LED台灯设计与实现毕业论文.docx
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LED台灯设计与实现毕业论文.docx
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LED台灯设计与实现毕业论文
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本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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4.本人所呈交的毕业论文,是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。
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论文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
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指导教师签名:
日期:
分类号:
TM923.34UDC:
D10621-408-(2013)1426-0
密级:
公开编号:
2009072031
LED台灯设计与实现
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名:
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使用授权说明
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作者签名:
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学位论文原创性声明
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LED台灯设计
摘要
在现代城市中,随着人口和能源消耗的急剧增长,总用电量也在日益的增加,而台灯又是家家户户必备的家用电器,如果没有节能措施,便会造成能源被大量浪费,进而造成能源枯竭的不良后果。
因此,LED智能台灯的设计具有其重要意义。
本文针对台灯的省电和使用的方便性进行了设计与研究,介绍了设计的框架结构和组成模块以及各模块的原理,介绍了各部分硬件设计及其电路图,介绍了软件设计及其程序,该设计是以单片机STC15F100为控制核心,利用PWM波调光技术,通过调整PWM波的周期和PWM波的占空比从而控制电流,进而达到对LED台灯光度亮暗进行调控的效果,实现对LED灯的PWM调光控制。
关键词LED;单片机;PWM调光;
LEDdesklampdesign
Abstract
Inmoderncity,alongwithpopulationandenergyconsumptionsuddenlygrowth,totalelectricityconsumptionalsoindailyincrease,butthedesklampalsoiseachandeveryfamilynecessarydomesticelectricappliances,ifhasnotconservedenergythemeasure,thencancreatetheenergytowastemassively,thencreatestheenergydepletiontheadverseconsequences.Therefore,theLEDintelligencedesklampdesignhasitsvitalsignificance.
Thisarticlehascarriedonthedesignandtheresearchinviewofthedesklampprovinceelectricityandtheuseconveniences,introducedthedesignportalframeconstructionandthecompositionmoduleaswellasvariousmodulesprinciple,introducedvariouspartofhardwaredesignandthecircuitdiagram,introducedthesoftwaredesignandtheprocedure,thisdesignistakemonolithicintegratedcircuitSTC15F100asthecontrolcore,adjuststhelighttechnologyusingthePWMwave,thusthroughadjuststhePWMwavethecycleandthePWMwavedutyfactorthecontrollingcurrent,thenachievedbrightcarriesonregulativedarklytotheLEDdesklampluminositytheeffect,realizesadjuststhelightcontroltoLEDlampPWM.
KeyWords:
LED;singlechip;PWMlight
论文总页数:
30页
1前言
1.1LED灯的优缺点
LED的内在特征决定了它是最理想的光源去代替传统的光源,它有着广泛的用途。
优点:
一、体积小
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面,所以它非常的小,非常的轻。
二、耗电量低
LED耗电相当低,一般来说LED的工作电压是2-3.6V。
工作电流是0.02-0.03A。
这就是说:
它消耗的电能不超过0.1W。
三、使用寿命长
在恰当的电流和电压下,LED的使用寿命可达10万小时。
四、高亮度、低热量
LED使用冷发光技术,发热量比普通照明灯具低很多。
五、环保
LED是由无毒的材料作成,不像荧光灯含水银会造成污染,同时LED也可以回收再利用。
六、坚固耐用
LED是被完全的封装在环氧树脂里面,它比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分,这些特点使得LED可以说是不易损坏的。
LED灯高节能:
节能能源无污染即为环保。
直流驱动,超低功耗(单管0.03-0.06瓦)电光功率转换接近100%,相同照明效果比传统光源节能80%以上。
寿命长:
LED光源有人称它为长寿灯,意为永不熄灭的灯。
固体冷光源,环氧树脂封装,灯体内也没有松动的部分,不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点,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。
多变幻:
LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合,即可产生256×256×256=16777216种颜色,形成不同光色的组合变化多端,实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。
利环保:
环保效益更佳,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,而且废弃物可回收,没有污染不含汞元素,冷光源,可以安全触摸,属于典型的绿色照明光源。
