单片机对LED的调光控制(源码+万字报告+实物)

目 录

第一章 绪 论 5
1.1 可调光LED技术 5
1.1.1 概念与基本原理 5
1.1.2 调光技术分类 5
1.2 可调光LED特点 7
1.3 LED国发展与现状 8
1.3.1 LED发展简史 8
1.3.2 LED国内外的现状 9
1.4 课题研究背景及内容 10
1.4.1 研究背景 10
1.4.2 研究内容 10
1.5 本章小结 10
第二章 总体方案设计 12
2.1 调光LED控制的运行过程 12
2.2 总体结构框图 12
2.3 软件设计思路 13
2.4 本章小结 15
第三章 调光器方案分析 17
3.1 各个功能单元分析 17
3.1.1交流电过零点采集电路 17
3.1.2可控硅的触发信号 19
3.1.3驱动与负载电路 23
3.1.4 开关电路 24
3.1.5发光二极管 25
3.1.6 5V电压源 25
3.2 可控硅LED程序设计 26
3.2.1主程序 26
3.2.2按键扫描程序 26
3.2.3延时程序 28
3.3 本章小结 29
第四章 元器件的选择 30
4.1同步信号回路 30
4.2驱动电路 31
4.3 主控制回路 32
4.4本章小结 34
第五章 总结与展望 35
5.1 总结 35
5.2 展望 35
致谢 37
参考文献 38
附录A：硬件设计原理图与PCB图 40
附录B：软件程序清单 42

