光源等12。 畢業設計42 系統設計原理2.1 總體設計方案本設計

15、以 89C51 單片機為控制器，利用光敏電阻采集環境光照度，采用脈寬調制方式調節三極管，進而調節 LED 的發光亮度，最終維持環境光照度在一個設定的水平。包括手動控制模塊、光采集模塊、電源模塊、LED 照明模塊，總體框架圖如下圖 2-1 所示。手動控制模塊89C51單片機LED照明光采集模塊電源模塊圖 2-1 總體框架圖自適應調光調光示意圖如下圖 2-2 所示。 L2這個 LED 用來自適應調光 L1這個 LED 模擬環境亮度 電位器可以改變環境亮度單片機圖 2-2 調光示意圖工作原理：通電的時候，單片機采集亮度，以當前亮度為基準。如果環境變暗，則調亮 L2 亮度，直到環境亮度達到基準；如果環

16、境變亮，則調暗 L2 亮基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計5度，直到環境亮度達到基準。調節方法：L1 是手動調的，代表環境其他光線的亮度的變化，如果 L1 變暗，這時候 L2 就要變亮，保證環境總的亮度不變，反之，如果環境其他光線L2 變亮，這個時候 L2 就要暗下來了。L1 手動調，L2 會根據 L1 的亮度自動調節，這就是自適應調光。在一個環境比較暗的地方，調節 L1，讓 L2 亮起來。然后在拿到一個比較亮的地方，L2 會變暗，甚至熄滅。2.2 系統驅動方式選擇為發光二極管照明選擇一個可行的供電方式，是半導體照明普及必須要解決的一個問題。如果選擇用市電驅動發光二極管，則需要解決降壓和

17、整流問題，還有較小的體積和較低的成本，有比較高的變換效率，特別要考慮到安全隔離問題；考慮到對電網的影響，還要解決好電磁干擾和功率因素等問題。對中小功率的發光二極管燈來說，其最理想的電路結構是隔離式單端反激變換器。對于大功率的應用而言，則應該使用橋式變換電路。現階段，家庭用電均為 220V 的市電，為了能夠更加方便的應用我這個課題，我選擇了使用市電驅動。2.3 LED 驅動設計注意點電源有各種各樣，但不管何種電源，都不能直接給 LED 供電。所以說要用LED 做照明光源就必須解決好電源變換這個問題。實際上 LED 是一個電流驅動的低電壓單向導電的器件，LED 驅動器應具有小尺寸、高效率、直流控制

18、、PWM 調光、過壓保護、負載斷開、以及簡單易用等特點。為 LED 提供電的電源變換器設計的時候一定要注意以下的幾個特點：（1）LED 是一種單向導電器件。根據這個特點，我們就可以考慮用直流電流或單向脈沖電流給 LED 提供電能。（2）發光二極管是具有 PN 結結構的半導體器件，有勢壘電勢，這會形成導通門限電壓，只有加載到 LED 上的電壓值超出了這個門限電壓，LED 才會充分的導通。一般大功率的 LED 門限電壓在 2.5V 以上，一般工作的時候的管壓降為 34V。（3）二極管的電流/電壓特性是非線性的。一般情況下流過 LED 電流的數值等于供電電源的電動勢減去 LED 的勢壘電勢再除以回路

19、的總電阻，總電阻是電源內阻、引線電阻、發光管體電阻的和。所以，流過 LED 的電流跟加在發光管兩端的電壓不會成正比關系。（4）二極管的 PN 結是負的溫度系數。溫度升高會導致 LED 的勢壘電勢 畢業設計6下降。根據這個特點，我們不能直接給 LED 電壓源供電，而是需要采取限流措施，不然隨著管子工作時溫度的升高電流會越來越大直到損壞器件。（5）流過發光管的電流跟發光管的光通量之間的比值是非線性的。LED的光通量會隨著流過發光管的上升而上升，但是卻并不是正比關系，越是后來光通量的增加越是少。所以，我們應該讓發光管在一個發光效率高的電流值下進行工作。 LED 和其他光源一樣，能夠承受的電功率是有限

