电子信息工程专业毕业论文基于ARM的PWM控制LED光强毕业设计Word文件下载.docx
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1.1设计研究概述
1.1.1研究背景及意义
随着现代信息网络的发展,新型的多媒体显示将在现代信息中占据主流地位,随着全球能源危机的日益加剧,高效的、节能的照明技术受到人们的极大重视。
而半导体照明产业则是当今社会最为有制造价值的产业之一,在经济发展及社会安全照明上具有重要的意义。
与以往的光源相比,LED光源的优势较为明显,其具有低电压驱动、高效率、环保、使用寿命长、低能耗等优点。
LED光源是人眼相对习惯和适宜白光,不需要灯丝发热来获取光源,转化能量的效率较高,综合来看LED的发展必然是一个可持续生产制造的照明科技。
LED光源与白炽灯相比较有着一个明显的不同点,LED发光的光亮度与正向流通电流的大小基本上是一个成正比例关系。
依据这一独特的特点,可通过光电传感器来检测出LED所处周围环境的光照强度,并转化为的电信号,再釆用一定的控制技术,根据周围环境的实际光照强度改变流经LED负载的平均电流,从而实现在不同条件下都能根据需求创造出适合人们工作、学习、生活的光照环境。
这样不但能够营建出舒适的、温馨的、具有恒定亮度的环境,而且能够充分并高效地利用天然照明,从而节约有限的能源。
因而,对LED调光技术的深入钻研与开发就显得分外重要。
使用ARM技术的LED芯片在语音及视频处理上已经深入普及,ARM技术在当前盛行的各类电子设备中已得到广泛使用,目前国际上的LED产品的产业化生产规模较偏小,而且档次不高,远远不能够达到国内企业的需求。
但ARM技术在LED的应用市场上面,仍然存在产品种类、品种等两个方面的缺陷。
本次研究提出采用PWM控制LED亮度,20世纪80年代以前由于电子技术发展水平处于较低的水平,导致了PWM控制基本原理一直并未真正实现,PWM控制技术的主要研究焦点在于实现控制简单化、灵活化以其得到良好的动态响应,电力电子技术将会成为PWM控制技术今后发展的大趋势。
因此,为了优化照明领域存在的各种问题,进一步推广、规模化应用,对LED应用技术的深度研究是具有深远意义的、是刻不容缓的。
1.1.2研究现状及发展趋势
LED最主要的特点是节能。
依据LED需要通过驱动电路控制的特点,加入调光技术部分,再充分高效的利用自然光照,这样不但能营造出能使人体感觉舒适的光照环境,而且能将LED节能环保的特点发挥的淋漓尽致。
在市而上已经有比较成熟的LED驱动电源技术,而调光成为LED驱动控制技术的发展重点。
PWM控制技术现在正处于高速发展阶段,在LED灯调光技术的应用中被寄予厚望。
PWM就是脉冲宽度调制,通过编辑改变PWM方波的占空比从而调节流经LED负载两端的电压,以此来实现调节LED光亮度的功能。
PWM的工作的时钟频率不能过低,当工作的时钟频率不能达到要求时,LED会出现闪烁的情况,当工作的时钟频率足够高时,就能使人眼不能识别LED的闪烁,在视觉上可视为LED在持续发光。
伴随着经济的快速发展,生活水平的不断提高,LED已经成为生活中不可或缺的元器件。
1900年后期得到迅猛发展,成为新型的信息显示媒休。
我国从事LED显示屏的各类企业超百家,从业人员过万人,LED显示屏产业自发展以来,已形成一定规模,具有许多先进企业。
其销售市场遍及整个中国。
国内LED显示屏厂商中,年产值上千万的有20余家在规模迅速发展的同时,产品技术也推陈出新,一直将是平板显示保持了在该领域内比较先进的水平。
LED在显示控制专用大规模集成电路方面的研究开发与生产制造得到了大力支持与重视。
LED显示屏的质量,随着控制技术的发展和屏体稳定性的提高而不断提升。
P技术的革新完全能够胜任各区域、全天候、严苛的环境要求。
当前LED亮度的调节,在LED终端产品中如LED灯具和显示屏等必需注重的环节。
LED显示屏作为平板显示的主打产品之一,必然会有更进一步的发展,或成为平板显示的代表性主流产品,大功率LED将广泛应用于车内的照明、倒车灯及前车灯。
LED由于光色、发光频率、光通量和价格等方面的限制,目前主要应用于指示、显示领域,如指示灯、警戒灯以及显示牌等。
LED的开发研究随着LED的不断丰富,LED技术的不断成熟,以及不断提高的发光效率,性价比的不断提升,将会越来越普及。
鉴于LED市场的迅猛发展,且依托全彩色显示屏价格性能比的优势,全彩色LED显示屏将逐步取代传统的户外广告媒体产品。
而在体育馆等大型场馆中,应用的显示方面全彩色LED屏更会成为主打产品。
全彩色LED显示屏将会是LED显示屏产业发展的大趋势与新热点。
信息时代,数字时代使得STM32控制LED系统获得了巨大的发展契机,为STM32控制LED系统市场展现了美好的前景,从中我们可以看出未来STM32控制LED系统的几大发展趋势:
1.STM32控制LED系统是嵌入式开发是一项系统工程,因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身,同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持;
2.未来的STM32控制LED系统设备为了适应网络发展的要求,必然要求硬件上提供各种网络通信接口;
3.精简系统内核、算法,降低功耗和软硬件成本等。
1.2STM32处理器概述
1.2.1STM32简介
STM32系列内核是ARMCortex-M3内核,该内核专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计。
其中STM32F系列有:
STM32F101"
基本型"
系列;
STM32F103"
增强型"
STM32F105、STM32F107"
互联型"
增强型系列时钟频率最高可以达到72MHz,在同一级别的产品中性能最好;
基本型时钟频率为36MHz,其价位为16位产品的水平,而性能却远超16位,是32位产品用户的最优解决方案。
两个系列均自带了32K到~28K的闪存,但区别是SRAM的最大容量和外设接口的搭配。
当处于时钟频率72MHz时,从闪存执行代码,STM32的功耗为36mA,相当于0.5mA/MHz,是32位市场的最低水平。
在STM32F105和STM32F107两款互联型系列微控制器之前,意法半导体已发布了其它四个系列的芯片:
STM32基本型系列、增强型系列、USB基本型系列、互补型系列;
互联系列产品沿用增强型系列的72MHz处理频率。
内存包括64KB到256KB闪存和20KB到64KB嵌入式SRAM。
新的产品系列有以下3中分装类型:
LQFP64、LQFP100和LFBGA100,不同的封装依然保持引脚排列一致性,用户通过选择不同的产品可通过多次设置功能、存储器、性能和引脚数量去不断优化,以达到以最小的硬件变化与个性化的应用需求之间的统一。
目前市面流通的主要型号有:
基本型:
STM32F101R6、STM32F101C8、STM32F101R8、STM32F101V8、STM32F101RB、STM32F101VB
增强型:
STM32F103C8、STM32F103R8、STM32F103V8、STM32F103RB、STM32F103VB、STM32F103VE、STM32F103ZE
STM32系列产品命名规则
1
STM32
STM32代表ARMCortex-M内核的是基于32位微控制器的集成芯片。
2
F
F代表芯片子系列。
3
103
103代表该系列属于增强型系列。
4
R
R=引脚数,其中T=36脚,C=48脚,R=64脚,V=100脚,Z=144脚,I=176脚。
5
B
B这一项代表内嵌Flash容量,其中6=32KFlash,8=64KFlash,B=128KFlash,C=256KFlash,D=384KFlash,E=512KFlash,G=1MFlash。
6
T
T这一项代表封装,其中H=BGA封装,T=LQFP封装,U=VFQFPN封装。
7
6这一项代表工作温度范围,其中6=-40至85℃,7=-40至105℃。
内部代码:
A或者空;
STM32内部结构图:
(图1-1)
1.2.2CORTEX-M3内核简介
Cortex‐M3是一个基于32位处理器的处理内核,其主要参数如下:
数据路径、寄存器、存储器接口均为32位,基于哈佛结构,指令总线和数据总线均为独立单元,可实现取指与数据访问并行,即数据访问不再占用指令总线,反过来进一步提升了性能。
这个特性的实现主要依托于CM3内部的多条总线接口,每条都针对相应的应用场景而做过特殊优化,且相互之间可以并行工作。
同时,指令总线和数据总线共享同一个存储器空间。
也就是说,可寻址空间就变成8GB并不是由于有两条总线。
CM3设置了1个可选的MPU,来提供更多的选择以适用于复杂应用所要求的更多的存储性能,且在特定条件下也可以使用外部的cache。
而且,在CM3支持2中模式:
Both小端模式和大端模式。
CM3内部还自带了多种调试组件,在硬件水平上辅助调试操作,比如指令断点,数据观察点等。
除此之外,为了提供更高级的调试模式,还增加了其它可选组件,其中包括指令跟踪和多种类型的调试接口。
Cortex‐M3处理器拥有16个寄存器组。
其中堆栈指针SP位于R13。
SP有两个,但在同一刻只能有“banked”寄存器可见。
Cortex‐M3在内核水平上搭载了一颗嵌套向量中断控制器NVIC(Nested
Vectored
Interrupt
Controller)。
不但能够支持2类处理器的操作模式,并且能提供两级特权操作。
2类操作模式分别为:
处理者模式(handler
mode)和线程模式(thread
mode)。
设定两个模式的目的,在于划分普通应用程序和异常服务例程的代码——包括中断服务例程的代码。
Cortex‐M3的另一个特性则是特权的划分/分级——特权级和用户级。