高新尖:
与传统光源单调的发光效果相比,LED光源是低压微电子产品,成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等,所以亦是数字信息化产品,是半导体光电器件“高新尖”技术,具有在线编程,无限升级,灵活多变的特点。
缺点:
价格贵,需要恒流驱动,散热处理不好容易光衰。
1.2单片机的现状
二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过,这种电脑通常是指个人计算机,简称PC机。
还有一类大多数人不怎么熟悉的计算机,这就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。
顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路即可进行简单运算和控制。
它的出现是近代计算机技术发展史上的一个里程碑,因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里,起着有如人脑的作用。
单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点,目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统,蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。
它的这些优点为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛。
彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子,单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。
不但如此,他还能大大地提高这些产品的智能性、易用性及节能性等主要性能指标,在给我们的生活带来舒适和方便的同时,在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量,同时,也在很大程度上降低了生产的成本。
1.3LED智能台灯功能和指标
1、低功耗LED光源:
本系统采用8个高亮LED作为光源,最高功率为3W。
而市场上多数台灯的光源功率一般都在10W以上。
2、超长寿命光源:
半导体芯片发光,无灯丝、无玻璃泡、不怕震动、不易破碎、使用寿命可达10万小时远远超过普通光源寿命。
3、健康光源:
光源发出的光线多集中在可见光区域,光线中含紫外线和红外线少,产生辐射少。
而且以直流供电,没有普通光源因为交流电引起的频闪。
5、多级PWM调光:
根据自身需求,可通过点触式按键实现光源强度的多级调节。
6、指标:
工作电压:
220V市电
工作电流:
60mA~120mA
最大功率:
4W
工作环境温度:
0~70℃(单片机工作温度范围)
1.4系统设计的内容
本LED智能台灯系统主要包括以下四个模块:
1)LED光源驱动模块
利用变压器将220V的交流电转化成12V的交流电源,并使用全桥和电容对其进行整流滤波,使其相对稳定在15V左右。
然后使用PT4115电源驱动芯片将其转换成稳定的恒流源。
2)单片机外围电路模块
利用STC15F104单片机通过两个按键实现对PWM调光。
3)二级降压电路模块
利用LM2596芯片将15V电源降压为5V提供给单片机使用。
4)升压电路模块
利用LM2577芯片将15V电源升压为30V给LED灯供电。
2基本原理介绍
2.1单片机
2.1.1单片机的定义
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲,一块芯片就成了一台计算机。
它体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机按用途大体上可分为两类,一种是通用型单片机,另一种是专用型单片机。
MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品,与MCS-48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条。
MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。
MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。
2.1.2单片机的组成
1)总线
我们知道,一个电路总是由元器件通过电线连接而成的,在模拟电路中,连连线并不成为一个问题,因为各器件间一般是串行关系,各器件之间的连线并不很多,但计算机电路却不一样,它是以微处理器为核心,各器件都要与微处理器相连,各器件之间的工作必须相互协调,所以就需要的连线就很多了,如果仍如同模拟电路一样,在各微处理器和各器件间单独连线线,则线的数量将多得惊人,所以在微处理机中引入了总线的概念,各个器件共同享用连线,所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上,即相当于各个器件并联起来,但仅这样还不行,如果有两?
器件同时送出数据,一个为0,一个为1,那么,接收方接收到的究竟是什么呢?
这种情况是是不允许的,所以要通过控制线进行控制,使器件分时工作,任何时候只能有一个器件发送数据(可以有多个器件同时接收)。
器件的数据线也就被称为数据总线,器件所有的控制线被称控制总线。
在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元,这些存储单元要被分配地址才能用,分配地址也是以电信号的形给出的,由于存储单元比较多,所以,用于地址分的线也较多,这些线被称为地址总线。
2)数据、地址、指令
将这三者放在一起的原因,是由于这三者的本质都是一样的—数字,或者说都是串‘0’和‘1’组成的序列。
换言之,地址、指令也都是数据。
指令由单片机芯片的设计者规定的一种数字,它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关,不可以由单片机的开发者更改。
地址:
是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据,内单元的地址值已由芯设计者规定好,不可更改,外部的单元可以由单片机开发者自行决,但有一些地址单元是一定要有的。
数据:
这是由微理机处理的象,在各种不同的应用电路中各不相同,一般而言,被处理的数据可能有这么几种情况:
1、地址(如MOVDPTR,#1000H),即地址1000H送入DPTR。
2、方式字或控制字(如MOVTMOD,#3),3即是控制字。
3、常数(如MOVTH0,#10H)10H即定时常数。
4、实际输出值(如P1口接彩灯,要灯全亮,则执行指令:
MOVP1,#0FFH,要灯全暗,则执指令:
MOVP1,#00H)这里0FFH和00H都是实际输出值。
又如用于LED的字形码,也是实际输出的值。
理解了地址、指令的本质,就不难理解程序运行过程中为什么会跑飞,会把数据当成指令来行了。
3)P0/P2/P3口功能
初学时往往对P0口、P2口和P3口的第二功能用法迷惑不解,认为第二功能和原功能之间要有个切换的过程,或者说要有一条指令,事实上,各端口的第二功能完全是自动,不需要指令来转换。
