（模式识别与智能系统专业论文）led灯恒功率控制器的设计.pdf

摘要 作为第四代新型照明光源，l e d 灯已经成为节能环保光源的首选，它具有低 压供电、附件简单、结构简单、可控性好、色彩丰富和无启动器、镇流器或超高 压变压器等优势。因此，设计l e d 灯恒功率控制器具有实际应用价值。 在研究l e d 灯的结构特点、发光机理和电学及光学特性的基础上，论文简要 讨论了l e d 功率控制技术的两种方法：电压控制和电流控制。根据l e d 恒功率 控制器的设计要求，论文采用a t 9 0 p w m 3 作为控制器，给出了控制器的组成框 图和具体电路的硬件设计，推导了l e d 灯恒功率控制算法，给出了l e d 恒功率 控制器的软件设计流程，主要包括功率调度程序和恒功率控制程序，并对p w m 信号的产生和a d 采样及转换过程作了详细说明。最后给出了样机的测试波形， 说明论文设计的l e d 灯恒功率控制器达到了设计要求。 关键词：l e d 灯p w m 信号恒功率控制光源控制 a b s t r a c t a san e wf o u r t h - g e n e r a t i o nl i g h ts o u r c e ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ，h a sn o t o n l yb e c o m et h ef i r s tc h o i c ef o re n e r g ys a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，b u ta l s o h a st h ea d v a n t a g e so fl o w - v o l t a g ep o w e rs u p p l y , s i m p l es t r u c t u r e ，c o n t r o l l a b l e ， c o l o r - r i c ha n dn o n 。s t a r t e r , n o n b a l l a s t ，o rn ou l t r a - h i g hp r e s s u r et r a n s f o r m e r si nt h ef i e l d o fl a n d s c a p el i g h t i n gd e s i g n t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fl e dl a m pc o n t r o l l e ri sav e r y m e a n i n g f u lt o p i ci nt h i sf i e l d b a s e do nt h es t u d yo ft h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，l i g h t e m i t t i n gm e c h a n i s m ， e l e c t r i c a la n do p t i c a lp r o p e r t i e so fl e dl a m p ，t h ep a p e rb r i e f l yd i s c u s s e st h el e d p o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt w ow a y s ：v o l t a g e - c o n t r o l l e dp o w e r a n dc u r r e n t c o n t r o l l e d p o w e r a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，p a p e r u s e sa t 9 0 p w m 3s i n g l ec h i pm i c r - o c o m p u t e ra sac o n t r o l l e r , g i v et h ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o l l e rc i r c u i ta n d h a r d w a r e d e s i g np r o c e s s ，d e r i v a t et h ea l g o r i t h mo fl e dl a m pc o n