LED调光设计与研究应用.doc

目 次

1 绪论 1
1.1 题目标起源及研究意义 1
1.2 中国外调光系统发展概况 1
1.3 LED发展和前景 4
2 系统设计方案 7
2.1 系统方案设计 7
2.2 单片机技术 7
2.3 LED调光 11
3 硬件电路设计 14
3.1 单片机部分 14
3.2 驱动模块设计 15
3.3 电源电路设计 22
3.4 键盘电路设计 22
4 软件设计 24
4.1 控制调光软件设计 25
5 PWM信号仿真 27
结 论 28
致 谢 29
参考文件 30

1 绪论
1.1 题目标起源及研究意义
照明灯调光是将装饰在建筑空间不一样层次照明灯进行亮度调整，从而产生出美化室内光感空间环境，发明出满足视觉审美要求环境气氛。照明工程师小区]t#y9F`DXr/c
伴随LED应用市场连续快速发展，应用范围连续扩大也造成了对产品要求不停提升，在LED终端产品中相关LED亮度调整这项功效也就显得十分必需,也是现在如LED灯具和显示器等必需重视步骤。
　　现在，LED照明已确然成为一项主流技术。该项技术正日臻成熟，标志之一就是大量LED照明标准和规范陆续出台。严格效率要求已存在相当一段时间了，以后仍将不停提升。但近段时间，LED照明设计师工作却更为棘手了，因为要同时满足以下两项要求：既要用针对白炽灯调光器来实现调光控制功效，又要实现高功率因数性能，对于LED亮度调整，现在关键分为模拟调光和PWM调光。而调光是照明系统很常见功效。对于白炽灯来说，它能够以低成本轻易实现。LED灯调光却存在一定难度，但对于建筑师和住宅用户来说，在转换到LED照明时可不愿失去调光控制应有优势。本课题就将对LED调光相关情况进行介绍。
1.2 中国外调光系统发展概况
1.2.1 国外调光系统发展现实状况
最早一个统计调光器是威伍兹“安全调光器”，发表于1890年调光器在此之前，有可能引发火灾。早期调光器是经过直接控制操作手册大型调光板，不过这意味着全部权力来经过照明控制位置，这可能是不便和潜在危险，尤其是和系统有大量渠道，高功率灯或二者（如舞台舞厅或其它类似场地)。早期调光台极像一座钢琴，这座钢琴（调光台）分成两排琴键以现今集控（Submaster）方法进行演出，并以琴键黑键作为灯光色彩变换。在接下来日子里由琴键改变为推杆型可变电阻已成为今天形式。但通讯协议还是一直沿用0-10V直流讯号（见上文通讯协议发展经过），而操作介面更是异常简单。这情况一直到了60年代斯全德企业把记忆单元（当初为磁环线圈阵列）首次放到调光台上开始，整个调光台操作模式和介面产生了巨大改变。而在70年代初、第一台有着现代化功效数字式运算记忆调光台MMS正式问世。今天所使用三项标准-即集控（Submaster）、场（Cue）和效果（Effect）均为配合舞台演出需要而产生且这些功效全部必需依附在记忆功效上存在。 
当可控硅调光器投入使用，模拟远程控制系统（通常是0-10V时照明控制系统）是可行。该线控制系统小得多（低电流和更低危险）较沉重电力电缆以往照明系统。每个暗有其本身控制线这意味着大量电线离开照明控制位置和运行各个黯淡。现代系统采取数字控制协议，如DMX512，ETCnet，或ETCnet2，控制了大量调光器（和其它舞台设备）经过一个电缆。
在20世纪60年代以前，舞台上调光设备从盐水缸至大型功率可变电阻全部是以改变交流电源下弦波峰来对灯泡负载进行调光。这种形式缺点在于大量热能损失和设备体积很巨大，但优点是不存在干扰噪音。20世纪60年代电子工业快速发展、单向可控硅（SCR）和双向可控硅（TRAIC）前后发明使调光器在体积上变小、工作温度上降低和可能利用低压记号对调光器进行控制。这就是调光硅，但这种以触发相切割波形方法带来了电力系统中止续电流问题。在标准三相供电系统中，这些谐波能令在中心线导体电流增加至正常1.4倍。谐波会产生可听噪音，会令电力输送系统金属导体甚至变电变压器产生高热。在欧盟国家中提倡制订法律要求调光系统必需要以低水平谐波泄漏为标准。在其次，市场上使用相切割波形调光硅缺点愈见显著。愈来愈多灯具已不是昨天纯电阻性负载。这些日光灯管、电子调光镇流器、LED灯、电子或电磁式低压变压器及一切非传s光源全部有一共通点，就是相切割波形调光硅已大大远离对这些类型光源进行调光合理性。即使以后调光器发展方向以IGBT为功放元件逆向相切割波形调光器为取向，因为它出现而能够在技术上取消了粗笨滤波线圈。但原来相切割波形方法问题还是存在，只是能够减轻重量罢了。
1.2.2 中国调光系统发展现实状况
伴随中国市场经济发展和精神文明建设需要，中国很多省、市、企业全部在兴建电视台、大型舞台、体育场馆。在全部这些灯光控制场所中，所需调光回路，从一百多至几百回路，这么多路灯全部必需在灯光师个人操作下进行改变控制，这就要求灯光控制设备要有很好集中控制性能。为了满足舞台影视灯光集中控制需要，调光控制技术发展从最早强电配电板、分组控制、分场控制发展到现在数字化控制阶段。最近几年灯光控制系统生产厂家快速崛起，如广州河东电子就是其中经典。河东企业生产大回路电脑调光台HDL-2848经过多年发展和完善，以性能价格比高（国外同类产品价格二分之一），操作（集控、Q场、效果等）灵活和编辑修改方便、性能稳定可靠、独有中英文用户界面等特点深受电视台演播厅、剧场、体育场馆、多功效厅、电教馆灯光师欢迎。现在，中国调光控制台种类比较齐全，有模拟、数字、电脑调光台，也有小回路、中回路和大回路调光台，能够充足满足各类场所演出需要，而且不管人产品质量、技术水平方面看全部在快速地靠近国际优异水平。
尤其是中国生产数字调光台，价格合理，功效强（可编程集控，走灯效果，音频控制等），兼容性好（现有数字信号也有模拟信号输出）。
从技术上看，调光器可分为模拟式、半数字式和全数字式三类。全数字调光器技术最优异，现在在国际上，在中国以调光一致性好、调光精度高、调光范围大、调光曲线多，智能化程度高等特点风靡影视专业灯光界。
1.3 LED介绍和发展前景
1.3.1 什么是LED？
LED（LightEmittingDiode），汉字含义是发光二极管，是一个能够将电能转化为可见光固态半导体器件，能够直接把电转化为光，含有体积小、耗电量低、使用寿命长、亮度高、热量低、环境保护、耐用等特点。关键应用于多种室内、户外显示器，汽车内部仪表板、刹车灯、尾灯，电子手表，手机等。
1.3.2 LED优点
1) 体积小

