論文利用PWM調節(jié)LED亮度課件

1、微型計算機技術專業(yè)方向課程設計微型計算機技術專業(yè)方向課程設計任務書任務書題目名稱：題目名稱：利用利用 PWMPWM 調節(jié)調節(jié) LEDLED 亮度亮度專業(yè)專業(yè)自動化(訂單式培養(yǎng))班級班級機電 121 班姓名姓名 胡炳華 學號學號 201228212 學校：學校：青島理工大學自動化學院 指導教師：指導教師：史賀男 2014 年 12 月 151日課程設計任務書課程設計任務書課程名稱：課程名稱：微型計算機技術設計題目：設計題目：利用 PWM 調節(jié) LED 亮度系統(tǒng)硬件要求：系統(tǒng)硬件要求：LED 亮度分四個檔：滅、微亮、較亮、最亮，由四個按鍵控制軟件設計：軟件設計： 1）主程序設計 2）各功能子程序設

2、計其他要求其他要求：1、每位同學獨立完成本設計。2、依據題目要求，提出系統(tǒng)設計方案。3、設計系統(tǒng)電路原理圖。1、調試系統(tǒng)硬件電路、功能程序。2、編制課程設計報告書并裝訂成冊，報告書內容（按順序）（1）報告書封面（2）課程設計任務書（3）系統(tǒng)設計方案的提出、分析（4）系統(tǒng)中典型電路的分析（5）系統(tǒng)軟件結構框圖（6）系統(tǒng)電路原理圖（7）源程序（8）課設字數不少于 2000 字成績成績評語評語2摘摘 要要 隨著 LED 在照明領域的發(fā)展，其控制方法也在不斷提高。而 PWM 技術利用數字輸出來對模擬電路進行控制的優(yōu)點被應用于眾多領域 。本項目以 51 單片機為核心，通過單片機產生 PWM 波來控制 L

3、ED 亮度，使 LED 亮度分四個檔：滅、微亮、較亮、最亮，由四個按鍵控制。同時添加了數碼顯示管輔助顯示，本系統(tǒng)設計簡單，性能穩(wěn)定，能夠通過單片機靈活編程進行各參數的設定和修改。關鍵詞：關鍵詞： 51 單片機 PWM LEDABSTRACTWith the development of the LED in lighting field, the control method has been improved. PWM technology uses digital output to control analog circuits .The advantages of PWM techno

4、logy was applied in many fields. This project uses 51 single-chip microcomputer as the core, and single chip microcomputer to control the LED brightness by producing PWM wave. The LED have four kinds of brightness: destroyed, careless, lighter, the brightest, controlled by the four buttons, added th

5、e digital display tube auxiliary display at the same time. The system design is simple, stable performance .The single chip microcomputer programming could set and modify the parameters flexibly.KEY WORDS : 51 single chip microcomputer PWM LED3前前 言言 當前社會能源短缺的問題日益嚴重，節(jié)約能源成為經濟發(fā)展面臨的重要問題。LED 是一種半導體固體發(fā)光器件

6、。它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，在半導體中通過載流子發(fā)生復合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射。LED具有環(huán)保、節(jié)能、壽命長、體積小等特點、廣泛應用于普通照明和各種指示、顯示等領域。作為一種新型綠色光源產品，LED 將成為未來照明領域的發(fā)展趨勢。LED 的亮度調節(jié)有多種方法?？梢阅M電壓和電流可直接用來進行控制。盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調節(jié)。此外， 利用模擬電路調節(jié)還有可能嚴重發(fā)熱。脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或 MOS 管柵極的偏置，來實現晶體管或 MOS 管導通時間的改變，從而實現開關穩(wěn)壓電源輸出的改變。這

7、種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種術廣泛應用在測量、通信和功率變換的領域中。PWM 控制信號從處理器到被控系統(tǒng)都是數字形式的,而無需進行數模轉換，可以有效的降低噪聲的影響。在電力電子技術中，PWM 脈寬調制的方法有很多,比如 ：相電壓控制 PWM、電流控制 PWM 和矢量控制 PWM 等 。在簡單的系統(tǒng)中可以利用單片微機通過程序產生 PWM 波形來實現控制作用。PWM 控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控