s t a n tp o w e rc o n t r o l ；g i v et h e s o f t w a r ed e s i g nf l o wo fl e dc o n s t a n tp o w e rc o n t t o l l e r ，i n c l u d i n gp o w e rd i s p a t c h i n g p r o c e d u r e sa n dc o n s t a n tp o w e rc o n t r o lp r o c e d u r e s ；a n da l s og i v ea d e t a i l e dd e s c r i p t i o n o fp w ms i g n a l sg e n e r a t i o na n da ds a m p l i n ga n dc o n v e r s i o np r o c e s s f i n a l l y , b yt h ew a yo fg i v i n gt h et e s tw a v e f o r md i a g r a mo fap r o t o t y p e ，i ti s p r o v e dt h a tt h el e dl a m pc o n s t a n tp o w e rc o n t r o l l e rd e s i g n e di nt h i sp a p e ra c h i e v e s t h er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：l e dl a m p c o n s t a n tp o w e rc o n t r o lp w ms i g n a l s l i g h tc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得诹安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业 后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 导师签名： 第一章概述 第一章概述 我国现代意义上的城市夜景照明始于改革开放后的上海，如今有了长足的进 步，全国大中城市竞相在夜色中亮了起来。从美国卫星所拍摄的夜间地图上，可 以看到我国，尤其是东部地区的夜间亮化工程是卓有成就的【l l 。 随着国家半导体照明工程的启动，半导体照明技术将进一步改变我们的世界， l e d 灯就是由发光二极管为发光源的半导体灯具，是2 0 世纪后期发明并发展起 来的新光源。l e d 灯具有色彩丰富、表现力强、绿色、节能、环保、使用寿命长、 运营成本低、可靠性高和维护成本低等优点，是目前公认的“绿色光源”。现代城 市的美丽夜景，体现着城市的文化品位，需要科学统筹、精巧策划和完美设计， 达到人与环境的和谐1 2 】。 1 1 课题研究的目的及意义 “绿色照明”是9 0 年代初国际上对采用可节约电能、保护环境的照明系统的形 象性说法。实施绿色照明计划于1 9 9 1 年由美国环保局( e p a ) 首次提出并逐渐获得 推广【3 j 。实施绿色照明计划旨在发展和推广高效照明器具，逐步代替传统的低效 照明电光源，节约照明用电，建立优质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境和 改善人们生活质量、提高工作效率、保护人民身心健康的照明环境，以满足人民 群众日益增长的对照明质量、照明环境和减少环境污染的需要。实施绿色照明计 划是节约照明用电和减少二氧化碳等有害气体排放量的重要措施，二氧化碳是地 球环境变暖的重要成因，而大约8 0 的二氧化碳来自发电厂石化燃料的燃烧。如 果我们从照明节能角度来看，照明节电，可以少建电厂，从而减少二氧化碳等有 害气体的排放。 自1 9 9 6 年国家经贸委等部门组织实施“中国绿色照明工程”以来，绿色照明的概 念深入人心。作为第四代新型照明光源，l e d 光源具有许多不同于其他电光源的 特点，使其成为节能环保光源的首选【4 】。