LED基础上是一块很小晶片被封装在环氧树脂里面，所以它很小，很轻。
2) 耗电量低

LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换靠近30%。通常来说LED工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗电能不超出0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。

3) 使用寿命长

有些人称LED光源为长寿灯。它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在合适电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

4) 高亮度、低热量

LED使用冷发光技术，发烧量比一般照明灯具低很多。

5) 环境保护

LED是由无毒材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也能够回收再利用。光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，能够安全触摸，属于经典绿色照明光源

6) 坚固耐用

LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管全部坚固。灯体内也没有松动部分，使得LED不易损坏。
1.3.3 LED在照明领域发展
从1962年第一只红光半导体发光二极管诞生起，大家不停开发出橙、黄、绿等多个单色LED，并用于多种信号指示、标识、数码显示，逐步发展到小型LED显示器等。1991年业界采取MOCVD外延生长四元系材料，开发出高亮度发光二极管；1994年在GaN基片上研制出第一只蓝色发光二极管；1997年经过蓝光激发荧光粉，做出第一只白光LED；用紫外光激发荧光粉做成了白光LED。
高亮度半导体发光二极管作为光源已逐步进入光色照明、装饰照明领域，并形成产业。因为技术不停突破，发光效率不停提升，功率LED已经产业化，多芯片组合白光LED功率更是大幅提升。LED逐步进入照明领域，如LED汽车灯、LED背光源、LED手电筒、LED台灯、LED射灯、LED路灯、LED隧道灯、LED室内一般照明等。
LED在现在阶段，其光效还远未达成能够替换三基色萤光灯程度，不过以其独特优点，能够在安全特地电压（游泳池、划水池内水下灯具、矿灯）条件下高效工作。另外，在直接采取绿色电能（太阳能、风能等） ，和应急照明方面也有着其独特优势。尤其在调光方面，LED不仅可实现0~100%调光，而且可确保在整个调光过程保持较高光效，而且不损害LED寿命，而气体放电灯则极难做到这一点。
1.4论文研究关键内容
本文意在研究经过单片机对LED灯光控制，依据硬件系统能实现功效：键盘控制调整亮度。本文关键内容有：
1)深入了解国、内外相关技术研究现实状况，设计适合于本系统电路；
2)熟悉MCS-51系列单片机，掌握其结构原理、指令系统及硬件电路直接设计方法；
3)设计调光系统外围电路，包含键盘、电源、LED驱动等；
4)学习仿真Keil软件，依据硬件电路系统功效设计软件系统，编写对应硬件驱动程序及其它基础系统程序并对其编译仿真；

