三基色LED合成白光论文.doc

编号： 课程设计题 目： LED驱动设计模拟太阳光谱 学 院： 电子工程与自动化学院 专 业： 光信息科学与技术 学生姓名： 黄焕安 学 号： 0800830210 指导教师： 秦祖军 2011 年 12 月26 日摘 要白光LED以其特有的节能、环保、响应快、长寿命、可靠性高等显著优势迅速取代日光灯和白炽灯成为通用照明领域的主流产品。其亮度高，自然，像太阳光更适合应用于汽车或室外作业照明场合。课题以此为背景，根据白光LED的光学特性，它主要有红绿蓝三基色组成，因此用红、绿、蓝三基色LED合成白光模拟太阳光谱。通过单片机编程控制输出PWM信号，利用中断控制器占空比变化,实现三基色的调光，使合成的白光的到优化，更近似太阳光。关键词：三基色白光LED；PWM；调光；LED驱动；太阳光谱AbstractWhite light LED rapidly replacing the fluorescent lamp and the incandescent lamp as general illumination of the mainstream by its advantages of unique energy-saving, environmental protection, fast response, long life, high reliability. Its high brightness, natural, like the light of the sun is more suitable for application in automotive or outdoor lighting applications. Task was used as the background, according to the white light LED optical properties, which are mainly composed of red green blue three primary colors, used red, green, and blue three primary colors LED synthesis white light for solar spectrum simulation. Through the MCU programming control output PWM signal, the interrupt controller of duty cycle, to achieve three primary color light, enabling the synthesis of white light to optimize, more similar to the sun.Key words: three color white LED; PWM; Light modulation; LED drive; solar spectrum目 录1 设计任务32 应用背景32.1 人类对的应用概述32.2 白光LED是大尺寸背光应用重要技术发展方向3 太阳光谱结构44 三基色LED模拟白光论证54.1 色温及通光量54.2 LED的主波长的影响6 方案设计75.1 总体设计75 2硬件电路设计85.2.1单片机控制模块85.2.2程控开关及驱动电路模块105.3 系统的软件设计135.3.1程序流程图135.3.2程序的调试156 结论177 心得体会17参考文献18附录191 设计任务1.1了解应用背景； 1.2了解大气层内太阳光谱数据构成，包括光波成分及其强度；对光谱数据进行拟合以及分峰。1.3、选用适当个数、中心波长和谱宽的LED，并设计合适的驱动电路用于构造太阳光仿真系统，要求每个LED的发光强度可调2 应用背景2.1 人类对的应用概述发光二极管 ( LED) 是一种新型的固态光源,随着技术的不断进步, 尤其是大功率 LED 的研发,使其不仅用于景观照明、交通信号灯、电视背光源等, 更是有望进入占全球电力消耗15% 20%的普通照明领域。照明光源的灯光质量对人体健康的影响受到了越来越多的关注。近几年伴随着大功率发光二极管发光效率的不断突破,已经达到甚至超过普通照明光源的发光效率。为进一步改善照明光源质量, 通过色温的变化实现类太阳光色温变化的智能光源,采用红绿蓝三基色发光二极管,基于理论计算按照不同比例的三基色搭配,在实验中测试得到一个不同色温配比的数据库。并将数据库植入控制程序中, 然后通过控制程序自动调取不同配比, 最终实现不同时间段色温动态变化的照明光源。实验结果表明, 本照明光源可以实现从 2300 7000 K 的宽色温范围,实际色温与理论计算相符, 基本实现了类太阳光动态色温变化趋势。荧光灯作为照明史上的一次革命, 是目前照明光源的主流灯具,但其颜色单调,同时有频闪和汞污染等问题。而半导体照明是 21 世纪最具发展前景的新一代绿色照明光源, 其节能、 环保和寿命长等优点,顺应了时代发展的潮流, 引起全球性的高度重视。随着半导体发光二极管( LED)芯片及封装工艺水平的不断提高,加上大功率LED 封装和应用技术的成熟, LED 的发光效率得到了大大提高。目前LED 光源在节能、 环保和长寿命等各方面均占绝对优势,而且已有相当多的研究应用, 如LED 在情景照明方面的应用及红绿蓝( RGB)白光 LED 光源研究。随着生活质量的提高, 人们对照明舒适度、 自身健康的关注度也在不断提高, LED 光源自身的优势正好可以满足以上需求, 如动态色温、 高显色性和智能亮度调节等。照明应用上大多采用基于荧光粉的白光LED(PCLED) , 尽管三基色混合白光LED 的光效、显色性等更具有明显的优势, 但其随着环境、调光等条件的改变颜色漂移却更加明显。因此三基色白光LED 要在普通照明领域得到广泛应。2.2 白光LED是大尺寸背光应用重要技术发展方向 近几年LED发光效率不断提高，同时在LED选型及二次光学设计、LED背光光学设计、热学管理设计、驱动控制技术等方面也不断提出新的技术和解决方案，使得利用LED点光源的特点，既解决了LED光源发光效率不足引起的功耗大、散热难等问题，同时也带来了整体LCD TV性能的大幅提升。