如P3.6、P3.7分别是WR、RD信号,当微片理机外接RAM或有外部I/O口时,它们挥作第二功能,不能作为通用I/O口使用,只要一微处理机一执行到MOVX指令,就会有相应的信号从P3.6或P3.7送出,不需要事先用指令说明。
事实上‘不能作为通用I/O口使用’也并不能将其作为通用I/O口使用。
你完全可以在指令中按排一条SETBP3.7的指令,并且当单片机执行到这条指令时,也会使P3.7变为高电平,但使用者不会这么做,因为这通常这会导致系统当溃(即死机)。
4)程序执行过程
单片机在通电复位后8051内的程序计数器(PC)中的值为‘0000’,所以程序总是从‘0000’单元开始执行,也就是说:
在系统的ROM中一定要存在‘0000’个单元,并且在‘0000’单元中存放的一定是一条指令。
5)堆栈
堆栈是一个区域,是用来存放数据的,这个区域本身没有任何特殊之处,就是内部RAM的一份,特殊的是它存放和取用数据的方式,即所谓的‘先进后出,后进先出’,并且堆栈有特的数据传输指令,即‘PUSH’和甈OP’,有一个特殊的专为其服务的单元,即堆栈指针SP每当执一次PUSH指令时,SP就(在原来值的基础上)自动加1,每当执行一次POP指令,SP就(在原来值基础上)动减1。
由于SP中的值可以用指令加以改变,所以只要在程序开始阶段更改了SP值,就可以把堆栈设置在规定的内存单元中,如在程序开始时用一条MOVSP,#5FH指令,就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。
一般程序的开头总有这么条设置堆栈指针的指令,因为开机时,SP的初始值为07H,这样就使堆栈从08H单元开始往后8H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区,经常要被使用,这会造成数的浑乱。
不作编写程序时,初始化堆栈指令也不完全相同,这是作者的习惯问题。
当设置好堆栈区,并不意味着该区域成为一种专用内存,它还是可以象普通内存区域一样使用,只是一般情下编程者不会把它当成通内存用了。
2.2PWM基本概述
2.2.1PWM简介
脉冲宽度调制(PWM),是英文“PulseWidthModulation”的缩写,简称脉宽调制,是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置,来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变,这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。
随着电子技术的发展,出现了多种PWM技术,其中包括:
相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等。
2.2.2PWM控制LED亮度原理
对于控制LED灯由亮到暗或由暗到亮,采用的是脉宽PWM法。
它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。
可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制电流的目的。
这次设计利用STC15F100单片机产生占空比可变的矩形波,当产生此矩形波的I/O通过滤波电路再与LED灯相连接后,由于输出矩形波占空比不断变化,那么一个周期内有一部分时间LED导通,一部分时间截止,从整体来看有一个平均电压,因为PWM信号频率周期很高,我们无法通过肉眼来观察到每一个周期LED灯亮灭的变化过程,所以通过平均电压的方式来决定LED灯的亮的程度。
随着波形占空比的不断变化,LED灯也会有着由暗到亮或由亮到暗的不断变化。
2.3LED灯发光原理
LED灯是一个在热平衡状态下的PN结。
扩散和漂移运动相等时,内建电场稳定,此时N区有很多迁移率很高的电子,P区有较多的迁移率较低的空穴。
由于PN结阻挡层的限制,在常态下,二者不能发生自然复合,当PN结加正向电压时,外加电场将削弱内建电场,使空间电荷区变窄,结区势垒降低,载流子的扩散运动加强。
由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率,因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。
由半导体的能带理论可知,当导带中的电子与价带中的空穴复合时,电子由高能级跃迁到低能级,电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来,产生电致发光现象。
除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近,也就是杂质能级或者缺陷)捕获,尔后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光。
也就是说这些不发光的载流子将可能被杂质能级(或缺陷)所捕获,最后以发热的形式消耗掉。
PN结发出的光子是非定向的,即向各个方向发射有相同的几率。
PN结半导体材料相对于空气有较高的折射率,因此半导体内部发出的光子只有极少数能逸出半导体材料与空气的界面,大多数被反射回到半导体内部,最终被吸收。
我们定义逸出效率为逸出发光二极管的光子数与PN结所产生的光子数之比。
为了提高逸出效率,可以选择不同的封装材料、封装几何形状。
这样,从晶片透出的光子首先进入封装透镜,然后再逸出,因为封装材料的折射率在半导体材料和空气折射率之间,因此光子逸出率大大提高,同时,封装透镜还起到保护半导体晶片和控制输出光的分布。
3设备选择
3.1单片机的选择
要实现LED台灯的亮度可调节,可采用单片机产生PWM波,通过改变PWM波的占空比,从来改变流过LED灯的电流来改变LED灯的亮度,所以这里需要选择一个合适的单片机。
由于考虑到LED台灯的小巧性,应该考虑体积小,外部引脚少,外部电路不复杂的单片机,通过查询资料我选择了体积很小的STC15F100系列单片机,该系列单片机内部集成高精度R/C时钟,常温下温漂5%,5MHZ-35MHZ宽范围可设置,可彻底省掉外部昂贵的晶振。
内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压,可彻底省掉外部复位电路,使得外部电路更加精简。
以下是该系列单片机的部分特点。
1.增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,速度比普通的8051快6-12倍
2.工作电压:
STC15F100系列工作电压:
5.5V-3.8V(5V单片机)
STC15L100系列工作电压:
3.6V-2.4V(3V单片机)
3.内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压,彻底省掉外部复位电路
4.内部高精度R/C时钟,内部时钟从5MHZ-35MHZ可选
5.工作频率范围:
5MHZ-35MHZ,相当于普通8051的60MHZ-420MHZ
6.低功耗设计:
低速模式,空闲模式,掉电模式(可有外部中断唤醒)
图3.1为STC15F104E封装图。
图3.1STC15F104E封装图
由上图可见STC15F104E结构简单,引脚
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- LED 台灯 设计 实现 毕业论文
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