2 系统设计方案
2.1 系统方案设计
依据设计系统所要实现功效，本系统硬件结构以单片机AT89C51为关键，单片机产生占空比可变矩形波，当产生此矩形波I/O口经过LED驱动模块对LED即达成了调光目标。
其功效及特点：按键控制调光渐亮，渐暗；
硬件结构图图2-1所表示。

图2-1系统结构图

系统中采取AT89C51单片机作为处理器，其功效用来控制调光和时间日期显示是完全满足。双输出电源对单片机产生外部中止同时给LED供电，单片机在外部中止中开启定时器并经过按键对定时器赋不一样值，每当定时器满时，单片机会经过I/O口发出PWM，经过驱动控制灯光亮度调整。
2.2 单片机技术
2.2.1 单片机概述及特点
当今时代被大家称为信息时代，计算机技术快速发展，其在工业、农牧业、国防、科研及日常生活等领域发挥着关键作用，成为各国工业发展水平关键标志之一。而单片机出现是计算机技术发展史上一个关键里程碑，它使计算机从海量数值计算进入到智能化控制领域。单片机是把微型计算机关键部分全部集成在一个芯片上单芯片微型计算机。从1976年8位单片微机诞生以来，至今已发展有16位单片微机、32位单片微机[1]，但一直是以8位机为主流机型，单片微机发展如日中天，全世界年产量已达100亿片，在中国年用量达6亿片，而且还在不停快速增加。其应用也相当广泛，从民用电器、机电一体化产品到航空航天技术、人工智能、工业机器人等一个极其广泛领域中[2]。单片机发展如此快速应用如此广泛有其本身特点：
1）集成度高：单片机把CPU、RAM、ROM、I/O接口和定时器/计数器全部集成在一个芯片上，和常规计算机系统相比，它含有体积小，集成度高特点。
2）存放量大：采取16位地址总线8位单片机可寻址外部64KB数据程序存放器。另外，大部分单片机还有片上RAM（通常为128~256B）和内部ROM（通常为2~4KB），在大多数情况下，内部存放器就已经足够了，从而降低了器件使用数量，降低了成本。
3）性能高、速度快：为了提升速度和实施效率，单片机使用RISC体系结构、并行流水线操作和DSP等设计技术，指令运行速度大幅度提升。通常单片机使用时钟频率能够达成12MHz[3][4]。
4）抗干扰性强：单片机各功效件全部集成在一块芯片上，尤其是存放器也集成在芯片内部，所以单片机布线短，大多全部是在芯片内部传送数据，所以不易受到外部干扰，增强了抗干扰能力，系统运行愈加可靠。
5）指令丰富：单片机通常全部有传送指令、逻辑运算指令、转移指令、加减运算指令和位操作指令，有些单片机还含有乘法及除法运算指令。
6）可靠性高、易扩展、控制功效强也是单片机被广泛应用特点。
2.2.2 单片机内部结构
和单片机相比，微型计算机是一个多片机系统。它是由中央处理器（CPU）芯片、ROM芯片、RAM芯片、I/O接口芯片等经过印刷电路板上总线连成一体完整计算机系统。其中，中央处理器（CPU）字长，功效强大，ROM和RAM容量很大，I/O功效也很大，这是单片机无法比拟。所以单片在结构上和微型计算机十分相同，是一个集微型计算机关键功效部件于同一块芯片上微型计算机，并由此而得名。单片机内部结构图2-2所表示。其中，中央处理器是经过内部总线和ROM、RAM、I/O接口和定时器/计数器相连。

