LED数控调光电源.docx

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LED数控调光电源

编号

南京航空航天大学金城学院

毕业设计

题目LED数控调光电源设计

学生姓名

学号

系部

专业

班级

指导教师

二O-四年六月

南京航空航天大学金城学院

t7J

LED数控凋光电源

本科毕业设计（论文）诚信承诺书

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文）（题目：

LED数控调光电源设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。

尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。

作者签名：

2014年5月29日

（学号）：

LED数控调光电源设计

摘要

LED是电流驱动型的电子器件，它的发光强度与流过LED的电流成正比，所以，可以通过控制流过LED的电流的大小来实现LED的亮度的调节。

本课题是以单片机芯片作为控制核心设计并制作的LED电源，可以实现LED亮度的数控调节。

本课题的通过对简单的电流源电路进行改进来作为该设计电流源。

压控恒流电路核心由场效应管和运算放大器OP07构成，通过控制效应管的饱和程度来实现压控恒流。

采用精密采样电阻获得反馈电流信号，负载两端外加差分运放作为反馈电压。

全部过程中使用PCF8591来进行A/D、D/A转换。

通过Proteus软件对系统进行仿真，仿真结果基本上满足设计要求。

该设计可以实现LED亮度的数控调节，同时也满足实际输出电流和预设电流值的偏差的绝对值小于等于输入值的1%的要求。

实测结果很大程度上说明该方案的设计具备较高的精度和很好的稳定性。

关键词：

LED,数字电源，Proteus,PCF8591

LEDDigitalControlDimmingPowerSupplyDesign

Abstract

LEDisacurrentdrivenelectronicdevices.Thecurrentanditsluminousintensityisassumedtothehighproportionalrelationship.Therefore,thebrightnesscanbecontrolledbyelectriccurrent.ThistopicisaLEDpowercontroldesignandmanufacturewhichbasedonSCM.ThisdesigncanrealizethedigitalcontrolLEDlamp.

Thedesignofthesubjectadoptstoimprovesimplecurrentsourceandmakeitascurrentsourcecircuit.VoltagecontrolledconstantcurrentcircuitcomposedofafieldeffecttransistorandoperationalamplifierOP07,thedegreeofsaturationcontroleffecttubetorealizevoltagecontrolledconstantcurrent.UsingprecisionsamplingresistancetoobtainthefeedbackcurrentsignaLtheloadapplieddifferentialamplifierasthefeedbackvoltage.ThewholeprocessusingPCF8591toconvertanalogandanalogtodigital.

ThesimulationofProteussoftwareontheresultsbasicallymeettherequirements.NumericalcontroldesignoftheNCpowercanachieveLEDbrightnessadjustment.Atthesametime,itcanalsosatisfytherequirementsthattheabsolutevalueoftheoutputcurrentwithagivenvalueofdeviationislessthanorequaltoagivenvalueofl%.Themeasuredresultslargelyexplainsthecircuitdesignwithhighprecisionandstability.