20、的。假若加在 LED 上的電功率超過了一定的數值，發光管就非常有可能被損壞。因為材料特性和生產工藝等方面的區別，相同型號的發光管的勢壘電勢以及發光管的內阻也并不完全相同，這將導致發光管工作的時候管壓降不一講，加上發光管勢壘電勢具有負的溫度系數，所以說 LED 不能夠直接并聯使用15。綜上所述，用發光管作照明必須要設計一個合理的驅動。基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計73 硬件設計自適應調光系統主要由：電源電路、感光電路、手動控制模塊、單片機控制電路、AD 轉換電路、發光二極管驅動電路組成，原理圖如圖 3-1 所示。單片機AT89C51電源電路感光電路AD 轉換電路發光二極管驅動電路晶振電

21、路手動控制模塊圖 3-1 自適應調光系統3.1 電源電路電源是電路中很重要的一個部分，其設計的好壞對整個系統的性能有非常大的影響。要想得到+5V 的電壓，若選用 12V 的變壓器，整流濾波后輸出往往大于12V，會使穩壓器功耗大，自身溫度過高。故不選用輸出電壓為 12V 的變壓器，而選用輸出電壓為 9V 的變壓器。系統接通 220V 交流電源后，將 220V 交流電變壓到 9V，經過二極管全波整流、電解電容 C8、C9 濾波，再經一只正輸出穩壓器 LM7805。為了緩沖負載突變，改善瞬態響應，輸出端還采用了電容C6、C7，最后得到+5V 的直流工作電源，用于給控制系統中單片機系統及其它 畢業設計

22、8外圍電路供電。電路圖如下框 3-2 所示。圖 3-2 電源電路如圖所示電路為輸出電壓+5V，它由電源變壓器 T，橋式整流電路D1D4，濾波電容 C8、C9，防止自激電容 C6、C7 和一只固定式三端穩壓器(7805)極為簡捷方便地搭成的。 220V 交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經過橋式整流電路D1D4 和濾波電容 C8、C9 的整流和濾波，在固定式三端穩壓器 LM7805 的Vin 和 GND 兩端形成一個并不十分穩定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發生變化)。此直流電壓經過 LM7805 的穩壓和C6、C7 的濾波便在穩壓電源的輸出端產生了精度高、

23、穩定度好的直流輸出電壓。本穩壓電源可作為 TTL 電路或單片機電路的電源。三端穩壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩壓電源中應用最為廣泛的一種單片式集成穩壓器件。3.2 感光電路照度是指被照物表面在單位面積上受到的光通量。一般用“呎燭光”來表示照度。1 呎燭光，是指發光強度為 1 燭光的光源，在距離光源一呎、面積為一平方呎的垂直面上所產生的光照度。呎燭光平均的光照度就是每平方呎 1 流明，故可寫作 1 流明/平方呎。光照度也有用“米燭光”為單位，稱作“勒克司”，即一平方公尺的面積上受距離一米的燭光的照射。同

24、樣強度的光源，在物體上的照度和其與光源的距離有關，所以呎燭光的光照度大于米燭光的光照度。1 呎燭光的光照度=10.76 米燭光；1 米燭光的光照度=0.093 呎燭光。 照度是反映光照強度的一種單位，其物理意義是照射到單位面積上的光通量，照度的單位是每平方米的流明(Lm)數，也叫做勒克斯(Lux)：1Lux=1Lm/平方米上式中，Lm 是光通量的單位，其定義是純鉑在熔化溫度(約 1770)時，其1/60 平方米的表面面積于 1 球面度的立體角內所輻射的光量。基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計9 一般情況：夏日陽光下為 100,000LUX；陰天室外為 10000LUX；室內日光燈為 10

25、0LUX；距地面 60CM 桌面 60W 臺燈為 300LUX；電視臺演播室為1000LUX；黃昏室內為 10LUX；夜間路燈為 0.1LUX；燭光(20CM 遠處)1015LUX。下表 3-3 為學校照度標準參考表：表 3-3 學校照標準參考表照 度(Lux)場 所1500300制圖教室、縫紉教室、電腦教室750200教室、實驗室、實習工場、研究室、圖書閱覽室、辦公室、教職工員休息室、會議室、保健室、餐廳、廣播室、室內運動場300150大教室、禮堂、休息室、樓梯間15075走廊、電梯走道、廁所、值班室、校內室外運動場7530倉庫、車庫、安全梯感光電路由普通電阻、光敏電阻、運算放大器 LM35

