LED节能灯设计与智能亮度控制的开发毕业论文.doc

LED节能灯设计与智能亮度控制的开发摘要：目前世界各国都在政府的大力资助下加快推进LED 节能灯取代传统照明灯的步伐。从1998年发白光的LED开发成功，仅十几年时间，市场上已有白光LED的手电筒、在矿上有白光LED的矿灯,不仅亮度好,而且节电。虽然家用LED节能灯目前还没有上市,而且目前只能生产小功率的灯泡,且价位还较高,普通家庭还难以接受。但随着半导体材料及工艺技术的进步,LED家用节能灯的性能会很快进入市场,价格也会不断地下降,它将逐步地进入千家万户,给您带来节电、明亮的新的光源。为了推动LED节能灯的发展，我将用25颗散光型白色高亮度LED组装一枚节能灯，以确定LED 节能灯取代传统照明灯的可行性。 为了更加节能环保，我将结合智能开发系统，根据光线的强度、红外和温度变化，来实现此节能灯的自动开关、自动调节亮度。我采用单片机C8051F020为系统控制核心，安装了光强传感器，红外无线感应器，采用DS18B20为温度传感器，使系统具有光强、温度、红外3种感应开关控制LED节能灯，再加上过压、过流保护措施，进一步提高节能效率并保证照明系统的正常工作。此外，系统还使用液晶实现LED照明工作信息的外部显示。该系统可应用于如楼道照明、工作照明、设备照明等很多场合。关键词：LED节能灯 自动控制 光强 温度 红外一、 LED节能灯简介 1、LED发光原理LED俗称发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是 利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。2、LED的发展 上个世纪60年代，科技工作者利用半导体PN结发光的原理，研制成了LED发光二极管。当时研制的LED，所用的材料是GaASP，其发光颜色为红色。经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的LED，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。最初LED仅用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。通常LED能直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光，但对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。经过多年研究，人们在1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GAN芯片和YAG（钇铝石榴石）封装在一起做成的。芯片GAN发蓝光，高温烧结制成的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值达550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，最终可以得到得白光。现在，对于白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温在3500-10000K的各色白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。 然而照明需用的白色光LED仅在近年才快速发展起来，目前白色LED发光效率已经突破120LM/W，是白炽灯15LM/W的8倍，是荧光灯50LM/W的2倍多。LED的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以不会发热，不产生有害辐射。而且LED的光通量半衰期大于5万小时，可以正常使用20年，器件寿命一般都在10万小时以上，是荧光灯寿命的10倍，是白炽灯的100倍，所以基本不会损坏，这种灯具具有非常好的节能长寿命特性，随着白色LED价格的不断降低，LED节能灯不但在节日彩灯装饰中广泛应用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的领域，全面进入实用化，并且在环保方面废弃物可以回收，没有荧光灯的贡污染问题，是国家重点发展的产业项目。发展空间无限，市场价值巨大。