毕业设计论文_基于单片机的数字pwm控制器设计与应用软件(编辑修改稿)

毕业设计论文_基于单片机的数字pwm控制器设计与应用软件(编辑修改稿)内容摘要：

始地址， 保证指令顺 序执行。 第 2 章 PWM 调光原理简介 调节 LED 亮度 原理 脉冲宽度调节 PWM 是脉冲宽度调制的英文缩写 指 一个周期中亮灯时间所占的比例。 这个周期很短或说频率很高 ， 至少要高过人眼感光的反应速度。 PWM 调光就是通过调整灯亮的时间与灯灭时间的比例来调整平均感观亮度的方法。 在微小的时间片里 ，灯要么是 全开、要么是全关 ， 没有半开的中间状态。 PWM 调光可以是分档的 ， 也可以是无级的。 PWM Dimming(脉宽调制 )调光方式 —— 这是一种利用简单的数字脉冲 ， 反复开关白光 LED 驱动器的调光技术。 应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲 ，即可简单地实现改变输出电流， 从而调节白光 LED的亮度。 PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光 以及应用简单，效率高。 例如在手机的系统中， 利用一个专用 PWM 接口可以简单的产生任 意占空比的脉冲信号 ， 该信号通过一个电阻 连接到驱动器的 EN 接口。 多数厂商的驱动器都支持 PWM 调光。 采样控制理论中有一个重要结论 ， 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节 上时 ， 其效果基本相同。 PWM控制技术就是以该结论为理论基础 ， 对半导体开关器件的导通和关断进行控 制 ， 使输 出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲 ， 用这些脉 冲来代替所需要的波形。 按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制 ，既可改变逆变电路输出电压的大小， 也 可改变输出频率。 PWM 控制的基本原理很早就已经提出 ，但是受电力电子器件发展水平的制约， 在 20 世纪 80年代以前一直未能实现。 知道进入 20世纪 80年代 ， 随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展 ， PWM 控制技术才真正得到应用。 随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法 如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用 ， PWM 控制技术获得了空前的发展。 到目前为止 ， 已出现 了多种 PWM 控制技术。 一般情况下 ，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法， 一种方法是采用模拟电路中的 调制方法 ， 另一种方法是使用脉冲计数法。 对于一般 LED 控制， 采用第一种方法在控制电压变化时滤波的 实现存在较大的困难 ， 这主要是因为滤波频 率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。 因此 ,本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。 PWM 对于 LED 调光的优势 我们知道用一个按键开关来控制放光二极管的亮灭。 能很明显看到它亮、暗的变化。 试想一 下 ，假如用一个开、关频率很高的按键开 关来控制发光二级管的亮、灭。 由于人的视觉有 1/24 秒左右的视觉停留 当这个频率高于人的分辨能力，我们就会看到发光二级管一直亮着的错觉。 故而 ，我们控制这个频率的高低，就能达到调光的目的。 这种 调光技术利用的是数字脉冲来实现的 是一种有效精准快速的调光手段。 然而，现 实中这种开关并非 存在 ，而只是一种理想化的东西。 但是如果利用单片机输出高频脉冲就能达到同样的效果。 PWM 调光是一种利用简单的数字脉冲 ，反复开关白光 LED驱动器的调光技术。 应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲 ，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。 LED 调光目前有两种思路 ： 一是线性调节 LED 电流 (即模拟调光 ),二是使用开关电路以相对于人眼识别力来说足够高的频率工作来改变光输出的平均值 (数字调光 )。 PWM 是属于数 字调光的方法。 模拟调光通常可以很简单的来实现。 