图2-2 单片机内部结构图
1）存放器：在单片机内部，ROM和RAM存放器是分开制造。通常，ROM存放器容量是很大，RAM存放器容量较小，这是单片机控制一大特点。ROM用于存放应用程序，称为程序存放器，在控制系统中一旦系统研制成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提升系统可靠性，应用程序通常固化在片内ROM中。RAM是随机存放器，容量为64～256字节，最多可达48K字节。其关键用来存放实时数据或作为通用寄存器、数据堆栈和数据缓冲器之用。
2）处理器（CPU）：中央处理器内部结构极其复杂，通常由运算器、控制器和中止电路等组成。其中运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作次序在控制器控制下进行。运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成。控制器是公布操作命令机构，是计算机指挥中心，相当于人脑神经中枢。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。指令部件是一个能对指令进行分析、处理和产生控制信号逻辑部件，也是控制器关键。通常，指令部件由PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）和ID（指令译码器）三部分组成。时序部件是由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需定时脉冲信号[5][6]。微操作部件能够为ID输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可和外部进来控制信号组合，共同形成对应微操作控制序列，以完成要求操作。
3）总线：单片机内部总线是CPU连接片内各关键部件纽带，是各类信息传送公共通道；内部总线关键由三种不一样性质边线组成，它们是地址线、数据线和控制/状态线。地址线关键用来传送存放器所需要地址码或外部设备设备号，通常由CPU发出并被存放器或I/O接口电路所接收。数据线用来传送CPU写入存放器或经I/O接口送到输出设备数据，也能够传送从存放器或输入设备经I/O接口读入数据。控制/状态线有两类：一是CPU发出控制命令，如读命令、写命令、中止响应等；另一类是存放器或外设状态信息，如外设中止请求、存放器忙和系统复位信号等。
4）I/O接口和特殊功效部件：I/O接口电路有串行和并行两种。串行I/O用于串行通信，它能够把单片机内部并行8位数据变成串行数据向外传送，也能够串行接收外部送来数据并把它们变成并行数据送给CPU外理。并行I/O口电路能够使单片机和存放器或外设之间并行地传送8位数据。特殊功效部件包含定时器/计数器、A/D和D/A、DMA通道和系统时钟等电路。定时器/计数器用于产生定时脉冲，以实现单片机定时控制。
2.3 LED调光
2.3.1 LED调光方法
LED调光方法分为两种：模拟调光和PWM调光
1）模拟调光
模拟调光方法是经过连续方法线性调整流过LED电流，来改变灯发光亮度，能够较大范围内调整LED亮度。
模拟调光技术是经过利用二分之一电流驱动LED可降低二分之一亮度。尽管不是绝正确1:1，但LED亮度随正向电流改变而改变。
2）PWM调光
PWM调光是经过反复通断来改变开关电流脉宽而不是改变电流幅值，从而达成调整LED亮度目标。流过LED平均电流和调整占空比是线性关系，而人眼频率响应是60Hz及以下，所以高于60Hz以上频率开关LED，人眼就会看到平均LED亮度。

图2-3 模拟调光和PWM调光对比

2.3.2 PWM技术
脉宽调制PWM是开关型稳压电源中术语。这是按稳压控制方法分类，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变情况下，经过电压反馈调整其占空比，从而达成稳定输出电压目标。
1) PWM软件法控制充电电流
该方法基础思想就是利用单片机含有PWM端口，在不改变PWM方波周期前提下，经过软件方法调整单片机PWM控制寄存器来调整PWM占空比，从而控制充电电流。该方法所要求单片机必需含有ADC端口和PWM端口这两个必需条件，另外ADC位数尽可能高，单片机工作速度尽可能快。在调整充电电流前，单片机先快速读取充电电流大小，然后把设定充电电流和实际读取到充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流方向调整PWM占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流方向调整PWM占空比。在软件PWM调整过程中要注意ADC读数偏差和电源工作电压等引入纹波干扰，合理采取算术平均法等数字滤波技术。
2) PWM在推力调制中应用
1962年，Nicklas等提出了脉冲调制理论，指出利用喷气脉冲对航天器控制是简单有效控制方案，同时能使时间或能量达成最优控制。 　　脉宽调制发动机控制方法是在每一个脉动周期内，经过改变阀门在开或关位置上停留时间来改变流经阀门气体流量，从而改变总推力效果，对于质量流率不变系统，能够经过脉宽调制技术来取得变推力效果。 　　脉宽调制通常有两种方法：第一个为整体脉宽调制，对控制对象进行控制器设计，并依据控制要求作用力大小，对整个系统模型进行动态数学解算变换，得出固定力输出应该连续作用时间和开始作用时间；第二种为脉宽调制器，不考虑控制对象模型，而是依据输入进行“动态衰减”性累加，然后经过某种算法变换后，决定输出所连续时间。这种方法很简单，也能达成输出作用近似相同。脉宽调制控制技术结构简单、易于实现、技术比较成熟，俄罗斯已经将其成功地应用于远程火箭角度稳定系统控制中。不过当调制量为零时，正反向控制作用相互抵消，控制效率显著比变流率系统低。而且系统响应有一定滞后，其开关频率必需远大于KKV本身固有频率，不然不仅起不到调制效果，甚至会发生灾难性后果。
3) 在LED中应用
在LED控制中PWM作用于电源部分，脉宽调制脉冲频率通常大于100Hz，人眼就不会感到闪烁。

