【燈光綜合控制系統(tǒng)設(shè)計（論文11000字）】

燈光綜合控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u203571緒論 緒論在全球經(jīng)濟快速發(fā)展，能源需求不斷增加，電力供應(yīng)日益緊張的環(huán)境下，節(jié)能減排已成為各國積極推動的政策措施。目前，中國照明用電量占總用電量的比例不斷增加。城市廣場，舞臺表演藝術(shù)，家居裝飾等都需要點綴燈飾。因此，采用合理有效的照明方案是緩解電力負荷應(yīng)力的主要途徑之一[1]。此外，作為日常消耗品，照明燈具也正在發(fā)生翻天覆地的變化，都朝著節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。從19世紀的白熾燈到目前使用的各種類型的熒光燈的照明裝置，燈的效率和經(jīng)濟性非常低。其中，白熾燈效率最低，其消耗的電能以大量熱能釋放，只有10％轉(zhuǎn)換為光能，而使用低壓汞蒸汽電弧放電的熒光燈增加電力利用率，但為時尚早。老齡化問題的出現(xiàn)。與傳統(tǒng)光源相比，LED（Light-EmittingDiode）照明光源具有體積小，效率高，壽命長，環(huán)保等優(yōu)點。它被認為是新一代綠色照明光源[2-4]。雖然經(jīng)濟發(fā)展帶來了公眾生活水平的提高，但也帶來了心理壓力，然后燈光開始在日?；顒又姓紦?jù)越來越重要的地位。對淺色的需求反映了現(xiàn)代生活中不斷增長的精神需求。人們對照明的感知不再是純粹的照明工具，而是一種增強氛圍和增添色彩的藝術(shù)表達。起初，LED燈只有紅色，綠色和藍色原色的照明模式，但隨著技術(shù)工藝的改進，LED的顏色開始明亮，公眾的色彩情感也得到了豐富[3-5]。1.2.1國內(nèi)外對燈光優(yōu)化技術(shù)的研究照明優(yōu)化問題的基本原理是提高電光轉(zhuǎn)換率，有效利用電能而不降低照明質(zhì)量，同時，根據(jù)視覺操作要求，可以有目的地在不同的條件下進行照明。環(huán)境環(huán)境。LED作為照明燈具，呈現(xiàn)出五彩繽紛的燈光魅力，大眾不僅僅局限于燈光舞臺，而且更注重合適的燈光強度和精心打造的環(huán)境空間帶來的美感，所以燈光在另一種方式反映精神和文化需求。當今技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致了照明技術(shù)的不斷完善。隨著流行文化的推動，LED產(chǎn)品的推廣如雨后春筍般涌現(xiàn)。柔性LED燈條在許多LED燈中使用最方便。它是一種柔性印刷板。電路）組裝電路板并將其與實際所需量的貼片LED組裝在一起，因為產(chǎn)品的形狀與皮帶的形狀相似。柔性電路板根據(jù)LED的工作特性配備限流電阻，由12V恒壓直流開關(guān)電源驅(qū)動。室內(nèi)設(shè)計和大氣裝飾可根據(jù)實際需要進行切割和擴展。在現(xiàn)代生活的照明工程中，其RGB全彩特性可以實現(xiàn)照明與藝術(shù)的完美結(jié)合，因此適用于各個舞臺和室內(nèi)裝飾行業(yè)。截至嶄露頭角。近年來，許多國家都大力支持LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在美國，日本和歐盟等發(fā)達國家和地區(qū)也建立了照明技術(shù)專項基金。開發(fā)計劃如表1.1所示。在國家和地方政府政策的支持下，中國的LED技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。表1.1世界主要國家和地區(qū)制定的LED發(fā)展計劃國家和地區(qū)發(fā)展計劃名稱美國二十一世紀照明研究發(fā)展計劃日本國家半導(dǎo)體照明研究計劃歐盟LED彩虹計劃中國國家半導(dǎo)體照明工程通過逐步的多功能應(yīng)用，設(shè)計師和制造商積累了寶貴的經(jīng)驗，使半導(dǎo)體照明應(yīng)用迅速走在世界的前列。未來，LED技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展。工業(yè)制造商不僅將對LED驅(qū)動器結(jié)構(gòu)進行更深入的研究，還將擴大對超亮和全彩技術(shù)的投入，以進一步提高產(chǎn)能。中國也將成為世界的LED。主要產(chǎn)區(qū)，隨著LED結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和完善，LED必將成為未來的主流光源。1.2.2國內(nèi)外對燈光控制策略的研究網(wǎng)絡(luò)照明燈具的前提是解決控制兼容性問題。