l e d 光源除具有绿色光源无汞、节能、节 材、对环境无电磁干扰和无有害射线等五项优点之外，在景观照明中，还有很多 优势： ( 1 ) 低压供电：无高压环节，为了绝缘的开销要小得多，可靠性高； ( 2 ) 附件简单：无启动器、镇流器或超高压变压器； ( 3 ) 结构简单：具有固体光源的最大优点，不充气、无玻璃外壳、无气体密封 问题和耐冲击； 2 l e d 灯恒功率控制器的设计 ( 4 ) 可控性好： 会疲倦； ( 5 ) 色彩纯厚： ( 6 ) 色彩丰富： ( 7 ) 轻质结构： ( 8 ) 体积小巧： 米数量级或更小； 响应时间快( 微秒数量级) 、可反复频繁亮灭、基本无惰性，不 由半导体p n 结自身产生，色彩纯正、浓厚； 三基色加数码技术，可演变任意色彩； 节材，节约费用，对灯具强度和刚度要求很低； 大的l e d 灯具可看成f l d l e d 细胞组成，最小的l e d 仅为平方毫 ( 9 ) 柔化性好：l e d 光源的精巧，使l e d 能适应各种几何尺寸和不同空间大小 的装饰照明要求，诸如：点、线、面、球、异形体，乃至任意艺术造型的灯光雕塑 【4 】 o 目前l e d 常规景观灯具如：园林灯、步道灯、地理灯、小型射灯、草棚灯和 壁灯等。l e d 灯具有设计的柔化性，特别适合因景制宜的非标灯具设计，使景观 照明与景观协调，达到美化环境的新水平，而且光源采用l e d ，结合变幻控制， 还可以升级对景观的烘托，使其更具艺术品味。论文设计的l e d 灯恒功率控制器 就是用于景观照明，因此具有极大实用价值。 1 2 电光源技术革命和绿色照明 1 2 1 电光源技术革命 自1 8 8 2 年爱迪生发明白炽灯以来，人造照明光源经历了三个发展阶段：白炽 灯、荧光灯和高强度气体放电灯。1 9 9 3 年日本首先在蓝色g a n 发光二极管上获 得技术突破，并于1 9 9 6 年实现白光l e d ，近几年正向第四个照明光源的发展阶 段以白光l e d 为主的半导体照明光源的方向发展【5 】。 ( 1 ) 第一次电光源技术革命白炽灯 二十世纪4 0 年代之前，爱迪生发明了白织灯。白炽灯光效低，但具有高显色、 高亮度、小型化和易于配光控制等许多优点，大量使用于普通照明、局部照明、 投光照明、汽车、舞台装饰和影视演播等领域。到目前为止，全世界白炽灯使用 量占整个照明光源的8 0 以上。近年来，各国生产和使用白炽灯的总数虽然有所 下降，但和其它类型灯相比较，在数量上仍然处于绝对优势。 ( 2 ) 第二次电光源技术革命荧光灯 荧光灯是1 9 3 8 年开发成功的世界上最有效的照明光源，它在光效、光色、显 色性和寿命方面均有良好的特性。随着对汞等稀有气体放电过程更为深入的理解， 荧光灯的第一个进展就是充氪气和缩小管径。欧洲国家将荧光灯的管径直径从3 8 第一章概述 毫米缩小到2 6 毫米，能节电1 0 ；日本将灯管直径从3 2 毫米缩小到2 5 毫米， 可节电5 - - 一7 ；我国将通过引进设备合资办厂、对原有设备进行改造和自行开发 等形式开发和生产细管径荧光灯。荧光灯的第二个进展是1 9 7 4 年三基色稀土荧光 粉的试制成功，目前我国三基色荧光灯已日益普及。由于荧光粉材料的改进和涂 覆技术的进步，发光亮度取得了进一步改善，最近其在显色性和光色等方面也已 能满足用户的需要。 ( 3 ) 第三次电光源技术革命高强度气体放电电光源 二十世纪6 0 年代初，美国首先制成了第一个金属卤化物灯，到了二十世纪 7 0 年代，金属卤化物灯显示出高发光效率、高功率、高显色性、高色温、体积小 和长寿命等特点，使其在室内外照明中占有重要的地位。 ( 4 ) 第四次电光源技术革命半导体发光二极管 半导体电光源是一种无灯丝的电光源，是一种将电能转换成光能的半导体器 件，它是靠半导体化合物制成的特殊结构把电能转换成光能，称为发光二极管， 英文为l i g h te m i t t i n gd i o d e ，简称l e d 。发光二极管发明于2 0 世纪6 0 年代，近 年来利用掺氧工艺和新的半导体材料，使发光二极管的亮度提高了1 0 倍以上【6 1 。 1 2 2 绿色照明 多年前，联合国在一份报告中强调：人类需求快速增长造成的环境和能源等 问题，已使人类出现了新的生存危机，并向全球提出了可持续发展的战略。事实 的确非常严重1 7 j 。由于人类工农业、航运和生活需求的快速发展，煤炭、石油资源 数十年即将耗尽；而且，工业的增长，致使c o ：排放量剧增，造成保护人类免遭紫 外线伤害的臭氧层日趋稀薄，并惊现可怕的空洞，温室效应和地球变暖带来的危 害已很严重；人类滥砍乱伐森林植物，致使地球的绿色覆盖面积不断缩小，土地 大面积沙漠化，不少江河湖泊枯竭，人类的生态伙伴，植物和动物的珍稀物种不 断消失；工农业生产和有机化学制品的滥用，导致了空气和水质问题，已造成人 类食品链的严重污染，甚至奶制品，以致喂养婴儿的母乳中也检测出了某些有害 物质，如：抗菌素，杀虫剂等，人类不明病因，无从查证；无法抵御的疾病，奇 怪降临，畸形、痴呆、癌变、怪胎等已经司空见惯。