这种特权模式可实现存储器访问的保护,设定了一套区分机制,使得普通的用户权限得以限定,从而防止程序代码能够意外地,甚至是恶意地执行涉及到要害的操作。
一般来说,一个基本的安全模型,应该是支持和提供两种特权级。
1.2.3STM32定时器简介
STM32的定时器是一个功能强大的应用块,其使用频率较高,除了可实现一些基本的定时功能,还可以完成PWM输出和输入捕获功能。
STM32包括11个定时器,具体可分为高级控制定时器、基本定时器、普通定时器、看门狗定时器和系统嘀嗒定时器5种定时器。
其中TIM1和TIM8是高级定时器,能够由APB2的输出时钟产生3对PWM互补输出。
普通定时器是TIM2-TIM5,基本定时器是TIM6和TIM7,其时钟由APB1输出产生。
TIM通用定时器配置步骤:
1.配置TIM时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);
2.定时器基本配置
voidTIM2_Configuration(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef
TIM_TimeBaseStructure;
//
TIM_OCInitTypeDef
TIM_OCInitStructure;
TIM_DeInit(TIM2);
//复位TIM2定时器
/*TIM2configuration*/
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=5;
//2.5ms
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=36000;
//分频36000
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
//时钟分频
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;
//计数方向向上计数
TIM_TimeBaseInit(TIM2,&
TIM_TimeBaseStructure);
/*ClearTIM2updatependingflag[清除TIM2溢出中断标志]*/
TIM_ClearFlag(TIM2,TIM_FLAG_Update);
/*EnableTIM2Updateinterrupt[TIM2溢出中断允许]*/
TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);
/*TIM2enablecounter[允许tim2计数]*/
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}
TIM_Period设置了在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值。
它的取值必须在0x0000和0xFFFF之间。
TIM_Prescaler设置了用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值。
TIM_ClockDivision的目的为设置一段延时,多运用特殊场合,可不做重点。
TIM_CounterMode选择了计数器模式。
TIM_CounterMode_Up
TIM向上计数模式
TIM_CounterMode_Down
TIM向下计数模式
TIM_CounterMode_CenterAligned1
TIM中央对齐模式1计数模式
TIM_CounterMode_CenterAligned2
TIM中央对齐模式2计数模式
TIM_CounterMode_CenterAligned3
TIM中央对齐模式3计数模式
单片机时钟频率72MHz,APB1二分频36MHz,故TIM2自动2倍频至72MHz,故定时器中断频率为72000000/36000/5=400Hz
3.使能定时器中断TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
4.配置NVIC。
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM2_IRQChannel;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=4;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
NVIC_Init(&
NVIC_InitStructure);
5.写中断函数
voidTIM2_IRQHandler(void)
......//中断处理}
1.3脉冲宽度调制概述
1.3.1PWM调制简介
PWM是一种常见的编码方式,可将模拟信号电平做数字编码。
