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1、摘 要本文介绍了一种大功率LED智能控制电路。作为现代LED照明系统不可或缺的一部分，本智能控制电路成功地实现了针对对恒压输出反激式拓扑结构的恒压-恒流的DC-DC转换的应用，并借助单片机与上位机的串口通信功能，借助软件编程，实现了对LED照明的智能控制。该LED控制电路调试成功，有效解决了对大功率LED调光能量分配不均以及恒流输出和效率矛盾的问题。关键词：LED照明，智能控制，串口通信，DC-DCABSTRACTA power LED intelligent control circuit is presented in this paper . As an indispensable pa
2、rt of contemporary LED lighting system , this intelligent control circuit successfully achieved the conversion from constant-voltage input to constant-current output applying in flyback topologic structure with constant-voltage output and , with the help of serial communication between MCU and PC ,
3、it realized the intelligent LED lighting control with software programming. The successful debugging results of the LED intelligent-controlled circuit successfully solve the problem that energy dissipation is not properly propagated in light dimming and the conflict between constant-current output a
4、nd high efficiency of power consume .Key words: LED lighting, Intelligent control, Serial communication, DC-DC目 录第1章 引言11.1本课题研究目的和意义11.2国内外研究动态21.3本文的主要工作2第2章 调光控制原理和元件选择32.1 LED路灯电源调光控制原理32.1.1 LED发光原理32.1.2白光LED的基本参数及特性52.1.3白光LED的可调光特性72.2常用LED调光技术72.2.1 PWM调光72.2.2模拟调光92.2.3数字调光10第3章 PWM调光电路的设计
5、与实现133.1课题方案选择133.2功耗分析与元器件选择143.3电源电路实现153.4程序下载电路163.5 MCU主电路183.6串口通信控制电路213.6.1串口通信基本原理213.6.2单片机串口通信原理233.6.3串口电路设计233.7 调光控制输出电路243.7.1芯片特点243.7.2芯片原理253.7.3设计考虑303.7.4第二级LM3404HV参数及外围电路设计32第4章 程序设计354.1开发环境354.2程序烧录软件364.3串口操作软件374.4主程序394.5调光控制程序39第5章 电路制作调试及测试425.1 PCB的设计制作425.1.1电源、地线的处理42
6、5.1.2数字部分与模拟部分的共地处理425.1.3信号线布在电源（地）层上425.1.4大面积导体中连接腿的处理435.1.5设计规则检查（DRC）435.2 电路的调试445.3 电路的测试445.3.1基本功能测试445.3.2串口通信测试455.3.3效率测试45第6章 结束语47参考文献48致 谢49附录50外文资料原文52外文资料译文55第1章 引言1.1本课题研究目的和意义LED照明具有节能、寿命长、环保等优点，是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。应用半导体PN结发光原理制成LED问世于20世纪60年代初， 90年代以来，随着以氮化镓为代表的第三代半导体的兴起，白色发光二极管