人类一方面制造了琳琅满目， 无比丰富的各种产品，以满足自身日益增长的生活奢求；另一方面，对能源毫无 节制地消耗以及对环境造成的污染，又在给人类自己制造了新的灾难。人类的可 持续发展观，要求人类在发展中要科学节能，节省自然资源，杜绝环境污染，保 护大自然。因为人类只能在大自然的绿色怀抱中才能健康地持续地发展。多年来， 绿色农业、绿色食品、绿色药品、绿色产品和绿色废弃等在国际范围内快速发展， 绿色照明也正是在这种形势下提出来的。真正的绿色照明的理想境界应从以下诸 4 l e d 灯恒功率控制器的设计 方面来考察【8 j ： ( 1 ) 无汞：汞有毒，污染环境后患无穷； ( 2 ) 节能：不仅照明要节电运行，而且光源和灯具从原材料至成品的生产过程 也应有利于节能； ( 3 ) 节材：光源及其附件要节约所耗用的黑色金属、有色金属、稀有金属和非 金属材料； ( 4 ) 环保的制造工艺：排放无污染和绿色生产工艺，包括采用无毒、无溶剂树 脂与密封材料，提倡采用水溶性树脂； ( 5 ) 无有害的射线：光源无紫外线成分； ( 6 ) 长寿命：耐用性好； ( 7 ) 对环境无电磁干扰：运行时无高次谐波分量泄漏； ( 8 ) 对电网无伤害：电抗分量小，功率因数高，启动时浪涌小； ( 9 ) 绿色弃废：失效后弃废物可回收、降解，无环境污染后患。 按以上九项分析，绝大部分气体放电光源( 无汞荧光灯除外) 相比，包括第三代 h i d 或更先进的h i d ，l e d 更接近绿色照明，但是绿色照明的理念不能只停留在节 能和高光效上，应该有一个综合性的全面评估。因此，真正实现绿色照明，研究 和开发的征途还很长，这是一种挑战【引。 1 3 l e d 灯的起源与发展 1 9 0 7 年，人类就发现了将半导体材料通电后可以发光，不过真正商用的l e d 出现在2 0 世纪6 0 年代，当时的l e d 由化合物半导体材料g a a s p 制成，可以发 出红光【l0 1 。在2 0 世纪6 0 , - - , 7 0 年代，l e d 的发光效率非常低，而且不能激发非常 重要的基色光蓝光，在此阶段，l e d 主要应用于各种昂贵的设备中作为信号 指示灯用。 进入2 0 世纪9 0 年代，随着氮化物l e d 的发明，l e d 的发光效率有了质的 飞跃，而很难实现的蓝光l e d ，也在1 9 9 2 年由日本著名的l e d 企业日亚化学公 司成功制造。这样，整个可见光频谱的单色l e d 都已生产出来，可用于各种需要 单色光的应用场合【l 。 影响l e d 产业发展最重大的转变是高亮度白光l e d 的发明，自1 9 9 7 年白光 l e d 出现后，专家对白光l e d 进入普通照明领域的可能性进行了研究。作为光 源，l e d 优势体现在三个方面：节能、环保和长寿命。l e d 不依靠灯丝发热来发 光，能量转化效率非常高，理论上只需要白炽灯1 0 的耗能，与荧光灯相比，l e d 也只需要荧光灯5 0 的耗能。说到底，半导体电光源的效率最高、最节能、寿命 最长【1 2 1 。 第一章概述 半导体电光源中的新秀氮化镓发光二极管“电灯”，要比普通白炽灯寿命长 1 0 0 倍，比日光灯寿命长1 5 - 2 5 倍；它的发光效率相当于白炽灯的1 0 - 1 5 倍， 相当于日光灯的2 - 一4 倍；而它的体积非常小，只相当于白炽灯泡的1 0 分之一， 目光灯的5 0 分之一1 1 3 】。 科学家和工业界人士认为，半导体电光源会引起一场照明革命，它每年的市 场价值达5 0 0 亿美元，几乎所有类型的“灯”都将被它取代。 氮化镓的光色是蓝光，这种光频率较高，效率也高，但不太适合居室家用。 英国一位科学家在蓝色发光二极管上涂上了发黄光的荧光剂，蓝色和黄色叠加， 就变成了白色，这种新型发光二极管就能适合日常室内照明了【1 4 】。 由于半导体电光源体积小、电压低、安全性好，它可以安在天花板、墙壁、 书桌和床头等，总之任何地方，需要时集中打开一片，不要时让室内灯光柔和暗 淡，用电脑直流调控很容易，这样又节省了许多电能。 半导体电光源优点明显，但要广泛应用，取代目前的各种“灯，也要解决两 大难题：一是成本较高，价格昂贵；二是功率小，大功率半导体光源制作困难， 花费大。然而这些困难都是可以克服的，由于能源日趋昂贵，节能就很有市场， 一旦有广阔的市场需求，任何困难都能克服1 1 5 】。 1 4l e d 景观装饰灯具研发的特点 由于l e d 具有一系列优越性，l e d 在景观灯具的研发方面主要有以下几个方 向： ( 1 ) 常规景观灯具的升级 常规景观灯具如：园林灯、步道灯、地埋灯、小型射灯、草坪灯、快车道分 道地灯和壁灯等，光源采用l e d ，并结合变幻控制，可升级对景观的烘托，将更 具艺术品味。 ( 2 ) 非标异形景观灯具的开发 在景观照明中，灯具安装要保护景观，爱护环境，防止灯具有碍观瞻，要做 到白天美化，夜幕下艺术亮化，这就需要灯具的结构与安装因景制宜，因建筑特 色制宜，很多标准灯具是满足不了以上要求的。l e d 灯具设计的柔性化，特别适 合因景制宜的非标灯具设计，使景观照明与景观协调，达到美化环境的新水平。 ( 3 ) 艺术化景观灯具开发 灯具本身就是一种造型艺术，而l e d 光源将使景观灯具的艺术创意达到更高 境界。由于l e d 的可控性好，色彩丰富，与微电子技术结合实现智能化控制，可 以构思出各种色彩缤纷、动感、节奏欢快和旋律优美的景观灯具。女i l e d 霹雳灯， 比气体放电型霹雳灯要长寿得多，并且不易损坏，而且色彩丰富。又女i l e d 风车 6 l e d 灯恒功率控制器的设计 灯只需微机智能控制，就可实现“无风时”飞速旋转，并且还能实现自动变速和 换色的美妙变幻。类似这样构思，只要有灵感，艺术创意较优，均能实现【l 6 1 。 ( 4 ) 灯光雕塑的开发 任何仿真的、仿生的、漫画的，卡通的、商业的和旅游的等各种灯光雕塑， 均可结合l e d 和声响技术以及微电子控制，必要时还可再加上机电一体化技术， 开发出一系列吸引人们眼球的景观灯光雕塑【1 7 】。 1 5 论文主要内容 论文在研究了l e d 的发光原理和特性的基础上，论述了l e d 发展中主要攻 克的问题，并根据设计要求，采用a t m e l 公司的a t 9 0 p w m 3 单片机作为控制器， 给出了硬件电路的设计框图和具体硬件电路，并给出了恒功率算法的推导和恒功 率控制器的软件设计过程。 论文论述了l e d 灯的两种功率控制方式：电压控制和电流控制，并比较了二 者的优缺点，提出了论文所用的方法是电流控制功率技术；简单介绍了论文所用 到的a t 9 0 p w m 3 单片机的结构，a d c 和p s c 电路；给出了l e d 灯恒功率控制 器的总体设计框图，并论述了在遥控器控制下的工作过程；分析了l e d 灯恒功率 控制器的硬件电路的设计过程，并进行了仿真实验；推导了恒功率控制的计算公 式，并给出了算法的仿真和设计参数的过程；论述了软件设计的基本思想，给出 了详细的总流程图，功率调度和恒功率控制过程；分析了a t 9 0 p w m 3 单片机的 p w m 信号发生器和a d 采样的工作过程，并给出了论文对这个过程所做的设置； 论文最后给出了软件调试的过程和手段；分析了实测波形，验证l e d 灯恒功 率控制器的设计达到了设计要求。 第三章l e d 灯恒功率控制器软硬件设计 7 第二章l e d 的特性及原理综述 2 1l e d 的结构与发光原理 2 0 世纪中叶出现在市场上的第一批l e d 产品，经过5 0 多年的发展历程，在 技术上已经取得了长足的进步。现在，l e d 的发光效率己达到7 0 1 m w ( 流明瓦 特) ，l e d 的场频质量提高了近1 0 倍，而制造成本已下降到早期的十分之一，这 种趋势还在进步的发展之中，从而使l e d 成为信息光电子新兴产业中极具影响 力的新产品l l 引。 要设计高性能的l e d 灯具，保证产品寿命，首先要研究其发光机理和电学特 性。半导体发光二极管是常用电子元件二极管中的一种类型，发光二极管又叫光 发射二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，简称l e d ) ，是一种可将电能变为光能的器件， 属于固态光源。用于照明的电光源，据发光的机理主要可分为热辐射光源、气体 放电光源和场致发光光源等几大类【1 9 】。 目前广泛应用的是以白炽灯为代表的热辐射光源和以荧光灯为代表的气体放 电光源，而场致发光光源则是一种正在发展中的新型光源。场致发光又称为电致 发光，根据发光原理的不同，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分， 半导体发光二极管的发光为注入式场致发光，是一种固体在电场作用下直接发光 的现象。半导体发光二极管发光原理：发光二极管是由i i i v 族化合物，如g a p ( 磷 化稼) 、g a a s p ( 磷砷化稼) 等半导体制成的【2 0 1 。 