第一章 绪 论

1.1 可调光LED技术
1.1.1 概念与基本原理
可调光技术的发展可以说是飞快的，而且以后的发展空间是非常巨大的。可以说可调光技术对于人类的未来发展起着非常重要的作用。可调光技术已经进入了农业、工业、航天、航海等许多重大领域，并且发挥着不可代替的巨大作用。可调光技术简单的来说就是利用调光器对灯光进行控制。调光器就是一种用来调节电光源的照明亮度和光通量的照明配件。调光器的应用范围十分广泛：普通家庭照明、酒店宾馆照明、工业照明、娱乐场所照明、甚至航天照明等。
调光的基本原理基本都是通过利用各种方法来改变电光源的输入电流的大小，以实现不同光照强度的输出。其方法大致有两种：一是改变加在负载（LED）上的电压幅值的大小，二是控制电流流过负载时间的长短。一种是改变了实际电流的有效值大小，另一种是在交流电的半波周期内控制电流的导通时间或者导通次数来实现照明控制。基于单片机[4]的LED调光技术简单的来说就是过单片机来控制晶闸管（SCR）及可控硅的导通来实现对灯的控制。随着LED灯的发展，通过可调光控制器来实现对LED的控制成为人们研究的重点。可控硅的特点是导通后即使触发信号去掉，它仍将保持导通；当负载电流为零(交流电压过零点)时，它会自动关断[5]。所以需要在交流电的每个半波期间都要送出触发信号，触发信号的送出时间就决定了灯泡的亮度。调光的实现方式就是在过零点后一段时间才触发双向可控硅开关导通，这段时间越长，可控硅导通的时间越短，灯的亮度就越低；反之，灯就越亮。
1.1.2 调光技术分类
调光技术根据调光器的不同有很多种的类别，具体分类如下。直流调光和交流调光是按照由于其提供的电源不同而进行分类的；还有幅值调光与相位调光，其分类原理是控制方式的不同；按照开关器件的种类不同可以分为有源调光和无源调光；按照光线变化的级别可以分为分段调光和无极调光，按照负载类型可以分为对电光源的直接调光和对照明控制器的间接调光等[6]。下面对调光器的分类作综合介绍。
（1）调幅式调光包括：可变电阻器调光、自耦调压器调光、二极管分档式调光电路。可变电阻器调光是一种早先的调光法方，这种方法是在电路中串联电阻可变的功率电阻来实现调光的，人们可以根据自己的调光需求去调节变阻器阻值的大小，从而改变流过灯的电流大小实现调光。不管是直流电源还是交流电源都可以用这样的方法来实现灯光的调节。这种方法也有其自身的缺点，采用电阻来调光，电阻本身耗电功率高、发热多、工作不方便，所以不能够普及到日常生活中。自耦调压器调光的实现是通过将回路中串联一个自耦式的调压器，其工作原理非常简单，就是改变供给灯具的电压幅值的大小，这样就可以人为地改变灯光的亮度。自耦式调压器的工作效率比较的高，常用语各种大型活动的灯光调制。但是其本身也有缺点，它的体积较大，工作是发出的噪音也比较大。二极管分档式调节实质是控制可控硅的导通来实现的，分别作全电压供电可以实现半波和全波的电压供给，也可以控制关端电压供给。这种调光法方有个很大的缺点，就是不适应于普通白炽灯的调光[7]。白炽灯的供电一般都是一个固定的半波值，如果改变其供电值会使得白炽灯出现闪烁的问题。
（2）调相式调光：调相式调光的本质是改变交流电正弦波的导通时间的大小来实现的，这样就可以改变流过灯具的电流有效值的大小，从而实现灯光的亮度调节，这种方法也可以说是改变交流的导通角的方法。这种调光法方与调副式的调光法方的工作原理可以说是完全的补一样。调相式调光有两种不同的控制类型，一种是前切式的，另一种是后切式的，前切式和后切式的调光法方各有优缺点。前切式的相位控制调光器采用的是可控硅作为控制的开关器件，它的优点有调光精确性好、质量小、体积小、工作效率高、可以实现远程的操控等等。由于其采用可控硅作为开关器件，所以人们也称其为可控硅调节器。可控硅调光器的有点事电路比较简单、成本比较低廉，但是缺点是可控硅开关时会产生较强的无线电干扰，人们一般会在电路中加上一定的滤波装置，使得电路不会产生打扰。现在的大多数工厂都使用这种类型的调光器。另外，可控硅调光器在开通时有一个很陡的前沿，电压波形从零电压突然跳高，这对白炽灯类电阻性负载的影响不大，但却不适合气体放电光源的调光使用。因为多数气体放电光源都需要驱动电路来配合工作，而驱动电路是一种容性负载，可控硅调光器产生的电压跳变会在容性负载上产生很大的浪涌电流，使电路工作不稳定,甚至造成驱动电路烧毁的故障。后切式相位控制调光器后沿相位控制调光器除了具有可控硅调光器的优点外，一个重要的特性就是能适应气体放电灯的调光需要。随着世界范围内对白炽灯的淘汰不断加快，用户对呈容性阻抗的电子节能灯等光源进行调光的需求开始逐渐增多，而后沿调光器正好适应这种市场变化。后沿相位控制调光器一般使用MOSFET作为开关器件，所以又称为MOSFET调光器[8]。