在20世紀90年代，美國影院技術(shù)協(xié)會（USITT）提出了512通道調(diào)光的FPGA協(xié)議標準，只要在控制系統(tǒng)控制太多照明電路的情況下使用一對傳輸線。盡管USITT不是設(shè)定行業(yè)標準的官方機構(gòu)，但它得到了全世界照明制造商和用戶的廣泛認可，因為其提出的協(xié)議標準解決了控制兼容性等問題并且非常實用。如今，市場生產(chǎn)的調(diào)光器幾乎完全兼容FPGA協(xié)議標準。從最早研究國外FPGA照明技術(shù)和進口FPGA可控照明設(shè)備開始，中國開發(fā)并制造了各種電腦燈，如搖頭燈，激光燈和FPGA燈具，具有不同的功能規(guī)格。照明控制技術(shù)不斷完善。完美，F(xiàn)PGA信號在公共場所的照明控制系統(tǒng)中也起到了決定性的作用。隨著智能控制的發(fā)展，出現(xiàn)了許多專注于智能照??明解決方案的組織，這導(dǎo)致了ACN，Art-Net和DALI等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的發(fā)展。DALI協(xié)議是數(shù)字可尋址的照明接口，其與其他照明協(xié)議的不同之處在于系統(tǒng)中的每個照明設(shè)備具有單獨的地址，并且設(shè)備的地址由主機主動分配。當系統(tǒng)運行時，可以通過尋址單獨控制所需設(shè)備，也可以獲得反饋信息數(shù)據(jù)。此外，DALI協(xié)議由于其出色的開放性和結(jié)合智能硬件模塊技術(shù)的能力，逐漸應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)。根據(jù)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的照明控制將充分利用電力電子技術(shù)，通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到以下幾個方面：（1）數(shù)字化：數(shù)字控制取代傳統(tǒng)的模擬控制，物理量和開關(guān)量用二進制數(shù)表示，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，轉(zhuǎn)換和處理。同時，數(shù)字化具有可靠性高，抗干擾能力強的優(yōu)點，可為照明控制系統(tǒng)提供良好的通信環(huán)境。（2）組網(wǎng)：在網(wǎng)絡(luò)信息時代，主控系統(tǒng)具有各種信息資源，每個子系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)用相關(guān)信息。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以實現(xiàn)點對點控制和多點控制，并使用網(wǎng)絡(luò)來修改和升級數(shù)據(jù)。（3）智能：隨著網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不斷發(fā)展，它提供了照明軟啟動，場景記憶，藍牙和FPGA控制，以及無需人工監(jiān)視即可調(diào)整燈光模式的功能?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展增加了公眾對生活質(zhì)量的需求，對照明效果的需求也在增加。為了滿足日常生活的基本照明要求，市民還需要增加一個美麗的舞臺燈光藝術(shù)，還需要合理的燈光控制，以降低功耗，更方便的操作，以降低管理成本。在國家推廣節(jié)能減排的情況下，各種低壓LED燈也投入市場。大多數(shù)劇院房間都采用LED燈作為大氣渲染燈。為適應(yīng)室內(nèi)大氣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代照明技術(shù)不斷發(fā)展，同時照明控制系統(tǒng)不斷更新，市場設(shè)計使不同燈具的控制方式和照明效果多樣化。目前，照明燈具種類繁多，強弱電燈的控制方法也不同。傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)控制方法比較簡單，控制效率和可靠性急劇下降。不可能形成一個完整的系統(tǒng)來控制各種復(fù)雜的LED。燈光。為了在各種場合實現(xiàn)各種燈的集中管理，優(yōu)化和實現(xiàn)照明分配尤為重要。綜上所述，如何解決現(xiàn)有燈具的控制問題，提高控制系統(tǒng)的功能，能夠統(tǒng)一合理地管理各種普通照明和LED燈具，以滿足公眾對照明的各種需求，一直是重要的照明市場研究方向。