3、研发意义及背景 LED 灯相对于其他光源有寿命长、发光效率提高空间大的优势，并且LED 灯由于采用物理P-N 结的冷发光原理，使得LED节能灯灯转化效率高，发光效率从2002年的25流明/瓦提高到2007年75流明/瓦，而发光成本将从2002的200美元/千流明降低到2007年的20美元/千流明、最重要的是LED节能灯不存在汞灯污染源，被誉为绿色环保的照明能源，符合当今世界主题。目前LED节能灯最高发光率为200 流明/瓦，其寿命理论值达到10万小时，远远高于其他光源产品。是未来世界必用主流产品。 目前世界各国都在政府的大力资助下加快推进LED节能灯取代传统照明灯的步伐、日本、美国、欧盟、韩国、中国台湾和中国政府都制定了相应的发展计划。 中国为节约能源、实现经济和社会的可持续发展，于2007年6月3日制定节能减排综合性工作方案半导体照明产业顺应了节能减排的宏观政策。从2005年开始科技部批准了大连、厦门、上海、南昌、深圳等五个半导体照明产 业基地，之后在2007 年和2008 年相继批准石家庄、扬州等两个半导体照明产业基地，在政策、税收和资金上给予长期支持。LED节能灯在2007 年开始渗透进入白炽灯照明市场、预计在2012年进入荧光灯照明市场，从而大量取代白炽灯和荧光灯。但目前LED 路灯市场中，应用LED 灯的比例很少，存在很大的替代空间，目前路灯在全球未来景观照明和通用照明的LED 市场增长速度最快，预计景观照明LED市场份额将从03 年的2%增加到08 年的8%。04 年通用照明LED 的销售额是9400万美元，到2010年将增长到8.75亿美元，年增长率将达52.3%，届时LED节能灯将在全球120亿美元至140亿美元的照明市场占据重要的位置。 二、 LED节能灯的制作1、元器件：（1）25颗散光型白色高亮度LED（2）塑料外壳、罗口灯座、均光板各一块（3）400V/0.33UF降压电容一个（4）100V/4.7UF滤波电容一个（5）集成整流桥一个（6）1M 高压泄放电阻一个（7）100欧姆限流保护电阻一个（8）电源板PCB一片（9）LED灯板PCB一片 2、 制作过程 绘制电源PCB板电路图 ： 3、 焊接成品（1）首先可以焊接LED灯板部分，制作前先用绘图橡皮将LED的所有焊盘仔细擦磨一遍，这样可以清除PCB上的氧化层，确保焊接可靠！将白色LED按照PCB上标注的极性仔细插入PCB，注意：引脚长的那根脚插入PCB上标有“”的孔中，千万不能插反！如图：（2）在焊接LED时请一定要选用不漏电的30W尖头电烙铁焊接，可以先焊好LED的一个引脚观察LED的位置，如果不正可以融化焊锡时扶正，确认位置正确后焊接另一个引脚。焊接要干脆果断，可以先焊接内圈的LED，再焊接外圈的LED，焊接时间不能过长，应控制在2秒以内，否则LED有可能被焊坏！我们特地多提供了一颗LED，就是防止意外损坏时可以替换。（3）焊接完成后从LED灯板上的A、B处用软导线引出，然后请仔细检查是否有虚焊？是否有桥搭短路？LED是否在同一平面上？是否有多余的焊锡球散落在PCB上？完成后图：（4）根据电源PCB板电路图焊接整流桥和4.7UF/100V的滤波电容，注意：电解电容、整流桥是有极性的，一定要按照我们图片的方向进行焊接。（PCB正面白色的丝印V+ V-是错误的，请不要被误导）焊接完成后将电源板的A、B两处焊盘用绝缘软导线焊接好LED灯板的A、B两处焊盘。如图： （5）从电源板上标有“交流入”的两处焊盘处引出两根软线，一根和外壳焊接，另一根和中心电极焊接，焊接点如上图红色箭头位置。最后热溶胶分别固定罗口灯座、电源板、LED灯板和均光板，防止晃动和意外短路。如图： （6）做好的LED灯不但很轻不容易摔坏，如图所示： 4、制作注意事项：（1）请仔细多次核对后通电试验，注意人身安全，谨防触电！（2）因为这款灯的LED数量众多，很容易因为其中一个LED损坏或者LED管脚和PCB焊接不良造成全部不亮，所以制作成功的关键还是在焊接LED时务必认真仔细！（3）用万用表直流250V电压档排查每个LED两端的电压，如果发现某个LED两端的电压异常大，可能出现了开路（如LED装反、LED管芯开路、LED焊盘齐根处PCB短路、LED虚焊等），此时最有效的办法就是用直流电压试通电点亮LED测试，先彻底断开交流电源！然后如用10V左右的直流电压，4个LED串连后通电测试，可以快速判断出故障。5、最容易出现的错误：（1）LED引脚和PCB接触不良 （2）LED被插反极性 （3）LED焊接时间过长损坏 （4）电阻或者其他元件接错。