3 硬件电路设计
3.1 单片机部分
3.1.1 晶振电路设计
单片机定时控制功效是用片内时钟电路和定时电路来完成，而片内时钟产生有两种方法：内部时钟方法和外部时钟方法。
本课题采取内部时钟方法，片内高增益反相放大器经过XTAL1和XTAL2外接作为反馈元件晶体（呈感性）和电容组成并联谐振回路组成一个自激振荡器向内部时钟电路提供振荡时钟[7][8]。AT89S52工作时钟频率为0～33MHz。对外接电容C1、C2即使没有十分严格要求，但电容容量大小会轻微影响振荡频率高低、振荡器工作稳定性、起振难易程度。本设计中选择12MHz石英晶振和30pF电容组成并联谐振电路，电路图3-1所表示。

图3-1 晶振电路
3.1.2 复位电路设计
复位是单片机一个关键工作状态。当单片机应用系统出现程序运行错误、系统操作错误而死机或单片机开机后进行初始化时常常需要复位操作，其作用是使CPU和单片机系统中其它相关部件全部处于一个确定初始状态，并从这一状态开始工作。AT89S52复位引脚（Reset）是第9脚，当此引脚连接高电平超出2个机器周期（1个机器周期为6个时钟脉冲），即可产生复位动作。常见复位电路有上电自动复位和上电按钮复位电路，本系统采取上电按钮复位电路方法。复位前，因为单片机9脚经电阻接地，所以呈低电平，当按键开关按下时，9脚因为点位提升至+5V，引脚状态呈高电平，复位有效，单片机实施复位。电路图3-2所表示。

图3-2 复位电路
3.2 驱动模块设计
采取LED照明，首先需要考虑是其亮度、成本和寿命。因为影响LED寿命关键原因是其频繁开启瞬间电流冲击，外界多种浪涌脉冲，和正常工作时电流限制等，综合了这些原因，从电路设计上尽可能避免大电流对LED照明灯具冲击，并将其工作电流稳定在某一范围内，处理现在LED照明灯具亮度衰减问题，从而能有效地延长其使用寿命。
3.2.1 驱动选择
LED均采取直流驱动，所以在市电和LED之间需要加一个电源适配器即LED驱动电源。它功效是把交流市电转换成适合LED直流电。
LED发光原理是在它两端加上正向电压，使半导体中少数载流子和多数载流子发生复合，放出过剩能量，从而引发光子发射。LED驱动电路关键功效是将交流电压转换为恒流电源，同时根据LED器件要求完成和LED电压和电流匹配。LED驱动电路除了要满足安全要求外，另外基础功效应有两个方面： 　　
一是尽可能保持恒流特征，尤其在电源电压发生±15%变动时，仍应能保持输出电流在±10%范围内变动。用LED作为显示器或其它照明设备或背光源时，需要对其进行恒流驱动，关键原因是： 　　
1） 避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。 　　
2） 取得预期亮度要求，并确保各个LED亮度、色度一致性。 　
二是驱动电路应保持较低本身功耗，这么才能使LED系统效率保持在较高水准。PWM（脉宽调制）技术是一个传统调光方法，它利用简单数位脉冲，反覆开关LED驱动器，系统只需要提供宽、窄不一样数位式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调整LED亮度。该技术优点在于能够提供高品质白光，和应用简单，效率高，但一个致命缺点是轻易产生电磁干扰，有时甚至会产生人耳能听见杂讯。本设计中选择PT4115对LED实现驱动调光。
升压是LED驱动电路关键任务，而电感升压和电荷泵升压是两种不一样拓扑模式。“因为LED是由电流驱动，而电感在进行电流转换时效率最高，所以电感升压方法最大优点就是效率高，假如设计适当能够超出90%；不过它缺点也一样显著，就是电磁干扰很强，对手机等通信产品系统要求就很高。伴随电荷泵出现，现在大多数手机全部不再采取电感升压方法。当然，采取电荷泵升压方法其效率将低于电感升压。
3.2.2 PT4115介绍
PT4115 是一款连续电感电流导通模式降压恒流源，用于驱动一颗或多颗串联 LED。PT4115 输入电压范围从 6 伏到30 伏，输出电流可调，最大可达 1.2 安培。依据不一样输入电压和外部器件，PT4115 能够驱动高达数十瓦 LED。PT4115 内置功率开关，采取高端电流采样设置LED平均电流，并经过DIM引脚能够接收模拟调光和很宽范围PWM调光。当DIM电压低于0.3伏时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流待机状态。
1) 特点
l 极少外部元器件
l 很宽输入电压范围：从6V到30V
l 最大输出 1.2A 电流
l 复用DIM引脚进行LED开关、模拟调光和PWM调光
l 5%输出电流精度
l LED开路自然保护
l 高达97%效率
l 输出可调恒流控制方法
l 增强散热能力ESOP8封装可用于大功率驱动
2) 应用
l 低压LED射灯替换卤素灯
l 车载LED灯
l LED备用灯
l LED信号灯
3) 管脚介绍及封装形式

