（测试计量技术及仪器专业论文）结合电子警察功能的led交通信号系统研制.pdf

独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： ：篮堕垒日期： 大连理工大学硕士学位论文 摘要 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是2 0 世纪6 0 年代末期出现的一种半导体光 源。近年来l e d 的研制取得了重大突破，发光强度和光效率有了明显的提高，并出现 了光通量达到几十流明的大功率l e d ，为其在照明及信号光源中的使用奠定了基础。再 加上l e d 具有体积小、寿命长、响应快、安全低压、节能环保、应用灵活、调节方便 等诸多优点，研制新型l e d 光源代替传统光源具有很大的实际意义。 本文着眼于l e d 光源在交通领域中的应用，研制了新型l e d 交通信号灯和电子警 察闪光灯，对l e d 的亮度调节问题和对大功率l e d 灯具的驱动技术进行探索和研究， 在整个交通系统中进一步发挥l e d 相对于传统光源的优势。设计对l e d 信号灯和闪光 灯进行联动控制的交通控制系统，并实现光强夜自减功能和配时功能，避免夜晚的信号 灯眩光现象，使交通控制更加灵活，提高疏导交通的性能。 本文从l e d 的发展现状出发，分别选择标准l e d 和1 w 大功率白光l e d 作为信号 灯和闪光灯的光源，并根据l e d 种类和特性的差异设计不同的驱动电路。通过脉冲宽 度调$ 1 ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 调光的方法解决对l e d 灯的亮度调节问题，以大 电流恒流驱动技术实现对大功率l e d 组的驱动功能。以m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机为核心配 以外围功能模块设计实现交通控制系统，输出对l e d 信号灯、闪光灯的控制信号，实 现了对信号灯和闪光灯的联动控制；利用实时时钟功能模块输出不同的p w m 调光信号， 实现了信号灯根据昼夜交替的光强变化；通过键盘和4 8 5 接口对时间数据进行查询和修 改，实现了对信号灯亮灭时间的配时。控制程序采用c 语言编制。 随着l e d 产品性能的提高和该技术的日益成熟，以l e d 为光源的交通信号灯和电 子警察闪光灯及其控制系统，必将替代传统信号灯和电子警察闪光灯并改善其性能。 关键词：l e d ；驱动电路；单片机；交通控制；p w m 调光 陈晓春：结合电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 i n v e s t i g a t i o no fl e d t r a f f i cs y s t e mw i t hf u n c t i o no fe l e c t r o n i cp o l i c e a b s t r a c t l i 曲te m i t t i n gd i o d ei sak i n do fs e m i c o n d u c t o rl a m p - h o u s ei n v e n t e di nt h el a t et 9 6 0 s i nt h er e c e n ty e a r s ，l e d sm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yh a sd e v e l o p e dal o ta n di t sl u m i n o u s i n t e n s i t yh a si m p r o v e de v i d e n t l y ，w h i c hm a k e si tp o s s i b l et ob eu s e di ni l l u m i n a t i o n f u r t h e r m o r e ，l e dh a si t sa d v a n t a g e so fs m a l l n e s s ，l o n gl i f e ，q u i c kr e s p o n s e ，e t c s ot h er e s e a r c ho f l e dr e p l a c i n gt r a d i t i o n a ll a m p h o u s e si sp r a c t i c a la n ds i g n i f i c a n t w i t hav i e wt ot h ea p p l i c a t i o no fl e di nt r a f f i cf i e l d ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h el e dt r a f f i c l a m pa n dt h el e df l a s hl a m po fn e wt y p e ；r e s e a r c ht h ep r o b l e mo fl e d sb r i g h t n e s s a d j u s