7、的研制成功，使实现半导体LED照明成为可能。大功率白光LED照明已经成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次飞跃，国际上LED照明产业近年来保持40%的增长速度，其经济和社会意义巨大。对于半导体照明，大家都十分关注LED光效和光衰、寿命等特性。例如，前期大家有个不成文的共识，即LED单管的光效小于80lm/W的就不用来做路灯，对于符合光效要求而推上市场的LED路灯产品，的确也曾因为光衰的问题没用多长时间便从灯杆上撤换了下来，至今大家仍然特别关注这两个问题。事实上，半导体照明发展到今天，光效已经由2001年标准型白光led(20mA)发光效率25lm/W，发展到了2009年初Nichia发表
8、的白光LED在20mA电流下，其发光效率可达249lm/W，为目前业界之最。高功率白光LED(350mA)发光效率也由2004年约30lm/W，发展到2008年年底Cree发表的161lm/W产品，目前为业界之最。现在无论LED光效还是光衰，都有了根本性的改善。目前发展半导体照明产业的问题是：LED灯具用电源|稳压器和控制电路、LD(半导体激光器)照明和半导体照明配套政策必须引起我们的高度重视。 电源可靠性和控制电路是LED照明推广的根本保证。 假设高压钠灯和LED路灯的光效都是100lm/W，由于LED路灯的指向性强，在同样的路面照度下，可以节约电力50%(和白炽灯相比可以节电80%)左右，
9、这一特性已经被大家所知晓。但是LED路灯的另一些优于高压钠灯的特性，还没有引起大家的注意和利用，其中很显著的一个方面就是通过控制电路对亮度的可控特性和LED灯的瞬间启动特性等还没有得到广泛的应用。我们利用这些特性，通过控制电路可以实现分时的亮度控制和必要时的开启，这样可以实现再节电50%的指标，使LED路灯的节能效果进一步提升。在夜间，根据行人的多少和自然环境的具体条件，我们可以分时间段控制LED路灯的不同亮度，或者直接关闭，实现LED路灯的进一步节能。因此，针对上诉问题，本文设计出一种可通过在线重置调光参数的LED电源控制电路，并设计出一种备选方案。1.2 国内外研究动态LED智能照明系统充
10、分利用电子技术、通信技术和计算机网络技术将建筑物内的各种LED照明器具有机的连接在一起，实现有效的管理和控制。业界主流LED控制系统包括串行控制系统和现场总线控制系统。串行控制的优点是成本低，控制简单，不需要设置地址，但它信号线过多，对于一些稳定性、可靠性要求不是很高的项目可以采用此种控制方式。而出于对控制精度和智能化的进一步要求，国内外许多公司都致力于开发利用更为有效的控制方式。例如USITT（美国剧院技术协会）把Colortran 公司的CMX192中的Band rate 从153.6Kbit/s提升至250Kbit/s及192CH变为512CH。它的广泛使用是由于结构简单、成本低、容易理
11、解等，各大厂商先后把DMX512接口加到产品上。国内在这方面起步较晚，但现在许多公司、研发机构和学校都在积极开展这方面的研究。1.3 本文的主要工作当前市场上LED照明在电能使用效率上竞争越来越激烈，市场上有些公司作出的无调光控制功能的LED效率竟高达90%，而谐振式恒流输出开关电源在实验室条件下效率仅为87%，低于恒压输出的93%，而LED照明亮度的一致性又要求必须恒流输出。在这种两难的境地下，两级式开关电源方案被提了出来。而本文也就主要通过分析LED大功率照明调光方式和方法，设计出满足调光，DC-DC转换，人机交流功能的后级控制电路。第2章 调光控制原理和元件选择所谓LED照明，是指用半导