KeyWords：

LED;NCpowersupply;Proteus;PCF8591

摘要

Abstract

第一章

绪论-0-

1.1

课题背景和研究意义-0-

1.2

本文研究内容-1-

第二章

系统方案设11-2-

2.1

设计思路-2-

2.2

系统设计方案-2-

2.3

设计可实现的功能-3-

第三章

硬件电路的设11-4-

3.1

恒流稳压输出电路的设11-4-

3.2

单片机及最小系统-5-

3.2.1AT89C52的简单介绍-5-

3.2.2时钟电路与复位电路-6-

3.3

数模和模数转换模块-7-

3.3.1PCF8591引脚介绍

3.3.2PCF8591的主要功能特性-9-

3.3.3PCF8591片内可编程功能设置-9

3.4

LCD的显示模块-10-

3.4.1LCD1602主要技术参数-11-

3.4.2LCD1602的引脚功能说明-11-

3.4.3LCD1602内部的控制器指令-12

3.5

键盘控制模块-13-

3.6

LED数控电源整体原理图-14-

笫四章

软件设计-15-

4.1系统主程序设ii-15-

4.2A/D、D/A转换程序设it-16-

4.2.1A/D转换的程序设计-16-

4.2.2D/A转换的程序设计・17-

4.3矩阵按键程序设IT-17-

4.4显示模块的程序设ii-18-

第五章系统的仿真调试-19-

5.1PROTUES仿真简介-19-

5」.1KEILC51与PROTEUS7.5的联合使用-20-

5」.2KEILC51与PROTEUS7.5的联合仿真调试-20-

5.2系统仿真结果-21-

5.2.1输出电流范圉仿真-22-

5.2.2仿真结果与分析-23-

第六章硬件调试-24-

6.1元器件清单-24-

6.2硬件制作过程中的问题以及解决方案-25-

6.2.1LED灯的电流额度问题-25-

6.2.21C电阻的功率不足问题-26-

6.3误差原因-26-

第七章总结与展望-26-

参考文献-27-

致W-28-

附录-28-

1.LED数控电源的电路设计图-28-

2.LED数控电源的硬件电路板-29-

3.系统程序・29・

第一章绪论

1.1课题背景和研究意义

LED凭借它光度强、使用寿命较长、节省能源等优点，已经被国际公认为下一代的照明源。

将LED应用在照明领域里，那么它的使用寿命会比现有的照明设备提高6倍以上，长期以来灯管含有重金属的问题就可以得到很好的解决。

除此之外，LED的光度强使其在照明领域的应用中可以大大的提高照明的效率，从而可以节约照明成本。

总的而言，LED作为新的照明工具将取代传统照明灯具为人类造福。

LED是电流驱动型的电子器件，它的发光强度与流过LED的电流成正比。

所以，为了更好让LED的照明强度具有可调性，可以通过调节流过LED电流来实现这一功能。

为了让LED照明的节能优势可以得到充分的体现，如何在LED的电源中增加调节大小功能已成为迫在眉睫课题。

在电源的发展历史中，电源从无到有，从不可调节到可以粗略调节，从模拟调节到数字调节，走过许多属于自己的年代。

追溯电源发展的过程，电子产业迅速的发展，电子设计的应用领域也越加广泛，渗入我们生活的方方面面。

电子产品的种类繁多，人们对电源的要求也越来越高，希望电源稳定性好，体积小，重量轻，效率高。

虽然人们对电源的研究从未停止，但不可否认的是，现如今的电源发展速度，已经满足不了电子设备对电源的需求。

上述LED照明系统作为一个新兴的领域，对配套电源更是迫切的渴望。

在传统的直流电源很难满足如今市场需要的形势下，新星的技术一一数字控制电源凭借其可调节好，控制灵活，可操作性强优势应运而生。

先了解下传统的电源，传统的电源。

电源作为电子设备不可或缺的重要组成部分，传统电源通常是通过是山220V的交流电作为供电源。

为了达到电子设备电源的需求，我们就需要经过变压、整流、滤波、最后还要经过稳压电路才可以把220V的交流电转化成为我们需要的直流电源。

传统的直流电源，电源器的电压或者电流的调节技术一般是用电流表或电压表来对电压或者电流进行实时的显示和检测，这样一来就会导致一系列的问题。

例如电压或者电流的调节精度太低，操作步骤繁琐，稳定性没有很好的保证。

而利用单片机作为控制的核心来设计的数字控制电源就可以很大程度上解决上述传统电源存在的问题。

单片机控制电源操作简便、电源稳定、结构简单、制作方便、成本低、波纹低、调节精度高。

除此之外，电压电流的输出可以经过显示器显示，因此具有很好的直观易读性。

综上所述单片机控制电源在未来会有很大的开发空间。

LED数控调光电源

现如今调节直流电源的方法许多，但大致上有两种方法：

第一种是利用数字控制的方法来调节电源大小，第二种是利用模拟控制的方法去调节。

在一切都涉及数字化的今天，人们对控制的要求越来越高，直流电源也不例外的往数字化的方向进一步发展。

所以，数控电源的设计是一个值得研究的课题。

随着科技的进步，技术的发展，高精度的电子设备对电源的稳定性、输出的精度、可報性都提出了今非昔比的要求，通过高分辨率的D/A、D/A转换器结合成本较低的单片机的自动检测技术设讣，单片机作为核心的数字控制直流电源（后面简称数字控制电源）就体现了它存在的优越性。

数字控制电源输入方便，可以选择电流的预设值，除此之外它还具有较稳定性和高精度。

而设定输出电流，复位，设定值的递增递减等功能，操作界面通过矩阵键盘来控制实现相应功能，这样一来就很大程度的电提高了电源工作的效率，并且为电路板的设计和调试提高了很大的便利。