但是由于 LED 光的特性要随着 平均驱动电流而偏移。 对于单色 LED来说 ， 其主波长会改变。 对白光 LED 来说 ， 其相关颜色温度 （ CCT） 会改变。 用 PWM 调光则保证了 LED 发出设计者需要的颜色。 PWM调光也可以提高输出电流精度。 用线性调节的模拟调光会降低输出电流的精度。 通常来说 相对于模拟调光 ， PWM调光可以精度大于线性控制光输出。 从节能来说 PWM 是保证 CCT 和颜色情况下测定电流 光强模拟调光则是不存 在这个前提。 如果要牺牲这个前提来考虑节能的话 ， 需要实测数据。 但我估计在实现同等照度的情况下 ， PWM 会有优势。 LED 生产商在他们的产 品电气特性表中特别制定了一个驱动电流 ,这样就能保证只以这些特 定驱动电流来产生的光波长或 PWM 调光保证了 LED 发出设计者需要的颜色 ,而光的强度另当别论。 这 种精细控制在 RGB 应用中特别重要 ,以混合不同颜色的光来产生白光。 从驱动 IC 的前景来看 ,模拟调光面 临着一个严峻的挑战 ,这就是输出电流 精度。 几乎每个 LED驱动都要用到某种串联电阻来辨别电流。 电流辨别电压 (VSNS)通过折衷低能耗损失和高信噪比来选定。 驱动中的 容差、偏移和延迟导致了一个相对固定的误差。 要在一个闭环系统中降低输出电流就必须降低 样就会反过来降低输出电流的精度 ,最终 ,输出电流无法指定、控制或保证。 通常来说 ,相对于模拟调光 PWM 调光可以提高精度 ,线性控制光输出到更低级。 但是 ,PWM调光有其劣势。 主要反映在 :PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声 (audible noise,或者 microphonic noise)。 这个噪声是如何产生 ?通常白光 LED驱动器都属于开关电源器件 (buck、 boost、 charge pump等 ),其开关频率都在 1MHz 左右 ,因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。 但是当驱动 器进行 PWM 调光的时候 如果 PWM 信号的频率正好落在200Hz 到 20kHz 之间 ,白 光 LED 驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。 所以设计时要避免使用 20kHz 以下低频段。 另外市面上也有些调光电路用到了可控硅调光可控硅前沿调光器若直接用于控制普通的 LED 驱动器 ,LED 灯会产生闪烁 ,更不能实现宽范围的调光控制。 原因归结如下 : (1)可控硅的维持电流问题。 目前市面上的可控硅调光器功率等级不同 ， 维持电流一般是 775mA(驱动电流则是 7100mA)，导通后流过可控硅的电流必须要大于这个值才能继续 导通， 否则会自行 关断。 (2)阻抗匹配问题。 当可控硅导通后 ， 可控硅和 驱动电路的阻抗都发生变化 ，且驱动电路由于有差 模滤波电容的存在 ，呈容性阻抗，与可控硅调光器存在阻抗匹配的问题， 因此在设计电路时一般需要使用 较小的差模滤波电容。 (3)冲击电流问题。 由于可控硅前沿斩波使得输入电压可能一直处于峰值附近输 入滤波电容将承受大的冲击电流 ，同时还可能使得可控硅意外截止，导致可控硅不断重启， 所以一般需要 在驱动器输入端串接电阻来减小冲击。 (4)导通角较小时 LED 会出现闪烁。 当可控硅导通角较小时 时输入电压和电流均较小 ， 导致维持电流不够或者芯片供电不够 ，电路停止工作， 使 LED产生闪烁。 LED 光源 介绍 LED 灯 简介与显示 原理 50 年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识 一个商用二极管产生于 1960 年。 LED 是英文 light emitting diode LED 是英文 light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 LED结构图如下图 221所示 发光二极管的核心部分是由 p型半导体和 n型半导体组成的晶片，在 p型半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 pn 结。 在某些半导体材料的 PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。 PN 结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 LED 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有 关。 发光二极管的反向击穿电压约 5伏。 