t m e n ta n dl l i g h - p o w e rl e dd r i v i n gt e c h n i c t h u sa d v a n t a g e so fl e dc o m p a r e d 丽m t r a d i t i o n a ll a m p sa r ed e v e l o p e di nt h et r a f f i cf i e l d at r a f f i cc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e dt o r e a l i z et h el i n k a g ec o n t r o lo fs i g n a ll a m pa n df l a s hl a m p ，c o m p l e xw i t ht h ef i m c t i o no f b r i g h t n e s sd i m m i n ga tn i g h ta n dt i m ed a t as e t t i n g t h u ss i g n a ll a m pc a u s i n g 百d d i n e s sa t n i g h ti sa v o i d e d ，a n dl e a d i n gt r a f f i ci sm o r ec a p a b l e s t a n d a r dl e da n d1 wh i g h p o w e rw h i t el e da r ec h o s e na st h el a m p - h o u s eb a s e do n t h ep r e s e n ts t a t eo fl e d p r o d u c t i o n s d i f f e r e n td r i v i n gc i r c u i t sa r ed e s i g n e da i m i n ga tt h e d i f f e r e n c eo fl e d sc h a r a c t e r i s t i c s ，e m p h a s i z e dr e s p e c t i v e l yo np u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n d i m m i n ga n dc o n s t a n tc u r r e n td r i v i n g m s p 4 3 0 f 1 4 9a st h ec o r e ，t r a f f i cc o n t r o ls y s t e mi s r e a l i z e d ，w h i c ho u t p u t st h ec o n t r o ls i g n a lt ot r a f f i cl a m pa n df l a s hl a m pa n dr e a l i z e st h e l i n k a g ec o n t r o lf u n c t i o n p w md i m m i n gp u l s ei so u t p u tm a k i n gu s eo fr e a lt i m ec l o c k m o d u l et oc h a n g eb r i g h t n e s sa c c o r d i n gt ot h ea l t e r n a t i o no fd a ya n dn i g h t b y4 8 5i n t e r f a c e a n dk e yb o a r d ，t i m ed a t ai si n q u i r e da n dc h a n g e dt or e a l i z et h ef u n c t i o no ft i m ed a t as e t t i n g t h es o i = 【w a r es y s t e mi sp r o g r a m m e di ncl a n g u a g e w i t ht h ei m p r o v e m e n to fl e d p r o d u c t s c a p a b i l i t ya n dt e c h n o l o g y , l e dt r a f f i cs i g n a l l a m p ，h i g h p o w e rl e df l a s hl a m po fe l e c t r o n i cp o l i c ea n dt h ec o n t r o ls y s t e mw i l ls u r e l yt a k e t h ep l a c eo f t r a d i t i o n a ll a m p sa n di m p r o v et h e i rc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：l e d ；d r i v i n gc i r c u i t ；s c m ；t r a f f i cc o n t r o l ；p w md i m m i n g 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的提出和来源 随着世界经济的飞速发展，人均资源的占有和消耗也大幅上升，照明作为日常生产 生活中所不可缺少的部分，成为了世界各国的一项重要能源消耗。