12、体发光二极管作为光源的固态照明。在应用于路灯照明、生活照明等情况下，就需要采用大功率的白光LED，因为它们的亮度更高。而所谓大功率LED调光，既是通过控制电路对电源输出电流大小进行调节从而达到调节大功率LED发光亮度的目的的过程。2.1 LED路灯电源调光控制原理2.1.1LED发光原理 发光二极管是由III- IV族化合物，如GaAs（砷化镓）,GaP（磷化镓），GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的1，其核心是PN结，因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止，击穿特性。此外，在一定条件下，它具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数
13、载流子一部分与多数载流子复合而发光。如下图所示： 图2-1 LED发光原理真正发射白光的LED是不存在的，这样的器件非常难以制造，因为LED的特点是只发射一个波长，白色并不出现在色彩的光谱上，因此一般的替代方法是利用不同波长合成白色光。目前所使用的白光LED生产技术，主要可分为单晶型和多晶型两种2，各技术特征简述如表2-1所示：表2-1 白光LED的发光方式方式激发源发光元素与荧光材料白光产生方式单晶型蓝色LEDInGaN/YAG 黄色荧光体以蓝色激发发黄光之荧光体紫外光（UV）LEDInGaN/RGB 三波长荧光体以UV激发RGB荧光体多晶型红色/蓝色/绿色LEDInGaN、AlInGaP、
14、AlGaAs组合红绿蓝三原色LED蓝绿色/琥珀色LEDInGaN、AlInGaP、GaP组合互补两色LED（一）单晶型（1）蓝色LED发黄光的荧光粉其原理是利用蓝光照射黄光荧光粉产生黄光后与未被吸收的蓝光混合产生出肉眼可见的白光。这是目前最常用的白光生产技术，但是用蓝光LED来发白光的方式的发光效率仍然不足，许多厂商开始向另外一个方向就是往紫外光LED来发展。（2）紫外光LEDRGB三波长萤光粉和荧光灯的发光原理相似，这种发光方式利用RGB三色荧光粉在被紫外光或者近紫外光激发后产生RGB三原色的光来混合产生出白光。其发光光谱和蓝色LED黄光荧光粉相比要宽的多，而且其发光效率要比蓝光好上许多。这
15、种方法的关键技术在高效率的荧光体合成法，也就是如何把荧光粉有效的附着在晶粒上的一项技术。（二）多晶型即使用两个或两个以上的互补的2色LED发光二极管或把3原色LED发光二极管做混光而形成白光。采用多晶型的产生白光的方式，因为不同的色彩的LED发光二极管的驱动电压、发光输出、温度特性及寿命各不相同，因此在使用多晶型LED发光二极管的方式产生白光，比单晶型LED产生白光的方式复杂，也因LED发光二极管的数量多，也使得多晶型LED的成本亦较高；若采用单晶型，则只要用一种单色LED发光二极管元素即可，而且在驱动电路上的设计会较为容易。因此，现在很多厂商均把单晶型LED作为白光LED发展方向。图2-2给
16、出了大功率白光LED的封装结构及实物图。 图2-2 大功率白光LED的封装结构（左）及实物（右）图2.1.2 白光LED的基本参数及特性1、离散的电学特性图2-3 不同白光LED的正向I-V曲线因为驱动电路简单，单晶型白光LED成为了现行市场的主流产品。单晶型白光LED使用的发光晶粒晶粒材料都是宽带隙化合物半导体材料（包括蓝光，紫外或者近紫外光发光晶粒），因此白光LED的正向导通压降比普通的有色LED要高。红光、黄光LED驱动电压在1V2V左右。而在正向电流为15mA的情况下，蓝白光LED正向电压却可以达到3V4V之间。而且即使在同一正向电压下，流过蓝白光LED的电流也会有很大的离散性。图2-
17、3中是6个从同类产品中随机挑选出来的样品进行测试而得到的I-V曲线3。从图中我们可以明显看出来，如果采用单一电压驱动这样的六颗LED，正向电流将会从5mA到15mA（3.2V电压下）摆动。2、发光特性调节白光LED的发光亮度，其实质是改变它的输出光通量的大小。图2-4所示为美国Lumileds Lighting公司1瓦大功率白光LED（Luxeon Star）4在25时光通量与其正向电流的关系曲线。从图中我们不难发现，LED的输出光通量基本上成正比关系地受平均电流地控制，因此我们能够简单地通过调节LED的正向电流来调节其输出光通量，也就是调节其发光亮度。图2-4 Luxeon Star在25时