（3）PWM式调光器：PWM式调光器早先的应用范围是具有线性特性的负载，例如直流电源供电的负载和钨丝灯泡等等负载[9]。这种调光法方的原理是利用一个PWM信号去控制开关器件的导通和截止，过控制控制导通与光断时间的改变来实现改变占空比大小来调节流过灯泡的电流的大小，从而实现调光控制。
（4）正弦波调光器：这是一种与PWM式调光相类似的调光法方，在交流电流的安装功率开关，利用高频信号来驱动功率开关，使得正弦波的每一个半波周期内功率开关都导通与关断多次[10]。通过改变导通与关断的时间来调节电流的大从而来实现调光。其工作的实质是改变高频信号的工作频率来改变开关的导通与关断，从而实现灯光亮度的调节与控制的。IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种开关器件，一般选用它做正弦波调光的开关器件，人们又称这种调光法方为IGBT式调光器式调光。
1.2 可调光LED特点
LED作为新世纪的照明材料对于整个世界来说是革命性的进步与发展。LED的出现对于生活照明的影响是巨大的，它彻底改变了人们对于传统照明的理念。因为LED的出现打破了传统照明的局限性，它带的变化可以说是翻天覆地的。与传统的照明灯具相比，可以简单的概括LED的特点为：高效、绿色、低碳、节能、环保[11]。LED被人们认为是这个世纪最具有价值的光源之一。
（1）节能与环保
制造LED的材料属于半导体，半导体材料的照明对环境几乎没有影响。而且LED的用电效率特别的高，对于同级别的普通白炽灯来说。举个例子来说，如果想达到相同的照明环境效果，普通白炽灯的耗电量是LED的10倍左右。想想看，如果把普通的白炽灯用LED灯来取代将节约多少的电能。LED的寿命是普通白炽灯的50左右，寿命大幅度的提高。如果用LED取代普通的照明设备，全世界的照明电能节约将达到只有原来的一般左右。同样的，我国的照明设备如果用LED来取代将节约巨大的电能资源。
（2）绿色与低碳
LED发出的光属于冷光源，一般来说用的是直流电源来驱动LED。这样的光源不想普通白炽灯那样，会产生热辐射，有红外线和紫外线的产生，对于人体和环境会产生影响和一定的污染。LED完全没有普通白炽灯的危害，而且LED属于冷光源，不会产生太多的热量。在现实生活中，我们可以感觉到如果你靠近普通白炽灯将会产生大量的热量，一般人接受不了这样的热量。但是LED发热量特别的低，人们可以拿手去触摸。LED产生的光让人们感到舒适，对于照明环境来说会提供一个舒适的环境。这样一个舒适又健康的照明环境对于人们的视力有很大的保护，同时提供了一个绿色舒适的生活环境。所以，绿色低碳环保这样的词语对于LED来说是最为合适不过的了。
（3）潮流化与大众化
为什么说LED的发展符合潮流呢？因为LED符合人们对生活的追求方向，对生活的审美观，它的的体积小、质量轻。LED不同于普通白炽灯，它可以被装饰在任何你想得到的地方。不管是普通的照明装饰，还是室内环境的美化装饰都可以使用LED。LED可以有不同种类的颜色，而且LED的单色发光效果特别好，也就是LED的单色发光纯度特别的好。不仅仅是家庭生活的照明装饰，各类景点的灯光效果的装饰，娱乐场所的灯光装饰都离不开LED的帮助。配合调光器，我们可以实现各种美轮美奂的灯光配合的色彩照明或者装饰。没有LED做不到的，只有人们想不到的。LED的结构特点使得它可以被装饰在各种地方。天花板、墙面、地面、各种家具上面等等，甚至是交通工具上面，人们的汽车之类的都可以。总得来说，人们可以根据自己的审美来利用自己的思想设计出自己想要的照明或者装饰的效果。可以说有了LED，人人都可以成为家具装饰的设计师，设计出自己独一无二的家具装饰。人性化、艺术化的LED使得人们未来的家具生活变得更加的美化。
1.3 LED国发展与现状
1.3.1 LED发展简史
世界上具有现代意义的第一个LED灯出现是在1950左右，半导体砷化镓被英国科学家用在了电致发光的实验中。但是早期的LED不能在正常的环境下工作，人们需要将LED至于液态的氮气里才能工作。人们还需要进来更多的技术突破和付出更多的努力才能实现LED在正常的环境下工作。刚刚开始的商业用途的LED只能发出人们不可见到的红外光线，虽然还不可以用在照明领域，但是在光电领域、红外感应领域LED被迅速的应用起来[12]。
在20世纪60 年代的末期，科学家在原来砷化镓的基础上使用了磷化物，从而发明出来了世界上第一个可见的红外LED。在随后的发展中，磷化镓就作为LED的发光的根源，可以发出灰白和绿色的光源。而且LED采用了两层的磷化镓的混合结构，采用红色和绿色的结合发出黄色的光源。至此，LED的发展已经基本成型了，但是LED的发光效果亮度还有待提高。亮度更强的LED在20世纪的80年代中期出现了，科学家对砷化镓和磷化镓的使用，使得的LED的亮度比以前提高了许多。各种颜色的LED也相继的出现，由早期的红色到黄色和绿色。更多颜色的LED的出现则是在90年代，由于技术的发展橙色、黄色、桔色、甚至蓝色的LED都相继的出现。丰富多彩的LED出现，使得人们的生活变得更加的美化。