半导体照明因为具有 节能的优点，所以日益受到了世界各国的重视。近年来，世界三大照明工业巨头：通用 电气、飞利浦、欧司朗纷纷与半导体公司结合，组建半导体照明公司。日本、美国、欧 盟、韩国等也相继推出国家半导体照明计划。2 0 0 4 年，我国的国家半导体照明工程协调 领导小组宣告成立，科技部会同信息产业部、建设部、教育部、中国轻工业联合会和中 科院等部门，开始共同启动半导体照明工程【l 】。 在此背景下，新型的照明光源发光二极管( l i 曲te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 发光产品在照 明和装饰领域越来越受到重视。尽管l e d 光源取代节能灯，走进千家万户可能还需要 5 1 0 年甚至更长的时间，但它旱已和人们的生活密不可分。人们日常使用的手机、电 脑、数码相机、汽车中，都有l e d 光源的身影。就目前来说，在l e d 显示的众多应用 领域中，交通灯领域是高亮度l e d 最有增长前景的领域【2 】。l e d 信号灯以其高亮度、 高可靠性、低使用成本、长寿命等特点，得到城市交通管理部门的青睐。另外，随着白 光l e d 和超高亮、大功率的l e d 器件的研制成功，以大功率白光l e d 为光源的手机 闪光灯成为白光l e d 应用中的一个主要领域。 本课题在此背景下产生，旨在对l e d 驱动技术进行研究和设计，开发功耗低、性 能稳定的l e d 交通控制系统，实现l e d 信号灯和大功率l e d 电子警察闪光灯系统的 研制和开发。 1 2 课题的研究意义 国家半导体照明工程主要是通过推广高效节能灯具的使用，达到节省能源，保护环 境的目的。发光二极管节能、环保、响应速度快、方向性好、易于实现数字控制、适于 频繁亮灭闪烁，在未来的照明市场中具有强有力的竞争力。 l e d 交通灯最能体现l e d 的节能特点。因为彩色l e d 不需要现在套在白炽灯外的 红黄绿灯罩，因此节省了9 0 的电能【2 。目前仍大量应用的以白炽灯为光源的信号灯有 假显示、维护费用高等固有的缺点；以l e d 为光源的交通信号灯有抗震耐冲击、光响 应速度快、节能、寿命长等优点。国外先进的信号灯中还引进了光强夜自减功能【2 1 ，即 晚上对信号灯要求的光强要比白天低，这样不仅进一步节能，而且避免了夜晚信号灯刺 眼的现象。 陈晓春：结合电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 大功率l e d 发光芯片的研制成功，使得大功率白光l e d 用于电子警察闪光灯成为 可能。除节能、无污染等l e d 的固有优点外，它具有光响应速度快、适于频繁闪烁p 的优点，能够用于改善现有的电子警察闪光灯回电时间长，所以连续抓拍能力弱的缺点。 虽然目前由于成本和亮度的原因，高亮度l e d 还无法完全代替传统的白炽灯及荧光灯， 但以大功率白光l e d 灯具替代传统的氤氟闪光灯做电子警察闪光灯是可能与可行的。 本课题研究的成功不仅是配合国家半导体照明工程研制出一类性优价低的l e d 交 通系统，根据国外先进信号灯的概念实现了l e d 交通信号灯的光强夜自减功能，还以 大功率白光l e d 为光源做出新的应用产品，促进l e d 照明的发展，为l e d 照明应用 的研究和开发打下基础。 1 3 交通信号系统的历史、现状与发展 1 3 1 电子警察闪光灯 近几年来，我国道路交通运输事业兴旺发达，道路交通环境和条件发生了翻天覆地 的变化。一些大中城市在交通控制警力不足、不可能全天候管理监控的情况下，路口电 子监控设备俗称“电子警察”应运而生。 目前，电子警察在我国已有十几年的应用历史，其系统构成如图1 1 所示 4 】。 车遭1 线圈1 计算机 l 卜 公安指挥中心 生 厂 车道1 线圈2辆 检 车道2 线圈1测 器 数码相机 o 闪光灯或红外灯 车道2 线圈2 或摄像机 图1 1 电子警察系统结构图 f i g i 1t h ef r a m e w o r ko f e l e c t r o n i cp o l i c es y s t e m 电子警察系统主要由拍摄部件( 数码相机或摄像机) 及补光设备( 闪光灯或红外灯) 、 控制主机、违章检测器三部分组成。控制主机一般为工控机或嵌入式计算机，实现车辆 图像的采集、存贮、建库和传输等。违章检测器种类繁多，要求实现各种违章信息的检 测和向控制主机发出图像抓拍请求等功能。 各种违章信息通过感应线圈或视频图像上的模拟线圈触发控制主机采集摄像机中 的视频，如果违章检测器是采用地感线圈方式的，则往往将控制主机放置在路口。如果 大连理工大学硕士学位论文 违章检测是采用视频检测器，则往往将视频传回指挥中心后实现各种违章检测任务，常 见的“闯红灯、超速行驶、逆向行驶、不按规定车道行驶、跨越中心线行驶、违章停车、 l 缶时变道”等违章都能用视频检测器完成检测，并根据指挥中心指令随时调整违章检测 设置，充分发挥视频检测器的作用，而且能根据各地对违章图像的实际要求来调节车辆 图像采集时间的长短。