18、光通量与其正向电流的关系曲线2.1.3 白光LED的可调光特性 我们已经知道了白光LED的电学特性具有很大的离散性，白光LED的发光亮度由驱动电流决定，要准确地控制LED亮度，驱动器就必须能够提供准确恒定的电流而不是准确恒定的电压。因此，LED一般采用恒流源驱，同时多个LED应串联，以保证各个LED具有相同的驱动电流，从而保证各个LED发光亮度一致。而通过控制电源驱动级的输出电流就可以实现控制LED亮度的目的。2.2常用LED调光技术要对LED光亮度进行调节，也就是根据不同的应用场合LED亮度能作出相应地变化。这也就意味着，白光LED的驱动器需要能够支持LED光亮度的调节功能，也就是具有输出电
19、流调节功能。目前调光技术主要有三种：PWM调光、模拟调光以及数字调光5。2.2.1 PWM调光PWM Dimming (脉宽调制) 调光方式这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED的调光技术。系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光LED的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高。多数厂商的驱动器都支持PWM调光。图2-5：PWM调光示意图在PWM调光中，LED正向电流以受控的占空比（DDim）进行开关（ON/OFF），以达到想要的亮度级别。DDim的动态范围定义了调光配置所能实现的最大亮度级别。如前所述，LED亮度与L
20、ED正向电流成比例，因此，在使用PWM调光配置时所得到的最高和最低LED电流平均值分别由式(2-1)和式(2-2)表示。 (2-1) (2-2)其中，ILED为LED电流，ILEDMax为LED电流的平均最高值，ILED_Min为LED电流的平均最低值，Ddim_Max为最大调光占空比，Ddim_Min为最小调光占空比。因此，最高和最低LED明亮的比率，又被看作PWM调光范围，用式(2-3)表示。 (2-3)式(2-3)表示PWM调光范围与最大、最小调光占空比之间的关系。对于给定的调光频率FDim，Ddim_Max表示最大占空比，即LED电流在下一个调光周期开始前，从所需的正向电流降低至零的时
21、间；Ddim_Min表示最小占空比，即LED电流由零升至所需的正向电流(IF)的时间。在PWM控制使能调光中，LED电流的开关是通过把开关稳压器或者电源FET驱动器设置成使能(Enable)或失效(Disable)来实现的。使能调光的缺点是调光延迟较大，调光延迟比较大，如果增加调光频率，会明显降低调光范围，如果利用调光信号去开关电源驱动器，而不是去开关稳压器，则可以消除这种延迟。因此如图2-5所示，PWM调光信号通常加在FET驱动器上。但是，PWM 调光有其劣势。主要反映在：PWM调光很容易使得白光LED的驱动电路产生人耳听得见的噪声（audible noise 或者 microphonic
22、noise）。通常开关电源式的白光LED驱动器其开关频率都在几百KHz甚至上1MHZ左右，因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。但是当驱动器进行PWM调光的时候，如果PWM信号的频率正好落在200Hz到20kHz之间，白光LED驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。因此，PWM调光频率要避免使用20kHz以下低频段。 2.2.2 模拟调光图2-6 buck型开关调节器图2-7 boost型开关调节器相对于PWM调光，在开关调节器中（如2-6和图2-7所示），如果能够改变与LED串联的Rs的电阻值，同样能够改变流过白光LED的电流，从而改变LED的发光亮度。这种调光技
23、术为模拟调光。 模拟调光最大的优势是它避免了由于调光时所产生的噪声，由于不存在PWM频率，因此调光不会引起变压器音频噪声，此外调光不会与垂直同步频率发生干扰。在采用模拟调光的技术时，LED的正向导通压降会随着LED电流的减小而降低，使得白光LED的能耗也有所降低。但是区别于PWM调光技术，在模拟调光时白光LED驱动器始终处于工作模式，并且驱动器的电能转换效率随着输出电流减小而急速下降。所以，采用模拟调光技术往往会增大整个系统的能耗。模拟调光技术还有个缺点在于发光质量。由于它直接改变白光LED的电流，使得白光LED的白光质量也发生了变化。同时，由于模拟调光的调光方式所限，在使用智能控制期间进行调