通過本課題的研究和設(shè)計，可以集中管理普通照明的所有供電終端，通過舞臺燈控制信號管理普通燈的供電狀態(tài)，解決了繁瑣的施工和后期維護造成的問題。通過每個區(qū)域的單燈開關(guān)控制。耗時的問題。當需要LED燈條進行照明氣氛調(diào)節(jié)時，一般照明燈具的開關(guān)電極不方便，導(dǎo)致燈具長期耗電，系統(tǒng)可實現(xiàn)斷電和節(jié)能在實時調(diào)暗舞臺燈信號的同時燈的亮度。此外，雖然有多種類型的低壓燈，但在提供12V恒壓直流電源后，只能根據(jù)固定的照明模式進行照明，這受到照明效果的限制，系統(tǒng)克服了現(xiàn)有燈條控制效果不足的問題。能夠直觀地調(diào)整LED燈條以創(chuàng)造色彩氛圍。

2燈光綜合控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案本文設(shè)計的集成照明控制系統(tǒng)采用單片機技術(shù)，通信技術(shù)，電子技術(shù)和自動控制技術(shù)，根據(jù)環(huán)境需求和公共需求，實現(xiàn)對舞臺或公共區(qū)域照明的實時統(tǒng)一管理和控制。該系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)能高效的目標，同時滿足了市場對照明舒適性和實用性的要求。2.1系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的集成照明控制系統(tǒng)是基于FPGA協(xié)議實現(xiàn)的。它具有在同一信號下實現(xiàn)現(xiàn)有燈具的相應(yīng)開關(guān)控制和調(diào)光控制的雙重功能，實現(xiàn)了燈開關(guān)和LED亮度調(diào)節(jié)的組合。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1燈光控制系統(tǒng)總體方案架構(gòu)圖根據(jù)總體方案架構(gòu)圖，照明集成控制系統(tǒng)由三部分組成：PC主機，照明電源開關(guān)控制單元和LED調(diào)光控制單元。PC主機：通過信號總線在兩大照明控制板之間建立通信，通過人機交互界面操作FPGA通道實現(xiàn)照明編程。開關(guān)控制單元：實現(xiàn)總線信號分析，控制繼電器的開關(guān)狀態(tài)，并對照明燈具的主端進行開關(guān)控制。調(diào)光控制單元：實現(xiàn)總線信號分析，通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）對RGB三路LED燈進行電壓傳導(dǎo)控制，從而達到混合彩色光的目的?？刂葡到y(tǒng)中的信號以總線的形式傳輸。整個實現(xiàn)過程如下：FPGA信號通過主機通過連接電纜（PC操作軟件）發(fā)送到兩個功能板，然后信息獲取和轉(zhuǎn)換后的信號傳輸?shù)組CU。每個單元中的MCU接收信號并執(zhí)行實時數(shù)據(jù)處理。因此，管理員可以根據(jù)室內(nèi)場地環(huán)境的實際需要，通過主機接口進行相關(guān)操作，最后將命令發(fā)送給執(zhí)行單元進行相應(yīng)的處理，實現(xiàn)對相應(yīng)燈的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)的控制。時間。減少由于開關(guān)的分散分布引起的不便以及由特定環(huán)境中的LED顏色和亮度匹配引起的不適。2.2LED燈帶結(jié)構(gòu)及工作原理LED燈條由5050或3528封裝的RGB燈珠串聯(lián)而成，在柔性電路板上具有不同的電阻限制電阻。燈條通常是1米30的LED燈珠或60個LED燈珠。實現(xiàn)照明和氛圍渲染。圖2.2顯示了貼片燈的物理圖片。圖2.2貼片燈珠實物圖當生產(chǎn)LED燈條時，根據(jù)LED的電氣和熱特性采用不同的串聯(lián)和并聯(lián)電路組合。串聯(lián)連接可以解決LED燈珠通過限流電阻從穩(wěn)定的恒壓直流電源獲得額定電流的問題，可以避免并聯(lián)。串聯(lián)電路中的某個燈損壞并影響整個電路，并且還避免了串聯(lián)支路引起的過大的電壓降。FPC材料柔軟，因此用戶可根據(jù)實際用途將其切割至焊點所需的長度。隨著LED技術(shù)的不斷改進，通過在半導(dǎo)體中加入不同的元素材料，LED已經(jīng)從僅發(fā)射弱紅光的初始階段演變?yōu)椴噬珕紊虿噬Ч闹髁麟A段。