工学院毕业论文
基于单片机的PWM调光灯
专业：应用电子技术
班级：电子1041
学号：1001401126
学生姓名：於卫东
校外指导教师：
校内指导教师：叶香美
二零一二年五月
浙江工商职业技术学院工学院毕业设计
基于单片机的PWM调光灯
摘要：目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用尤为重要。而51单片机是各类单片机中最为典型和最具代表性的一种。本实验是基于MCS-51系列单片机所设计的，以单片机芯片AT89C52作为核心控制器，通过硬件电路的制作以及软件程序的编制，实现PWM控制LED的亮度，由主机和遥控从机两部分组成。本系统基于红外线无线遥感技术，以高亮度LED灯为光源，以编码解码芯片PT2262/PT2272芯片为从机的核心器件实现红外线远程控制，以STC12C5A60S2单片机作为主机的核心器件主要负责调光，采用PWM节能法来实现对LED灯启停、亮度进行快速而准确地控制。电路结构简单、成本低、操作方便、遥控距离在8m左右，可广泛应用于家庭照明。
关键字：红外线无线遥控；节能环保；LED灯；PWM节能法
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目录
1 绪论 (3)
1.1课题的意义及内容 (3)
1.2设计任务 (3)
1.3设计要求 (4)
2 方案论证 (5)
2.1从机设计方案 (5)
2.2主机设计方案 (5)
2.3 系统设计方案选定 (6)
2.3.1 从机方案选定 (6)
2.3.2 主机方案选定 (6)
3 硬件电路设计 (7)
3.1系统结构介绍 (7)
3.2从机红外遥控单元的电路设计 (8)
3.3 主机控制单元电路设计 (8)
3.4 单片机 (9)
3.5 键盘电路设计 (12)
3.6 LM7805模块电路 (13)
3.7 控制板电路 (14)
4 系统软件设计 (15)
4.1红外线遥控原理 (15)
2
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4.2按键控制LED灯亮度 (16)
4.3从机遥控功能软件流程图 (16)
4.4主机控制功能软件流程图 (18)
5 测试调试 (20)
5.1 测试仪器 (20)
5.2 检测方法 (20)
5.2.1 检测红外线的发射与接收 (20)
5.2.2检测PWM的输出占空比 (20)
5.3 测试结果 (20)
6 结论 (21)
谢辞 (22)
参考文献 (23)
附录A (23)
附录B (24)
附录C (25)
附录D (26)
附录E (29)
1 绪论
1.1课题的意义及内容
当今社会信息技术发展迅速，科技发展更如同跳跃，可是大多数家庭、单位都采用手动开关，人们有时不想走动，常常是晚上睡觉或者离开时才关灯。基于上述原因，为了更方便生活，本文设计出了一遥控调光灯，其不仅可以遥控开、关灯，还能根据需要任意调节灯光的亮度。此外，本设计还有一大亮点就是采用高亮度LED灯作为光源。LED照明以寿命长、节能、环保等显著优点而倍受人们关注,被认为是21世纪最有价值的新光源。
本系统主机部分以STC12C5A60S2单片机和解码芯片PT2272为核心控制器件，通过控制PWM来准确而快速地控制灯启停与亮度的调节；从机部分采用编码芯片PT2262芯片为核心控制器件，通过按键控制红外线遥控来控制LED灯的开关和亮度调节。
脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”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。
1.2设计任务
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以“环保、节能、高性价比”为主题，设计并制作一个遥控调光灯。
1.3设计要求
1、我将利用单片机为主控芯片，来调节LED的亮度。
2、系统分为主机和遥控从机两个工作组，其中主机负责亮度的调节，从机利用红外远程控制。
3、从机将分为发射与接收两个部分，其中发射部分也就是遥控器将会有两个按键A与B，按下A时，LED的亮度将会逐渐变亮，按下B时，正好相反LED的亮度会逐渐变暗。
4、主机也有调光功能，通过按键可以任意调节光的亮度。
本系统主要由控制模块、LM7805模块、键盘接口模块等3部分组成。本系统利用STC12C5A60S2为系统核心，利用稳压管7805和TIP42C作为LED灯驱动器。C语言来实现自动LED灯光变换的效果。
图1.1 总体设计框图
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2 方案论证
2.1主机设计方案
方案一：
AT89S52单片机+专用红外解码芯片+A/D转换芯片。SN2501为专用红外线解码芯片，专用芯片有固定的解码方式，外部元件只要一个4M晶振和两片瓷片电容，上电后即可工作。将解码数据输送到AT89S52单片机中进行处理，然后对LED灯进行PWM方式控制亮度。主机上的亮度调节旋钮通过DAC0832的A/D转换芯片将模拟电压转换成数字信号，将信号传送到单片机中进行处理，然后对LED灯进行PWM方式控制亮度。
方案二：
STC12C5A60S2单片机。高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。对LED灯进行PWM方式控制亮度。
方案三：
以LPC2138 为主控芯片:其本身自带A/D转换功能，带大容量的32KRAM和512KFLASH ,内部资源丰富且系统稳定，芯片价格昂贵。
2.2从机设计方案
方案一：利用WCDMA网络来实现控制，优点遥控距离无限制，符合物联网的发展。缺点成本较高，制作工艺繁琐
方案二：
用专用芯片进行红外线的发射，HT6221为专用红外线编码发射芯片，可以有32个不同的编码，芯片内部已有固定的编码，外部元件只要一个455KHz的晶振和两片瓷片电容，上电后即可工作，价格便宜。
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方案三：
，用编码解码芯片PT2262/PT2272直接进行红外编码发射，使接收红外线的解码一端的装置有更多的器件来选择。12MHz的晶振为常用元件，购买比较容易。红外线发射载波和编码都能通过软件编写，编码比较灵活，使得红外线的编码具有一定得独特性，安全性也更高。