数字控制电源，具备如下的优点：

（1）有利于充分利用智能控制策略和先进的控制方法，可以使电源更加模块化智能化，功能更加全面，更好的满足我们对电源的需求。

（2）控制具有很好的灵活，系统的升级方法比传统的要简单方便，有的还可以不改变硬件电路，通过改变调整控制的算法来实现我们需要的功能。

（3）控制的可靠性的到了很大程度上的提高，容易标准化，针对不同的电路系统，可以釆用近似相同的的控制板块，主需要针对软件的方面做一些稍微的调整即可。

根据上述的LED作为照明设备的优势和单片机控制的电源所具备的特点，两者之间可以很好的结合。

单片机控制电源很大程度上满足了LED作为照明设备的电源要求。

本次毕业设计就是在此基础上设计这一单片机控制的电源，以实现LED的亮度控制。

1.2本文研究内容

本课题以微处理器为控制核心设计并制作一个LED数控调光电源，实现对LED灯组亮

度的调节。

LED为电流驱动型器件，所以要实现LED的调光就必须要通过改变流过其电流大

小。

设计具体包电源电路、单片机最小系统，A/D、D/A转换模块、LCD显示模块。

使用4x4的矩阵键盘设定预设电流值，经过PCF8591及电源电路的转换，使得负载LED两端的电流趋近或者等于预设的电流值。

以达到改变流过LED两端的电流方法实现亮度的调节。

全程电流可以实现数字控制。

此外，还要求设计液晶显示功能显示LED负载的状态，如预设电流、实际输出电流、输出电压等信息。

另外，要求设计•标准16键的键盘，可以更加便利的实现人机交互，能够在设计范围内设定预设电流值。

在课题的设计•和制作过程中会一些可预知和不可预知的问题，要随着研究的进一步深入,许多问题也会随之出现，一些问题也会随之解决。

□前该课题设计的核心问题主要是高精度电流检测电路以及稳定恒流源的如何的设讣。

整体的课题设计的包括电压到电流转换电路的设计，模数转换器将输出电流反馈至单片机进行比较，调整数字信号到模拟信号输入电压，从而来实现电源数字控制的U的。

第二章系统方案设计

2.1设计思路

在明确了设计任务后，根据设计要求把设计分为单片机以及最小系统模块、LCD显示模块、矩阵按键模块、数模模数转换模块、V/I转换模块。

釆用51单片作为预设值输入和LCD显示模块的核心控制元器件，PCF8591作为A/D、D/A转换器以及V/I转换模块的核心器件来实现本课题的设计•任务。

根据设计要求来分析该课题，此次课题的核心问题主要是如何去实现高精度控制与电源电路设计。

因此在初期确定方案的时候，元器件的功耗、负载的选择、控制的精度、如何减少误差，这些课题核心的问题都是要深入的探讨的。

本此次设计通过对简单的电源电路进行改进来作为本设讣的电流源。

该方案通过精密电阻获得反馈电压，然后反馈电压和高精度的参考电压比较后得到误差电压。

误差电压经过放大器放大后，再通过控制场效应管的导通程度来得到输出电流，使预设值与实际测量的电流值的慢慢的逼近，直到相等，以此来实现数字控制电源的功能。

2.2系统设计方案

根据设计的要实现的功能，确定了设计中不可或缺的模块，包括数模转化模块、单片机模块、电压电流转化模块等。

最终明确了此次课题设计的总方案。

最终确定的系统框图如图2.1所示。

图2.1系统框图

本设计方案主要是通过改变输入电压的大小而使釆样电阻不变的方法来改变电流大小。

采用单片机程序控制高精度数模转换器来为其提供可调的高精度的基准电丿艮这个基准电压经过电压电流转换电路后得到电流，电流通过电压跟随器反馈回给模数转换模块，模数转换模块与单片机进行通信使得显示模块显示电流电压。