 20世纪90年代的中期，超高亮度的LED问世了[13]。氮化镓型的LED节能灯的出现可以说是LED发展的巅峰时期，人们利用当时科技的发展可以制造出各种颜色的LED。从此LED的发展走上了势不可挡的快速发展的通道，人们对LED的需求和应用也越来越多。如今的LED什么颜色都可以实现，各种颜色混合都可以实现。每一种事物的出现都会经历一个漫长而又曲折的发展历程。LED的出现也不可更改的走了这样的发展历程。近期的LED节能灯的发展又在向着紫外线的方向发展，LED的发展到底能够走到什么样的位置，人们不敢定论。也许未来的LED可以发出X射线也不是不可能的。就像是计算机的发展一样，遵守着摩尔定律。LED的亮度每隔18个月就会增加一倍的亮度。相信LED的发展会给人们带来不一样的精彩。
1.3.2 LED国内外的现状
在国外，LED的发展产业主要集中在欧美地区，其中以美国和德国最具代表性。LED的发展正想着芯片外延的大功率方向发展，国外的一些发达国家正利用自己的技术和经济优势大力发展LED行业。例如亚洲国家中的日本利用自己电子技术的优势大力发展芯片外延的驱动来实现LED向着更大功率方向发展。每个国家都在试图发展自己国家独特而又有竞争力的LED产品，这其中就离不开驱动芯片的结合应用。国际的LED发展的巨头们正在积极的抢占市场，例如菲利普、东芝等公司已经很好的研发出来了具有很强照明功能的LED灯泡，在市场上具有很强的竞争力。现在，高电压的LED和白光LED是目前发展的最大趋势。其实早在2005年，美国就用LED等取代了由白炽灯提供发光的交通指示的[14]。这样，很大程度上节约了供电的需求，同时电路的安全性也得到了保证。现今，很多国家都使用LED来取代原始白炽灯的交通指示灯。
随着全球化的LED市场的需求不断的加大，对于我国的LED发展来说面临着巨大的机遇。然而对于国内的LED发展来说，还是不能比得上国外某些公司的产品。LED的世界市场还是被国外的主要市场所垄断，国内的LED公司面临着巨大的压力与挑战。但是国内LED的发展还是取得了比较大的进步，例如08年的北京奥运会的场景和灯光的背景的设计，10年的上海世博会上的巨型LED大屏幕都是由国内的公司自主研发和创办的[15]。现在国内的LED产业都是是一些小规模的企业，产业链还不够的完整。由于我国的LED产业起源于20世纪70年代，发展的时间比国外的公司晚了许多。不过经过几十年的发展，我国已经成为世界上第一大的照明器具的生成国家。目前，我国LED发展的核心问题是自主的核心专利技术没有太多的优势。有句话说得好：挑战与机遇并存。中国的LED发展还是有很大的机遇的，发展的过程可能很艰辛，但是抓住机遇就可以跻身世界的前列。
1.4 课题研究背景及内容
1.4.1 研究背景
20世纪90年代以后，可调光LED的发展进去了飞速发展的时代。人们对于LED的发展与竞争可以说是进入了最为关键的时刻，各个国家都在大力发展LED的相关产品。在这个大背景下可调光LED照明变得最为热门，照明关系到我们生活的点点滴滴。自从LED作为光源进入人们的照明生活领域，LED正以加速的步伐取代原来白炽灯在照明领域所统治地位[16]。为什么LED可以取代原来白炽灯的传统地位，LED的优势是它的光源亮度可以随时调控。它的这个优势可以让LED在未来的照明市场中占有重要的核心地位。在这个以节能环保为思想核心的时代，发展与环境相结合的大背景下，可调光LED正好迎合了人们的需求。人们的发展总是在需求环境与发展的共存，只有更好的应用更好的产品才能不断向这个目标靠近。可调光LED正是众多产品中符合这一发展方向的产品。
1.4.2 研究内容
可调光LED技术的研究主要是应用于照明领域的。其基本原理都是通过改变流过负载电流的大小和负载两端电压的大小。其本质是为了更加的节能，应用的范围十分广泛，家庭照明、商场照明、道路照明、车场照明等等。可调光LED就是为了实现这些反面的需求，根据不同的需求可以设计不同的调光。
本次研究是通过以单片机为主要的控制部分，来控制可控硅的导通来实现对LED的灯光调制。通过编程的方式载入单片机来控制LED的导通与关断，暗与亮的调节。要实现这种功能的调节，各个部分的功能设计必不可少。设计工作的内容大体如下：
（1）外部按键信号的采集
（2）外部信号的处理送入单片机
（3）控制电路的设计
（4）程序的编写与写入
（5）电源电路与负载电路的设计
（6）整体电路安全的保护设计等等。
研究的内容不仅仅是为了家庭或者道路的照明，可以推广到我们生活中的各个地方。
1.5 本章小结
本章主要介绍了有关可调光LED各个方面的简单的知识，包括了什么是可以控制调节的LED灯，可调光发展的历史，LED灯发展的历史和背景等等。本章节还具体介绍了LED的国内外发展的历史和现有的发展情况，以及未来可能的发展方向。章节的后面介绍了本次课题研究的背景和具体的研究内容，显示了本次课题要研究的主要内容和方向。