2.3 系统设计方案选定
2.3.1 主机方案选定
方案一中的AT89S52单片机编码简单，便于维修，应用广泛，但是他的能耗较大，不符合节能环保的设计要求
方案二STC12C5A60S2单片机内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S), 共4个16位时定器两个与传统8051兼容的定时器计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。能够方便控制灯的亮暗。
方案三运用LPC2138 为主控芯片，其本身自带A/D转换功能，带大容量的32KRAM和512KFLASH ,内部资源丰富且系统稳定，但芯片价格昂贵。
综合考虑STC12C5A60S2单片机高速/低功耗/超强抗干扰，符合设计要求，所以选择方案较二为合适。
2.3.2从机方案选定
由于方案一利用HT6221芯片价格便宜，但它的接收器较为复杂。容易出现误差
方案二蓝牙通信，而蓝牙主要用于短距离传输，芯片价格一直偏高。
方案三，用编码解码芯片PT2262/PT2272直接进行红外编码发射，使接收红外线的解码一端的装置有更多的器件来选择。12MHz的晶振为常用元件，购买比较容易。红外线发射载波和编码都能通过软件编写，编码比较灵活，使得红外线的编码具有一定得独特性，安全性也更高。
相比而言，选择方案三较为合适。
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3 硬件电路设计
3.1系统结构介绍
遥控调光灯的设计，主要分成两个部分：从机和主机。从机以编码芯片PT2262为控制核心，通过按键控制红外遥控的方法来远程控制LED灯的开关和亮度级别，当从机发射红外线时，工作指示灯会闪烁提示；主机STC12C5A60S2单片机和解码芯片PT2272为核心，对接收到从机的命令后，接收到的不同指令而控制高亮度LED 灯（下文统一称为LED灯）的不同亮度级别。主机也有调光功能，通过主机上的按键也可以控制LED灯的开关和亮度级别。系统结构框图如图3.1所示
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图3.1 系统结构框图
3.2从机红外遥控单元的电路设计
从机主要的功能是实现红外线远程控制LED 灯的开关及亮度级别。从机的硬件电路结构简单，功能的实现主要靠软件编程实现。硬件电路主要由编码芯片PT2262最小系统、按键和红外发射管组成，其原理框图如图3.2所示。
图3.2 从机电路原理框图
从机用编码芯片PT2262发出的编码信号发送给主机，主机中的解码芯片PT2272接收到信号后，从而使主机中的单片机开始工作控制灯的亮暗。按键主要设有：低亮度控制、中亮度控制、高亮度控制。
3.3 主机控制单元电路设计
1、主机主要是对LED 灯的控制作用，通过产生不同的PWM 脉宽信号传送给LED 灯，LED 灯就会产生不同的亮度变化。主机硬件电路的设计简易而又可以完成特定的功能，其原理框图如图3所示。
P00-P05
编码芯片PT2262
P20
键盘
红外发射管 工作指示灯
VCC
从机
按键
GND
VCC
主机
按键
控制LED 灯亮度
工作指示灯
工作指示灯
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图3.3 主机电路原理框图
2、主机通过红外接收头接收从机的红外线编码调制脉冲，STC12C5A60S2单片机和解码芯片PT2272，得到不同的指令数据，从而执行不同的操作。
3、主机上还有功能按键与单片机相连，可以通过按键直接控制主机进行操作。
3.4 单片机
本设计采用STC12C5A60S2单片机为装置的CPU STC12C5A60S2单片机及其引脚说明：
STC12C5A60S2 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 128K 在系统可编程Flash 存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
STC12C5A60S2单片机最小系统
红外线接收头
按键
PT2272
控制LED 灯亮度
工作指示灯
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在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC12C5A为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
STC12C5A60S2共有40条引脚，详见下图
图3.3 STC12C5A60S2引脚图
1、.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051
2、工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V- 3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V- 2.2V（3V单片机）
3、工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz
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4、用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K
字节。
5、片上集成1280字节RAM
6、通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传
统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高
阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA
7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专