LED是一種具有單向?qū)щ娦缘姆蔷€性器件，只有在施加適當?shù)恼蚱秒妷簳r，LED才會導(dǎo)通。圖2.3顯示了LED的伏安特性曲線。圖2.3LED伏安特性曲線RGB燈珠中紅，綠，藍的開啟電壓降不同，紅燈一般為2V，綠燈和藍光一般為3V，柔性燈條電路中限流電阻的目的是提供合適的LED有效工作電流。圖2.4顯示了RGB燈珠系列電路圖。圖2.4RGB燈珠串聯(lián)電路圖在圖2.4中，盒子的內(nèi)部是修補的彩色燈珠芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)紅色，綠色和藍色三路的不同電壓降，柔性電路板是紅色LED電路中串聯(lián)的330歐姆電阻器，藍色和綠色電路中串聯(lián)一個130歐姆電阻器，這樣它在20mA的標準電流下工作，因此規(guī)格是30個燈的RGB條帶由10個并聯(lián)的系列組成，功率為7.2W。因此，市場上廣泛使用的LED燈條使用具有更好電壓調(diào)節(jié)性能的開關(guān)電源，以提供12V的穩(wěn)定電壓。燈條處于穩(wěn)定電壓，LED燈珠通過限流電阻達到額定電流，以實現(xiàn)工作。2.3脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光技術(shù)脈沖寬度調(diào)制（PWM）是使用MCU重復(fù)連續(xù)輸出數(shù)字信號來控制模擬電路。通常，當電源的輸出電壓保持恒定時，晶體管或MOS晶體管通過晶體管基極的偏壓或MOS晶體管的柵極導(dǎo)通，以控制電源電壓的輸出。PWM調(diào)光時，信號源至關(guān)重要。許多微控制器芯片和數(shù)字信號處理器現(xiàn)在都配備了PWM控制器，使得該技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。當通過PWM接通和斷開開關(guān)裝置時，在輸出端獲得相同幅度的脈沖序列，其中脈沖的占空比與信號的瞬時采樣值成比例。當開關(guān)頻率大于100Hz時，由于視覺持續(xù)存在，人眼看不到LED的頻繁關(guān)閉，并且開啟和關(guān)閉時間的概念平均看到亮度由占空比決定。本文實現(xiàn)的PWM調(diào)光是通過開關(guān)電源為LED燈供電。PWM信號通過逆變器連接到與RGB燈的負極串聯(lián)連接的MOS晶體管的漏極，并且通過上位機軟件中的FPGA通道的灰度值調(diào)節(jié)開關(guān)電源。輸出電壓的導(dǎo)通比達到LED燈條的照度變化，即當通道值降低時，LED燈條變暗;否則，LED燈帶變亮。PWM調(diào)光的使用使LED燈始終在全寬和關(guān)閉狀態(tài)下工作，效率極高，調(diào)光范圍高達255級，顏色看起來不會失真。圖2.5顯示了PWM調(diào)光和模擬調(diào)光波形的比較。圖2.5PWM調(diào)光與模擬調(diào)光波形對比從圖2.5可以看出，通過改變占空比D可以改變LED的平均電流。當通過模擬信號調(diào)光時，可以直接控制調(diào)光數(shù)據(jù)值，并且不限制時間和幅度。當PWM信號變暗時，調(diào)光值只能在預(yù)定的數(shù)值范圍內(nèi)進行，盡管模擬信號似乎實用且簡單，但它有許多缺點，例如嚴重的發(fā)熱和失真干擾。本文采用PWM技術(shù)實現(xiàn)調(diào)光，不僅降低了系統(tǒng)功耗，而且大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.4上位機控制軟件概述在控制系統(tǒng)中，上位機執(zhí)行信息的編輯、修改等操作指令，經(jīng)系統(tǒng)總線與下位機相連，實現(xiàn)與下位機之間的通信。上位機主要由人機交互界面、數(shù)據(jù)處理單元和與下位機通信的收發(fā)單元組成。一般情況下，系統(tǒng)的控制端都通過安裝上位機PC軟件讓用戶經(jīng)由軟件的可視化人機界面，能夠在Windows的操作系統(tǒng)下簡潔直觀的對系統(tǒng)中各通道值進行編輯。在本系統(tǒng)中，PC機安裝了Nicolaudie公司設(shè)計的DMX燈光控制軟件EasyStandAlone，用戶可通過友好的人機交互界面中的512個通道中每通道的0～255級灰度值來編寫FPGA信號程序，實時控制燈光系統(tǒng)，操作界面如圖2.6所示。在軟件中，新建一個dlm格式文件可添加255個場景，每個場景可包含1000個步驟，每個步驟都提供漸進時間和等待時間。另外，軟件的最大特點是可將DMX信號存儲在配備的USB-DMX調(diào)試盒中，在脫機狀態(tài)下也能將信號通過USB-DMX轉(zhuǎn)換器發(fā)送調(diào)光數(shù)據(jù)和控制命令到系統(tǒng)的供電管理模塊和LED燈具調(diào)光模塊來實現(xiàn)對整個燈光系統(tǒng)的控制。圖2.6上位機軟件界面