本设汁的难点主要是高精度检测电流电路的设讣与稳定的恒流电源设计。

本设计的优点在于可以对电流进行精确的步进量控制，除此之外，电源输出电流不会因为负载的改变而产生改变影响，具有很好的稳定性。

2.3设计可实现的功能

输入交变电源的电压220V,50Hz；直流电压的输出小于10Vo

1电流输入的大小范围：

200mA到2000mA之间；

2可以在允许的范圉内通过矩阵键盘设定电流的预设值，显示模块会显示预设的电流值，设讣要求预设电流与实际输出电流值相差的绝对值要小于或者等于输入的电流值的1%。

3为了增强可调节性，该设计还具有加减的步进功能，步进为10mA；

4负载的电阻改变，电压输出值同样不会高于10V,精度方面输出电流的误差绝对值要小于等于预设电流值的1%。

第三章硬件电路的设计

3.1恒流稳压输岀电路的设计

利用场效应管的导通特性结合简单的电源电路构成了该设计的电源电路。

电路原理图如图3.1所示。

本设计的电源电路其中硬件包含了LED灯管（负载）、OP07放大器、1C电阻（大功率釆样电阻）、大功率场效应管IRF640（后面简称场效应管）。

设计中场效应管的应用，使得电压线性的控制电流更容易实现，更加容易达到设汁的需求。

不仅仅可以达到电流最大的输出值2000mA的要求，电路的设计比较简单可以非常贴合设计需求的电压线性控制电流。

在此电路的设计当中，为了满足题LI的设计要求，通过控制调节场效应管（IRF640）来实现所需功能。

调节控制场效应管，使其工作在饱和区，那么此时的漏电流近似等于电压Ugs控制的电流。

即当U〃为固定值时，条件满足：

Id=f（Ugs）,当Ugs为固定值的时候，漏极电流Id保持恒定不变，以此来实现恒流的U的。

在该设计中，采样电阻R2大功率的1Q电阻（要求阻值稳定，满足功率要求）。

运算放大器OP07构成的电压跟随器电路把电压以恒定的数值传接下去，场效应管IRF640正向导通（栅极的电流较小，所以一般忽略不计），因此流过LED灯电流与流过R2的电流大小相等。

因此，就可以根据电路中输入的电压来控制输出电流，换句话说就是电流的大小不会随着LED灯的变化而产生变动，以此来实现压控恒流。

图3.IV/1转换图

3.2单片机及最小系统

在这个电路的设计中，数字控制的核心是单片机及最小系统，市面上满足本设讣要求的单片机控制器有很多，比较常见的有AT89S52,AT89C52,PIC16F877A,ATMGAE16等。

大三的时候对单片机已有了深入的学习，对单片机性能、价格考虑等方面的因素有了一定的了解。

综合队知识的掌握程度，选择AT89C52单片机作为本设计的控制核心芯片。

3.2.1AT89C52的简单介绍

AT89C52单片机是ATMEL公司生产的通用的8位微处理器。

AT89C52凭借其低电压、高性能、高性价比等优点，在许多电子电路设汁中的到了很大程度上的青睐。

片上FLASH程序储存器具有可编程性，这让AT89C52具有较高的使用灵活性，为程序问题的解决提供了便利，节约了许多时间成本。

主要的管脚：

XTAL1引脚与XTAL2引脚作为振荡器输入和输出端口，外接12MHz晶振。

在单片机工作时，需要在Vcc接电源的+5V,Vss接地。

RST/VPD（9脚）是复位输入端口，是复位电路的重要组成部分，需要外部连接一个电阻电容构成复位。

PO、Pl、P2、P3都是可编程通用I/O端口，可以根据设计的需要通过软件对相应的端口进行定义，以满足设计的要求。

AT89C52芯片有很多功能特性，具体如下。

1同MCS51指令系统有着很好的兼容性；

28K的FlashROM可以反复的擦写；

332个双向I/O口；

4256x8bit内部RAM；

53个16位可编程定时/计数器中断；

6时钟频率0~24MHz：

72个串行中断，可编程UART串行通道；

82个外部中断源，共8个中断源；

92个读写中断口线，3级加密位；

10掉电与低功耗空闲模式，软件设置唤醒与睡眠功能。

3.2.2时钟电路与复位电路

单片机最小系统除了单片机芯片本身以外，外圉的晶振电路，和复位键电路，也同样是

最小系统中不可或缺的一部分。

它们的存在使单片机的运行更加稳定安全。

AT89C52的最小系统与其他模块的连接图如下图3.2所示。

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图3.2AT89C52最小系统及外接器件

P0口和P2.0〜P2.2是LCD接口；P1.0〜P1.3是PCF8591转换器的接口；P3口为键盘接口。

如图3.2所示，图中的最小系统是为了在硬件的焊接过程中有相应的电路图参照，本设计在仿真阶段使用的是Proteus软件。

Proteus仿真软件针对51单片机有自带的最小系统，所以，在系统仿真过程中可以省去最小系统。

1时钟电路

XTAL!

