單片機課程論文-頻閃功能調(diào)光方式的設(shè)計

1、單片機原理與技術(shù)單片機原理與技術(shù) 結(jié)課論文結(jié)課論文 完成日期：完成日期：2014 年年 11 月月 11 日日 學(xué) 院：物理與材料工程學(xué)院 專 業(yè)：光電子技術(shù)科學(xué) 班 級：光電子 設(shè)計題目： 學(xué)生姓名： 教 師：馮志慶 目目 錄錄 目目 錄錄 .1 一、設(shè)計任務(wù)和要求一、設(shè)計任務(wù)和要求 .2 1.1 設(shè)計背景.2 1.2 設(shè)計任務(wù).2 1.3 性能指標(biāo).2 二、設(shè)計方案二、設(shè)計方案 .3 2.1 調(diào)光方式的設(shè)計.3 2.2 控制方式的選擇.4 2.3 單片機選型.4 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計三、系統(tǒng)硬件設(shè)計 .4 3.1 硬件總體結(jié)構(gòu).4 3.2 單片機 PIC16F873.5 3.3 單片機的附加電

2、路.5 3.4 板內(nèi)電源部分.7 3.5 系統(tǒng)的輸入部分.7 3.6 系統(tǒng)的輸出部分.8 3.7 系統(tǒng)的 485 通信部分.10 四四. .系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 .10 4.1 系統(tǒng)的補光功能的實現(xiàn).10 4.2 系統(tǒng)的頻閃功能的實現(xiàn).10 4.3 系統(tǒng)的爆閃功能的實現(xiàn).11 4.4 系統(tǒng)的過熱保護(hù)功能的實現(xiàn).11 4.5 系統(tǒng)的 485 通信功能的實現(xiàn).12 五五. .系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試 .12 5.1 控制系統(tǒng)電路的調(diào)試.12 5.2 控制系統(tǒng)與系統(tǒng)電源、LED 燈盤的聯(lián)接調(diào)試.13 六六. .心得體會心得體會 .15 七七. .參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .15 一、設(shè)計任務(wù)和一、設(shè)計任務(wù)和

3、要求要求 1.11.1 設(shè)計背景設(shè)計背景 隨著半導(dǎo)體照明光源光效的不斷提升和成本的不斷下降，半導(dǎo)體照明的應(yīng) 用越來越廣泛，對半導(dǎo)體照明燈具的調(diào)光和智能控制也成為一個熱門的研究課 題。與傳統(tǒng)照明燈具相比，發(fā)光二極管作為半導(dǎo)體器件，在照明領(lǐng)域的調(diào)光和 智能控制方面具有不可比擬的先天優(yōu)勢。本論文的主題是設(shè)計一個可靠的智能 LED 頻閃/爆閃補光燈控制系統(tǒng)。系統(tǒng)將智能監(jiān)控系統(tǒng)的攝像拍照閃光功能與低 照度下自動補光功能結(jié)合起來，并能夠與上位機通信，實現(xiàn)上位機對系統(tǒng)的設(shè) 置和控制。 1.21.2 設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù) （1）介紹 LED 調(diào)光的各種方法和特點。為系統(tǒng)的功能選擇合適的調(diào)光方案： 補光和頻閃功能選

4、擇脈沖寬度調(diào)制調(diào)光方案；爆閃功能選擇模擬調(diào)光方案。 （2）結(jié)合單片機和電子電路理論，以單片機 PIC16F873 為核心控制芯片搭 建電路。 （3）設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)各功能的軟件：使用 MPLAB 軟件，充分考慮了軟件調(diào)試 和升級的需要，以 C 語言編寫了程序。 （4）完成控制系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試和頻閃/爆閃補光燈的組裝調(diào)試。 1.31.3 性能指標(biāo)性能指標(biāo) LED 頻閃補光燈應(yīng)用于道路或路口監(jiān)控，起到低照度下自動補光、外部頻 閃信號輸入時頻閃、外部爆閃信號輸入時爆閃、多臺燈具可級聯(lián)同步工作以及 與上位 PC 機之間實現(xiàn)串口通信等功能。具體功能如下： （1）頻閃觸發(fā)與抓拍主機頻閃信號輸出相連，通過頻閃信