24、光控制时更难于进行精确地掌控。2.2.3 数字调光除了PWM调光，模拟调光，目前有些专用LED驱动IC支持数字调光，这是一种间接的调光方式。具备数字调光技术的白光LED驱动器会有相应的数字接口。该数字接口可以是SPI、I2C、或者是单线式数字接口。系统设计者只要根据具体的通信协议，给驱动器一串数字信号，就可以使得白光LED的光亮发生变化。由于采用分离器件搭建的电路参数复杂而且电路难调，因此以专用电源管理IC为核心，配合适当的外围分离元器件实现的电源管理电路方案显得更加合理，而且性价比更高。因此针对提供调光数字接口的LED驱动IC设计调光外围电路也就显得更为合理和有效。当今市场上主流的LED驱动
25、IC大多提供有直接供数字调光的引脚，通过对此引脚输入一串数字信号（PWM调光信号）即可实现调节输出的目的。下面本文将以NCP1653为例进行分析讲解。NCP1653是由安申美公司生产的一款具有PFC调制的电源管理芯片：图2-8 NCP1653典型应用电路结构从图2-8中我们可以看出，NCP1653的Drv引脚直接输出在开关FET上，如果输出Drv为0，则开关管不导通，而如果输出Drv为1，则开关管导通，因此调节Drv输出电压占空比变化即可起到调节输出电流的目的。图2-9 Drv输出脚电压变化由于，而，因此只需调节Vcontrol的变化即可调节的变化，从而达到调节开关管道通的目的。实际的操作方案
26、是通过MCU在Vcontrol引脚输入占空比可调的PWM信号，通过对FET通断的控制控制输出电流大小，从而调节LED亮度大小。第3章 PWM调光电路的设计与实现3.1 课题方案选择前面我们讨论了，针对LED调光可供选择的现成方案有针对离散元器件电路的PWM调光和模拟调光，还有针对以专用电源IC为核心的电路的数字调光。由于采用分离器件搭建的电路参数复杂而且电路难调，因此以专用电源管理IC为核心，配合适当的外围分离元器件实现的电源管理电路方案显得更加合理，而且性价比更高。因此本课题设计的控制电路将是针对以IC核心电路的控制方案。控制级电路最初主要负责为整体电路提供PWM信号进行调光控制。最初针对谐
27、振式式开关变换器的方案为在PFC控制芯片的Vcontrol引脚输入占空比可调的方波信号从而改变该引脚的平均电压最终达到改变输出电流大小而改变LED亮度的目的。在实际应用中，谐振式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好，同时谐振式变压器开关电源的负载能力相对来说比较强，输出电压的纹波比较小。但是，正激式变换器开关电源的缺点也是非常明显的。首先它比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管。此外，正激式变压器开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于反激式变压器开关电源来说要低很多，正激式开关电源输出电压：整个周期 （3-1）反激式开关电源输出电压：K关断周期 （3
28、-2）从(3-1)和(3-2)可以明显地看出来，反激式开光电源电源更容易用PWM信号调制，因而调控占空比的误差信号幅度可以比较低，误差信号放大器的增益和动态范围也可以控制得比较小。另外，正激式变压器开关电源为了减少变压器的励磁电流，提高工作效率，变压器的伏秒容量一般都取得比较大（伏秒容量等于输入脉冲电压幅度与脉冲宽度的乘积），并且为了防止变压器初级线圈产生的反电动势把开关管击穿，正激式变压器开关电源的变压器要比反激式变压器开关电源的变压器多一个反电动势吸收绕组，因此，正激式变压器开关电源的变压器的体积要比反激式变压器开关电源的变压器的体积大6。对于用于路灯照明的LED电源模块，对于小体积和PW
29、M调节的性能要求显得更重要。因此反激式取代谐振式成为路灯照明电源的方案。然而实际测试结果表明，对于100W输出的反激式开关恒流输出电路，其输出效率仅为87%，而在加上控制电路后效率更低，而对于恒压输出电路效率却可达到93%，高能量利用效率是LED照明区别与白炽灯照明的一个显著优点，因此高效率是设计追求的一个很重要指标。然而在路灯照明系统中，为了保持在任何环境下，不管级联的LED数量的多少，都可以尽可能地保持LED亮度的恒定，因此在最后的输出需要恒流输出。因此恒流输出又是必须的。面对两难的境地，最后本课题创造性的提出两级式开关电源电路结构，前级保持恒压输出以求得高的功率利用效率，后级的控制电路同