3燈光綜合控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1調(diào)光控制器的硬件設(shè)計調(diào)光控制器主要通過總線接收主機軟件設(shè)置的FPGA調(diào)光信號，并根據(jù)設(shè)定的單元地址獲取與自身地址匹配的數(shù)據(jù)幀，以便主機的PC軟件對LED進行PWM調(diào)光。燈和調(diào)光控制器硬件結(jié)構(gòu)框如圖3.1所示。圖3.1調(diào)光控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)結(jié)構(gòu)圖，為實現(xiàn)調(diào)光控制功能，硬件設(shè)計需要包括以下部分：控制電路，電源電路，通信電路和PWM輸出電路。主控制模塊使用撥號地址和數(shù)據(jù)處理作為調(diào)光控制器的核心部分。MCU由ATmega48PA芯片操作;電源電路由LM2575集成穩(wěn)壓器為單片機提供5V電源;通信電路由SN75176B芯片實現(xiàn)。功能;輸出電路為RGB共陽極LED燈提供3個PWM輸出。圖3.2控制電路原理圖如圖3.2所示，ATmega48PA上的兩個VCC引腳都連接到5V電源。此外，AVCC是A/D轉(zhuǎn)換器的電源引腳。當MCU使用ADC功能時，需要使用低通濾波器將AVCC引腳連接到VCC。如果未使用ADC，則直接連接到VCC。連接5V電源時，應(yīng)在VCC和GND之間增加一個0.1μF去耦電容，以消除耦合到電源端子的元件噪聲，以獲得穩(wěn)定的電源。3.2電源電路設(shè)計在本文設(shè)計的調(diào)光系統(tǒng)中，有兩種類型的電壓，5V和12V，包括系統(tǒng)中MCU芯片正常工作所需的5V電壓和LED控制負載所需的12V電源電壓，因此選擇高效的AC/DC開關(guān)電源。為調(diào)光控制器整體提供12V穩(wěn)壓直流電源。鑒于市場上開關(guān)電源的低價格和成熟技術(shù)，該設(shè)計不能獨立開發(fā)開關(guān)電源，并使用所購買的產(chǎn)品為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的12VDC電壓。所需開關(guān)電源的具體功率選擇將在系統(tǒng)測試章節(jié)中介紹。本節(jié)設(shè)計的電源電路由LM2575-5輸出穩(wěn)定的5V電壓供電，用于調(diào)光系統(tǒng)的主控芯片。LM2575-5集成穩(wěn)壓器是一款開關(guān)穩(wěn)壓器，內(nèi)置保護電路，包括放大器，比較器，振蕩器和限流電路，參考電路和熱關(guān)斷電路。最大輸入電壓為45V，最大輸出電流為1A，54KHz的振蕩頻率僅為調(diào)節(jié)誤差的4％，轉(zhuǎn)換效率高。在本文中，LM2575-5選擇TO-220的彎腳封裝。五個引腳是：未調(diào)節(jié)電壓輸入端子（VIN），開關(guān)電壓輸出端子（OUTPUT），接地端子（GND）和反饋輸入端子（FEEDBACK），控制輸入（ON/OFF）。電源電路原理圖如3.3所示。圖3.3電源電路原理圖12V電壓通過二極管1N4007（M7）整流和50V/470μF極性電容與0.1μF電容濾波并聯(lián)連接到輸入端。輸出根據(jù)最大輸入電壓和輸出電壓電平選擇330μH電感，以降低輸出電壓的紋波輸出。25V/100μF極性電容和0.1μF電容用于抑制干擾。由于LM2575輸出高頻脈沖電壓，因此選擇具有良好高頻性能的肖特基二極管1N5819（SS14），以便在輸出關(guān)閉時通過使用二極管釋放能量來降低電磁干擾。通過反饋輸入將輸出電壓與內(nèi)部參考電壓進行比較。如果它低于參考電壓，則通過集成電路芯片內(nèi)的放大器控制振蕩器增加輸出占空比，以實現(xiàn)輸出電壓的精確控制。控制輸入??和GND引腳同時接地，使穩(wěn)壓電路正常工作。3.3PWM輸出電路設(shè)計本文設(shè)計的輸出電路負載為共陽極LED全彩色條帶，即常見的正極連接為+12V，紅色，綠色和藍色線連接到PWM三路輸出。AVRMCU輸出PWM信號，最后通過以不同的占空比控制燈的電壓來執(zhí)行調(diào)光。在負載布線條件下，當主機發(fā)送PWM調(diào)光數(shù)據(jù)時，高電平占空比越高，負載導(dǎo)通比越低，照明亮度越低，照明亮度越低，因此輸出電路設(shè)計三極管逆變器用于輸出負矩形脈沖，上位機的調(diào)光數(shù)據(jù)越大，單片機的輸出占空比越大，占空比越低。