一旦违章信息采集成功，则自动向管理人员报警，经管理人员的 违章确认，如果是外地车辆违章，则进行违章异地交换；如果是本地车辆则调取车辆管 理数据库，进入违章发布和违章处罚程序。 如今，电子警察的核心拍摄部件已由过去的光学胶片相机发展到民用数码相机，专 业数码相机、摄像机。无论数码相机还是摄像机，在车辆违章自动监测过程中还需要车 辆检测器和夜间补光设备( 如闪光灯或红外灯) 。 目前电子警察闪光灯所广泛使用的是氤氟闪光灯，它具有低价及高亮度的优势，不 过高耗电量及产品寿命短是其市场应用的瓶颈。而且随着人民法律意识的提高，仅凭一 张车辆图片作为违章处罚依据已不足取，国内已发生过多起类似法律纠纷。为此，在“电 子警察”系统违章取证过程中需要拍摄车辆违章连续过程，这就对电子警察的连续抓拍 能力提出了更高的要求。目前采用的氙氟闪光灯回电时间长，连续闪烁能力弱，限制了 电予警察的连续抓拍功能【4 。 1 9 9 8 年美国l u m i l e d sl i g h t i n g 公司封装出世界上第一个大功率l e d ( 1 w l u x o e n 器件) ，使l e d 器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光 源，引发了人类历史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命【5 】。1 wl u x o e n 器件使 l e d 的功率从几十毫瓦一跃超过1 0 0 0 毫瓦，单个器件的光通量也从不到1 个1 i n 飞跃达 到十几个l n l 吼近5 年来，随着大功率l e d 亮度上的进一步增加，l e d 已逐渐显现出 它作为照明光源的巨大潜力。大功率l e d 发光芯片的研制成功，使人们可以尝试使用 大功率白光l e d 作为电子警察闪光灯的光源，利用其响应时间短的优点，来改善现有 的电子警察闪光灯回电时间长，所以连续抓拍能力弱的缺点。目前已经有新型的大功率 l e d 用作汽车尾灯与日常照明及户外应用等以代替白炽灯，而本文尝试利用大功率白光 l e d 作为电子警察闪光灯的光源。 1 3 2 交通控制系统及l e d 信号灯 l e d 交通信号灯是一种高效、安全、稳定、节能的绿色光源。传统的交通信号灯采 用白炽灯作为发光部件，它存在耗电量大、亮度不够、容易损坏等缺点，给道路的交通 管理带来很多不便。发光二极管具有发光亮度高、颜色鲜艳醒目、电光转换效率高、耗 电量少、寿命长、响应时间快等优点。所以采用超高亮度l e d 的新型交通灯比传统交 陈晓春：结合电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 通灯在各项性能上都有很大提高，整机可靠性大大增强，目前在国内外得到了广泛应用。 在美国已有8 的传统交通信号灯被l e d 交通信号灯替代，在2 0 0 0 年，有不少于3 5 0 ，0 0 0 只交通信号灯换成了l e d 交通信号灯：在北京、上海、重庆、南京、广东等地已将部 分传统交通信号灯更换为l e d 交通信号灯【2 1 。l e d 交通信号灯在我国应用的越来越广 泛，传统的交通信号灯必将被l e d 交通信号灯所替代。 l e d 信号灯发展可分为三个阶段口】： ( 1 ) 1 9 9 8 年以前，l e d 信号灯的试用时期。许多人走出国门，看到l e d 信号灯在 国外的应用，也建议开发出国内产品试用。但是开发出后还仅仅是试用而已，一方面， 受l e d 发光器件的限制，使用效果一般；另一方面，l e d 信号灯刚刚开发出来，对其 在户外恶劣条件下的使用也必须考察一段时间，所以这一时期上海、北京等地都有l e d 信号灯在使用，但都没有大面积铺开。 ( 2 ) 1 9 9 8 2 0 0 0 年，这一阶段是l e d 信号从试用走向规模使用的时期。这一阶段， l e d 信号灯开始成批量地更换或在新增的交通信号控制路口使用，北京、上海、重庆等 城市都在这一时期批量使用l e d 信号灯。但总体上看来，这一时期的l e d 信号灯技术 水平不高，主要靠l e d 发光器件技术水平的提高来达到使用要求，而没有考虑到光分 布特性方面的要求。 ( 3 ) 2 0 0 1 年以来，随着g b l 4 8 8 7 - - 1 9 9 4 道路交通信号灯技术要求及测试方法的 修订，l e d 信号灯的技术水平进入了一个总体提高的时期。由于在标准的征求意见稿和 送审稿中均明确将l e d 作为除白炽灯、低压卤钨灯以外的一种重要光源，参考国外同 类产品标准对各种光源信号灯提出配光要求，此时仅仅对l e d 进行简单的排列组合就 很难达到要求。同时业主也对信号灯的外观、视觉效果等提出了更高的要求，许多企业 投入了大量的人力物力进行技术开发。 以l e d 为光源的信号灯产业方兴未艾，全国至少有约4 0 个厂商在开发研制交通信 号灯，其中有2 3 家公司的产品通过了认证机构的检测【8 1 。