26、8 組成，如下圖 3-4 所示。普通電阻和光敏電阻組成分壓電路，當環境亮度變化時，光敏電阻的阻值也會發生對應的變化，此時光敏電阻上的壓降也發生變化。該壓降通過 LM358構成的電壓跟隨器，輸出到 AD 轉換電路。圖 3-4 感光電路 畢業設計103.2.1 LED 發光原理二極管由兩部分組成，一端是 P 型，另一端是 N 型，P 型中空穴占主導地位，N 型中主要為電子。當他們連接在一起時，就會形成一個 P-N 結。當有電流通過時，電子就會被推向 P 區，在 P 區中電子會跟空穴復合，然后會以光子的形式發出能量，這就是 LED 發光的原理。2.LED基本參數(1)光通量：指人眼所能感覺到的輻射功

27、率，它等于單位時間內某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。(2)發光效率：發光體把受激發時吸收的能量轉換為光能的能力。這是衡量現代光源性能的重要指標之一，如何提高電光源光效的研究是電光源研究中一個重要方面。(3)光強：描述點光源發光強弱的一個基本度量，以點光源在指定方向上的立體角元內所發出的光通量來度量。(4)照度：從同一方向看，在給定方向上的任何表面的每單位投影面積上的光照強度，照度是衡量物體表面被光源照亮的程度。LED的基本參數有：(1)最大正向電流IFm：在正常工作條件下加在LED兩端的最大正向電流。(2)最大反向電壓VRm：在正常工作條件下加在LED兩端的最大反向電壓。(3)允

28、許功耗Pm：LED兩端正向電壓與正向電流之積的最大值。(4)工作環境溫度 Topm：LED 可以正常工作的環境溫度范圍。3.3 手動控制電路 手動控制電路由電阻、電容、按鍵組成，其框架如圖 3-5 所示。通過手動按鈕可以手動調節環境的亮度，從而改變 LED 亮度。基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計11圖 3-5 手動控制電路3.4 單片機控制電路單片機控制電路由單片機、感光電路、手動控制模塊、AD 轉換電路、發光二極管驅動電路等組成，電路如圖 3-6 所示。通過 1,2,3,4 管腳可以控制感光電路，其四個管腳和 ADC0832 相連，組成 AD 轉換電路；21,22 管腳控制手動控制模

29、塊，18,19 管腳控制晶振電路。以 89C51 單片機為控制器，利用光敏電阻采集環境光照度，采用脈寬調制方式調節三極管，進而調節 LED 的發光亮度，最終維持環境光照度在一個設定的水平。 畢業設計12圖 3-6 單片機控制電路3.4.1 AT89C51 簡介1、89C51 單片機的基本組成：一個 8 位微處理器；片內 256 字節數據存儲器 RAM/SFR；用以存放可以讀/寫的數據；片內 4KB 程序存儲器 Flash ROM；4 個 8 位并行 I/O 端口 P0-P3,可輸入和輸出；兩個 16 位的定時器/計數器，可計數；有 5 個中斷源，兩個中斷優先級的中斷控制系統；一個 UART 的

30、串行 I/O 口，實現串行通信；片內振蕩器和時鐘產生電路；具有節電工作方式，也就是說掉電方式。2、89C51 單片機引腳及其功能如下圖 3-7 所示，為單片機 AT89C51 的引腳簡單介紹幾個用到的引腳功能。基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計13圖 3-7 單片機 AT89C51 的引腳圖（1）1 到 4 這四個管腳屬于 P1 口，其功能：8 位準雙向 I/O 口，可驅動 4 個LS 型 TTL 負載。（2）RST（9 腳），其功能：復位輸入，當振蕩器工作時，RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。（3）12 腳屬于 P3 口，其功能：8 位準雙向 I/O 口，雙功能復用

31、口，可驅動 4個 LS 型 TTL 負載。（4）XTAL2（18 腳）：振蕩器反相放大器的輸出端。XTAL1（19 腳）：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。（5）21，22 腳為 P2 口，其功能：8 位準雙向 I/O 口，與地址總線（高 8 位）復用，可驅動 4 個 LS 型 TTL 負載。（6）31 腳接+5V。3.4.2 ADC0832 簡介ADC0832 是美國國家半導體公司生產的一款芯片，它體積比較小，性價比高，兼容性好，應用比較廣泛。ADC0832 特點：8 位分辨率，雙通道 A/D 轉換；輸入輸出電平與TTL/CMOS 相兼容；5V 電源供電時輸入電壓在 05V 之間；工