反向，LED導(dǎo)通率越高，光強度越高。為了實現(xiàn)主機輸出信號的分散和輸出負載燈的調(diào)光，本章設(shè)計了三極管反向，MOS管開關(guān)和自恢復(fù)保險絲保護，考慮到MOS的散熱問題。管。輸出電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4輸出電路原理圖逆變器的實現(xiàn)使用三極管的開關(guān)特性。此外，NPN晶體管的基本結(jié)構(gòu)是兩個反向連接的PN結(jié)。它是一種電流控制的電流半導(dǎo)體器件，其中發(fā)射極（發(fā)射極，E）作為固定參考接地。點，控制集電極（C）通過基極（Base，B）電流的電流。三極管工作條件有三種類型：（1）關(guān)斷狀態(tài)：當基極偏置電壓不足時，沒有電流流過集電極和發(fā)射極。（2）放大狀態(tài)：在基極的合適偏壓下，集電極電流根據(jù)基極電流和放大系數(shù)的變化以倍數(shù)變化。（3）飽和導(dǎo)通狀態(tài)：當基極偏壓超過放大要求時，CEI不再隨BI的變化而變化，集電極和發(fā)射極直接導(dǎo)通。如果三極管僅在截止和飽和導(dǎo)通之間切換，則三極管用作開關(guān)。采用S8050三極管構(gòu)建的逆變器如圖3.5所示。當IN端子的輸入為5V高電平時，NPN晶體管的基極和發(fā)射極導(dǎo)通，OUT端子的輸出為低電平;當IN端子的輸入為低電平時，晶體管處于關(guān)斷狀態(tài)，OUT端子輸出高電平。圖3.5三極管反向器電路圖I/O端口輸出5V，三極管導(dǎo)通壓降為0.7V，基極電阻為1000歐姆。同時，該電阻器還可以用作限流功能，以防止器件在晶體管導(dǎo)通時由于過電流而燒毀。集電極電阻的目的是當基極電流改變時，集電極輸出端（OUT）的電壓也隨著晶體管輸入端（IN）的電壓而變化，輸入端為正矩形。脈沖，輸出為負矩形脈沖，實現(xiàn)PWM波形的反向動作。MOSFET是金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，電流模式控制器件和三極管之間的主要區(qū)別在于MOS晶體管是電壓控制的電流器件，源極和漏極之間的導(dǎo)通電阻由柵極電壓。與三極管的工作狀態(tài)一樣，F(xiàn)ET也有三種工作狀態(tài)：截止，放大和飽和。MOS晶體管開關(guān)電路關(guān)斷，晶體管關(guān)斷，集電極不吸電流;當晶體管飽和時，它導(dǎo)通，發(fā)射極和集電極之間的電壓差接近0V。本文選擇的IRF3205是一個N溝道FET，其柵極導(dǎo)通電壓為4V，連續(xù)漏極電流為110A。由于導(dǎo)通狀態(tài)損耗，開關(guān)損耗，關(guān)斷狀態(tài)漏電流損耗和驅(qū)動損耗，功率器件將釋放熱量。為了使MOS管正常穩(wěn)定地工作，需要在其后面增加散熱器，因此應(yīng)考慮散熱器的耐熱性。選擇方法。計算散熱器的熱阻Rr公式：其中，TCM是功率器件可承受的最高溫度;Ta是環(huán)境介質(zhì)溫度，應(yīng)選擇相對較差的散熱環(huán)境;Pd是功率器件的功率損耗值。MOS晶體管漏極與30V/8A自恢復(fù)保險絲串聯(lián)連接，以便在負載電流過大時保護硬件電路。當電路正常工作時，保險絲的電阻非常小。當電流上升時，內(nèi)部電阻迅速上升，電流下降到正常范圍值以下，然后自動返回到低電阻值。3.4主控電路設(shè)計電源開關(guān)控制器需要同時接入三個電源：220V主電源，12V和5V直流電源，其中220VAC用于普通照明電源，12V電源用于繼電器控制線圈，5V控制器電源ATmega48PA芯片正常運行的電源。本文的低壓啟動電源由購買的12V開關(guān)電源統(tǒng)一提供，因此在為單片芯片供電時，需要經(jīng)過電源降壓電路。將12V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?V電壓。本章設(shè)計的電源電路使用LDO穩(wěn)壓器AMS1117-5作為電源轉(zhuǎn)換芯片。內(nèi)部集成的過熱保護和限流電路確保了電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。工作結(jié)溫范圍為-20°C~+120°C，輸出電壓精度高達1％。此外，價格低于DC-DC電源管理IC，外圍設(shè)計簡單，電路占用面積小。