三、智能亮度控制系统的开发1、 总体设计方案 本智能亮度控制采用单片机是C8051F020，为实现LED照明灯的自动测控，我采用了以下整体框架。如图所示：整个系统的设计分硬件设计和软件设计，硬件设计又可分为供电驱动模块、自动测控与显示模块3部分。供电驱动模块实现的过程为：1224 V的直流供电输入，经过过压保护电路后向SN3350芯片构成的LED驱动电路提供安全电压，驱动电路驱动LED照明灯正常工作。自动测控与显示模块主要包括光强传感器、温度传感器、红外无线传感器和液晶显示器。光强传感器采用了硅光电池和集成运放组成光电转换电路，将环境中光照强度转换为电压信号，经过单片机的AD转换，依据实测电压和光照的关系曲线，将相应电压值转化为照度并经由LCD1602液晶显示；温度传感器采用了DS18B20芯片电路，将实时的环境温度转换为电信号传递给单片机分析处理，同样经LCD1602液晶显示；红外无线传感器采用以BISS0001为核心的热释电红外无线感应器电路，感应电路接收到信号后传给单片机控制LED照明灯的开关。系统实现节能和自动测控的功能由单片机C8051F020实现。软件编程的思路是：由单片机内部产生PWM信号控制SN3350驱动芯片的ADJ引脚。通过改变PWM的占空比，实现对ADJ输入任意电压，进而控制LED照明灯的开关及亮度调节。2、 硬件电路设计（1） 单片机C8051F020本系统采用单片机C8051F020，其片内含CIP-51的CPU内核，指令系统与MCS-51完全兼容。含有64 kB片内Flash程序存储器，4 352 B的RAM、8个IO端口共64根IO口线、1个12位AD转换器1个8位AD转换器以及1个双12位DA转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2.73.6 V（端口IO、RST和JTAG引脚的耐压为5 V）。如下图：（2） LED驱动电路 本系统选用了SN3350芯片作为LED驱动电路的核心。SN3350是一款降压型电感电流连续模式驱动芯片，适用于电源电压高于一颗或一串LED所需电压的应用场合。输出电流可达750 mA，输出功率可达30W。下图为本系统采用的LED驱动电路。LED驱动电路图2中，3号引脚ADJ为多功能开关亮度控制脚，其引脚特性为：1）引脚悬空：工作在普通模式。（普通模式下VADJ=VREF=1.2 V，工作电流IOUTnom=0.1R1）；2）输入电压低于0.2 V：关闭输出电流；3）输入直流电压从0.31.2 V：输出电流调整范围从25100；4）通过不同占空比的PWM信号来控制输出电流；5）当ADJ引脚电压超过1.2 V：电流被自动钳位在100。SN3350的输出电流可以通过在ADJ引脚加控制信号来设置。本系统利用单片机产生PWM信号输入ADJ引脚，驱动电路依据以上引脚特性在不同的电压值下进入不同的工作模式。（3）光强传感器 1）本系统的光强传感器采用了一种光电转换电路，其原理图如图3所示。电路的作用在于，通过集成运放LM324和反馈电阻Rf，将硅光电池（相当于一个光控恒流源）输出的电流转换为电压信号输出。通过调节Rf阻值的大小，可以改变输出电压值的大小，从而能够适应后级控制电路对输入信号电压值的要求。实际应用时，光照强度影响，Is大小，进而引起Vout的改变，从而实现了将光强信号转换为电压信号。光电转换电路图2）在实际制成的光电转换电路中，使用照度计和电压表测得的光照度-电压关系。光电转换电路测试结果如图。 3） 根据测量结果绘制线性图如下 4）由图可见，随着环境光照度的增大，光电转换电路的输出电压也线性增大，相关度达99.1，线性良好。这表明按照图3制成的光电转换电路的实际测试结果与理论预期符合度较好。同时，图4的光照度-电压关系直线也为软件部分的程序设计提供了重要依据。（3） 红外无线传感器1）本系统的红外无线传感器采用以BISS0001为核心的热释电红外无线感应器电路。BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。以BISS0001为核心的热释电红外无线感应器采用被动探测方式，其电路原理如图5所示。菲涅尔透镜（DSG）接收进入探测区域的人体所发射的波长为812 m的红外线，通过热释电传感器（PIR）将光信号转变为电信号，经电路系统放大，滤波，最后将信号输出。2）电路图如下3、 软件设计1）软件设计的思路是先分模块独立设计，然后对各个模块进行综合整理。