32、作頻率為250KHZ，轉換時間為 32S；一般功耗僅為 15mW；PICC 多種封裝；商用級芯片溫寬為 0C to +70C。引腳圖如下框 3-8 所示。 畢業設計14圖 3-8ADC0832 引腳圖引腳功能說明：1.CS 片選使能，低電平有效。2.CHO 模擬通道 0，差分輸入時，作為 IN+或 IN-使用。3.CH1 模擬輸入通道 1，差分輸入時，作為 IN+或 IN-使用。4.GND 電源接地。5.DI 數據信號輸出，選擇通道控制。6.DO 數據信號輸出，選擇數據輸出。7.CLK 芯片時鐘信號。8.VCC 電源輸入。ADC0832 為 8 位分辨率 A/D 轉換芯片，其最高分辨可達 25

33、6 級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 05V 之間。芯片轉換時間僅為 32S，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過 DI 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。單片機對 ADC0832 的控制：一般情況下 ADC0832 和單片機有四條數據線相連，分別是CS、CLK、DO、DI。因為 DO 與 DI 在通信的時候不是同時有效的，而且和單片機的接口是雙向的，因此有時候在電路設計時可以把這兩個端口接在一根數據線上來用。當 ADC0832 沒有

34、工作時它的 CS 輸入端應該是高電平，這個時候芯片禁止使用，CLK 和 DO/DI 的電平可以是低電平或者是高電平。當進行A/D 轉換的時候，要先把 CS 的使能端置于低電平而且要持續到轉換完全結束。這個時候芯片開始進行轉換工作，同個時間處理器會向芯片時鐘 CLK 端輸入時鐘脈沖，DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數據信號。在第 1 個時鐘脈沖的下沉之前 DI 端必須是高電平，表示啟始信號。在第 2、3 個脈沖下沉基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計15之前 DI 端應輸入 2 位數據用于選擇通道功能，當此 2 位數據為“1”、 “0”時，只對 CH0 進行單通道轉換。當 2

35、 位數據為“1”、 “1”時，只對 CH1 進行單通道轉換。當 2 位數據為“0”、 “0”時，將 CH0 作為正輸入端 IN+，CH1 作為負輸入端 IN-進行輸入。當 2 位數據為“0”、 “1”時，將 CH0 作為負輸入端 IN-，CH1 作為正輸入端 IN+進行輸入。到第 3 個脈沖的下沉之后 DI 端的輸入電平就失去輸入作用，此后 DO/DI 端則開始利用數據輸出 DO 進行轉換數據的讀取。從第 4 個脈沖下沉開始由 DO 端輸出轉換數據最高位 DATA7，隨后每一個脈沖下沉 DO 端輸出下一位數據。直到第 11 個脈沖時發出最低位數據 DATA0，一個字節的數據輸出完成。也正是從此

36、位開始輸出下一個相反字節的數據，即從第 11 個字節的下沉輸出為 DATA0。緊接著輸出 8 位數據，直到第 19 個脈沖的時侯數據輸出才算完成，也就是意味著一次 A/D 轉換的結束。最后將 CS 置高電平禁止使用的芯片，直接將轉換后的數據進行處理就可以了。作為單通道模擬信號輸入時 ADC0832 的輸入電壓是 05V 并且 8 位分辨率時的電壓精度為 19.53mV。如果作為由 IN+與 IN-輸入的輸入時，可以將電壓值設定在一個比較大的范圍之內，這樣可以提高轉換的寬度。但值得注意的是，當進行 IN+和 IN-的輸入的時候，假如 IN-的電壓大于 IN+的電壓則轉換后的數據結果始終為 00H

37、。3.4.3 單片機控制電路該電路由發光二極管、電容、電阻、晶振、STC89C51 組成，如下圖 3-9 所示。單片機驅動 ADC0832 采集當前環境亮度，PWM 驅動發光二極管調節環境亮度；和單片機 12 接口相連。通過 PID 算法，自動調光。圖 3-9 單片機控制電路 畢業設計163.4.4 AD 轉換電路AD 轉換電路由 8 位 AD 芯片 ADC0832 組成,如下圖 3-10 所示。ADC0832的基準電壓為 5V，輸入電壓范圍為 05V，輸出數字量最大值為 255。圖 3-10 AD 轉換電路3.4.5 PID 控制的原理和特點 在實際工程中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例

