电子技术与软件工程基于单片机的LED调光控制器设计

　　《电子技术与软件工程》杂志(半月刊)是由中国科学技术协会主管、中国电子学会主办的国内外公开发行的国家级期刊，国内刊号：CN10-1108/TP；国际刊号:ISSN1006-5032。杂志是面向电子技术与软件工程专业人员，报道该领域前沿技术进展和最新科研成果，介绍产品开发的新工具、新方法及典型案例，促进电子技术与计算机软件工程交叉学科发展。
　　摘要：以单片机为核心控制元件，设计一个电子调光控制器。该方案由单片机、数码管、按键开关等构成电子调光控制器，通过按键输入调光信号，经过单片机处理。该电路利用PWM脉宽控制电路来调节LED灯光亮度，具有10级调光功能，亮度变化呈阶梯变化，不会发生忽暗忽明现象，利用一个两位一体数码管来显示调光等级。此设计实用性强，判断精确，扩展功能强。

　　关键词： 电子技术与软件工程,电子调光控制器,数码管,按键开关,LED

　　Design of LED dimming controller based on MCU

　　ZHU Jian?ke

　　(Sichuan Information Technology College， Guangyuan 628017， China)

　　Abstract： An electronic dimming controller taking single?chip microcomputer as the core control component was designed. The electronic dimming controller is composed of a single chip computer， digital tube， button switch， etc. The dimming signal is input through the keyboard， and processed by SCM. PWM pulse width control circuit is adopted to regulate the LED brightness， which has the dimming function of 10 stages. Its brightness change appears in stepping state， unnecessary to worry about the flashing on and off phenomena. A two?in?one digital tube is employed to display the dimming level. This design has strong practicability， accurate judgment and strong function expansion.

　　Keywords： electronic dimming controller; digital tube; key switch; LED

　　0 引言

　　现如今，单片机的应用无处不在，利用单片机控制灯具的实例很多，可控制灯具的芯片也相当多，而利用单片机控制灯具能达到预想效果，是人们使用最广泛的方法。它功能多，价格优，外部电路简单，深受单片机爱好者及灯具控制制造商的青睐。

　　在日常生活中，人们处在不同的环境或气氛通常对灯光的亮度要求不同，往往会用到电子调光控制器。因此选择利用单片机编程来设计调光控制器，可以根据不同的要求对亮度进行调节。

　　用AT89C51单片机及少数外部电路控制LED灯光，使LED产生不同亮度的光效果，通过硬件电路和软件程序的编写，使灯光的亮度和数码显示电路相配合。

　　调光控制通常是改变通过灯具的电流或电压的大小，以便调节灯具的发光亮度。按调光方法来分有变阻器调光、自耦变压器调节器调光、饱和扼流圈调光、磁放大器调光和可控硅调光等。前四种调光设备都有体积大笨重等缺点。本设计使用的是PWM控制调光。

　　系统采用单片机作为整个控制核。控制系统由显示模块、驱动模块、按键控制模块组成。该系统通过按键输入调光信号，利用一个两位的数码管完成显示功能，利用PWM脉宽控制电流使LED工作，在数码管上显示亮度等级，从而实现调光的控制过程。工作时，用按键输入调光信号。经单片机的处理，输出控制信号，从而实现单片机控制的电子调光控制器的设计。

　　1 硬件电路设计

　　1.1 设计方案

　　本次设计采用单片机控制实现LED灯光调节，按键输入调光信号，经单片机处理后对LED亮度进行控制。如图1所示。

　　图1 总体电路框图

　　总体电路由五部分组成：

　　时钟电路：产生单片机工作所需要的时钟信号。

　　复位电路：使单片机能在刚接上电源时、断电后、发生故障后复位。

　　显示电路：显示所调亮度的等级。

　　按键控制电路：实现键盘输入功能，用于输入亮度等级。

　　LED驱动电路：用于驱动LED照亮。

　　1.2 整机工作原理

　　本系统把单片机作为整个控制核心。主要由单片机模块、显示模块、按键控制模块、驱动模块组成，整机电路如图2所示。它的工作原理如下：

　　加电工作，开始时LED灯没有亮度，此时数码管显示为0。按下加键，向单片机P3.2引脚输入一个低电平信号，单片机改变由P1.7输出调光信号的占空比，再加载到开关管的基极控制开关管的导通与截止时间，此时数码管显示为1表示占空比增大一级LED灯亮，再按一次加键，占空比继续增大一级，此时数码管显示2，LED灯更亮了。继续按加键占空比不断增大，LED灯亮度不断增加，直至亮度达到十级。当按下减键，LED亮度减小，占空比也随之减小一级，此时数码管显示从10改变为9。再按一次减键，占空比继续减小，LED亮度减弱，数码管显示8。继续按减键，LED灯亮度不断减弱，占空比也不断减小，直至 LED灯灭，数码管显示为0。