30、时负责将前级输出通过极低功耗的DC-DC芯片转换为恒流输出，在实现恒流输出的同时求得较高的功率利用效率。另外，在实际应用中，管理员需要根据季节和天气的变化能够方便地实时对调光设置进行调节，比如在冬天的时候由于天黑得较迟，路灯系统需要较早进入亮灯状态，而在夏天则需要较晚地亮灯，以便在满足需求的同时尽可能地节约电能。通过对现在市场使用的产品进行调研发现，可行的方案主要包括以下几种：管理员通过无线网络Zigbee进行人工远程控制；光敏传感器对外界亮度进行感知，由MCU自动控制；管理员通过总线（IIC，串口通信等）通过上位机进行人工控制。本课题考虑到前面两种方案将会引入较昂贵设备，而且第二种方案完全不
31、使用人工也大大降低就业率，因此最终选择采用价格便宜，适于控制的第三种方案，采用串口通信进行控制。3.2 功耗分析与元器件选择LED照明相比于白炽灯照明的一个很显著的优点就是功耗低，功率利用效率高，具体表现在发光效率高，灯具效率高，以及电源效率高。事实上，半导体照明发展到今天，光效已经由2001年标准型白光led(20mA)发光效率25lm/W，发展到了2009年初Nichia发表的白光LED在20mA电流下，其发光效率可达249lm/W，为目前业界之最7。高功率白光LED(350mA)发光效率也由2004年约30lm/W，发展到2008年年底Cree发表的161lm/W产品，目前为业界之最。现
32、在无论LED光效还是光衰，都有了根本性的改善。而提高LED整体效率的关键和核心竞争点就在于电源效率了。因此后级控制电路应该尽可能小的引入功耗，将功率利用效率保持在较高的范围内。表 3-1 各种常用灯类发光效率比较不同灯种白炽灯卤钨灯荧光灯瓦钠灯LED发光效率12-24流明/瓦12-24流明/瓦50-70流明/瓦90-140流明/瓦50-200流明/瓦现今市场上，在没有引入控制级电路的情况下，LED的电源效率通常高达90%，一个18W的LED日光灯只要20W的输入功率。功率因素也可以达到0.9以上。而且甚至有些公司（比如东莞石龙富华电子有限公司地UEL300系列）效率可高达95%，所以在市场竞争
33、极其激烈的情况之下，保持整体电路的高效率是必须的。前级恒压输出效率可达93%，因此在不考虑控制电路的情况下还是不错的，所以控制电路设计的一个核心就在于选择自身功耗极小的元器件，尽可能小的引入元器件功耗。本电路主要包括电源电路，程序下载电路，MCU主电路，调光控制输出电路，串口控制电路，时钟产生电路（补充电路），在实际设计的时候，我都注意使用所有方案中能实现基本功能的结构最简单电路，尽可能少的使用元器件，对于不需要的芯片引脚浮空处置，不引入额外功耗。电源电路使用高效率的阻容降压电路，程序下载电路使用几乎不引入功耗的ISP下载电路，MCU选用在5V标准电压的情况下典型直流输出电流仅为15mA的AT
34、89S51单片机，调光控制电路选用极低功耗的LM3404DC-DC转换芯片，串口控制电路采用美信公司生产的一款兼容RS232标准的芯片MAX232，在5V电源供电情况下，典型输入电流仅有8mA，而补充的时钟/日历电路采用的是典型功耗低于5mW的ds1307时钟/日历芯片。经计算和测试均表明后级效率可以高达95%，整体效率可达到88%。3.3 电源电路实现控制部分电源要把交流220V转换为直流5V供MCU和其它外围元器件工作，考虑到整个LED驱动电路体积因素，该电源电路体积不能太大，故不能用工频变压器。另外，考虑到整个系统的效率，该部分电源电路的效率还必须高。由于控制部分的功耗不是很大，本文选用
35、阻容降压电路来提供控制部分电源。在输出电流很小的情况下，阻容降压电路效率高，工作很稳定，已被广泛应用于充电式剃须刀、手电筒等便携设备。其电路原理图如图3-1所示。图3-1 控制部分电源电路电容C1的作用为降压和限流，电阻R1为泄放电阻，其作用为：当正弦波在最大峰值时刻被切断时，电容C1上的残存电荷无法释放，会长久存在，在维修时如果人体接触到C1的金属部分，有强烈的触电可能，而电阻R1的存在，能将残存的电荷泄放掉，从而保证人，机安全。B1起整流作用。稳压管D1把输出电压稳定在5V，供MCU使用。C3、C4、C5为滤波电容，将整流后的脉动直流电压滤波成平稳直流电压。降压电容C1的取值是按照负载所需