借助运用分辨率较高的计数器,并基于方波的占空比,将具体的模拟信号电平做数字编码,其信号依旧是数字。
由于在特定的任何时间,满幅值的直流供电只有2中模式,完全有(ON),或者完全无(OFF)。
电压或电流源是通过连通(ON)或断开(OFF)的重复脉冲序列模式,被增加到模拟负载。
当处于ON,代表加到负载上的是直流供电,当处于OFF,代表已经断开供电模式。
所以,只要拥有充足的带宽,所有的模拟值均可通过PWM做数字编码。
PWM还有另外一个优点,即全部以数字模式,即在处理器与被控系统之间均以数字化信号通讯。
这样,当处于数模转换状态时,可以使噪声的影响程度最小化类似电脑一样。
噪声则只能通过强到足以促使逻辑1转变为逻辑0,或让逻辑0转变为逻辑1的状态时,才可能对数字信号造成一定干扰。
而与模拟控制相比,PWM的优势同样体现在噪声抵抗能力的增强,这也就是为什么PWM被用于特定通信。
从模拟信号向PWM的转变,还能极大地消除通信距离的限制,大幅提升通信区域。
回到接收端,则可以借助合适的RC或LC网络滤除调制高频方波,同时,可将信号还原为原来的模拟形式。
PWM脉宽调制通常有两种方法:
即整体脉宽调制和脉宽调制器。
从最开始的运用模拟电路制作三角调制波,以及参考正弦波比较,通过SPWM信号去控制功率元器部件的开始关闭,到现阶段全数字化方案的成熟运用,实现实时在线的PWM信号的稳定、可靠输出,截止当前的发展水平,PWM在各类应用市场与区域,仍然占了最大的比重,处于支配地位,同时也一直处于学术研究与商业开发的关注点。
PWM借助其可同时实现变频变压反抑制谐波的功能,在交流传动以及各类能量转换系统中,可应用面不断拓宽。
当前PWM的控制技术,粗略的有以下3大类,即正弦PWM(包含电压、电流或磁通的正弦为目标的各类PWM方案,多重PWM也包含其中),优化PWM及随机PWM。
正弦PWM已经广为人知,应用非常广泛,其目的在于改善输出电压、电流波形,降低电源系统谐波的多重PWM技术多应用于大功率变频器中,其有着得天独厚的优势(目前,主要由ABBACS1000系列和ROBICON开发的完美无谐波系列等);
而优化PWM则主要追求电流谐波畸变率(THD)最小,并保证电压利用率最高,最终达到效率最优,以及转矩脉动最小和其它特殊的改善目的。
1.3.2PWM调节灯光的方法
借助在高频率的状态下向EN引脚给予PWM信号,就能够非常容易的完成PWM控制LED的亮度范围。
从EN引脚将PWM模拟信号输入,因此PWM信号与EN使能信号可以只用1个引脚,其前提在于系统需要能够自动辨别2种信号的不同。
之前应用最多的调光方法为将元器部件上的正向电流或者电压做相应的转变。
但不巧的是,电流或着电压的变化,都影响光的波长,且这种趋势与波长的改变成正相关,波长越长,电流的变化对经受的色调的影响力最大。
但是这种模式存在很多限制,不能适用于大多数情况,而PWM调制技术则消除了这个短板,能够在波长不变的情况下,实现LED的正确调光,借助改变占空来完成LED的连通与断电动作,而此时的正向电流(1F)是恒定不变的。
因为PWM的脉冲信号具有一定是周期性,且其频率一般处于100Hz~1MHz之间,而EN信号则具有很好的延续性,一般均处于为高电平,或者低电平。
不管EN信号是否出现跳沿翻转,也可以保证频率处于很低的水平,并且远小于PWM信号的最低频率。
正是由于这个特性,EN引脚的周期可以保证远大于PWM信号的最大周期,并借助计时器电路来识别PWM和EN这2种信号。
当PWM为1的时候,系统则进入工作状态,这个状态相较于EN=1的状态并无二样,LED上的电流呈现稳定水平,其电流大小与LED引脚的高低电平的状态成强正相关;
当PWM为0的时候,LED上不存在电流,成断电状态,但可以借助LED的余辉呈现发光的状态。
LED的亮度与每个PWM周期中,取决于通过LED的平均电流的大小,并保持一致变化性。
正是因为PWM占空比成与LED的平均电流正相关,所以LED的亮度同样与其正相关,因此可以借助改变PWM信号的占空比就能够实现LED的亮度的自定义控制。
但PWM存在一定的周期性,所以PWM为0只能够维持在一段较短的时间,在这段区间内,系统其实并没有关闭,但电流无任何输出。
不过在EN为0的时候,因为EN为0的延时时间相较于PWN较长,所以只要依托计时器的功能,就可以得出PWM/EN引脚为低电平的时间,进一步,就能够识别出该引脚所加的是信号类型。
通过上述分析,我们可以知道,这个模块的重点是一个可以实现定时器自定义关断的延时电路。
当PWM/EN引脚从高电平跳转为低电平的时候,内部的使能信号其实并不会马上改变,而是存在一段小于36ms的关断延时。
同时,当芯片运用PWM进行调节光度的时候,LED电流在使能端处于低电平的时候,自动停止,且因为延时电路的影响,让芯片内部的信号让然能够稳定运行,且不会造成元器部件的宕机。
当PWM/E
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