圖3.6電源電路原理圖外部12V電壓輸入到AMS1117-5穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器由芯片內(nèi)部降壓調(diào)節(jié)，輸出5V。為了提高電壓質(zhì)量，必須在調(diào)節(jié)器的輸入和輸出端對濾波器進行濾波。調(diào)節(jié)器輸出端的220μF/16V電解電容的主要功能是濾除低頻紋波分量。并聯(lián)0.1μF電容主要用于濾除高頻紋波分量。輸入端的低頻濾波器的電容通常比輸出濾波電容器大50％。由于輸入端子12V的電壓在切斷電源后消失，AMS1117輸入端的電壓在輸出端子之前降低，電壓反轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)器芯片燒壞，因此本文使用容量為470μF的電解電容來解決這個問題。

4燈光綜合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1主程序結(jié)構(gòu)設(shè)計該系統(tǒng)設(shè)計用于PWM調(diào)光和繼電器切換。主程序是獨立提出的，它可以隨時調(diào)用所需的子程序，不會被任何子程序調(diào)用?？梢钥闯觯鞒绦蚴钦麄€程序的核心部分。系統(tǒng)初始化是將變量分配給默認值，將控件設(shè)置為默認值，并在啟動系統(tǒng)之前準備系統(tǒng)，以便系統(tǒng)開始以良好的啟動狀態(tài)工作。軟件初始化主要是程序軟件變量的初始化，而硬件初始化涉及MCU寄存器的設(shè)置，為良好的硬件資源分配提供了依據(jù)。AVR微控制器與51，PIC和其他微控制器的I/O端口完全不同。所有端口引腳都具有與電壓無關(guān)的上拉電阻，每個引腳包含一個數(shù)據(jù)方向寄存器（DDRx）和一個數(shù)據(jù)寄存器（PORTx）。）和只讀功能輸入引腳寄存器（PINx）。DDxn的作用是選擇引腳的方向。當“0”時，端口配置為輸入;當“1”時，端口配置為輸出。當DDxn為“0”（輸入）時，PORTxn的動作為“1”以使能上拉電阻;當DDxn為“1”（輸出）時，當PORTxn為“1”時輸出為高電平。當它為“0”時，它輸出低電平。當表示上拉禁止的MCUCR上的PUD置1時，即使寄存器DDxn和PORTxn配置為上拉電阻，也會禁止所有引腳的上拉電阻。使用AVRMCU時，B，C和D端口的輸入和輸出特性最初根據(jù)實際需要進行配置。根據(jù)前一章中調(diào)光控制器和開關(guān)控制器的硬件電路設(shè)計，I/O端口在各自的程序中初始化：調(diào)光控制器中I/O具體配置為：DDRB=0x1f;PORTB=0xef;//PB7～5為輸入，PB4輸出低電平，PB3～PB0輸出高電平DDRC=0x00;PORTC=0xff;//C端口輸入狀態(tài)，使能上拉電阻DDRD=0xe2;PORTD=0x1f;/*PD7～5輸出低電平，PD4～2輸入上拉使能，PD1輸出高電平，PD0輸入上拉使能*/開關(guān)控制器中I/O具體配置為：DDRB=0x00;PORTB=0xff;//B端口輸入狀態(tài)，使能上拉電阻DDRC=0xfe;PORTC=0×01;//PC6~PC1輸出低電平，PC0輸入上拉使能DDRD=0x1e;PORTD=0xe1;/*PD7~5輸入上拉使能，PD4~1輸出低電平，PD0為RXD引腳輸入上拉使能，可保持無數(shù)據(jù)干擾無干擾*/作為MCU的一個組件，看門狗定時器電路有一個饋電輸入端口，其輸出端子連接到MCU的RST端口。目的是在MCU的正常操作期間以指定的時間間隔提供狗終端。清除計數(shù)器的信號。當程序運行時，如果狗沒有按照指定的時間進給，即計數(shù)器沒有被清除，看門狗定時器將超時并溢出，從而給MCU一個復(fù)位信號，將MCU復(fù)位到系統(tǒng)通電狀態(tài)，以防止崩潰。因此，消除運行程序的不工作循環(huán)是看門狗的作用，這增強了程序的可靠性和抗干擾性?？撮T狗的初始化主要基于看門狗的啟動，其中WDTCR寄存器的WDE位為1，看門狗溢出復(fù)位周期由WDP2/WDP1/WDP0設(shè)置。WDTCR=0x1F的;WDTCR=x00f;//確定看門狗定時器的時序和工作模式在主程序的while循環(huán)中，根據(jù)指定的2秒WDR指令饋送狗。如果內(nèi)部循環(huán)語句在超過2秒的情況下仍未執(zhí)行進給指令，則表示程序已經(jīng)失控或崩潰。根據(jù)開關(guān)控制器和調(diào)光控制器，接收FPGA信號。在主程序設(shè)計中，需要打開全局中斷，主循環(huán)模式用于檢測是否存在中斷請求。所以主程序流程如圖4.1所示。圖4.1系統(tǒng)中主程序流程圖4.2調(diào)光控制器PWM功能的實現(xiàn)在調(diào)光控制器中，需要輸出三個PWM波形以調(diào)暗RBG條帶。