36、电流值来设计，采用全波整流时，输出电流的大小Io与电容C1的关系式为： （3-3）其中，C1单位为uF，Io单位为mA。图3-2 电源电路实物图3.4 程序下载电路早些时候，在开发MCS-51系列单片机的时候，需要高价购买编程器，但是编程器价格昂贵，常见51单片机编程器价格浮动在50-200元之间，而且编程器需要将单片机从电路中取下插入编程器中待程序下载完成之后再重新插入电路中，十分麻烦，这样的操作也只适合于新手上路时学习单片机，对于需要在生产制造中重复检测程序并修改的实际工业生产，以及在使用中随时可能根据情况变化修改程序的实际使用，编程器是不适用的。近年来，随着ISP（In-System P
37、rogramming）技术的出现，开创了一种全新的单片机开发过程8。ISP是指在线编程或在线下载，有了这种技术，技术员和工程师就可以在计算机控制下，随心所欲把程序在线下载到目标芯片中。而且成本也大大降低，ISP在线编程组件的制作成本可以控制在10元以内。ISP下载基于串行传输方式，并且符合SPI协议。在SPI协议中，数据的接受与发送是同步进行的，即在同步时钟的作用下，在发送数据的同时也接受数据。AT89S51单片机的ISP引脚共有4个：RST，MOSI，MISO和SCK。各引脚的功能如下：RST为在线编程输入引脚端，仅在ISP下载过程中保持高电平，在系统正常工作时该引脚为系统复位端，保持低电平
38、状态。MOSI为主机输出/从机输入的数据端，系统正常工作时，该引脚为通用I/O P1.5口线。MISO为主机输入/从机输出的数据端。系统正常工作时，该引脚为通用I/O P1.6口线。SCK为串行编程的时钟端，可实现主从机时序的同步，该时钟频率不得超过系统时钟的1/16。系统正常工作时，该引脚为通用I/O P1.7 口线，AT89S51单片机的引脚功能如图3-3所示。图3-3 AT89S51单片机ISP引脚功能图AT89S51单片机的在线编程（ISP）电路设计如下：计算机并行接口共有25个口线，主要包括数据端口D0-D7（端口发地址为378H，用于数据输出）；状态端口Busy,nAcK,PE,S
39、elect,nError（端口地址为379H，用于数据输入）；控制端口nSelin,nInit,AnrtoFeed,nStrobe（端口地址为37AH,用于输出控制）。从中选出四个口线来模拟ISP所需的引脚，非常灵活，只需考虑数据的输入，输出方向和操作方便，但要注意同一端口的数据方向必须一致，例如数据端口是8位同时操作的，只能全部作为输入或者输出，而不能将一部分作为输入，另一部分作为输出。电路图3-4可实现ISP下载：图3-4 ISP下载电路该电路在计算机并行接口部分，用第6脚模拟SCK，第7脚模拟MOSI，第9脚模拟RST，第10脚模拟MISO。3.5 MCU主电路MCU(MicroCont
40、rollerUnit)中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。当前市场上单片机种类繁多，功能和使用场合各有不同，经过网络查询和销售公司网络咨询，发现当前市场上最常见最普遍的单片机型包括ATMEL公司生产的51系列单片机，Microchip公司推出的PIC系列单片机，德州仪器公司生产的msp430单片机，ATMEL公司生产的AVR系列单片机，这几种系列使用广泛，产量巨大，在互联网上
41、有大量的相关学习资料和网络论坛，因此学习和使用相对更加方便，出现问题也更容易找到解决的办法。PIC单片机采用精简指令集（RISC），数据线和指令线分离，使得取指令和取数据可同时进行，且由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度亦更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。其中，PIC12C508单片机仅有8个引脚，是世界上最小的单片机，图3-5 世界上最小的单片机PIC12C508外型PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用
