频闪功能调光方式的设计.doc

大连民族学院

单片机原理与技术

结课论文

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

完成日期：2014年11月11日

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目 录
目 录 1
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 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 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.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.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.心得体会 15
七.参考文献 15

一、设计任务和要求
1.1 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。
1.2 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。
1.3 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
2.1 调光方式的设计
2.1.1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）。
2.1.2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。
2.1.3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。
2.2 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。
2.3 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
3.1 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。
3.2 单片机PIC16F873
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
3.3 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。
3.3.1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
3.3.2单片机的程序在线调试电路

图7 单片机的在线调试电路
3.3.3单片机的工作指示灯电路
为了方便调试和观察，在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
3.3.4单片机的过热保护电路

图9 单片机的过热保护电路
3.4 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
3.5 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。
3.5.1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
3.5.2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
3.6 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。
3.6.1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
3.6.2系统的频闪同步输出电路

图16 系统的频闪同步输出电路
3.7 系统的485通信部分

图17 系统的485通信电路
四.系统软件设计
4.1 系统的补光功能的实现

图18 补光程序流程
4.2 系统的频闪功能的实现

图19 频闪中断程序流程
4.3 系统的爆闪功能的实现

图20 爆闪中断程序流程
4.4 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
4.5 系统的485通信功能的实现

图22 系统的485通信程序流程
五.系统的调试
5.1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
5.2 控制系统与系统电源、LED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.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，提升了我的动手能力与编程能力，受益匪浅。
七.参考文献
[1] 毛兴武，新一代绿色光源LED及其应用技术.（第一版）北京：人民邮电出版社，2008。
[2] Kanji BANDO，Kensho SAKANO，Yasunobu NOGUCHI.Development of High-bright and Pure-white LED Lamps.Journal of Light & Visual Environment，1998。
[3] 周生洪，王列军，韦传正等.LED照明技术探讨.科技资讯，2009。