5、號控制 LED 燈的 一定頻率的亮滅，達(dá)到同步為視頻補光的效果，同時人眼辨識出的是 LED 燈常 亮狀態(tài)。輸入信號為低電平脈沖，每輸入一個低電平脈沖，則頻閃燈爆閃一次。 輸入信號由外部的攝像機或其他設(shè)備提供。 （2）某些場合需多個頻閃燈同步工作，所以在燈具上需提供一個同步的頻 閃輸出信號，頻閃同步輸出功能用于一臺抓拍相機對應(yīng)多個閃光點的情況，該 頻閃同步輸出信號可作為另一臺頻閃燈的頻閃輸入信號，達(dá)到多車道同步補光 的效果。 （3）爆閃觸發(fā)與抓拍主機爆閃信號輸出相連，通過爆閃信號控制 LED 燈瞬 間的高亮，達(dá)到同步為圖片抓拍補光的效果。輸入信號為低電平脈沖，每輸入 一個低電平脈沖，則頻閃燈爆閃

6、一次。輸入信號由外部攝像機或其他設(shè)備提供。 （4）提供 RS485 通信功能，可對閃光燈內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 二、設(shè)計方案二、設(shè)計方案 2.12.1 調(diào)光方式的設(shè)計調(diào)光方式的設(shè)計 2.1.12.1.1 頻閃功能調(diào)光方式的設(shè)計頻閃功能調(diào)光方式的設(shè)計 頻閃通過控制 LED 回路的通斷來實現(xiàn)。因此 PWM 調(diào)光成為唯一合適的選擇。 圖 1 頻閃 PWM 調(diào)光電路方案設(shè)計 該功能由圖 1（a）所示方式實現(xiàn)。具體實現(xiàn)過程是：輸入信號中每個低電 平脈沖來臨時，經(jīng)過處理后產(chǎn)生一個輸入到控制 LED 電流回路的開關(guān)管柵極的 高電平脈沖輸出，通過控制此高電平的脈沖持續(xù)時間來控制頻閃亮度，如圖 1（b） 。 2.1

7、.22.1.2 補光功能調(diào)光方式的設(shè)計補光功能調(diào)光方式的設(shè)計 圖 2 補光功能理論框圖 補光系統(tǒng)包括三個部分：亮度檢測、信號處理和 LED 補光輸出。 此功能較易實現(xiàn)，采用脈沖寬度調(diào)制的方式。 2.1.32.1.3 爆閃功能的調(diào)光設(shè)計爆閃功能的調(diào)光設(shè)計 爆閃多用于光線較暗的場合的瞬間照明，也用于光線較亮的場合給被拍攝 對象局部補光。因為爆閃時燈具的亮度可能達(dá)到燈具正常補光或頻閃時亮度的 數(shù)倍甚至十?dāng)?shù)倍，而燈具不可能采用兩套光源和電源，因此我們在選擇光源時 應(yīng)滿足爆閃時的電壓電流條件，而頻閃和補光功能可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步設(shè) 計。 圖 3 頻閃、爆閃電路實現(xiàn) 因此，在圖 1（b）的基礎(chǔ)上改進(jìn)，在

8、原電路中加入一個分壓電阻，并加入 另一個旁路開關(guān)管，即可實現(xiàn)這個功能，電路史通恒壓源供電。 2.22.2 控制方式的選擇控制方式的選擇 由系統(tǒng)的工作原理和功能可看出，本系統(tǒng)有 2 個外部輸入信號：頻閃輸入 和爆閃輸入；一個待測信號：亮度檢測信號。輸出信號有頻閃同步輸出信號， 而系統(tǒng)控制部分必須產(chǎn)生頻閃脈沖、爆閃脈沖和補光脈沖 3 個脈沖信號提供給 控制 LED 電流回路通斷的開關(guān)管。另外，系統(tǒng)還要實現(xiàn)與上位 PC 機 deep 單片 機通信。控制部分的功能比較簡單，因此本方案采用成本低廉、靈活易用的單 片機進(jìn)行控制。 2 個外部輸入信號頻閃輸入和爆閃輸入因為是低電平脈沖信號，因此可使 用單片機