38、、積分、微分控制，可以被稱為 PID 調制或者 PID 控制。控制器作為最早實用化的控制器已經有 50多年歷史，PID 控制器簡單易懂，性能優越，穩定性好，因此成為工業控制的主要技術之一。當被控制的對象的參數和結構不能完全知道，或者是得不到精準的數學模型時，其他的控制理論技術很難采用時，系統控制器的參數和結構只能依靠現場調試以及經驗判斷來確定，這時應用 PID 控制技術最為方便。也就是說我們不完全了解一個系統和被控對象，或者是無法通過有效可行的測量手段來獲得系統參數，這時候用 PID 控制技術最適合。PID 控制，具體使用中有 PI 和 PD 控制。在實際使用中 PID 控制器是依照系統的誤差

39、，通過比例、 積分、微分計算出控制量進行控制的。比例（P）控制比例控制是最容易的控制方式，其控制器的輸入信號和輸出信號成比例關系。只存在比例控制時系統輸出會產生穩態誤差。積分（I）控制基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計17積分控制中，控制器的輸入信號和輸出信號成積分反比關系。對于一個自動控制系統來說，假如在進入穩態后有穩態誤差的存在，就可以說這個控制系統存在穩態誤差。在控制器中引入“積分項”可以用來清除穩態誤差。隨著時間的增加，積分項也會增大，所以說積分項對誤差取決于時間的積分。因此，即使誤差非常小，積分項仍會隨著時間的增加而變大；它使控制器的輸出增大以此來減小穩態誤差，直到變成零。所以

40、，利用 PI 控制器，可以使系統進入穩態以后沒有穩態誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸入誤差與輸出誤差信號的微分成反比關系。由于存在較大慣性組件或者是滯后組件，具有抑制誤差的作用， 其變化總是落后于誤差的變化所以會導致自動控制系統在克服誤差的調節過程中有可能會出現振蕩甚至是失穩。解決振蕩的方法是抑制誤差作用的變化“超前”，也就是說在誤差接近零時，抑制誤差的作用就該是零。就是說，在控制器中僅僅只是引入“比例”項遠遠是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前要求它能預測誤差變化的趨勢，所以需要增加的是“微分項”，只有這樣，具有比例微分的控制器才能提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至

41、是負值，從而可以避免被控量的嚴重超調。因此對于有較大慣性或者滯后的被控對象，PD 控制器可以改善系統在調節過程中的動態特性。/PID 自動調節亮度if(PwmNowPwmSet) 如果實際值大于設定值PwmCount+=5; 輸出加 5if(PwmCount100) 如果超過最大值PwmCount=100; 輸出最大值else if(PwmNow200)PwmCount=0; 畢業設計18else;/end of PID輸出波形為方波。3.5 晶振電路晶振電路由晶振、和電容組成，跟單片機的 18,19 這兩個管腳相連，電路如下圖 3-11 所示。圖 3-11 晶振電路晶振即晶體振蕩器，能產生振

42、蕩，其特點是固有頻率十分穩定，而且震動具有多諧性，除了奇頻震動外還有奇次諧波泛音震動。性能上，晶振的品質因素 Q 和特性阻抗都非常高，而且接入系數很小，因此具有很高的頻率穩定度。3.6 發光二極管驅動電路該電路由發光二極管、電阻和三極管 9012 組成如下圖 3-12 所示，和單片機 12 接口相連采用灌電流方式，驅動發光二極管。圖 3-12 AD 發光二極管驅動電路基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計194 軟件設計4.1 系統流程圖初始化讀取當前亮度當前亮度設定亮度？減小 PWM 輸出增大 PWM 輸出NY本設計采用 C 語言編程，先設定當下的環境亮度為設定亮度，當環境的亮度變亮的時候