因为目前新的交通信号灯的国 家标准还未批准发布实施，l e d 信号灯的生产没有标准，所以仍有一些企业将其作为一 个短平快的项目进行开发、并投放市场，导致产品性能不稳定、使用寿命短。 虽然l e d 光源寿命可达十万小时，这是人们一直所强调的优点，但目前l e d 产品 应用中许多工程个案却无法看到此项优点，反而是光衰严重且寿命短，l e d 产品的使用 寿命小于一万小时。要满足对照明质量和视觉环境条件的更高要求，不能靠降低照明标 准来实现节能，而是要通过充分运用现代科技手段提高照明工程设计水平和方法，提高 照明器材效率来实现。目前在l e d 交通灯、显示屏等应用领域景，往往只强调l e d 发 光强度，没有从l e d 的物理特性入手解决影响l e d 光衰现象和最佳工作电压电流的问 大连理工大学硕士学位论文 题。为了追求亮度，人们往往不顾l e d 的正常工作电压，使l e d 处于极限工作状态， 其结果是：影响l e d 的寿命；l e d 能耗高；对于串、并联结构中使用的l e d 不能分给 最佳的工作电压。在适宜的操作温度下，l e d 具有5 0 ，0 0 0 1 0 0 ，0 0 0 的寿命，但l e d 驱 动器所使用的零件却面临着不能与l e d 的使用寿命相匹配的问题，以致整体的有效使 用寿命缩短。所以选择优质的l e d 驱动器也是保证l e d 产品寿命的关键因素。 在交通信号灯的控制系统方面，国内的现行系统中大多数的交通控制信号都是用继 电器来完成的。但是继电器响应时间长、灵敏度低、长期使用之后出现故障的机会大大 增加。而采用单片机控制，其精度远远大于继电器，响应时间短，软件可靠性高，不会 因为工作时间的原因而降低其性能。用单片机控制的交通信号灯具有编程灵活、电路简 单、工作稳定和功能多等特点。 1 4 论文研究内容 论文主要论述结合电子警察功能的l e d 交通信号系统的研究和开发，包括l e d 交 通信号灯和大功率白光l e d 闪光灯的研制：针对标准l e d 和大功率白光l e d ，分别强 调l e d 调光和大电流恒流驱动两种功能的驱动电路的研究与设计：交通控制的单片机 系统的设计与搭建。 通过对l e d 产品性能的分析和研究，选择合理的l e d 光源。根据国家标准对于信 号灯的配光要求，对l e d 交通信号灯进行光学设计。为解决l e d 灯的亮度调节问题， 实现l e d 交通信号灯的光强夜自减功能，研究开发具有p w m 调光功能的l e d 信号灯 驱动电路。对电子警察闪光灯设计开发大功率白光l e d 专用的大电流恒流驱动电路。 搭建以单片机为核心的交通控制的软硬件系统，并配以实时时钟、存储器、液晶、键盘、 4 8 5 接口等功能模块，实现对l e d 信号灯和电子警察闪光灯的联动控制功能和对交通信 号灯的配时控制功能、光强夜自减功能。 陈晓春：结合电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 2l e d 的基本原理和驱动技术 2 1l e d 的原理、特点和应用 2 1 1l e d 的发光机理 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 曲te m i t t i n gd i o d e ，简称写为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，根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 9 。目前广泛应用的是以白炽灯为代表的热辐射光源和阻荧光灯为代 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 1 0 】：发光二极管是由i i i - i v 族化合物，如g a p ( 磷化镓) 、 g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制成的。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p 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，击穿特性；此外在一定的条件下， 它还具有发光特性。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 层交窄，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 区一边的地方，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。 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m m 以内产生。发光的波长取决于材料 大连理工大学硕士学位论文 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 1 2l e d 的特点及其优异的性能 l e d 是半导体器件通过p n 结实现电光转换。它有如下的特点 1 1 】： ( 1 1 安全、节能、不引起环境污染 发光二极管的正向工作电压低，为1 5 3 0 v ，工作电流小，为5 5 0 0 m a ，因此工 作安全性好。