第二章 总体方案设计

2.1 调光LED控制的运行过程
可调光的运行过程特别简单的来说就是调光控制器通过单片机控制双向可控硅的导通来实现LED亮度的调整。双向可控硅的特点是导通后即使触发信号去掉，它仍将保持导通；当负载电流为零(交流电压过零点)时，它会自动关断[17]。所以需要在交流电的每个半波期间都要送出触发信号，触发信号的送出时间就决定了灯泡的亮度。调光的实现方式就是在过零点后一段时间才触发双向可控硅开关导通，这段时间越长，可控硅导通的时间越短，灯的亮度就越低；反之，灯就越亮。本次课题要实现的是通过按键来控制可控硅的导通时间长短，从而控制LED灯的亮度。要实现对可控硅的导通时间长短的控制，需要借助单片机来实现。本次设计的电压为220V的交流电，需要对交流电流过负载LED灯泡时间进行控制。电流流过负载的时间越长，灯就越亮，反之越暗。如何控制电流流过负载的时间长短，需要借助单片机控制可控硅的导通时间来实现[18]。具体的功能实现离不开软件和硬件的结合，需要根据具体的功能编写出正确的程序，这样才能让单片机发出正确的指令来控制可控硅的导通时间。通过按键来认为的调节负载LED灯的亮度，所谓按键调节就是根据人们自己的意愿去调节的光照的强度，有增强和减弱光照的两个按键。当然这些功能的实现离不开实际程序的编写控制，要通过硬件与软件相结合来实现。
2.2 总体结构框图
系统的总体的总体框图包括：控制部分→驱动部分→负载部分。