　　图2 整机电路图

　　2 软件设计

　　软件设计完成对单片机的控制，使单片机能与外围电路一起共同实现对输入信号的处理，并输出不同的脉宽控制LED的亮度。

　　2.1 主函数程序设计

　　主函数模块主要实现定时器的初始化、更新数码管数据、判断按键是否按下、判断被按下的是哪个键、判断占空比是加一级还是减一级的功能。程序流程图如图3所示。

　　图3 主程序流程图

　　2.2 定时器中断服务程序设计

　　定时器2中断服务模块实现清除定时器2中断标志位、数码管扫描、判断占空比级数、根据级数设置占空比的功能。程序流程图如图4所示。

　　图4 定时器2中断服务程序流程图

　　2.3 数码管显示驱动程序设计

　　数码管扫描模块主要实现数据的扫描和送出，然后实现数据的显示。程序流程图如图5所示。

　　3 电路制作与调试

　　印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，它需要考虑外部连接的布局、内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助计算机(CAD)实现。

　　图5 数码管显示驱动程序

　　3.1 PCB板的设计与制作

　　Protel 99SE是由澳大利亚ProklTechnology公司基于Windows环境下研制开发的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。

　　Protel 99SE由电路原理图设计(Advanced Schematic)和多层印刷电路板设计(Advanced PCB)两大部分组成。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器(Schematic)和元器件编辑器(Schematic Library)。它具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位设计软件，可以完成原理图、印制板设计、可编程逻辑器件设计和仿真等，可设计32个信号层、16个电源/地层和16个加工层。

　　3.2 电子调光电路的装配

　　电子调光系统的电路装配流程：根据在仿真软件上画出的电路图，确定元器件，找到对应位置，进行焊接。分立元器件的装配工艺步骤和印制电路板上的常用元器件的焊接工艺如下所述。

　　分立元器件的装配工艺步骤如下：

　　(1) 焊前准备：器件引线表面清洁，搪锡;

　　(2) 焊件装配：元器件插装在电路板上，贴紧;

　　(3) 加热焊接：用加热器对印制板焊盘、器件引脚、焊料进行加热，熔化的焊料将引脚焊盘焊接在一起;

　　(4) 焊后清洁：用无水酒精或者香蕉水清洁焊点周围。不合格的焊点要做补焊和清洁两道处理;

　　(5) 质量检验：外观和电气性能测试。

　　印制电路板上常用元器件的焊接工艺如下：

　　(1) 电阻器的焊接。按图将电阻器准确地装入规定位置，并要求标记向上，字向一致。装完一种规格再装另一种规格，尽量使电阻器的高低一致。焊接后将露在印制电路板表面上多余的引脚齐根剪去。

　　(2) 电容器的焊接。将电容器按图纸要求装入规定位置，并注意有极性的电容器其“+”与“-”极不能接错。电容器上的标记方向要易看得见。先装玻璃釉电容器、金属膜电容器、瓷介电容器，最后装电解电容器。

　　(3) 二极管的焊接。正确辨认正负极后按要求装入规定位置，型号及标记要易看得见。焊接立式二极管时，对最短的引脚焊接时，时间不要超过2 s。

　　(4) 三极管的焊接。按要求将e、b、c三根引脚装入规定位置。焊接时间应尽可能的短些，焊接时用镊子夹住引脚，以帮助散热。焊接大功率三极管时，若需要加装散热片，应将接触面平整，打磨光滑后再紧固，若要求加垫绝缘薄膜片时，千万不能忘记管脚与线路板上焊点需要连接时，要用塑料导线。

　　(5) 集成电路的焊接。将集成电路插装在印制线路板上，按照图纸要求，检查集成电路的型号、引脚位置是否符合要求。焊接时先焊集成电路边沿的2只引脚，以使其定位，然后再从左到右或从上至下进行逐个焊接。焊接时，烙铁一次沾取锡量为焊接2～3只引脚的量，烙铁头先接触印制电路的铜箔，待焊锡进入集成电路引脚底部时，烙铁头再接触引脚，接触时间以不超过3 s为宜，而且要使焊锡均匀包住引脚。焊接完毕后要查一下，是否有漏焊、碰焊、虚焊之处，并清理焊点处的焊料。

　　3.3 电子调光电路的测试

　　本设计硬件电路焊接成功后，将程序烧录到单片机中，按下按键以实现调光功能。使用万用表实时检测 LED两端电压值如表1，表2所示。亮度变化如图6所示。随调光等级变化LED亮度在不断变化。经过调试，调光控制器达到预先设计的要求，能够实现调光控制，调光效果令人满意。

　　图6 电子调光器调试图

　　表1 调光等级递增时LED两端电压值

　　[调光等级\&0\&1\&2\&3\&4\&5\&6\&7\&8\&9\&10\& 电压值 /V\&0 \&0.19\&0.30\&0.44\&0.60\&0.75\&0.91\&1.00\&1.20\&1.41\&1.40\&]

　　表2 调光等级递减时LED两端电压值

　　[调光等级\&10\&9\&8\&7\&6\&5\&4\&3\&2\&1\&0\& 电压值 /V\&1.40\&1.40\&1.20\&1.00\&0.90\&0.70\&0.60\&0.44\&0.30\&0.18\&0\&]

　　4 结语

　　本文讲述了一款基于单片机的LED调光控制器的软硬件设计过程和电路的制作和调试过程，所做LED调光控制器结构简单，易于实现，对LED调光控制的工程应用具有一定的参考价值。

　　参考文献

　　[1] 梁炳东.单片机原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2009.

　　[2] 何立民.单片机高级教程应用于设计[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2007.