43、，即大于那設定亮度時，減小 PWM 輸出，LED 燈會變暗，并且以此當下的環境作為設定的亮度；當環境亮度再次改變，變暗的時候，程序會增大 PWM 輸出，LED 燈會變亮，并且以此為設定的環境亮度；通過設定環境亮度的標準來自動調節 LED 亮度。 畢業設計204.2 初始化 /亮度手動調節按鈕初始化sbit Key1 = P20;uchar PwmCount = 0;uint T1sCount =0;uchar PwmSet = 0;/當前所設置的亮度uchar PwmNow = 0;/當前環境的實時亮度/定時器 0 初始化void Time0_Init()TMOD = 0 x01;IE = 0

44、 x82;TH0 = 0 xFF;TL0 = 0 xA3;/11.0592MZ 晶振，1msTR0 = 1;4.3 讀取當前亮度/主函數void main()Time0_Init();PwmCount = 0;delay(100);PwmSet = GetVal0832(1);/讀初始亮度while(1)/按鍵調節亮度處理基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計21if( Key1=0)while(Key1=0);PwmSet+=10;if(PwmCount250)PwmSet =0;/end of KeySet PwmNow = GetVal0832(1);/讀取當前亮度4.4 手動調節/按

45、鍵調節亮度處理if( Key1=0)while(Key1=0);PwmSet+=10;if(PwmCount250)PwmSet =0;/end of KeySet PwmNow = GetVal0832(1);/讀取當前亮度4.5 PWM 調制亮度調節PWM 是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，翻譯成脈沖寬度調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，是一種很好用的技術，在許多領域中有廣泛的應用，比如說測量、通信、功率控制與變換等。脈沖寬度調制是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過使用高分辨率計數器，方波的占空比被調制用來對一個具體的模擬信號電平進行編

46、碼14。PWM 信號還是數字的，在給定的任何時間，滿幅值的直流供電不是完全有(ON)，就是完全無(OFF)。電流源或電壓是以一種斷(OFF) 或通 (ON)的重復脈沖序列被加載到模 畢業設計22擬的負載上。斷的時候即是供電被斷開的時候，通的時候即是直流供電被加到負載上的時候。只要滿足帶寬足夠這個條件，任何的模擬值都可以使用 PWM進行編碼。/PWM 輸出，一個周期 100 等分，PwmCount 表示 LED 點亮所占的比例，這個比例越大，LED 越亮if(TCount250)PwmSet =0;/end of KeySet PwmNow = GetVal0832(1);/讀取當前亮度/1s

47、時間調節一次亮度if(T1sCount1000)T1sCount =0;(PWM 在編程中的運用) 畢業設計245 總結與展望5.1 總結本次畢業設計由于時間、經驗、水平等局限，做出的東西并不完美。雖然能夠做出了實物，簡單的功能也能夠運用；但是有很多地方都沒做到位。最主要的是以下 3 點：1.當初設計的時候是想產生白光的，但由于時間緊張，技術要求比較高，沒有達到這個要求。2.有個 LED 會一閃一閃的，主要是采用的 AD 是 8 位精度的，當初在選擇芯片的時候考慮的不夠周到，下次有時間一定把它完善。3.本來考慮用一串 LED 來做效果會更好，但是考慮到成本及精力問題沒能達到。本設計主要做了一個

48、基于 51 單片機的自適應調光系統。其中硬件電路有四個部分組成：感光電路、AD 轉換電路、單片機控制電路、發光二極管驅動電路。軟件部分采用 PID 算法，自動調節環境光照度。本設計以 89C51 單片機為控制器，利用光敏電阻采集環境光照度，采用脈寬調制方式調節三極管，進而調節 LED 的發光亮度，最終維持環境光照度在一個設定的水平。5.2 展望目前世界上許多國家都在研究LED的應用，本課題選取了LED應用的一個部分，基于單片機的自動調光。本系統的研究還有很多不成熟的地方，希望以后有時間多多改進，爭取能夠運用到實際生活中。基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計25參考文獻1楊清德.LED 照明

49、工程與施工M.北京：金盾出版社，20092周志敏等.應用電路.電磁兼容.PCB 布線.北京：電子工業出版社,20043張巨芳.第四代新光源LED.安徽電子信息職業技術學院學報,20064王爾鎮,王春鋒.白色 LED 的開發和應用.光電技術,20025周繼海等.LED 實用技術設計與應用.北京：人民郵電出版社,20036易安半導體照明21世紀的節能新光源J.中國創業投資與高科技,2004,32(1):32-337夏志清.LED 半導體照明創新方案與制定相應標準的建議J.現代顯示,20078呂正.LED 參數測量標準CIE 和 IEC 的比較及其它.中國照明電器.20069Timothy M. S