l e d 在发光过程中，只有很少一部分的电能变为热能，大部分都变为了光 能。半导体灯采用发光二极管作为新光源，在与普通白炽灯保持同样亮度下，其耗电量 仅为后者的十分之一，因此能耗小。随着技术的进步，它将成为一种新型的照明光源。 目前白光l e d 的光效已经达到4 0 1 m w ，优于白炽灯，次于荧光灯( 6 0 l m m 1 0 0 1 n d w ) 1 6 。人们按现在l e d 技术发展的速度预测，到2 0 1 0 2 0 1 5 年，白光l e d 的光效将达到 1 5 0 1 m w 2 0 0 l m w 1 6 ，远远超过所有照明光源的光效。此外，现在使用的白炽灯在工 作的过程中发出过多的热量，影响环境温度；而现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中 含有危害人体健康的汞，这样在发光过程中和废弃后，灯管都会对人体的人身健康和环 境造成危害。l e d 则没有这些问题，是一种无污染的光源，符合绿色照明要求。 ( 2 ) 寿命长、响应快 一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1 0 0 0 h ，荧光灯寿命约1 0 0 0 0 h ，而l e d 的寿命 可达到2 1 0 万小时，可见其寿命长得多。l e d 发光的响应快，它的响应时间为纳秒级， 荧光灯为0l m s ，日光灯一般为毫秒级。 f 3 ) 体积小、结构牢固 l e d 是用环氧树脂封装固态光源，其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损坏部 件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构，因此能经得起震动、 冲击而不至损坏，而且体积也相对减小，重量也轻，成本低。 2 1 3l e d 的应用及问题 早在2 0 世纪6 0 年代，l e d 的发光原理就已被人类掌握并开始大量用于各种仪器仪 表的指示光源。随着2 0 世纪9 0 年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发 现，近l o 年来l e d 技术取得了突飞猛进的发展。在光效上，目前的l e d 己达到传统 光源的1 0 0 倍，比传统光源节能9 0 。在寿命上，l e d 可以连续发光超过1 0 万小时， 陈晓春：结合电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 比传统光源寿命要长1 0 5 0 倍【5 】。由于l e d 的这些显著优点和单色光l e d 技术的日臻 成熟，l e d 已于近年来逐渐开始应用于交通信号灯、景观灯、大面积显示屏等。目前许 多城市如：北京、上海、广州、深圳、厦门等，主要十字路口红绿交通信号灯正逐步普 及使用曲3 0 r a m 大小l e d 替代原来的白炽灯光源。诸多大中巴、轿车的尾灯、高低位刹 车灯转向灯、夜行标识灯也都大力采用这种节电的l e d ，尤其是其快速的响应速度，当 急驶汽车紧急刹车时可获得提前量时间的控制，避免汽车追尾的突发交通事故。 虽然l e d 作为照明光源有如此多的优点，但近期内还不可能全面替代目前普遍使 用的白炽灯或荧光灯。只有在一些技术问题上得以改进，才能成为照明世界的主导者】。 f 1 ) 光效率的问题 发光二极管的发光是由其半导体材料与l e d 芯片的结构和制造工艺所决定的。而 对于材料和芯片的研究是一个艰巨而复杂的过程，制造工艺又要由先进的设备和理论为 基础。l e d 发光效率的提高需要个长期的过程。 ( 2 ) 功率问题( 光衰和散热) 单纯地增加输入功率，亮度会成比例地增加，但l e d 芯片的发热量也会随之增加， 过多的发热将损坏芯片而缩短其寿命，因此使输入电能高效地转为光能是重要的关键技 术。另外，由于单个l e d 功率小，光亮度低，对于照明来说，不可能单独使用，为此 必须将多个l e d 组装在一起，设计成为实用的l e d 照明系统。这就存在l e d 选择， 使其特性保持相近的问题。由于多个l e d 在一起组装，还要考虑其中一个或一些l e d 出现问题时不能影响l e d 的照明，这就有一个电路保护的要求：l e d 在照明过程中， 同样会出现发热的现象，特别是多个l e d 组装工作时，就要考虑其散热问题。本文即 在考虑上述问题的基础上设计l e d 光源灯盘。 2 2l e d 的驱动技术 驱动电路设计的好坏直接影响到系统的生产成本和显示的效果及系统的运行性能。 l e d 驱动器的解决方案应具有以下特性：直流控制、高效率、p w m 调光、过压保 护、负载断开、小型尺寸以及简便易用。下面探讨每种特性以及实现这些特性的方法。 2 2 1 直流控制 l e d 是由电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系。有两种方法可以控制正 向电流。第一种方法是采用l e d 伏安特性曲线来确定产生预期正向电流所需要向l e d 施加的电压。其实现方法一般采用一个电压电源和一个镇流电阻器。