图2.1 总体框图
上图2.1是主要的设计框图，细分的原理图包括：主控部分STC89C52、锁存器74LS373、驱动电路MOC3022、过零检测电路、按键电路、LED指示电路、负载LED电路等，具体的功能图会在下面的框图中给出。
其中主控制电路由STC89C52单片机、外部晶振电路、复位电路、等组成。锁存器电路就是一个单独的锁存器本身组成。过零点电压检测电路由2个功率电阻、整流桥、光耦等组成。驱动电路由光耦和2个电阻组成。负载电路由可控硅和2个功率电阻组成。按键电路由4个按键组成，其中有开关按键、增加按键、减小按键和一个闲置按键。按键显示电路由4个发光二极管组成，分别对应于4个按键，显示按键是否按下。

图2.2 各个部分动能框图
上图2.2是各个部分的功能框图，各个功能图之间有着不同功能的联系，为了实现总体的设计功能而结合在一起。
过零检测电路：通过整流桥和光耦的作用得到同步信号，同步信号将用于是AT89S52单片机产生中断。
主控电路：选取的是STC89C52单片机，用来各种指令的控制实行。
锁存器电路：为了防止对单片机的引脚的读写错误，用来输出可控硅的触发信号，控制可控硅的导通。
驱动电路：选用MOC3022可控硅去驱动双向可控硅，MOC3022是利用光控的可控硅，安全可靠。
负载电路：选用的是LED作为负载，LED具有节能环保可调光的特性。
按键电路：设计了4个按键用来控制负载的亮度调节。
2.3 软件设计思路
软件编程的设计就是要实现自己所设计的LED控制的功能要求。本次设计的可调光控制功能比较简单，要求可以人为的控制LED灯光的亮度强弱就可以。可以选择的编写语言有很多，但是以学过的为基本，选择单片机可以使用的C语言。选择Keil uVision平台为程序编写的软件工具，它是一款多功能的程序编写软件。功能程序包括：主程序、按键扫描程序、延时程序[19]。
下面给出了程序的具体流程图:

图2.3 软件程序设计流程图

图2.4 中断子程序
图2.3和图2.4是软件程序的流程图，图2.3是总的程序流程图，图2.4是各个中断的流程图。本次课题设计的程序中，延时程序是根据交流电的特性来设计的，因为正常交流电的电压为220V，频率为50HZ，通过检测电路把检测到的同步信号送给单片机电路。这个时候写进单片机的延时程序在按键的控制下会启动，延时的时间长短由按键被按下的次数决定。当延时时间到的时候单片机的输出信号通过锁存器送出用来触发可控硅导通的触发信号。通过控制触发信号送出的时间长短可以改变流过负载LED灯泡的电流的大小，从而可以控制灯泡的亮度。其实按键只是启动写入单片机的延时程序，通过按键就可以来控制LED灯泡的亮度了。
本次设计的调光等级是根据交流电的频率和实际需要来确定的。在中国正常的交流电的频率为50HZ，那么实际一个周期T时间为20ms，半个周期时间为10ms。本次设计把交流电的半个周期分为10等份，也就是有10个调光的等级，分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。1到10分别是代表延时时间的长短，分别代表延时时间为1ms到10ms。当然1到10也代表了灯的亮度等级，1位最亮，10位最暗。当然也可以根据实际情况来设定LED灯泡的亮度等级，可以根据不同场合的需求去改变亮度等级的设计。
用来触发可控硅来导通的触发信号也要根据实际情况来确定其脉冲的宽度，根据实际情况本次设计所取的脉冲的宽度为20us,程序中使用T1来控制这个时间。
本次设计的调光有增加亮度和减小亮度按键，每次按下增加按键或者减小按键，灯都会增加亮度或者减小亮度。按下一次为增加或者减小一个等级亮度，连续按下一个按键可以连续的调整灯的亮度等级。
2.4 本章小结
本章主要介绍了本次课题设计的总体思路和具体的框图。设计一个课题首先要明确它的功能，只有明确了自己要做什么才能按照这个要求去需找合理的方法去解决。在明确了所设计的课题的功能要求之后，需要做的就是需求解决的办法。解决问题的办法有很多，对于这个课题的解决办法是去查阅相关的资料和寻求老师和同学的帮助。根据自己查阅的资料和同学老师的帮助，然后自己综合分析得出初步的解决问题的方法。最后，根据要求设计出整体的设计框图。
第二部就是确认方法的可行性。在设计调光方法的过程中，自动和手动调节的实现有一定的难度，也是设计的重点。设计合理的程序需要先了解电路的功能要求，然后根据功能要求先画出正确的流程图。流程图的准确性与正确性是写出正确与符合逻辑的程序的关键。根据流程图确定程序的编写结构顺序，编写出正确的程序。在程序设计过程中，难免会出现错误，会需要多次的差错与改正错误。有的时候都不知道错误在哪里怎么去修改，需要去通过询老师和同学来完成程序的编写。有了整体的实际方案，后面就是各种器件的选择。例如对于过零点检测电路的设计，首先是要选择合适的整流器和光耦。选择什么样的型号要根据电路的要求去选择，符合电路功能只是一方面，还要考虑价格和使用的方便性。后面的各个电路模块的器件选择也是如此，要考虑诸多方面的因素，才能最终确定符合电路要求器件。确定各个模块的功能图和合理的器件之后就是各个功能模块的合理连接，从而确保整个电路的正确运行。当然电路的稳定运行还离不开正确的软件配合，设计出合理程序才可以正确的实现灯的亮度的调节。