50、chmidl. LED Fixture For Family Application J.Semiconductor Optoelectronics, 2001,12:554-55810陳明祥.大功率白光 LED 封裝設計與研究進展J.半導體光電,200611Chitara,Basent. Room-temperature gas sensors based on gallium nitride nanoparticlesJ.Nov2010:212王正選.超輻射發光二極管J.光纖通訊技術,200313王占慶,毛興武.交流電源供電的大電流 LED 驅動電路.中國照明電器.200614王瑩.明星應

51、用帶動中國 LED 市場快速發展J.電子產品世界,200615陳明祥.大功率白光 LED 封裝設計與研究進展J.半導體光電,2006 畢業設計26附錄 基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計27附錄 硬件電路圖模擬環境亮度比較高的時候，自適應的那個 LED 燈不發光模擬環境暗的時候，自適應的那個 LED 燈發光 畢業設計28板子的正面基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計29畢業設計（論文）文獻綜述畢業設計（論文）文獻綜述題目：基于 AVR 單片機 LED 的自適應調光系統設計 專業：電子信息工程1 1 前言部分前言部分（闡明課題的研究背景和意義）LED 是 Light Emitting

52、Diode 的縮寫，翻譯成中文為“LED”，這是一種可以發光的半導體元件，具有二極管的電子特性。 在 20 世紀 70 年代，LED 最早應用作指示燈、文字和數字顯示。隨著科技的發展，第三代半導體材料氮化鎵(GAY)的突破1，高亮度藍光二極管的出現解決了發光二極管的三原色缺色問題，因而徹底解決了大屏幕全彩色顯示問題，有了紅橙黃綠青藍紫七種色彩，更加重要的是由此產生了白光半導體燈2 。隨著白光發光二極管的出現，LED開始慢慢走進了人們的日常生活。 LED 是一種半導體發光器件，它可以將電能轉變為光能，是固態光源3。高亮度白光 LED 的成功開發，使得 LED 在照明領域得到了推廣，使照明技術進入

53、一個新的時代。LED 具有壽命長、啟動時間短、色彩豐富飽滿、無紫外線、可做全彩變化、低壓安全等特點，是一種新型的綠色光源。LED 不僅可用于大型交通照明、廣告顯示屏、建筑和城市重點建筑的夜景照明，而且正在逐漸成為普通車輛的標準配置。目前，白光 LED 已成為便攜式電子產品顯示屏的主要光源，并朝日常照明應用的方向發展。LED 技術的發展引起了國內外的普遍關注，如今已成為具有發展前景和影響力的一項高新技術產業。LED 產品的開發、研制和生產已經成為發展前景十分誘人的朝陽產業4。如今，隨著 LED 技術的不斷應用以及潛在的市場，LED 發展潛能巨大。許多研究表明在本世紀的前幾十年，LED 產業將會繼

54、續快速發展。因此，白光 LED 被普遍認為是在未來最有可能替代傳統照明燈具的一種新型燈具。作為新型的發光器件，LED 具有體積小、壽命長、效率高、節能、環保等優點，能量轉化效率很高，從理論上來講，發射相同光通量的耗電量大約是白熾燈的105，和熒光燈相比，LED 也可以達到 50的節能效果6。照明用電占發電總量的比例在在我國為 10，在發達國家占 19，并且在我國是以低效照明為主，是終端節電的主要對象之一。隨著經濟的發展，我國的照明用電一定會大幅度的提高，綠色節能照明的研究應用會受到重視，LED 照明在這樣的環境下肯定能快速發展起來。根據中國綠色照明工程促進項目辦公室的專項調查，我國照明用電量每

55、年在 3000 億度以上7，如果用 LED 取代全部白熾燈和部分熒 畢業設計30光燈，可節省 1/3 的照明用電8。同時，在“十一五”期間，國家發展和改革委員會將重點在公用設施、寫字樓、商廈、賓館、體育場館、居民住宅中推廣高效節電照明系統9。國家還將嚴格控制照明產品市場進入標準，達不到標準的產品不得生產銷售，達不到建筑照明節能標準的建筑不準開工建設。國家還會建立激勵機制，不斷加大高效照明產品的推廣，研究提出大力支持高效照明產品生產及使用的財政稅收政策10。這些政策為 2007 年的 LED 市場鋪平了一條順暢的發展道路。可見對 LED 家用照明系統的推廣，具有積極的意義。從全球形勢來看，半導體