图3-3 两种封装形式
管脚号
管脚名称
描述
1
SW
功率开关漏端
2
GND
信号和功率地
3
DIM
开关使能、模拟和 PWM 调光端
4
CSN
电流采样端，采样电阻接在CSN和VIN端之间
5
VIN
电源输入端，必需就近接旁路电容
-
Exposed PAD
散热端，内部接地，贴在 PCB 板上减小热阻
ESOP8 4,5
NC
无连接,接地或悬空
4) 极限参数
符号
参数
参数范围
单位
VIN
电源电压
-0.3~45
V
SW
功率开关漏端
-0.3~45
V
CSN
电流采样端 (相对 VIN)
+0.3~(-6.0)
V
DIM
开关使能、模拟和 PWM 调光端
-0.3~6
V
ISW
功率开关输出电流
1.5
A
PDMAX
功耗(注 2)
1.5
W
PTR
热阻, SOT89-5（θJA）
45
oC /W
PTR
热阻, ESOP-8（θJA）
40
oC /W
TJ
工作结温范围
-40 to 150
oC
TSTG
储存温度范围
-55 to 150
oC

ESD
2
kV
5) 工作原理

图3-4 PT4115内部结构
PT4115和电感（L）、电流采样电阻（RS）形成一个自振荡连续电感电阻模式降压-恒流LED控制器。VIN上电时，电感（L）和电流采样电阻（RS）初始电流为零，LED输出电流也为零。这时候，CS比较器输出为高，内部功率开关导通，SW电位为低。电流经过电感（L）和LED压降决定，在RS上产生一个压差VCSN,当（VIN-VCSN）>115mV时，CS比较器输出变低，内部功率开关关断，电流以另一个斜率流过电感（L）、电流采样电阻（RS）、LED和肖特二极管（D），当（VIN-VCSN）<85mV时，功率开关重新打开，这么使得在LED上平均电流为
。
高端电流采样结构使得外部元器件数量极少，采取1%精度采样电阻，LED输出电流控制在精度。PT4115能够在DIM管脚加PWM信号进行调光，DIM管脚电压低于0.3V关断LED电流，高于2.5V全部打开LED电流，PWM调光频率范围从100Hz到20KHz以上。当高电平在0.5V到2.5V之间，也能够调光。DIM管脚也能够经过外加直流电压（VDIM）调小LED电流（模拟调光），最大LED电流由采样电阻RS决定。直流电压（VDIM）高于2.5V，输出LED电流保持恒定，并由（0.1/RS）设定。LED电流还能够经过DIM到LED之间接一个电阻进行调整，内部有一个上拉电阻接在内部稳压电压5V上，DIM管脚电压由内部和外部电阻分压决定。
DIM管脚在正常工作时能够浮空。当加在DIM上电压低于0.3V时，内部功率开关关断，LED电流也降为零。关断期间，内部稳压电路保持待机工作，静态电流仅为。
另外，为了确保可靠性，PT4115内部包含过热保护功效（TSD），封装含有散热PAD。过热保护功效在芯片过热（）时保护芯片和系统，外部散热PAD增强了芯片功耗，于是，PT4115能够安全输出较大电流。PT4115还能够经过DIM管脚外接热敏电阻（NTC）到LED周围，检测温度动态调整LED电流保护LED。
3.2.3 PT4115和LED连接设计