42、要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个型号，可以满足各种需要。然而也正是因为PIC单片机种类繁多，各种类之间功能，结构差异较大，使得学习起来非常麻烦，同时由于PIC单片机功能指向性极强，使得选型苦难，在本课题下不是非常适用。MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，与其他同类单片机相比具有极其强大的处理能力，它采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作
43、数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns9。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。同时在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。 MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态
44、时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。因此MSP非常适合用在对功能要求很高的应用场合。不过MSP单片机因为出众的性能，因此价格也很高，其各型号价格在30元至100元不等，在本课题中使用MSP430性价比显然不是最优的。片上资源丰富。MEGA系列片上具备JTAG仿真和下载功能。片内含有看门狗电路、片内程序 Flash、片内数据RAM、同步串行接口SPI、异步串口UART、内嵌AD转换器、EEPROM、模拟比较器、PWM定时计数器、TWI（IIC）总 线接口、硬件乘法器、独立振荡器的实时计数器RTC、片内标定的RC振荡器等片内外设，可以满足各种开发需求。性价比高。在高性能的前提下，并没有增加芯片的
45、价格，价格可以和51相比。但是近年来AVR由于使用者越来越多，市场逐渐出现了供不应求的趋势，因此价格持续上涨，同时订货较难；另外尽管AVR运行速度非常快，但是实际上单片机的速度并非越快越好，芯片跑的速度越快它的抗干扰能力越差，功耗越高。而且同时由于AVR单片机里没有分频的部件，所以速度就快了，但是它是以牺牲抗干扰为代价的。课题最终选择了ATMEL公司的89S51单片机，AT89S51单片机是与MCS-51系列兼容的产品，具有相同的指令集。它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器，256字节RAM，32个可编程I/O口，三个16位定时器/计数器，八个中断源
46、，工作频率可高达33MHz。该控制器在拥有这么多资源和功能的情况下，价格还很便宜，实际上51单片机几乎是当前市场上价格最便宜的单片机，完全可以胜任该LED驱动器的各种控制功能。MCU系统电路如图3-6所示。ISP下载接口用作微控制器的程序下载和调试；C2、R4一起构成了上电自动复位电路； IO口P1.3输出信号控制继电器JK1的闭合与断开，从而控制驱动电路部分的电源的开关，实现自动开关灯；IO口P2.4产生PWM信号，通过光电耦合器耦合到驱动部分控制芯片的Vcontrol进行调光，更实现了控制部分和驱动部分电气隔离，增强了控制部分的抗干扰能力。IO口P2.5 、P2.6用作设置和读取实时时钟。
47、图3-6 MCU主电路图3.6 串口通信控制电路3.6.1 串口通信基本原理串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线Universal Serial Bus或者USB混淆）。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。 串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总常不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。