9、的外部中斷功能進(jìn)行處理。亮度檢測信號是模擬量，需進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換再 交由單片機進(jìn)行處理。 2.32.3 單片機選型單片機選型 選擇 PIC 單片機作為本系統(tǒng)的控制器件。 PIC 單片機采用了精簡指令集，指令具有單字節(jié)、兩級流水線結(jié)構(gòu)的特點。 另外，與其他公司的同類產(chǎn)品相比，其功耗高、驅(qū)動能力大、外圍模塊設(shè)計方 便快捷等特點使其成為了一款方便實用的高性價比單片機。 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計三、系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.13.1 硬件總體結(jié)構(gòu)硬件總體結(jié)構(gòu) 硬件總體設(shè)計框圖如圖 4 所示，系統(tǒng)外置了 220VAC-20VDC 的轉(zhuǎn)換電源。因 此系統(tǒng)采用 20V 直流供電。LED 燈盤采用 30 顆單顆 3W 的高亮

10、度 LED 燈珠，其 最大正向電流可達(dá) 1500 毫安。30 顆 LED 光源采用 5 并 6 串的方式連接，單顆 LED 燈珠的額定電壓為 3.3V。 圖 4 系統(tǒng)硬件總體理論框圖 單片機的輸出部分包括 4 個部分：補光脈沖輸出、頻閃脈沖輸出、爆閃脈 沖輸出和頻閃同步信號輸出。 3.23.2 單片機單片機 PIC16F873PIC16F873 在 PIC 單片機系列中，PIC16F873 屬于中檔單片機，采用 28 腳貼片封裝。 其各引腳及名稱如圖 5 所示。 圖 5 PIC16F873 的引腳圖 3.33.3 單片機的附加電路單片機的附加電路 為了保證單片機的正常工作和電路的穩(wěn)定工作，附加

11、電路是必不可少的部 分，附加電路包括單片機的時鐘振蕩電路、單片機的程序?qū)懭腚娐?、單片機的 過熱保護(hù)電路和單片機工作指示燈電路。 3.3.13.3.1 單片機的時鐘振蕩電路單片機的時鐘振蕩電路 PIC 單片機可工作與 4 種振蕩模式下。用戶可通過對系統(tǒng)配置字中的 FOSC1 和 FOSC0 兩位的編程來選擇 4 種振蕩模式中的一種。這四種振蕩模式為： LP、XT、HS、RC。 圖 6 單片機的時鐘振蕩電路 3.3.23.3.2 單片機的程序在線調(diào)試電路單片機的程序在線調(diào)試電路 圖 7 單片機的在線調(diào)試電路 3.3.33.3.3 單片機的工作指示燈電路單片機的工作指示燈電路 為了方便調(diào)試和觀察，在

12、電路中設(shè)計了一個指示燈以監(jiān)測單片機的工作狀 況。 圖 8 單片機的工作指示燈電路 3.3.43.3.4 單片機的過熱保護(hù)電路單片機的過熱保護(hù)電路 圖 9 單片機的過熱保護(hù)電路 3.43.4 板內(nèi)電源部分板內(nèi)電源部分 因為整個電路采用 20V 直流供電，而單片機及各外圍芯片均需要 5V 直流供 電，所以在板上需要一個電源模塊將 20VDC 轉(zhuǎn)換為 5VDC。 圖 10 BUCK 型電壓轉(zhuǎn)換器的基本電路 圖 11 電路的板內(nèi)電源電路 3.53.5 系統(tǒng)的輸入部分系統(tǒng)的輸入部分 系統(tǒng)的輸入部分由頻閃信號輸入、爆閃信號輸入和亮度檢測信號輸入 3 部 分組成。 3.5.13.5.1 系統(tǒng)的頻閃和爆閃信號

13、輸入電路系統(tǒng)的頻閃和爆閃信號輸入電路 圖 12 系統(tǒng)的頻閃、爆閃輸入電路 3.5.23.5.2 系統(tǒng)的亮度檢測信號輸入電路系統(tǒng)的亮度檢測信號輸入電路 圖 13 系統(tǒng)的亮度檢測信號輸入電路 3.63.6 系統(tǒng)的輸出部分系統(tǒng)的輸出部分 系統(tǒng)的輸出部分由補光、頻閃和爆閃輸出電路和系統(tǒng)的頻閃同步輸出電路 組成。 3.6.13.6.1 系統(tǒng)的補光、頻閃和爆閃輸出電路系統(tǒng)的補光、頻閃和爆閃輸出電路 圖 14 系統(tǒng)的補光、頻閃和爆閃輸出電路 圖 15 系統(tǒng)的爆閃輔助電路 3.6.23.6.2 系統(tǒng)的頻閃同步輸出電路系統(tǒng)的頻閃同步輸出電路 圖 16 系統(tǒng)的頻閃同步輸出電路 3.73.7 系統(tǒng)的系統(tǒng)的 4854