ATmega48PA主芯片可以輕松生成PWM信號。具有PWM的8位定時/計數(shù)器0和具有PWM的16位定時/計數(shù)器1和具有PWM和異步操作的定時/計數(shù)器2可以輸出總共6個PWM通道的通道，并且內(nèi)部快速PWM模式和相位。糾正PWM模式以調(diào)整輸出頻率和占空比?？焖貾WM模式具有與其他PWM模式不同的單側(cè)斜坡操作，因此快速PWM模式的速度是相位校正PWM模式的兩倍，因為快速PWM模式是單側(cè)斜坡，相位為糾正到雙坡道。該單側(cè)斜率的高頻操作特性也更適合于功率調(diào)節(jié)。在快速PWM模式下，每個周期的計數(shù)器值累加到一個固定值，然后在即時時鐘周期內(nèi)清零。當計數(shù)器值達到TOP時，T/C溢出標志TOV1置位。圖4.2顯示了設(shè)置TOP值后的快速PWM模式的時序圖。圖4.2快速PWM模式時序圖本文使用硬件實現(xiàn)PWM功能，它使用內(nèi)部16位T/C1產(chǎn)生兩個PWM信號，OC1A在PB1引腳上，OC1B在PB2引腳上;8位T/C2用于產(chǎn)生一個PWM信號，OC2A用于PB3引腳。在本文中，ATmega48PAMCU的外部晶體振蕩器為16MHz，除以64.一般來說，當頻率高于100Hz時，LED在PWM信號的作用下不會閃爍。PWM功能的實現(xiàn)首先由16位定時/計數(shù)器1設(shè)計。在T/C1控制寄存器A（TCCR1A）中，Bit7~6和Bit5~4可分別設(shè)置通道A/B的比較輸出模式。如果Bit7~6/Bit5~4中的一個寫為“1”，則OC1A/OC1B輸出功能將取代I/O端口功能。在T/C1控制寄存器B（TCCR1B）中，Bit2~0可以執(zhí)行時鐘選擇。WGM13~0可以設(shè)置波形發(fā)生模式。特定模式可以通過TCCR1A中的Bit1~0和TCCR1B中的Bit4~3來選擇。定時器/計數(shù)器單元的16位計數(shù)器可由TCNT1H和TCNT1L組成的T/C1數(shù)據(jù)寄存器直接讀寫。輸出比較寄存器1A和1B將寄存器中的16位數(shù)據(jù)與TCNT1寄存器中的計數(shù)值進行比較。數(shù)據(jù)匹配后，將生成輸出比較中斷或更改0C1x的輸出邏輯電平。PWM初始化過程如下：TCCR1A=0xa1;/*設(shè)置快速PWM模式，比較匹配時清零OC1A/OC1B，OC1A/OC1B在TOP時置位*/TCCR1B=0x0b;//模式5，8位快速PWM，時鐘選擇64分頻TCNT1H=0;TCNT1L=0xff;OCR1A=0;OCR1B=0;當通過8位定時/計數(shù)器2來設(shè)計PWM功能時，初始化程序如下：TCCR2A=0x83;TCCR2B=0x04;TCNT2=0xff;OCR2A=0;在調(diào)光控制器的軟件設(shè)計中，通過使用FPGA信號中的通道的8位數(shù)據(jù)作為TOP值來實現(xiàn)單片機的RGB三路PWM的波形輸出。在MAX的值為255的條件下，計數(shù)器從BOTTOM開始計數(shù)。FPGA信號中通道的數(shù)據(jù)值被賦予TOP。將PWM計數(shù)器與TOP值進行比較，以輸出相應(yīng)的高電平和低電平，從而獲得所需的PWM。波形。PWM信號產(chǎn)生流程圖如圖4.3所示。圖4.3PWM信號產(chǎn)生流程圖在FPGA通道調(diào)光過程中，如果通道中的灰度值為n，則計數(shù)器為0~n低，n~255為高電平，然后采用調(diào)光控制器硬件設(shè)計。接通三極管反相器和MOS晶體管以實現(xiàn)調(diào)光控制器的PWM波形輸出，從而控制電壓傳導(dǎo)速率。4.3開關(guān)控制器繼電器功能的實現(xiàn)在開關(guān)控制器的主控制電路中，通過判斷數(shù)據(jù)中的信道切換量是否達到預(yù)設(shè)切換量來實現(xiàn)中繼功能，包括判斷和執(zhí)行數(shù)據(jù)。當MCU接收到正常的FPGA數(shù)據(jù)時，根據(jù)通道號中的值是否大于128來判斷。也就是說，如果通道中的值大于128，則MCU通過I執(zhí)行輸出電平狀態(tài)。/O端口，使輸出電路接通繼電器控制端子線圈，最后控制照明燈具的帶電端的關(guān)閉。繼電器開/關(guān)實現(xiàn)的程序流程如圖4.4所示。、圖4.4繼電器通斷實現(xiàn)的程序流程圖

5結(jié)論在現(xiàn)代社會中使用照明，提高照明裝置的功率利用率和調(diào)整LED燈的顏色轉(zhuǎn)換對于當前的照明應(yīng)用具有重要意義。