基于DAC0832的LED亮度控制系統(tǒng)設(shè)計

引言

　　LED在城市化的過程中功不可沒，各種夜景燈牌和廣告顯示屏，都在日益充斥人們新奇的眼球。以往霓虹燈的發(fā)光體只有亮和滅兩種狀態(tài)，亮度都是突然變化的，往往給人一種圖案變化生硬的感覺；而現(xiàn)在很多霓虹燈已經(jīng)實現(xiàn)了發(fā)光體亮度逐漸變化，這樣形成的各種變化的霓虹燈圖案更加柔和、流暢。控制發(fā)光體亮度變化總體上可以分為模擬方法和數(shù)字方法，其中通過單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)發(fā)光體亮度控制的方法具有電路簡單、維護(hù)和調(diào)整方便的特點(diǎn)，是當(dāng)前霓虹燈控制的發(fā)展方向。霓虹燈的發(fā)光體以氣體放電燈管為主，現(xiàn)在隨著高亮度發(fā)光二極管的產(chǎn)生，壽命長、能耗低的LED燈牌應(yīng)用越來越廣泛。這里討論應(yīng)用DAC0832在單片機(jī)控制下如何控制多個發(fā)光二極管的亮度變化。

　　1　硬件電路設(shè)計

　　通過單片機(jī)和D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832控制三個發(fā)光二極管亮度按順序逐漸變化，實現(xiàn)一種燈管旋轉(zhuǎn)的效果。設(shè)計中主要考慮下面三個問題：

　　（1） DAC0832與單片機(jī)的接口電路設(shè)計。

　?。?） 基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計。

　?。?） 同時控制多個LED按不同規(guī)律改變亮度的電路設(shè)計。

　　1.1　DAC0832與單片機(jī)的接口電路

　　啟動ADC0832實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換有單緩沖和雙緩沖兩種方式。多緩沖方式是在多片ADC0832配合時采用；本設(shè)計中只須一片ADC0832就可完成工作，所以采用單緩沖方式，向其8位數(shù)據(jù)輸入口輸入數(shù)據(jù)，然后在其寫觸發(fā)管腳WR1發(fā)送一低電平脈沖，該芯片就會將收到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。其輸出為電流輸信號，而控制發(fā)光二極管亮度需要用電壓實現(xiàn)，所以需要外接由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電流電壓轉(zhuǎn)換電路， ADC0832與單片機(jī)的接口電路如圖1:

　　圖中，由于選片端CS接到了P217,所以啟動DAC0832開始轉(zhuǎn)換時，需要將單片機(jī)的P217 腳設(shè)置為低電平。

　　輸出的電流經(jīng)過運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓，如果需轉(zhuǎn)換的數(shù)字量為B, 則對應(yīng)輸出電壓值為：

　　其中VREF是外接的基準(zhǔn)電壓，輸出電壓最高為0 V,最低為- VREF ,如果基準(zhǔn)電壓取5 V,則最低輸出電壓為- 5 V,為了滿足負(fù)電壓輸出的要求，運(yùn)算放大器的電源電壓VCC要高于5 V,VEE要低于- 5 V,本設(shè)計中運(yùn)算放大器采用LM324芯片，電源電壓VCC取10 V,VEE取- 10 V。

　　1.2　基準(zhǔn)電壓的設(shè)計

　　要保證DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度和準(zhǔn)確度，必須提供一個高度穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中一般選用帶隙基準(zhǔn)電壓源或隱埋式齊納穩(wěn)壓管。

　　設(shè)計中選用了LM336—5型隱埋式齊納二極管，它具有價格低、使用方便的特點(diǎn)，其接線如圖2:

　　1.3　如何同時控制多個LED的亮度

　　設(shè)計中需要控制三個發(fā)光二極管，每個發(fā)光二極管的亮度和變化規(guī)律都不一樣，而ADC0832只有一路模擬量輸出，為了控制三個發(fā)光二極管的亮度，需要加一個多路電子開關(guān)，本例中選用的是CD4051,該芯片的引腳圖如下：

　　該芯片是一個常用的8路到1路的多路電子開關(guān)，工作電壓最高為32 V,通過ABC三個地址管腳確定選通哪個通道。

　　因為前面轉(zhuǎn)換出的電壓為負(fù)值最低為- 5 V,所以CD4051 的工作電壓取VDD = 10 V, VEE =- 10 V, 地址控制端A、B、C分解接到單片機(jī)的P210、P211、P212 口，用來選通某個通道通， D/A轉(zhuǎn)換后的模擬量接到多路開關(guān)的電壓輸入端3引腳，輸出引腳13、14、15分別控制發(fā)光二極管D1、D2、D3。

　　DAC0832只有1路模擬輸出，必須采用分時控制的方式循環(huán)控制三個發(fā)光二極管的亮度，實現(xiàn)接通某一個LED 時，其它LED 保持要原有亮度不能熄滅，為了達(dá)到這個目的，這里采用了運(yùn)算放大器接成電壓跟隨器的形式控制LED的亮度，即多路電子開關(guān)的每個輸出與發(fā)光二極管間都接一個電壓跟隨器，而且在運(yùn)算放大器的正向輸入端接了一個保持電容，使輸入電壓能夠保持一段時間，其接線如下：