14、85 通信部分通信部分 圖 17 系統(tǒng)的 485 通信電路 四四. .系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 4.14.1 系統(tǒng)的補光功能的實現(xiàn)系統(tǒng)的補光功能的實現(xiàn) 圖 18 補光程序流程 4.24.2 系統(tǒng)的頻閃功能的實現(xiàn)系統(tǒng)的頻閃功能的實現(xiàn) 圖 19 頻閃中斷程序流程 4.34.3 系統(tǒng)的爆閃功能的實現(xiàn)系統(tǒng)的爆閃功能的實現(xiàn) 圖 20 爆閃中斷程序流程 4.44.4 系統(tǒng)的過熱保護(hù)功能的實現(xiàn)系統(tǒng)的過熱保護(hù)功能的實現(xiàn) 圖 21 系統(tǒng)的溫度讀取子程序流程 4.54.5 系統(tǒng)的系統(tǒng)的 485485 通信功能的實現(xiàn)通信功能的實現(xiàn) 圖 22 系統(tǒng)的 485 通信程序流程 五五. .系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)試 5.15.1

15、 控制系統(tǒng)電路的調(diào)試控制系統(tǒng)電路的調(diào)試 圖 23 控制系統(tǒng)電路板 對電路進(jìn)行電氣連接方面的檢查之后，對此電路上電檢測，供電電壓為直 流 20V。電路運行正常：板內(nèi)電源模塊能夠輸出標(biāo)準(zhǔn)的 5V 直流電壓，各芯片電 源腳均可測得 5V 電壓。 將程序燒寫進(jìn)入單片機并經(jīng)過調(diào)試，控制系統(tǒng)最終實現(xiàn)了各功能。 圖 24 系統(tǒng)的補光 PWM 輸出波形 圖 25 系統(tǒng)的爆閃輸出脈沖 5.25.2 控制系統(tǒng)與系統(tǒng)電源、控制系統(tǒng)與系統(tǒng)電源、LEDLED 燈盤的聯(lián)接調(diào)試燈盤的聯(lián)接調(diào)試 智能 LED 頻閃/爆閃補光燈由 3 個模塊組成：電源模塊、控制系統(tǒng)和 LED 燈 盤。如圖 26 所示。 圖 26 智能頻閃/爆閃

16、補光燈的組成 系統(tǒng)的電源模塊采用 220VAC-20VDC 的 BUCK 型恒壓電源。輸出電壓為 20V，最大輸出電流為 5A，如圖 27 所示。 圖 27 系統(tǒng)的電源模塊 圖 28 系統(tǒng)的 LED 燈盤 圖 29 系統(tǒng)的組裝調(diào)試 經(jīng)過檢測，智能頻閃/爆閃補光燈整燈參數(shù)如表 1 所示。 表 1 智能頻閃/爆閃補光燈參數(shù) 圖 30 智能頻閃/爆閃補光燈整燈外觀 六六. .心得體會心得體會 本論文提出并設(shè)計實現(xiàn)了一種 LED 智能頻閃/爆閃補光燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng) 與頻閃/爆閃補光燈的電源模塊和 LED 燈盤共同構(gòu)成了 LED 補光燈系統(tǒng)。該系統(tǒng) 主要用于路口智能監(jiān)控系統(tǒng)中，為系統(tǒng)的視頻拍攝 heels 照片拍攝自動頻閃爆 閃補光。在本文中，闡述了系統(tǒng)的設(shè)計和軟硬件實現(xiàn)的方法，最后完成了 LED 智能頻閃/爆閃補光燈控制系統(tǒng)的電路制作、軟件調(diào)試、整燈聯(lián)接調(diào)試等工作。 通過本次鍛煉，提升了我