56、照明產業已形成以美國、亞洲、歐洲三大區域為主的三足鼎立的產業分布。隨著市場的高速發展，美國、日本、歐洲各主要廠商紛紛加大生產，加快搶占市場份額。根據全球 LED 產業的發展狀況，預計LED 半導體照明的使用將使全球照明用電減少一半，自 2007 年以來澳大利亞、歐盟、美國、加拿大、日本及中國臺灣等國家和地區已陸續宣布將逐步淘汰白熾燈，發展 LED 照明為全球產業的關注點。2 2 主題部分主題部分（闡明課題的國內外發展現狀和發展方向，以及對這些問題的評述）恒流技術國內外研究現狀：在早期，由于發光效率、光色、光通量和價格等方面的限制，LED 主應用于顯示、指示領域，如用作警戒燈、指示燈以及顯示牌等

57、。隨著 LED 光色的不斷增多，尤其是白光 LED 技術的不斷完善，發光效率逐漸提高，價格也不斷降低，大功率超高亮的 LED 有 1W、3W、5W 等規格在市場上銷售，現在主要在研究的是功率在 1W 以上的。因為大功率 LED 的應用受到了世界上許多國家的關注，所以大功率 LED 的驅動電路設計自然也成為熱點，大功率 LED 的驅動電路大多數采用恒流驅動方式，LED 恒流驅動電路有 Buck、電荷泵、Boost 等多種驅動方式。Buck、電泵、Boost 實質上都是通過電流反饋控制電路。由于 LED 色彩比較豐富，因此除了大量應用于照明和背光源之外，另外一個用途就是景觀照明。LED 應用于古建

58、筑景觀照明，如頤和園11、城市立交橋景觀照明12等。由于 LED 驅動電壓低，控制比較靈活，結合各種驅動方式對其控制，還可以應用做路燈照明13等。自適應調光技術國內外研究現狀：人眼對光線的感受是非線性的，因此將亮度級降低 10以上人卻覺察不到亮度的變化，這樣就可以節省將近 10的電能。假如將調光級別降低 50，就可以節省約 40的電能。如果采用智能調光就可以將燈的亮度逐漸調到預設級別。白熾燈沒辦法達到這個要求，是因為冷的燈絲會受到熱沖擊。將燈亮度漸漸調到設定級別，不僅節省了電能而且還會極大地延長燈的使用壽命。使用 10的調光級別就可以將燈的使用壽命延長 2倍，而 50調光級別將可以延長使用壽命

59、 20 倍。基于 AVR 單片機的自適應調光系統設計31調光方式可以分為脈沖寬度調制方式(PWM) 和變電阻型調光兩種。PWM方式是通過每秒鐘多次的接通和斷開電源來調節發光亮度，開關之間的時間比率同發光亮度成正比關系。但并不意味著所有的燈都可調光的，LED 的響應時間很短，僅僅幾到幾十納秒，更加適合于 PWM 方式調節亮度。變電阻型調光方式是通過調節電阻性負載的電阻值來改變電流，從而改變燈的亮度，變電阻型調光在電阻上將多余的電能轉變為熱能，這是能量的損失14。自適應調光方式利用控制器，以及用傳感器為核心，傳感器會向控制器提供發光照度值，控制器做出判斷并且根據所得到的信息將照明回路打開或調節光亮

60、度到預定級別15。因為 LED 的響應非常快，所以 PWM 調光非常可行。美國的北伊利諾伊大學針對 2 串 6 并的 LED 燈組，在恒流驅動電路基礎上并接了 N 型 MOSFET 功率器件實現 PWM 控制，調節的范圍為 0-100，當占空比低至 1時輸出電流仍可以保持穩定。傳統的 PWM 調光方式是將負載與調光開關串聯，當打開開關時，LED 支路上沒電流流過，當關閉開關時，LED 支路有電流流過，LED 燈發光15。PWM 調光方式是將負載與調光開關并聯，一般 LED 驅動電路采用 BUCK 電路。當打開調光開關時，LED 支路有電流流過；當關閉開關時，LED 支路支路沒有電流流過，LED