用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8、有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)
9、内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K
电阻到地）
10、外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器 5V单片机
为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%
11、时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%
以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时
钟
12、常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz～15.5MHz 3.3V单片机为： 8MHz～12MHz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，
但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准
13、共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时
器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生
器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器
14、2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在
P3.5/T1输出时钟
15、外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持
上升沿中断的PCA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2,
INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到
P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)
16、PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）
---也可用来当2路D/A使用
---也可用来再实现2个定时器
---也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支
持)
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17、A/D 转换, 10位精度ADC ，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)
18、通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA 软件实现多串口
19、STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)
20、工作温度范围：-40 - +85℃(工业级) / 0 - 75℃
21、封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O 口不够时，可用2到3根普通I/O 口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O 口, 还可用A/D 做按键扫描来节省I/O 口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
3.5 键盘电路设计
键盘电路主要作用是给单片机提供命令式的低电平信号。键盘由三个按键组成分别与STC12C5A60S2的RST ，P3.0，P3.3相连用查询法完成读键功能.
SW2
SW1
CL KUOT2/P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56RXD/INTP1.67TXD/P1.78RST /P4.79P3.0(RXD)10P3.1(T XD)11P3.2(INT 0)12P3.3(INT 1)13P3.4(T 0)/CL KOUT014P3.5(T 1)/CL KOUT115P3.6(WR)16P3.7(RD)17XT AL218XT AL119GND 20
P2.0/AD821
P2.1/AD922P2.2/AD1023P2.3/AD1124P2.4/AD1225P2.5/AD1326P2.6/AD1427P2.7/AD1528NA/P4.429AL E/P4.530EA/NA/P4.631P0.7/AD732P0.6/AD633P0.5/AD534P0.4/AD435P0.3/AD336P0.2/AD237P0.1/AD138P0.0/AD039VCC
40
U10
SSTC12C5A60S2
VCC
GND C5104
R1100K
VCC
S13SW-PB
GND
Y2
11.0592M C6
33P
C7
33P
GND
图3.5键盘电路
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3.6 LM7805模块电路
LM7805是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，能提供DC 5V的输出电压，应用范围广，内含过流和过载保护电路。带散热片时能持续提供1A的电流，如果使用外围器件，它还能提供不通的电压和电流。
LM7805引脚图（管脚图）
7805是常用的三端稳压器件，顾名思义05就是输出电压为5v，还可以微调，7805输出波纹很小。
(1) 集成三端稳压器根据稳定电压的正、负极性分为78×××，79×××系列。附图给出了正、负稳压的典型电路。
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〈正、负稳压7805电路〉