图3-5 PT4115和LED连接
LED最大电流由连接在VIN和CSN两端电阻RS决定，经过在DIM管脚加入可变占空比PWM信号能够调小输出电流以实现调光，计算方法以下所表示：,假如高电平小于2.5V，则.经过PWM调光，LED输出电流能够从0%到100%改变。LED亮度是由PWM占空比决定。
LED能够入图中所表示选择一个3W大功率灯珠，也能够选择三个1W电铸串联，电源供电为12VDC供电。
3.3 电源电路设计

图3-6 双输出电源结构图
本设计中单片机部分电路需要电压为5V，而选择三个1WLED灯珠需要电压为12V，同时需要电路输出电流应在3.5A以上。为了方便直接选择市面上维修液晶显示器等电器时用双输出电源。此电源电路可提供一个小电流，可调整负偏置电压.适适用于传感器偏置,LCD 对比度偏压,或压控振荡器(VCO)调谐电压.该电路利用DAC驱动一个电荷泵倍压器提供所需电压,免去了通常由运算放大器和很多分离器件组成庞大电平偏移电路。
3.4 键盘电路设计
键盘是若干按键集合，是单片机常见输入设备，操作人员能够经过键盘输入数据或命令，实现人机通信[14][15]。键盘能够分为独立连接式和行列（矩阵）式两类，每一类又可依据对按键译码方法分为编码键盘和非编码键盘两种类型。本设计中用了三个按键，按键S1功效为：将灯光逐步调暗至关灯；按键S2功效为：将灯光逐步调亮至最大值。因为键盘实现功效较少，所以均采取独立式非编码键盘设计。设计电路图3-30所表示：

图3-30 键盘电路
图所表示，每个按键全部是相互独立，均需占用CPU一条I/O数据输入线。若没有键按下时，单片机从P2口读得引脚电平均为“1”（+5V）；若某一按键被按下，则该按键所对应端口线变为低电平。单片机定时对P2口进行程序查询，即可发觉键盘上是否有键按下和哪个键被按下。独立式键盘优点是程序设计简单。不过占用I/O口较多，假如是按键较多情况下则应该选择矩阵式编码键盘，这么话就能节省I/O口，节省系统资源。

4 软件设计
单片机应用系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是软件运行条件和保障，软件使控制要求得到实现。硬件和软件只有亲密配合、协调一致，才能组成一个高性能单片机应用系统。所以系统控制单元必需设计出完善和硬件相配合软件，才能确保系统实用性和可靠性。在编程过程要建立在硬件工作原理和系统要实现功效上，依据了系统化、模块化设计标准。本章在控制系统硬件基础上，具体介绍了控制系统软件设计。
单片机开发系统程序设计语言有机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是计算机能够识别惟一语言，因为机器语言程序设计、输入、修改和调试全部很麻烦只能在很简单开发系统中使用。汇编语言比机器语言使用灵活，且程序便于优化，和硬件系统关系紧密，单片机中常见汇编语言进行程序设计。高级语言编程方便，易于掌握，且通用性好，MCS-51系列单片机开发系统所使用高级语言有C-51、PL/M51和MBASIC-51[16][17]语言、C语言等，用高级语言编写控制程序，在实用性、质量和结构紧凑等方面全部有一定难度。综合考虑本设计使用C-51语言进行编程，其还有以下优点：
1.寄存器分配、数据类型等由编译器管理;
2.编程及调试时间降低，大大缩短开发周期；
3.显著增加软件可读性，便于改善和扩充。
程序仿真软件使用Keil，该软件含有对用户程序进行调试功效。软件能使用户有效地控制目标程序运行，以检验程序运行结果，并对程序错误进行定位。软件中单步运行、设置断点运行和连续运行功效能够对程序运行进行跟踪；其对目标系统状态读出和修改功效能够方便地读出或修改目标系统全部资源状态，以检验运行结果和了解设置初始参数等。
4.1 控制调光软件设计
在本系统中，软件设计程序框图图4-1。
图4-1 系统主程序步骤图
Keil uVision2 IDE是美国Keil Software企业出品51系列单片机C语言集成开发系统，和汇编语言相比，C语言在功效上、结构性、可读性、可维护性上有显著优势，所以易学易用。Keil uVision2 IDE开发系统提供丰富库函数和功效强大集成开发调试工具。