图2 1 说明了这种 方法。如下所述，此方法有多项不足之处。l e d 正向电压的任何变化都会导致l e d 电 流的变化。如果额定正向电压为36 v ，则图21 中l e d 的电流为2 0 m a 。如果电压变为 大连理工大学硕士学位论文 4 0 v ，那么正向电流则降低到1 4 m a 。正向电压变化1 1 会导致更大的正向电流变化， 达3 0 v 1 。也就是说，电压变化会导致更大的电流变化，从而导致l e d 亮度产生较大 的变化。 图2 1 带振流电阻的电压电源 f i g 2 ，1v o l t a g es 0 1 l r c ew i t hr e s i s t 趾c e s 第二种方法、也是首选的l e d 电流调整方法是利用恒流电源来驱动l e d 。恒流电 源可消除正向电压变化所导致的电流变化，因此可产生恒定的l e d 亮度。调整恒流电 源的输出电流很容易。只需要调整通过电流检测电阻器的电压，而不用调整电源的输出 电压。图2 2 说明了这种方法，电源参考电压和电流检测电阻器值决定了l e d 电流【l ”。 在驱动多个l e d 时，只需把它们串联就可以在每个l e d 中实现恒定电流。驱动并联l e d 需要在每个l e d 串中放置一个镇流电阻，这会导致效率降低和电流失配。 图2 2 驱动l e d 的恒流电源 f i g 2 2c o n s t a n tc u r r e n ts o u r c e 血v i n gl e d s 厂 i土、由半iil上1i x 了遵上：享卜： 一 嘲 一 厂l上一工一 陈晓春：结台电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 2 2 2 高效率 l e d 驱动器如果实用，就必须具备高效性。l e d 驱动器的效率测量与典型电源的 效率测量不同。典型电源效率测量的定义是输出功率除以输入功率。而对于l e d 驱动 器来说，输出功率并非相关参数。重要的是产生预期l e d 亮度所需要的输入功率值。 这可以简单地通过使l e d 功率除以输入功率来确定。如果这样定义效率的话，则电流 检测电阻器中的功耗会导致电源功率耗散 1 3 1 。 d e f f i c i e n c y = 二些l 一 ( 2 1 ) p o + p s u p p s e s + l u n t s 通过上述公式，我们可以看出较小的电流传感电压会产生较高效率的l e d 驱动器。 图2 3 说明了选用o 2 5 v 参考电压的电源与选用1 v 参考电压的电源相比，二者的效率 提高情况。其中横轴为参考电压，纵轴为电源效率。位于上面的是参考电压为0 2 5 v 的 电源效率曲线，下面的是参考电压为1 v 的电源效率曲线。可见，较低的电流传感电压 电源更为有效，无论输入电压或l e d 电流如何，只要其他条件相同，较低的参考电压 都可以提高效率并延长使用寿命【1 3 l o 邑 挣 c 蕊 曙 v c s - 07 2 5 v ? 7 一一 ，一。一一 。7 7v f s = i v 。 ，7 2345 n 阳 图2 3 驱动器电源效率曲线 f i g 2 , 3t h ee f f i c i e n c yc l l r v eo f d r i v e rs 0 1 i i c e 2 2 3 脉冲宽度调制( p w m ) 调光 亮度具有视觉属性，不仅与物体发出的光能量有关，而且与人眼的视敏特性有关1 4 】。 控制l e d 亮度的方法有两种。一种是改变流过l e d 的电流，另一种是脉宽调制( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 控制l e d 的点亮时间。对于卤素灯、大型l e d 屏幕及加热线 圈等非纯阻性器件的功率控制，一般不宜采用传统的线性电压控制方法，而t e 较理想的 大连理工大学硕士学位论文 是采用脉宽调制方法，目前通常采用单片机来实现脉宽调制。从技术上说，发光二极管 的输出光强是由其驱动电流的平均值决定的。在恒流驱动的情况下，调整脉冲宽度是调 整亮度的唯一的方法。 一般而言，除红色l e d 随电流的增大亮度会达到饱和外，其他l e d 的亮度会随工 作电流的增大而增大。通过控制流过l e d 的工作电流，可以在较大范围内对l e d 亮度 进行控制。但电流的控制不易于用软件实现，故不适用于数字控制。而p w m 方式能很 方便地用软件实现，故在数字电路中有着广泛的应用。根据塔尔波特( t a l b o t ) 定律【1 4 】： 三= r 上o ) d r ( 2 2 ) 式中：云为眼睛对周期变化的光感觉到的视觉亮度：t 为周期。当亮度函数l m 为 一常数l 时，视觉亮度变为 l = 一 - - l ( 2 3 ) 脉宽调制方式控制l e d 的亮度实际上是控制l e d 的点亮时间，周期性的改变其在 一个周期内点亮时间的长短，从而实现l e d 亮度的变化。l e d 在工作状态下，其工作 电流保持稳定，在点亮状态时其亮度只与l e d 的本身特性有关，而与时间无关，故其 亮度函数为一常数。l e d 周期性点亮和熄灭时，其亮度满足公式2 _ 3 。