图2 1 所示为l e d 的p n 结，发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型 半导体组成的晶片，在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为口n 结， 因此它具有一般p n 结的伏安特性，即正向导通、反向截止和击穿特性，此外在一 定的条件下，它还具有发光特性。 p 区发光n 区 图2 1 l e d 的p n 结 l e d 灯恒功率控制器的设计 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的n 区有很多迁移 率很高的电子，p 区有较多的迁移率较低的空穴。由于p n 结阻挡层的限制，在常 态下，二者不能发生自然复合。当在发光二极管p n 结上加正向电压时，空间电荷 层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使p 区的空穴注入n 区，n 区的电子 注入p 区。于是在p n 结附近稍偏于p 区边的地方，处于高能态的电子与空穴相 遇，复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来，从而把电能直接转化 成光能，这种复合所发出的光属于自发辐射。当在发光二极管的p n 结上加反向电 压，少数载流子难以注入，故不发光，图2 2 所示为l e d 发光原理【2 1 1 。 l 图2 2l e d 发光原理图 严格来说二极管发光有二种：第一种是注入的电子与价带空穴的复合是在p 区中发生，则可直接复合产生发光，或者注入的电子先被发光中心捕获后，再与 空穴复合发光，这种情况下发出的光为可见光；第二种是注入的电子有一些被非 发光中心捕获，而后再与空穴复合，由于释放的能量不大，虽然能够发光，但所 发出的光是不可见的，即不可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越 大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近p n 结数毫米以内产生。 发光的波长取决于材料的禁带宽度，所以选用不同禁带宽度的半导体材料， 就可以制造出发光颜色不同的发光二极管。现在常见的有红、黄、绿、蓝发光二 极管，其中蓝色发光二极管生产的技术要求较高，因此价格高，使用不是很普遍。 发光二极管发光亮度可以通过工作电压( 电流) 的大小来调节，在很宽的工作电流 范围内，发光二极管的发光亮度与工作电流大小成线性关系【2 2 1 。 第三章l e d 灯恒功率控制器软硬件设计9 2 2 l e d 的主要参数与特性 2 2 1l e d 的主要参数 ( 1 ) 工作电压：l e d 使用低压电源，额定正向电流下，工作电压为1 5 v - 3 5v ， 根据产品不同而异，因此比使用高压电源安全，特别适用于公共场所； ( 2 ) 光电转换效率：l e d 光电转换效率为2 0 ，而白炽灯为3 ，简单说因为l e d 是冷光源，在产生相同亮度的情况下，消耗的能源少； ( 3 ) 适用性：由于面积极小，每个单元l e d 芯片不超过5 删n 2 ，故可制备各种 形状的器件，并且适合于易变的环境； ( 4 ) 稳定性：连续工作l 万小时以上，光强衰减为初始值的5 0 ； ( 5 ) 响应时间：l e d 响应时间不超过毫秒级； ( 6 ) 对环境的影响：无有害金属汞； ( 7 ) 颜色：改变电流可以变色，发光二极管可以通过化学方法，调整材料的能 带结构和带隙，实现多色发光，如小电流时为红色的l e d ，随着电流的增加，可 以依次变为橙色、黄色，最后为绿色1 2 引。 2 2 2l e d 的电学特性 ( 1 ) i v ( 电流电压) 特性 i v 特性是表征l e d 芯片p n 结性能的主要参数。l e d 的工作特性具有非线性和 单向导电性，即外加正偏压表现为低电阻，反之为高电阻，如图2 3 所示为i v 特性 曲线。 正向截止区：g 点电压v g 为开启电压，当v v g 时，外加电场尚未克服少数 载流子的扩散而形成势垒电场，此时电阻r 很大。开启电压对于不同l e d 其值不同， g a a s 为l v ，红色g a a s p 为1 2 v ，g a p 为1 8 v ，g a n 为2 5 v 。 正向工作区：工作电流，与外加电压呈指数关系： = i s ( e q v r 盯- 1 )( 2 1 ) 式中。为反向饱和电流。 反向截止区： v 0 时为反向截止区，p n 结加反偏电压v = - v ，反向漏电流 为i o 反向击穿区：v 6 0 0 d , 时。