2）本系统程序设计的流程框图如下图所示。 3）程序主要分为5个模块：亮度控制模块、温度探测处理模块、光照度探测处理模块、红外无线探测处理模块、液晶显示模块，下面对前3个较为复杂的模块分而述之。 a、亮度控制模块根据给定的LED驱动电路芯片SN3350的引脚特性，可以通过控制ADJ脚的信号的电压来控制LED的亮度。单片机80C51F020能够自行产生Vpp=5 V的PWM信号，因此可以通过控制该PWM信号的占空比来控制LED灯的亮度。依据图4的光照度-电压关系直线设定判定程序，得出对应的占空比，就能实现对于亮度的控制。b、温度探测处理模块由于DS18B20芯片的信号输出脚输出的是数字信号，本模块的内容主要是对从DS18B20获得的数字信号进行译码，从而获得实际环境温度数值。c、光照度探测处理模块使用图3光电转换电路探测环境光强度输出电压信号。该信号是模拟信号，因此，需要对此信号进行模数转换之后才能够用单片机进行处理。使用80C51F020自带的AD转换模块，可以实现模数转换。光照度对应的电压信号在02.4 V之间，因此某一特定的电压值转换成8位的数字信号，然后通过与温度信号类似的处理从而对光进行控制。4)根据本文第2部分所述的SN3350驱动芯片控制端ADJ引脚特性，程序设计的具体方案如下：a、LED灯随外界环境照度的自动调节和控制：当测得实际光照度大于2 000 lx（照度值可依据需要自行设定，下同）时，令ADJ引脚的输入电压为0，LED灭；当测得实际光照度小于1 000 lx时，令ADJ引脚的输入电压为0.3 V，LED亮；当测得实际光照度大于1 000 lx且小于2 000 lx时，令ADJ引脚的输入电压在0.31.2 V之间做相应变化。b、LED灯随外界环境温度的自动调节和控制：当LED的温度大于80（温度值可依据需要自行设定，下同）时，令VADJ=0；当LED的温度小于50时，令VADJ=1.2 V。c、LED灯随外界红外辐射信号的自动调节和控制：当热释电红外无线传感器传来感应信号时，令VADJ=1.2 V，没有信号传来时，令VADJ=0。4、系统测试1）基本工作测试a、电源供电15 V；实测三盏LED灯两端的工作电压为14V；驱动电路输出电流为320 mA；过压保护测试调节输入电压大于24 V时，LED两端电压很快下降；当输入电压升至27V时LED两端电压已降至0V。b、测试结果表明本系统能在低压条件下正常稳定工作，具有过压保护功能2 )功能测试a、测量与显示功能能否显示环境光照强度：能，LCD显示环境光强可精确到1 lx；能否显示环境温度：能，LCD显示环境温度可精确到0.1；b、自动控制功能光强改变时能否开关灯：能，光强大于2 170 lx时自动关灯；光强小于1 040lx时自动关灯（设计阈值分别为2 000lx和1 000 lx）；温度改变时能否关灯：能，温度高于82.5时自动关灯；温度低于49.3时自动开灯（设计阈值分别为80和50）；能否维持环境光强的基本稳定：能，环境光强减弱但不小于1 000 lx时，自动提高LED的发光强度；环境光强增强但不超过2 000 lx时，自动减弱LED的发光强度；能否感应红外辐射并开关灯：能，在有人进入LED灯一定距离（最大半径3.5 m处）时，自动开灯，并维持10 s后逐步减弱灯光亮度直至关闭。测试结果表明，本系统具备随环境光强、温度、红外辐射变化而自动控制开关、调节光强的功能，实测数据与理论设计值符合得比较好。4、 设计中需注意问题 1）本系统的特点是硬件模块电路较多，设计时应注意共地与接口匹配。具体来说，单片机C8051F020、LED驱动电路的SN3350芯片、光电转换电路中的集成运放LM324、热释电红外无线感应器电路的核心BISS0001芯片、DS18B20温度传感器电路和过压保护电路6个模块都要与直流电源共地。接口匹配问题主要存在于光强、红外辐射、温度3个传感器的输出口与单片机的输入口，以及单片机的输出口与液晶LCD1602、LED驱动芯片SN3350的控制引脚之间。此外，由于LM324、BISS0001、DS18B20等芯片的工作电压为5 V，小于LED照明系统15 V的工作电压，测试时需另接5 V电源，而实际制作成品时则需增加一个电平转换电路，将统一的15 V供电电压转换为5 V稳压输出给相关芯片。2）在编写程序时需考虑各个传感器传送的信息被单片机处理的优先级。根据实际需要，本系统接收信号的参考优先