8、制理論思想或實現無諧振波開關技術將會成為 PWM 控制技術發(fā)展的主要方向之一。4目錄目錄第一章第一章 系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計.5 51.1 總體設計方案 .51.2 單片機產生 PWM 波的分析 .61.3 LED 亮度調節(jié)討論.6第二章第二章 系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計. 8 82.1 單片機 .82.2 系統(tǒng)復位電路 .9第三章第三章 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計.12123.1 原理 .123.2 軟件程序流程圖 .12第四章第四章 系統(tǒng)的調試與仿真系統(tǒng)的調試與仿真.13134.1 硬件調試 .134.2 軟件調試 .134.3 KEIL 和 PROTEUS 的聯合調試.144.4 實物 PWM 模

9、擬信號調節(jié)燈亮度 .16總結與體會總結與體會.1919未來展望未來展望.2020參考文獻參考文獻.2121附附 錄錄.22221. 整體電路原理圖及 PCB 圖 .222. 程序 .233. 元器件清單 .285第一章第一章系統(tǒng)設計系統(tǒng)設計1.11.1 總體設計方案總體設計方案 由項目要求我們可以初步確定整體方案，首先我們使用 STC89C52RC 單片機，它也是屬于51單片機系列的一款。根據要可知，我們以51單片機為控制器，配合晶振電路和復位電路構成最小系統(tǒng)，外界 LED 顯示，由軟件控制產生 PWM 波，根據占空比不同，所以通過 LED 的平均電流不同，LED 亮度也不同。從 LED 的伏

10、安特性可知，其曲線是非線性的，0.1V 的電壓變化可能造成100200mA 的 If 的變化，不易控制;另外，LED 具有負溫度系數特性，所以，一般將 LED 說成是電流控制型器件。PWM 是脈沖寬度調制信號，其中的“寬度” ，就是脈沖的高電平的時間。PWM 信號調節(jié) LED 亮度時，信號頻率是不變的，改變的是脈沖的高電平的時間，即 LED 的導通時間。這種信號調節(jié)亮度相當于調節(jié) LED 的平均電流，所以電流會變化，即 LED 亮度會改變。通過學習我們知道可以用 MCU 產生 PWM 信號，也可以用模擬電子線路產生相應的 PWM 信號，但對我們所做的系統(tǒng)來說，采用單片機產生相應的 PWM 信號

11、比較簡單且成本低，因此我們選擇用 MCU 來產生 PWM 信號。在原來的基礎上我們又增加了數碼管，以此來顯示此時的占空比，增加此功能后更直觀、清晰。 下面是我們總體系統(tǒng)設計框圖：6 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 MAX232、 、 、 、 、 、 、LED、 、 、 、 、 、 、 、 圖 3.1 總體系統(tǒng)設計框圖1.21.2 單片機產生單片機產生 PWMPWM 波的分析波的分析 通過前面學習知道脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用和方波的占空比被調制來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM 信號仍然是數字的，因為在

12、給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。 51 系列單片機自身沒有 PWM 接口，即無 PWM 輸出功能，但可以采用定時器配合軟件的方法輸出。對精度要求不高的場合，非常實用。51 系列單片機的工作頻率我們選擇的是 12MHZ,并用 T0 定時器及定時中斷來完成 PWM 輸出， T0 定時器設置成：16 位定時器通過使用定時器 0，方式 1。1.31.3 LED

13、LED 亮度調節(jié)討論亮度調節(jié)討論 系統(tǒng)硬件要求 LED 亮度由 4 個按鍵控制。最初我們是利用這 4 個按鍵來控7制 LED 燈的滅、微亮、較亮、最亮，僅 4 種狀態(tài)，但最終經我們商討和向老師請教，我們決定設置了 4 個按鍵，分別為 open 鍵、close 鍵、up 鍵及 down 鍵，分別控制單片機 P1.0 口 PWM 的輸出進而控制 LED 燈的開、關、亮度增加及亮度降低，在達到要求的基礎上，我們使 LED 燈的亮度狀態(tài)增加至 16 級。8第二章第二章系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)硬件設計2.12.1 單片機單片機我們選用的是 STC89C52 型號的單片機，該單片機是STC公司生產的一種低功耗、高