l e d 的亮度随工作时间增加而 衰减，称为老化，老化的快慢与电流密度i 和老化时间常数r 有关，所谓老化，就是 l e d 发光随着长时间工作而出现光强或亮度衰减的现象。 第三章l e d 灯恒功率控制器软硬件设计 1 3 b b 图2 6l e d 寿命与亮度的关系 器件老化与； f - j h 恒流源大小有指数关系： 二! b t = b o e 7 ( 2 4 ) b o 为初始亮度，b t 为工作t 时间后l e d 的亮度，t 为工作时间，f 为衰减系数。 测量l e d 寿命时，经常是以一定恒流源激励l e d ，此时得n b o ，在经过1 0 3 1 0 4 小 时后，测得b t ，此时b 。约为1 0 0 1 0 0 0 0 ，代入式( 2 4 ) ，求出f ，再把b t = i 2 b o 代入， 可求出寿命t 【3 0 】。 2 3l e d 发展中要攻克的主要问题 光源界预言l e d 将成为二十一世纪新的照明光源，并已被大多数人认识和看 好，但目前存在主要问题有【3 1 】： ( 1 ) 光通量有待进一步提高 l e d 的光效与高强度气体放电灯( h i d ) 相比仍有较大差距，采用l e d 作为照明 光源，必须可以发出更多的光，具有更高的能量转换效率，目前世界各国均加紧 了对提高l e d 发光效率方面的研究。 ( 2 ) l e d 发出的光与自然光相比仍有一定的差距 自然光具有非常强的黄色光谱成分，给人一种温暖的感觉，而白光l e d 发出 的白光带有较多的蓝光成分，光色不均匀，在这种光的照明下，人们的视觉不很 自然。 ( 3 ) 价格较高 目前单体黄色l e d 大约0 6 元个，绿色与蓝色单体l e d 在1 8 元个左右，白 色l e d 的价格达到了2 2 - 5 5 元个，而一个l e d 草坪灯的价格就相当于一般草坪 灯的几倍，所以价格一直是l e d 突破市场的隘口。 ( 4 ) 电光源技术与微电子技术的结合程度不够 1 4 l e d 灯恒功率控制器的设计 控制方式较为单调，控制手段比较原始。l e d 生产企业应重视微电子技术在 光源控制领域的应用，可以借鉴l e d 户外大型显示屏的做法：按占空比方式实现 对若干个红、绿、蓝l e d 发光单元发光灰度进行控制，采用嵌入式微控制器，实 现独立的数字化控制，使其产生全彩变化的显示效果。 从使用者角度，价格昂贵是影响l e d 照明灯具得到普及应用的主要原因。目 前市面上的单体l e d 功率大多数在1 w 以下，大功率的l e d 较少，而城市夜景照明 中建设单位过于追求高亮度难以给设计师提供足够大的选择范围，如果将几十个 单体l e d 组合，其成本将大大增加。不过，近年来随着生产技术的改良及各种专 利技术的解禁( 日本n i c h i a e t 亚公司的专利保护期至2 0 0 6 年) ，制造成本正在急剧下 降，l e d 照明灯具正朝着高效率、低成本的方向发展，为l e d 在照明领域的广泛应 用提供了有利条件。此外，l e d 灯发光角度小，方向性强，在景观美化中用于局 部重点照明有突出优势，如果在封装材料中添入散射剂可以实现1 7 5 0 的发光角 【3 2 】。 第三章l e d 灯恒功率控制器软硬件设计1 5 第三章l e d 灯恒功率控制器软硬件设计 3 1l e d 灯功率控制方式 l e d 灯的功率控制实际上是一种调光过程，在实际应用场景有广泛的价值。 通过改变l e d 灯的电压或者电流，达到控制灯功率的目的。l e d 灯功率控制可 - 以分为两种：电压方式和电流方式。 3 1 1 电压控制功率技术 控制l e d 灯功率的直接方法是改变l e d 灯两端的电压，为此，需要通过d c d c 变换，将直流供电电压转换成直接加在l e d 灯上的驱动电压，如图3 1 所 示，r 0 表示限流电阻。 p 、m m e d 灯 图3 1电压控制功率模型 通过改变p w m 信号的占空比，可以改变驱动电压v r 。当p w m 占空比增大 时，由d c - - d c 变换器使v r 相应增大，流过l e d 灯的电流i d 和功率也增大； 反之，当p w m 占空比减小时，v r 减小，i d 减小，l e d 灯的功率也减小。 这种通过控制驱动电压v r 来实现l e d 灯功率控制的方式，其优点是l e d 灯 电流是连续的，在视觉效果上不会产生闪烁。但小功率控制比较困难，因为驱动 电压不能太小，否则不能点亮l e d 灯。 