5 PWM信号仿真
因为驱动芯片部分无法用Protues软件实现，故此部分只做了让单片机输出PWM脉冲信号仿真。

图5-1 单片机和示波器连接图

图5-2 亮度增加

图5-3亮度减小

结 论
本文在学习过零检测系统原理和单片机等相关知识基础上，从硬件和软件两方面对可控调光灯系统进行了设计。选择AT89C51型8位低功耗单片机，系统不仅实现了对灯光亮度控制，而且还实现了对读取DS1302日期时间进行LCD显示，操作方便，界面美观。整个系统采取稳压电源，在家庭生活中有很好实用价值和推广价值。设计关键完成了以下工作：
1.在广泛查阅资料基础上，提出了本设计意义，确立了设计方案。
2.从硬件方面具体介绍了：AT89C51单片机硬件电路、过零检测电路、触发电路，键盘和显示和整个系统供电电路。同时用Protel99SE绘制了整体电路图。
3.从软件方面叙述了怎样由单片机指令实现对过零点检测。首先，给出了怎样整体控制并给出了主程序步骤图；其次，为了程序移植将程序模块化成多个子程序，叙述了各子程序功效及怎样实现。
4.硬件制作实现了预期目标，能对LED灯光进行逐步亮暗调整，并将日期和时间用液晶实时显示。检测稳定性和正确性也符合设计要求。
为了使本设计愈加完善，需要在以下方面深入深入研究：从精度方面来完善调光控制系统，如系统采取Z0409MF控制电压大小，配上光耦；设计愈加稳定电源，从而使检测电压愈加正确。深入优化软件设计，包含研究更多算法、抗干扰能力，使控制愈加快速、正确。

致 谢
在调光灯系统设计制作过程中，得到了指导老师悉心指导，她给了我很多有益提议和意见。同时宋老师那渊博知识、严谨治学态度、主动认真工作作风使我深得益处，她正直乐观人格魅力也深深地感染着我。谨此向导师表示深深谢意!
在论文工作过程中还得到其它老师和同学支持和帮助，她们对我工作也给了很多提议和宝贵资料，特致殷切谢意！
最终，我还要感谢我南京信息职业技术学院，正是母校对我四年来不停栽培和教育，才使得我学有所成，能够投入到祖国经济建设滚滚洪流中去，贡献出自己一份力量。

参考文件

1 于京,张景璐.51系列单片机C程序设计于应用实例.中国电力出版社,：155～126
2 苏凯,刘庆国,陈国平.MCS-51系列单片机系统和设计.冶金工业出版社,：12～27
3 李叶紫,王喜斌.MSC-51单片机应用教程.清华大学出版社,：3～21
4 张迎新.单片微型计算机原理应用及接口技术.国防工业出版社,：27～46
5 胡耀辉,朱朝华等.单片机系统开发实例经典.冶金工业出版社,：33～47
6 张迎辉,贡雪梅.单片机实训教程.北京大学出版社,：39～56
7 胡辉,王晓.单片机原理及应用设计.中国水利水电出版社,：3～45
8 谭浩强,张基温,唐永炎.C语言程序设计教程.第二版.高等教育出版社.1998：192～193
9 康华光.电子技术基础(数字部分).第四版.高等教育出版社,1999：191～198
10 张立科.单片机经典模块设计实例导航.人民邮电出版社,：39～56
11 胡汉才.单片机原理及接口技术.第二版.清华大学出版社,：205～298
12 周航慈.单片机应用程序设计技术.修订版.北京航空航天大学出版社,：87～89
13 刘文涛.单片机应用开发实例.清华大学出版社,：121～137
14 边春元,王志强.单片机应用开发实用子程序.人民邮电出版社,：70～73
15 李光飞,楼然苗.单片机课程设计实例指导.北京航空航天大学出版社,：205～212
16 Richardc.Dorf RobertH.Bishop.Modern Control Systems.科学出版社,：185～201
17 DonaldA.Neamen.Electronic Circuit Analysis and Design.清华大学出版社,：603～803

附录1
程序清单
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日期：3月28日
名称：LED调光设计和研究
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#include<reg51.h>
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