14、性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。STC89C52 使用經典的 MCS-51 內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51 單片機不具備的功能。在芯片上，擁有靈巧的 8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 其具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器，內置 4KB EEPROM， MAX810 復位電路，3 個 16 位定時器/計數器，4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結構（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量

15、2 級中斷結構） ，全雙工串行口。 圖3.2 STC89C52RC 單片機原理圖9系統(tǒng)時鐘電路：控制單片機的工作節(jié)奏。12Y111.0592C930PFC330pf 圖3.3 系統(tǒng)時鐘電路原理圖 2.22.2 系統(tǒng)復位電路：系統(tǒng)復位電路：上電復位：上電瞬間，電容充電電流最大，電容相當于短路，RST 端為高電平，自動復位；電容兩端的電壓達到電源電壓時，電容充電電流為零，電容相當于開路，RST 端為低電平，程序正常運行。手動復位：首先經過上電復位，當按下按鍵時，RST 直接與 VCC 相連，為高電平形成復位，同時電解電容被短路放電；按鍵松開時，VCC 對電容充電，充電電流在電阻上，RST 依然為高

16、電平，仍然是復位，充電完成后，電容相當于開路，RST 為低電平，正常工作。 K0VCCC7104R10R11GND 圖3.4 系統(tǒng)復位電路原理圖LED 模塊：LED 亮度顯示。10R9470LED1VCCP1_0 圖3.5 LED 連接原理圖數碼管顯示模塊：用于顯示當前的輸出 PWM 占空比。 A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10G1Dpy Green-CAP2_0P2_1P2_2P2_3P2_4P2_5P2_6P2_7R1100RR2100RR3100RR4100RR5100RR6100RR7100RR8100RQ12N3906VCCR0P1_0 圖3.6 數碼管顯示原理圖按鍵模塊：

17、控制 LED 燈的亮度。 K1K2K3K4GNDP3_4P3_5P3_6P3_7 圖3.7 按鍵原理圖MAX232電路模塊：用于 STC89C52RC 單片機串口通信和燒寫程序用11 C1+1VS+2C1-3C2+4C2-5VS-6T2OUT7R2IN8R2OUT9T2IN10T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U2MAX232NC1104C2104P3_1P3_0GNDC4104C5 104C6 104GND1234567891110J1D Connector 9GND 圖3.8 USB 插口原理圖12第三章第三章系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計3.13.1原理：

18、原理： 51 系列單片機本身是沒有 PWM 接口的，我們通過軟件模擬 PWM。在一定的頻率的方波中，調整高電平和低電平的占空比，即可實現 LED 燈亮度控制，程序中使用定時器 0 產生周期約 100us 的脈沖，使用占空比控制變量 X 控制占空比，在低電平期間使 LED 燈亮，在高電平期間使 LED 燈滅，改變 X 就改變了高電平與低電平的時間，因此也就控制了 LED 燈的亮度。X 的值通過按鍵來改變。3.23.2 軟件程序流程圖：軟件程序流程圖： 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、cl ose、 、up、 、down、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、

19、、 、 、 、 、 、 、 、open、 、13 第四章第四章 系統(tǒng)的調試與仿真系統(tǒng)的調試與仿真 4.14.1 硬件調試硬件調試 Proteus 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的 EDA 工具軟件。不僅是模擬電路、數字機電路、模數混合電路設計的與仿真平臺，更是目前最先進、最完整的多種型號微控器系統(tǒng)的設計與仿真平臺，具有豐富的元器件庫、激勵磁、虛擬儀表和圖表仿真。首先我們打開 proteus 軟件:新建一個 DSN 文件，繪制電路圖并保存。4.24.2 軟件調試軟件調試 下面以 Keil uVision4 軟件來調試程序來介紹：打開 Keil uVision4 軟件：建立一個新工程單擊“P