　　由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很大，所以Ch2上的電壓能夠保持一段時間，在數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出電壓控制其它發(fā)光二極管期間，該運(yùn)算放大器的輸出電壓能夠保持不變。

　　裝置硬件原理圖如圖5。

　　2　軟件設(shè)計

　　軟件主要完成兩個功能， 第一， 完成各個LED的循環(huán)點(diǎn)亮； 第二，通過程序控制各個LED亮度的變化。本例中要實現(xiàn)燈光旋轉(zhuǎn)的效果，所以每個LED都按三角波的型式亮度變化，先逐漸變亮，達(dá)到最亮?xí)r再由最亮逐漸變暗，如此反復(fù)進(jìn)行；三個LED的亮度變化要有一個時差，如果一個LED從暗到亮再到暗作為一個周期的話，則D2比D1 滯后1/3 周期， D3 比D2 滯后1/3 個周期。

　　2.1　主程序設(shè)計

　　使各個LED循環(huán)點(diǎn)亮通過主程序循環(huán)實現(xiàn)，將表示三個LED亮度的三個數(shù)據(jù)放到連續(xù)的三個RAM單元30H、31H、32H中，主程序中循環(huán)讀取這三個單元的數(shù)據(jù)送到DAC0832 轉(zhuǎn)換，根據(jù)30H、31H、32H中數(shù)值的不同，轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓也不同，單片機(jī)控制多路電子開關(guān)將不同的模擬電壓送給不同的LED,從而實現(xiàn)各個LED具有不同的亮度。由于本例中用P2口控制ADC0832的選通和電子開關(guān)的選通，根據(jù)原理圖接線可知，點(diǎn)亮發(fā)光二極管D0、D1、D2對應(yīng)的P2口數(shù)據(jù)分別為00H、01H、02H。

　　2.2　中斷程序設(shè)計

　　控制LED亮度變化通過定時器T0定時中斷程序?qū)崿F(xiàn)， T0中斷改變30H、31H和32H的數(shù)值就可以改變LED 亮度了，若實現(xiàn)燈光旋轉(zhuǎn)的效果，則三個LED的亮度應(yīng)按圖6曲線變化。

　　圖中橫坐標(biāo)表示時間，在一個周期內(nèi)發(fā)光二極管的亮度會按三角形規(guī)律變化，設(shè)每個變化周期為T,第二個發(fā)光二極管D1的變化滯后第一個發(fā)光二極管D0三分之一周期，同樣D2滯后D1三分之一周期。

　　圖6中的橫坐標(biāo)表示亮度，也就是對應(yīng)的要轉(zhuǎn)換成模擬量的數(shù)字量的數(shù)值。在主程序中三個字節(jié)30H、31H、32H中數(shù)值對應(yīng)三個發(fā)光二極管的亮度，設(shè)定三個字節(jié)33H、34H和35H 的值控制三個二極管亮度增加還是減弱（ 1 增強(qiáng)， 0 減弱） 。假設(shè)開始時D1對應(yīng)亮度為0,D0、D2對應(yīng)亮度均為170,則三個二極管的亮度變化應(yīng)該是D0和D2亮度增加，D2亮度減弱，則三個亮度控制字節(jié)的值分別為33H、35H中為1, 35H中為0。

　　采用T0中斷實現(xiàn)三個發(fā)光二極管亮度的改變，則每到一次定時中斷將完成如下功能：

　　1） 根據(jù)三個字節(jié)33H、34H和35H的值，分別對30H、31H和32H的值進(jìn)行增1或減1操作。

　　2） 當(dāng)亮度字節(jié)的數(shù)值增加到255時對應(yīng)控制字節(jié)數(shù)值清零，亮度字節(jié)數(shù)值減到0時，對應(yīng)控制字節(jié)數(shù)值置1。

　　由于在主程序中和中斷子程序同時使用工作寄存器R0,所以在中斷程序的開始和結(jié)束有一個保存和恢復(fù)R0中數(shù)值的過程。

　　中斷程序的程序框圖為：

　　即： TH0 = F0H, TL0 =BEH3

　　3 結(jié)語

　　文中設(shè)計了基于DAC0832實現(xiàn)對LED控制的系統(tǒng)，在單片機(jī)的控制下，利用多路開關(guān)和電壓保持電路實現(xiàn)了對多個發(fā)光二極管亮度的變化控制，實現(xiàn)了LED燈的燈光旋轉(zhuǎn)的效果。如果將此電路擴(kuò)展，接更多的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多路開關(guān)，就可以實現(xiàn)各種復(fù)雜圖案的變化。采用電壓保持電路的辦法也可以應(yīng)用到其它領(lǐng)域的模擬控制中。