第三章 调光器方案分析

3.1 各个功能单元分析
总体分析：可调光LED的设计离不开各个功能图的合理的连接与正常运行。各个功能模块的准确性与正确性是设计的关键，本次设计的功能模块包括电源电路、交流电过零点采集电路、主控制电路、开关电路、按键电路、驱动电路、锁存器电路等等。
对于各个功能模块的元器件的选择也要根据所设计的总体电路进行合理的选择，一般只要可以满足具体的功能要求就可以了。对于同种类型的元器件，市场上有很多符合功能的元器件。在选择这些元器件的时候要根据自己原理图的封装类型进行选择，找到符合封装的元器件就可以了。同时也要考虑到元器件的价格，一般不要超过经费的预算。
可调光LED的设计离不开主控制单元的设计，这是设计的主要工作。本次设计先确定了主体控制单元的选型设计，采用了AT89S52单片机作为主控制单元的芯片。然后根据选择的单片机类型去设计各个动能单元模块，各个功能单元的设计都是为了实现主控制单元的功能而设计的。控制单元属于硬件电路，本次设计还需要软件控制的结合才能够现实。软件电路的选择是选择单片机能够识别软件程序语言。本次设计的软件编写语言用的是C语言，是单片机能够识别的语音，也是人们常用的一种编写语音[20]。程序的设计要根据具体的功能来编写，先根据本次课题设计的功能设计出合理的流程图，然后根据流程图写出正确的程序。本次课题是可调光控制器的设计，设计的思想是利用可控硅的导通时间来控制流过负载LED灯的电流时间长短。如何实现这一过程需要通过单片机发出指令来控制可控硅，需要正确的程序来给单片机发出正确指令。
具体的设计电路的分析和各个功能模块的选型设计会在下面的电路分析中详细的给出。包括电源电路、交流电过零点采集电路、主控制电路、开关电路、按键电路、驱动电路、锁存器电路等等。下面的各个小的章节会对各个功能单元的电路进行具体的分析，包括具体器件的选择和功能。
3.1.1 交流电过零点采集电路