20、roject”菜單，在彈出的下拉菜單中選中“New Project”選項。選擇你要保存的路徑，輸入工程文件的名字，比如保存到“程序”目錄里，工程文件的名字為“l(fā)ed” ，然后點擊“保存” 。這是時會彈出一個對話框，要求你選擇單片機的型號（根據自己使用的單片機來選擇） ，比如 Atmel 的 AT89C52，然后點擊“確定” 。在我們要編寫程序前，要進行以下步驟。在菜單中，單擊 File 菜單，再在下拉菜單中單擊“New”選項。此時光標在編輯窗口里閃爍，這時可以鍵入程序，但最好要先對空白的文件進行保存。點擊“FileSave As”,在“文件名”欄右側的編輯框中，鍵入欲使用的文件名，同時必須鍵入

21、正確的擴展名，比如pwm.c(注：用 C 語言編寫程序是“.c ”,用匯編編寫程序是“.asm”)。然后，單擊保存?；氐骄庉嫿缑婧?，單擊“Target 1”前面的“+”號，然后在“Source Group 1”上點擊右鍵，彈出菜單。然后單擊“Add File to GroupSource Group 1 ”選中你的源文件，比如 pwm.c,然后單擊“Add”進行添加。14單擊“Project”菜單，再在下拉菜單中單擊“Options for Target Target 1 ” ，單擊“Output”中的“Create HEX File”選項，使程序編譯后產生 HEX 代碼，供仿真器使用。然后，

22、單擊“Debug”中，選中“Use Simulator”進行軟件仿真；現在開始編寫程序：編寫完后要進行編譯，看是否有源程序錯誤。若沒有，則進行仿真，調試。4.34.3 KEILKEIL 和和 PROTEUSPROTEUS 的聯合調試的聯合調試打開已經畫好的仿真電路圖 在 DSN 文件中雙擊單片機，在 program file 中找到已經編寫好的程序，并且找到.hex 的文件，點擊確定鍵，完成燒寫程序。15仿真結果：16注：注：由于 PROTEUS 軟件對該模擬電路仿真存在缺陷，在這里只能看到的現象是：LED 燈或亮或滅。并不能實現我們的要求，因此我們選擇了實物電路仿真。4.44.4 實物實物

23、PWMPWM 模擬信號調節(jié)燈亮度模擬信號調節(jié)燈亮度 沒啟動 open 鍵：啟動 open 鍵（50%占空比，較亮）：17 啟動 up 鍵（0占空比，最亮） 啟動 down 鍵（約94%占空比，微亮）Close 鍵按下，則 LED 燈熄滅。18通過以上仿真，我們成功實現了 PWM 對 LED 燈亮度的控制，通過CLOSE、OPEN、UP 和 DOWN 四個獨立按鍵的設置，可以實現四個亮度檔位：滅、微亮、較亮、最亮的控制。由于直接分成四個亮度級別，我們肉眼無法捕捉識別，因此我們在軟件編程中通過 pp 值和 x 值的設置使他們有16個亮度級別，通過兩個變量在軟件中的控制與按鍵相結合，使我們能夠明顯分

24、辨出亮度的變化。19總結與體會總結與體會LED 與 PWM 在我們日常生活中利用的越來越廣泛，小到我們的家用電器，大到航空航天的高科技技術，可以說是應用十分廣泛的，我們學習的這個專業(yè)，也決定了，我們會長時間的與它們連個打交道，本次課程設計，讓我們清醒的認識到我們即將來會從事的專業(yè)，以及我們以后需要努力的方向，我們清醒的認識到自己的不足，也在這次項目中，也學習了很多的知識。在本次項目設計中，我們真正體會到制作一件成功的作品并不像想象的那樣簡單，它需要扎實的專業(yè)基礎，能熟練駕馭知識的能力，團隊的團結合作精神，吃苦耐勞的品質以及遇見問題沉著冷靜的態(tài)度。我們在電路的設計、調試方面得到了很好鍛煉，能力也