(2) 三端稳压器的型号规格和管脚分布。
附表1-17 三端稳压器输出电流字母表示法
例如：78M05三端稳压器可输出+5 V 、0．5 A 的稳定电压；7912三端稳压器可输出 12V 、1A 的稳定电压。
(3) 外形及管脚分布，如附图1-25所示。
3.7 控制板电路
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15 LED 灯的负极接到三极管TIP42C 的发射集，LED 灯的正极接电源。稳压管7805的输出端与电源相连，经过7805稳压后由单片机的P0.2引脚控制。
SW 2
SW 1C LK UO T2/P 1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56R XD /IN TP 1.67TX D /P 1.78R ST/P4.79P3.0(R X D)10P3.1(TXD )11P3.2(IN T0)12P3.3(IN T1)13P3.4(T0)/C LK O UT014P3.5(T1)/C LK O UT115P3.6(W R)16P3.7(R D )17X TA L218X TA L119G ND 20
P2.0/A D 821
P2.1/A D 922P2.2/A D 1023P2.3/A D 1124P2.4/A D 1225P2.5/A D 1326P2.6/A D 1427P2.7/A D 1528N A/P4.429A LE/P4.530EA /NA /P4.631P0.7/A D 732P0.6/A D 633P0.5/A D 534P0.4/A D 435P0.3/A D 336P0.2/A D 237P0.1/A D 138P0.0/A D 039V CC 40
U 10
SS TC 12C 5A 60S2
C 5104
R 1100K
V CC
S13SW -P B
Y 2
11.0592M
C 6
33P
C 7
33P
V CC
Q 1TIP42C
V CC
图3.7控制板电路
4 系统软件设计
4.1红外线遥控原理
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红外线的特点人的眼睛能看到的可见光，若按波长排列，依次(从长到短)为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，红光的波长范围为 0.62μm～0.7μm，比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控器就是利用波长 0.76μm～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。
红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。电路调试简单，若对发射信号进行编码，可实现多路红外遥控功能。
红外线发射和接收
人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光。
常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右，外形与普通φ5mm 发光二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约 100mW。红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。
接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。
4.2按键控制LED灯亮度
通过主机上的按键也能控制LED灯。第一种控制方式，其工作原理简单些，按下不同的按键，单片机根据采集到的数据输出不同的PWM，从而控制LED灯的亮度。第二种控制方式，根据个人的需要，想把当前LED灯亮度在下一次使用中直接调用，可以使用按键将当前亮度存储起来，这个原理是通过光敏二极管采集当前的光线强度传给单片机，单片机得到一个数据后就产生一种PWM脉宽，当接收到存储按钮按下时，并将这两个数据存储起来，这样就可以根据需要直接调出适合自己使用的LED灯亮度。
4.3从机遥控功能软件流程图
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在从机遥控工作过程中，单片机在一分钟内没有检测到有按键按下时，就会自动进入省电模式，当检测到唤醒按键按下，单片机有进入正常工作模式，并判断是哪个按键按下的。单片机软件控制流程图如图4所示。
在流程图中的低级显示、中级显示和高级显示是从机传输给主机的红外线编码控制LED 灯的显示低、中和高亮度级别。
N
Y
N
N
Y
Y
开始
1分钟有按键按下吗？
进入省电模式
唤醒键按下？
LED 灯开/关 低亮度 中亮度 高亮度 亮度存储 模式转换
LED 灯关
LED 灯开
低级显示
中级显示
高级显示
存储数据
调出存储数据
红外线编码发射
LED 开吗？
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图4.1从机遥控功能软件流程图
4.4主机控制功能软件流程图
主机采用STC12C5A60S2单片机，内部功能强大。红外接收头接收到数据时，通过单片机外部中断端口向单片机传送数据。主机上的红外接收和按键同时扫描，只要一有指令输入时，单片机就会做出判断，执行相应的功能。其工作流程图如图5所示。流程图中的，低级显示、中级显示、高级显示分别是对LED灯执行低、中、高亮度级别显示，逐步显示为亮度旋钮的任意调光显示。
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图4.2主机控制功能软件流程图
Y
N
Y
N
Y
N
判断是否接收到红外线
开始
系统初始化，设置中断
收到哪个键值
扫描指令输入
判断执行指令
判断执行指令
开/关控制
低亮度 中亮度 高亮度
手动调节亮度
LED 灯是开？
LED 灯关
LED 灯开
低级显示 中级显示 高级显示
逐步显示
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