图3.1 交流电过零点采集电路
交流电过零点采集电路如图3.1所示，交流电过零点采集电路主要由整流器和光耦2个部分组成。D6为整流器DB107，把220V交流电（AC）转化成直流电(DC)。U4为光耦P521，结合电阻电路把整流后的电压中的零点信号通过脉冲信号方式提取出来[21]。
其中整流器起着交流变直流的作用，光耦起着采集零点信号的作用。同时光耦还有对输入和输出信号有着很好的隔离作用，有着很好的抗干扰作用，绝缘能力也很强，而且工作的时候稳定，使用的寿命也比较长。电路的工作原理如下：输入的220V交流电经过整流器的作用整合成直流电，然后经过光耦提取零点信号。光耦由发光二极管和接受装置、信号的放大装置组成。图中当有电压输入信号时，电信号会驱动发光二极管发出一定波长的光，光接收器接受到光亮时会产生光电流，然后经过放大装置放大后输出。当电压达到发光二极管的门限电压大约0.7V左右时，发光二极管导通发出光亮使得光接受装置电路导通。导通的时候SYN采集到的是低电压信号及GND的接地信号，在发光二极管没导通时接受装置不导通，SYN段采集到的是高电压信号及电阻R17段的电压信号。由于发光二极管的门限电压很小，大约0.7V，所以二极管导通的时间占绝大部分，及SYN段绝大部分时间为低电压信号，只有在零点附近时为高电压信号，这样就可以采集到交流电的过零点信号及同步信号[22]。
电路电阻的选取：
（1）对于过零点采集电路，两个接在交流电两端的电阻要选择功率比较大的功率电阻，选取电阻阻值为30。选择的理由是因为由整流桥DB107的参数可以知道它的输入电路最大为1A,它可以承受的最大电压为1000V[23]。由光耦的参数可以知道光耦TLP521的输入电流一般为10mA，为了能够使得整流桥的输入电压不能够过大，大于1A，同时要保证光耦可以导通且电流不要过大，所以必须选择合适的电阻来限制流过整流桥电路的电流大小。可以通过计算得到电阻R15和电阻R16的阻值：
（3-1）
同理R16的阻值也是同样的阻值。所以电阻阻值应该要稍微的取值大一点，选取可买取的阻值为30的电阻。这样就可以保证电流的安全稳定运行了，下面是电阻的功率计算：
（3-2）
此时流过光耦电路的电流大小约为7mA,可以保证电路的导通。
（2）对于电阻R17的选择，只要保证光耦的放大装置的集电极可以导通就可以。R17的阻值选取的是5.1K，因为TLP521集电极电流为1mA左右，所以选取的电阻要可以保证集电极电流为1mA[24]。计算的结果为：
（3-3）
再根据可以在市场上买到的电阻的阻值类型，应该选择阻值大小为5.1的电阻。
最后电流采集到的同步信号如图6所示：

图3.2 整流和同步信号
图3.2中的半波电路波形是经过整流器整流后的电压波形，下面的高电平脉冲信号为同步信号。同步信号用来送给单片机STC89C52的INT0引脚，促发单片机产生中断，作为可控硅导通的延迟时间起点。
3.1.2可控硅的触发信号

图3.3：STC89C52单片机和外围电路
图3.3是STC89C52单片机，选择此型号的单片机作为主要的控制单元。外围的电路有振荡器电路、复位电路和USB接口电路。
（1）图中的振荡器电路用来保证单片机的快速稳定运行，其采用内部方式时钟电路，一般由两微电容一个石英晶体组成，微电容一般取值20pF到30pF。在STC89C52内部有高增益反相放大器，其XTAL1引脚为输入端，XTAL2引脚为输出端，这两个引脚连接微电容和石英晶体构成自激振荡器[25]。电容的选取会影响到振荡器的稳定性频率高低和启动速度。但是主要由晶振频影响单片机工作的工作速度。
（2) 图中接RST引脚的电路为复位电路，为高电平有效方式。当按下K1键时，RST引脚获得高电平，从而单片机可以复位。图中的P3.2端口是由交流电过零点电路提取的零点同步信号SYN接到STC89C52单片机的INT0端口，INTO端口可以使得STC89C52单片机产生中断。INT0端口触发中断的方式是下降沿触发方式，以此中断做为控制可控硅导通的时间控制起点。根据软件程序来控制可控硅的导通时间长短。

作者：炳烛之明科技