25、有了很大的提高，同時也深刻的體會到：實踐是理論運用的最好檢驗，懂得了共同協作和團隊精神的重要性，提高了我們分析問題、解決問題的能力通過我們本次項目的學習，使我們加深了對 LED、PWM 技術的了解，本作品在設計上還存在許多值得改進和優(yōu)化的地方,也深知我們用很大的不足,我們會更加努力，不斷學習。在學習過程中，老師給我們了很大的幫助，在我們困惑的的地方，給我們指點迷津，為我們付出了很多，無論我們的問題多么簡單，老師都給我們細心講解。請允許我們代表所有隊員向為我們提供這次學習機會的領導，指導我們學習的老師表示最誠摯的謝意。20未來展望未來展望 關于 LED 的應用在我國現階段主要是建筑照明、室內外顯

26、示屏，基于上述原因，下一波的主力可能還是目前這些市場，但在手機、小尺寸背光、汽車的滲透會加大，另外一些零散分布市場如特種照明的開拓也會更大。由于它的低功耗、壽命長的優(yōu)點，使 LED 燈的使用非常普遍，而且 LED 顯示屏以及易拼裝、低功耗、高亮度等優(yōu)點已經廣泛應用到銀行、證券、廣場、車站、體育館中，未來這一市場仍有巨大潛力。在奧運會、世博會、一些城市夜景功程的示范效應下，LED 市場前景廣闊。 PWM 技術應用廣泛，不僅僅應用于調光帶動 LED 產業(yè)，自從開關器件的發(fā)展為 PWM 技術鋪平了道路，目前幾乎所用的變頻調速裝置都采用這一技術。PWM處理應用于逆變器的控制，還應用于整流器額控制，PW

27、M 整流器現在已經開發(fā)成功，人們稱 PWM 整流器是對電網無污染的“綠色”變流器。目前已經提出的PWM 控制技術就不下數十種，尤其微處理器應用于 PWM 技術數字化后，花樣不斷翻新，說明現在這項技術研究方法方興未艾，需要我們去不斷學習。 通過這些天的學習我們深深認識到，未來的產業(yè)競爭將取決于兩個方面，一是技術，這包括效率，降低成本的技術，提高器件功率的技術，方向上有先有技術線路的延伸，也有可能出現新的技術線路，而 LED 與 PWM 都體現了這兩方面的要求，我們作為技術型高素質大學生，更要注重理論也實踐相結合的本領，正真做高素質，有文化，有能力的新一代大學生。21參考文獻參考文獻1胡漢才.單片

28、機原理及其接口技術第 3 版M.北京：清華大學出版社，2010:288296.2雷思孝，李伯成，雷向莉.單片機原理及實用技術M.西安：西安電子科技大學出版社，2004:14.3郭天祥.51 單片機 C 語言教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2009.4 Plauger,P.J(1992).The Standard C Library. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. 5 王雁 杜貴府 呼小亮 基于 PWM 控制的 LED 亮度調節(jié)方法 22附附 錄錄 : :1.1. 整體電路原理圖及整體電路原理圖及 PCBPCB 圖圖 圖1 電路原理圖23 圖2 PCB

29、 圖242.2. 軟件程序軟件程序#include#define uint unsigned int #define uchar unsigned charuint pp,kk; /控制 pp 和 x 來改變燈的亮度，共 16 個等級亮度； /kk 用來表示 open 鍵按下后 kk=1,再判斷是 close、up 和 down哪個鍵按下char x=16;/16 個等級亮度 sbit pwm=P10;/pwm 輸出控制燈亮度口sbit open=P34;/總開sbit close=P35;/總關sbit up=P36;/亮度增加sbit down=P37;/亮度降低sbit dula=P26;/數碼管的位置sbit wela=P27;/數碼管顯示數數值unsigned char code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71,0 x00; /*數碼管顯示*/ void display(a)25 dula=0; P0=tablea; dula