为片内振荡器的反相放大器的输入端，XTAL2为片内振荡器的反相放大器的输入端输出端，当使用外部振荡器时，应该把XTAL2空接，把外部的振荡信号外接XTALU在构建最小系统时候晶振有多种选择，从1MHz到24MHzo通常会选用30PF左右的电容。

最小系统的时钟电路是采用的单片机内部的振荡电路，即内部方式来实现工作需求oAT89C52内置一个大增益反相放大器用于构成振荡器。

引脚XTAL1是放大器的输入端口，XTAL2是放大器的输出端口。

这个放大器与反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。

谐振电路山电容Cl、C2与晶振并联组成，谐振电路与放大器连接后接入电路。

虽然最小系统对外接电容值没有明确要求，但是系统的稳定性，工作温度的大小，系统的工作频率，都一定程度上与外接电容有着重要的关系。

所以,最小系统中所用的晶振为11.0592MHz,电路中要使用稳定的，大小在22吁左右的电容。

在电路板焊接的时候，要注意把电容、晶体振荡器尽量布置的与单片机芯片离得近一点，这一来可以减少干扰的电容，可以更加好的保证振荡器工作的稳定。

2复位电路

振荡器丄作时，当此端口出现高电平，而且高电平保持超过两个机器周期时，系统将复位。

电路设计过程中尽量避免端口长时间处于高电平，否则系统将一直处于复位状态而无法进行正常工作。

单片机复位后P0、Pl、P2、P3都会被置位为1为高电平状态，特殊功能寄存器与程序计数器将被置零。

当RST/VPD1111变为0时，芯片的只读内存以00H开始执行程序。

复位是通过最小系统中的外部的复位电路来实现的。

单片机内部的复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器的作用是用来消除单片机内部产生的噪声，斯密特触发器的在机器周期的S5P2时候输出，复位电路进行一次釆样。

复位电路分为按键复位与上电自动复位两种，本设汁选择后者来时先所需功能。

当时钟频率选择12MHz时候，电容选用取30pF,R1电阻值为lOKHo复位功能键对单片机内部的RAM没有影响。

3.3数模和模数转换模块

、勺电子产品的设计阶段，涉及到数据的采集和需要把数字信号模拟信号相互转换的时候,数模和模数转换器就会发挥其非常重要的作用，因此数模和模数转换器在自动化设备的应用中显得非常广泛。

鉴于A/D、D/A芯片在电子设备中起着很重要的作用，而现如今市面上的数模和模数转换芯片各式各样，功能不同，价格也不同，根据设计的要求去选择A/D、D/A芯片。

市面上的A/D、D/A芯片模拟输入端和数字输出端口非常多，而在实际的使用过程中需要的数模输入端口并不是很多，因此造成了不必要的端口浪费。

串行乂存在读写繁琐、转换周期太长、扩展性较差。

为了让电路更加简化便于实施，为了让系统具有很好的稳定性，减少研发产品的时间，使产品有更大的使用灵活性，Philips公司研发出了一个稳定性高、实用性灵活、效率高的串行扩展总线FC。

PC总线数模和数模转换器具有端口少，利用率高、通信速率快、控制灵活多变、扩展容易等优点，在许多的电子设备设计中有了很大的运用空间。

把FC总线技术很好的嵌入和应用在单片机设计系统中可以很大程度上提高系统的功能，优化系统结构，为单片机芯片在电子设备中的应用更加广泛多变。

PCF8591是一个具有8字节数据存储空间的器件。

PCF8591山外部电源单独供电、功耗比较低。

PCF8591具有1个模拟输出端口、4个模拟输出端口和1个串行FC总线接口。

A0、Al、A2为3个具有硬件地址编程功能的引脚。

在FC上，PCF8591具有较高的扩展性，可以直接扩展接上8个PCF8591器件而不需要其他硬件的添加。

元器件PCF8591正是因为釆用了FC的通信方式，所以控制信号、数据信号、输入地址、输出地址的串行方式都是以双向的方式进行传输⑴。

3.3.1PCF8591引脚介绍⑵

AIN0~AIN3：

模拟信号输入端；

Vdd、Vss：

电源端口（2.5V〜6V）；

SDA、SCL：

PC总线的数据线与时钟线；

OSC：

内部时钟输出端同时为外部时钟输入端；

EXT：

内部、外部时钟选择接线；

Agnd：

模拟信号接地；

Aotrr：

D/A转换输出端；

VrEF：

基准电源端。

图3.3PCF8591引脚图

3.3.2PCF8591的主要功能特性⑷