它的正向伏安特性曲线很陡 ，使用时必须串联限流电阻以控制通过管子的电流。 限流电阻 R 可用下式计算： R=（ EUF）/IF 式中 E为电源电压 ， UF 为 LED 的正向压降 ， IF 为 LED 的一般工作电流。 发光二极管的两根引线中较长的一根为正极 ，应接电源正极。 有的发光二极管的两根引线一样长，但 管壳上有一凸起的小舌 ，靠近小舌的引线是正极。 与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二级管的特点是：工作 电压很低 （有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可 靠性高 ，寿命 长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。 由于有这些特点，发光二极管在 一些光电控制设备中用作光源 ，在许多电子设备中用作信号显示器。 把它的管心做成条状，用 7条条状的发光管组成 7段式半导体数码管 ，每个数码管可显示 09 十个数目字。 221LED 实物图 光源的特性 模拟调光通常可以很简单的来实现。 我们可以通过一个控制电压来成比例地改变 LED 驱动的输出。 模拟调光不会引入潜在的电磁兼容 /电磁干扰 （ EMC/EMI）频率。 然而， 在大多数设计中要使用 PWM调光 ， 这是由于 LED 的一个基本性质 ：发射光的特性要随着平均驱动电流而偏移。 对于单色 LED 来说 ， 其主波长会 改变。 对白光 LED 来说 ， 其相关颜色温度 （ CCT）会改变。 对于人眼来说， 很难察觉到红、绿或蓝 LED 中几纳米波长的变化 ， 特别是在光强也在变化的时候。 但是白光的颜色温度变化是很容易检测的。 大多数 LED 包含一个发射蓝光谱光子的区域 ，它透过一个磷面提供一个宽幅可见光。 低电流的时候，磷光占主导， 光 趋近于黄色。 高电流的时候 ， LED 蓝光占主导 ，光呈现蓝色， 从而达到了一个高 LED 的时候 ， 相邻 LED的 CCT 的不同会很明显也是不希望发生的。 同样延伸到光源应用里 ，混合多个单色 LED 也会存在同样的问题。 当我们使用一个以上的光源的时候 ， LED中任何的差异都会被察觉到。 第 3 章 电路设计 及 功能模块介绍 电路设计流程图 图 31 电路设计流程图 功能模块介绍 按键功能设计 本设计采用 两个开关 作为控制系统的按钮。 这两个按键开关作为调节亮度使用，即为增大 亮度 ，减小亮度，长按则实现连续调节， 实现无级调光。 BUCK 电路介绍 BUCK 变换电路 为 降压 电路其 原理图如 下图 所示 DC — +5V电源 +/控制按键 单片机 BUCK 变换 电路 LED 发光二极管 ADC 0832 数码显示 图 322BUCK 电路原理图 如下图所示 为降压线路工作时的理想波形 图 , sDTt0 开关管导通时，输出电感储能，流过电感的电流线性增加，同时给负载提供能量； VVdtdiL g  „„„„„„.(1) ss TtDT  开关管关断，输出电感通过 diode 进行续流，流过电感的电流线性减小。 VdtdiL  „„„„„„„.(2) 依据电感伏秒平衡原理可得： ssg TDVDTVV )1()(  „.(3) 由式 (3)可得： gVVD „„„„„„„„„.(4) CCM/DCM 区别及 BUCK 线路的边界条件 开关转换线路是否工作在 CCM或者 DCM,主要取决于流过电感电流是否连续，当电感电流连续时，则开关转换器工作于 CCM(current continuous mode)。 当电感电流不连续时，则开关转换器工作于 DCM(current discontinuous mode)。 当开关转换线路工作于 CCM/DCM 边界，对于 buck 线路而言，即流过电感的电流纹波与输出电流相等即： RVL TDV s 2 )1( „„„„„„„„„„„.(5) 由式 (5)可得边界条件为 : RLfDK s21  „„„„„„„„„„„„„„„(6) 即 : 当 RLfD s21  时， buck 变换器工作在 CCM 模式； 当 RLfD s21  时， buck 变换器工作在 DCM 模式； 当 RLfD s21  时， buck 变换器工作在 CCM/DCM 边界； A0832 芯片介绍 ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种八位分辨率，双通道 A/D 装换芯片。 因为它体积小，兼容性强，性价比高，所以深受客户的欢迎。 ADC0832 具有以下特点： 8 位分辨率，双通道 A/D 转换，输入输出电平与TTL/CMOS 相兼容，工作频率 250KHZ，转换时间 32us，一般。