改变循环周期内 l e d 的点亮时间，即可得到l e d 不同的亮度级别，称之为不同的灰度级。在工作状态 下，连续地改变l e d 在循环周期中的点亮时间，则实现了l e d 亮度灰度级的连续变化。 将循环周期t 等分为n 等份，则l e d 的灰度级相应地分为n 级。 脉宽调制不会使色彩坐标发生移动。由于流经每个l e d 的正向电流持续保持一致， 因而色彩坐标不会偏移。但是，肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。为确保人的 肉眼看不到p w m 脉冲，p w m 信号的频率必须高于1 0 0 t i z 。最大p w m 频率取决于电 源启动与响应时间。2 0 0 3 0 0 h z 的开关频率是p w m 调光的很好选择。更高的频率会 产生问题，用来切换l e d 开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化。p w m 信号可以 由微处理器的i o 引脚或其外设提供。 22 4 过压保护 在恒流模式中操作电源需要具有过压保护功能。无论负载为多少，恒流电源都可产 生恒定输出电流。如果负载电阻增大，电源的输出电压也必须随之增大，这就是电源保 持恒流输出的方法。如果电源检测到过大的负载电阻，或者负载断开的话，输出电压可 提高到超出i c 或其他分立电路元件的额定电压范围。恒流l e d 驱动器可采用多种过压 陈晓春：结合电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 保护方法。其中一个方法是使齐纳二极管与l e d 并联。这种方法可以将输出电压限制 到齐纳击穿电压和电源的参考电压。在过压条件下，输出电压会提高到齐纳击穿点并开 始传导。输出电流会通过齐纳二极管，然后通过电流检测电阻器接地。在齐纳二极管限 制最大输出情况下电源可连续产生恒定的输出电流。更佳的过压保护方法是监控输出电 压并在达到过压分界点时关闭电源。如果出现故障，在过压条件下关断电源可降低功耗。 2 2 5 负载断开 l e d 驱动电源中一个经常被忽视的功能是负载断开。在电源失效时负载断开功能可 以把l e d 从电源断开。这种功能在下列两种情况下至关重要，即断电和p w m 调光。 如图2 _ 2 所示，在升压转换器断电期间，负载仍然通过电感器和二极管与输入电压连接。 由于输入电压仍然与l e d 连接，即使电源已经失效，仍会继续产生一个小电流。如果 电源是电池，即使泄漏电流很小，也会在很长的空闲期间内极大缩短电池寿命。负载断 开在p w m 调光时也很重要。在p w m 空闲期间，电源已经失效，但是输出电容器仍然 与l e d 连接。如果没有负载断开功能，输出电容器会通过l e d 放电，直到p w m 脉冲 再次打开电源。由于电容器在每个p w m 循环开始都部分放电，因此电源必须在每个 p w m 循环开始时给输出电容器充电，这样会在每个p w m 循环产生突入电流脉冲。突 入电流会降低系统效率并在输入总线上产生瞬时电压。而如果具有负载断开功能，l e d 就会从电路断开，这样，在电源失效时就不会存在泄漏电流，而且在p w m 调光循环期 间输出电容器都是充满的。实施负载断开电路时最好在l e d 和电流传感电阻器之间放 置一个m o s f e t ，使之产生一个附加压降。 文中根据信号灯和闪光灯所采用的l e d 光源发光特性的不同，分别选择恒压源或 恒流源驱动。采用公式2 1 对驱动器的效率进行测量和计算。实现了l e d 驱动器的p w m 调光、过压保护和负载断开功能。 大连理工大学硕士学位论文 3l e d 交通信号灯 31l e d 交通信号灯的灯具设计 31 1l e d 交通信号灯的国家标准 国家标准对于0 3 0 0 m m 的交通信号灯的配光要求是以v h 坐标系表示的光强分布， 有些点没有给出明确的光强值，可以用周围几个点的平均光强值来近似替代，结果如表 3 1 所示。 表3 i 相对光强分布估算 t a b 3 1e s i l m a t eo f r e l a t l v em t e n s i 母d i s t r i b u t h l g 注1 1 ：阴影区域内的数据在标，盏t 波= _ ；! i 妥冰，为时算曲敛直a 鉴于光强与光通量的关系为： o = ia 田 而在h _ v 坐标系中有： = g o $ h - h v 其中，h 和v 为弧度，因此，与表3 1 对应的立体角如表32 所示。 表32 相应的立体角 t a b 3 2r e l e v a n ts o l i da n g l e ( 3 2 ) 陈晓春：结合电子警察功能的l e d 交通信号系统研制 则灯具要求的总光通输出为 。灯= i - z l t - - i a v = 4 0 8 5 1 m ( 3 3 ) 3 1 2l e d 数量的估算 中心光强为4 c d 的单颗标准l e d 总光通量约为0 8 8 l m 1 6 】。实际使用的l e d 数量不 是简单地用灯具光通量除以单颗l e d 光通，因为在整个灯具系统中，存在很多引起光 通量损失的因素。例如，灯具出射光线不会与标准要求符合得很好，为了达到最小光强 的要求，必然会有一些点的光强值超出标