3 1 2 电流控制功率技术 控制l e d 灯功率的另一种方法是改变l e d 灯的电流，其电路模型如图3 2 所示，供电电源直接加在l e d 灯两端，为了控制l e d 灯电流，引入由p w m 信 号驱动的m o s f e t ，当p w m 信号为高电平时，m o s f e t 导通，l e d 灯有电流流 1 6 l e d 灯恒功率控制器的设计 过；当p w m 信号为低电平时，m o s f e t 截止，l e d 灯上没有电流。图3 3 给出 在p w m 驱动下的l e d 灯的电流波形。 厂 厂 厂 厂 。d 厂 厂 厂 厂 图3 2电流控制功率电路模型图3 3p w m 下的l e d 灯电流示意图 当p w m 信号的频率较高( 大于l k h z ) 时，人眼就感觉不到闪烁。当p w m 信号的占空比增大时，l e d 灯电流的占空比也增大，其平均电流和灯功率也相应 增大；当p w m 信号的占空比减小时，l e d 灯平均电流及灯功率也减小。这样， 通过改变p w m 信号的占空比，就可以改变l e d 灯功率。 论文采用电流控制方式来实现l e d 灯功率控制。 3 2a t 9 0 p w m 3 单片机 3 2 1 a t 9 0 p w m 3 的结构 a v r 单片机是a t m e l 公司推出的具有众多成员的单片机家族，主要包括 a t - t i n y 、a t 9 0 和a t m e g a 三个系列，其硬件结构从相对简单到复杂，功能增强， 而指令系统向上兼容。与一般8 位机相比，a v r 单片机的显著特点为高性能、高 速度和低功耗。它是最先取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业， 并首先采用寄存器文件和精简指令集的8 位单片机。它具有高质量的f l a s h 程 序存储器、e e p r o m 数据存储器、功能多样化的定时器计数器、可靠的监视定 时器、多渠道的复位电路以及多种选择的休眠方式等方面优势，使其功能、可靠 性、速度、节电和价位等综合性指标在8 位机中名列前茅，是8 位嵌入式系统应 用的首选机种【3 3 】。 第三章l e d 灯恒功率控制器软硬件设计 1 7 a t 9 0 p w m 3 是a v r 系列单片机，由于其具有能直接产生3 路p w m 信号的 专门电路，不必像其他单片机依靠定时器计数器产生p w m 信号，故此得名。 a t 9 0 p w m 3 单片机结构框图如图3 4 所示。 图3 4a t 9 0 p w m 3 单片机结构框图 a t 9 0 p w m 3 主要由程序计数器、指令寄存器、指令译码器和定时控制部件等 组成。程序放在f l a s h 程序存储器内，c p u 从这里按程序计数器内容将指令读 出到指令寄存器，再由指令译码器完成译码，按译码结果由定时器控制部件发出 一系列操作信号，控制、完成指令规定的全部操作。数据存储器s r a m 主要用于 存储原始数据、中间处理乃至最终处理结果。点可擦、可写的e e p r o m 数据存 储器主要用于保存系统的关键数据和常用数据等，断电后不会丢失。定时器计数 器可用以建立系统的工作秩序，产生各种定时信号，记录输入事件，处理输出事 件等。 l e d 灯恒功率控制器的设计 a t 9 0 p w m 3 单片机与外部联系主要靠同、异步串口和并口进行。同、异步串 行口用于与其他嵌入式系统或上位机进行通信；并行口可设定为输入、输出，用 以读入外部并行数据或输出并行数据。另外，还有中断信号输入、模拟量输入、 对外部事件计数、记录外部事件发生时刻以及脉宽调制输出等联系手段。 a t 9 0 p w m 3 单片机的存储器包括f l a s h 程序存储器，s r a m 和e e p r o m 数据存储器，图3 5 和3 6 分别为程序存储器和数据存储器的组织结构。 程序存储器 快速f l a s h 部分 0 x 0 0 0 0 0 x o f f f 数据存储器 3 2 个通用寄存器 6 4 i o 口寄存器 1 6 0 5 1 围i 0 口寄存器 内部s 蝴 ( 5 1 2 + 8 ) o x 0 0 0 0 0 x 0 01f o x 0 0 2 0 0 x 0 0 5 f 0 x 0 0 6 0 0 x 0 0 f f 图3 5 程序存储器图3 6 数据存储器 因为a v r 指令通常都是1 6 或3 2 位的，所以f l a s h 程序存储器被组织为 4 k x l 6 ，为了程序安全，把f a l s h 程序存储器分为两部分：应用f l a s h 和快速 f l a s h ，其存储空间，为独立空间，可并行编程写入，也可由上位机串行下载。 a t 9 0 p w m 3 单片机内共有7 6 8 个s r a m 单