这就是大家常常在有关资料中见到的如动态背光控制、区域背光控制、闪烁和扫描背光等技术，通过这些技术的应用，使得采用LED背光的LCD TV在动态对比度、图像拖尾现象、功耗、色彩饱和度等方面得到显著改善。 大尺寸LCD TV用LED背光近两年另一个技术发展方向是白色LED光源的应用，尽管在色彩饱和度提升上较RGB独立光源的LED背光有所损失，但白光的发光效率较高，同尺寸屏使用的LED颗数大幅减少，可以降低成本，加快LED背光进入市场的进度。再有基于壁挂需求的增温，大尺寸超薄LCD TV模块的需求增大，LED背光较CCFL背光在这方面更具优势。大尺寸边灯式LED背光在LCD TV上的应用也被提出，韩国三星等已经开发出相应基于LED背光的超薄模块。在2007年10月于日本横滨举办的平板显示展会上，三星就推出了厚度仅为1cm的40英寸LCD TV，其背光厚度估计仅为5mm左右。 LED背光未来另一个重要的应用是利用LED开关速度快的特点，实现无彩膜场序彩色显示，可去掉占液晶显示屏约20%左右成本的彩膜(C/F)材料，同时可提高整体显示屏的分辨率和光利用率，简化TFT-LCD的制备流程，降低成本。 与Monitor类似，考虑到不同的LED背光解决方案，大尺寸LCD TV上所使用的LED灯的颗数与屏幕大小和亮度的差异关系密切，从几百颗到几千颗的都有。一般采用白光方案和边灯式结构的需要LED的颗数较少，而采用RGB三色方案和直下式结构所需要LED的颗数较多。以三星40英寸先后推出的两款LED背光LCD TV产品为例，采用白光方案的不到1000颗LED灯，而较早推出的前一代采用RGB三色灯的则需要2160颗。 太阳光谱结构 太阳光谱包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线等几个波谱范围， 紫外线谱带：波长280-400nm之间，其特点是穿透性强，可使人体皮肤黑色素沉积，颜色加深，过度的紫外线曝晒会导致皮肤癌，可导致地毯、窗帘、织物及家具油漆褪色。 可见光谱带：波长380780nm之间，其特点是肉眼可以看见的唯一光谱，可见光波段进一步可以分为不同的颜色（赤橙黄绿蓝靛紫七色），对人体没有直接伤害。 红外光谱带：波长7002400nm（纳米）之间，其特点是我们可以直接感受到阳光“不可见”的热量，所含能量最大，所以热量也高。 各波段的远近红外线构成了太阳能的53%，紫外线占3%，可见光占44%。阳平日所放出来的光谱主要来自太阳表面绝对温度约六千度的黑体辐射(Black Body Radiation)光谱可见光的波长范围在770390纳米之间。波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。770622nm，感觉为红色；622597nm，橙色；597577nm，黄色；577492nm，绿色；492455nm，蓝靛色；455390nm，紫色。如图1： 图14 三基色LED模拟白光论证4.1 色温及通光量照明环境与人体生物节律有直接的影响, 如人 体分泌的褪黑素,可以促进睡眠,但是褪黑素的分泌直接受光照影响。白天, 强光线抑制了褪黑素的分泌,从而保持工作状态, 而在夜晚,没有了强光的抑制,褪黑素的分泌促进了睡眠。目前各种人工光源与自然光源存在一定差距,研究表明,照明光源对人体生物生理与心理具有明显的影响作用, 如适当的调节光照环境,可以改善人的对光环境感觉的舒适度、 改善因温度的变化引起的人对光源的不适。光源的色温对生物节律及人的情绪有影响, 高色温的光源会提高大脑活跃性,让人注意力集中, 缺点是不利于大脑疲劳的恢复。色温对人体体温也有影响,在外界条件如环境温度变化时,不同的光照色温对体温下降有不同的影响。因此如何通过实现合理配光,来实现控制人体褪黑素的分泌是一个关键。体现在RGB 光源中,即需要实现不同色温的LED 光源。光源色温的计算方法及评价方法已有相关研究,而且基于二分法的RGB LED 快速配光模型也有研究,准确度都比较高, 本文实现的光源色温允许一 定误差,所以直接通过普朗克黑体线来查找相应色温对应色坐标,简单易行。设所要配出的白光色坐标为 W( x w , yw ) , 使用的三原色 R, G, B 色坐标分别为 R( x r , yr ), G( x g , yg ) ,B( x b , y b ) , 相应的三刺激值分别为(X w , Yw , Zw ) ,(Xr , Yr , Zr ) , (X g , Yg , Zg ) , (X b , Yb , Zb ) , 光通量分别为 lw , l r , lg , lb。根据格拉斯曼颜色混合定律及 1931国际发光照明委员会( CIE)标准:（1） X w = X r + X g + X bYw = Yr + Yg + YbZw = Zr + Zg + Zb （2）x w =X w/(X w+Yw +Zw)y w = Yw/(Xw+Yw+Zw)z w = 1 - x w - y w1931 CIE 标准规定, X , Z 两色只代表色度, 没有亮度,光度量只与三刺激值 Y 成比例, 则三刺激值用亮度和色度表示为:（3） X r =xr*lr/yr,Yr =lr ,Zr =zr*lr/y rX g =xg*lr/yg, Yg = l g , Zg =z g*lg/y gX b =x b*lb/y b , Yb = l b , Zb =z b*lb/y bX w =x w*lw/y w , Yw = lw , Zw =z w*lw/y wl w = l r + l g + l b 实验中R, G, B 三基色 LED 芯片,其主波长分别为: DR= 640. 6 nm, DG= 537. 1 nm, DB= 462. 9 nm,通过光色电设备可以直接测得三种芯片的色坐标,如表1 所示。表 1 实验中 R, G, B 三基色 LED 芯片色坐标R0.71840.28072.55933.5625G0.22650.70690.32011.4146B0.14410.04223.414723.6967计算中取暖色、 正白、 冷色三种色调, T = 2300 K(暖色) , T = 3000 K(暖色) , T= 5000 K(正色) , T=6500 K(冷色) , T= 7000 K(冷色) 5 个色温点, 以上几种色温在黑体线上对应相应色温的色坐标如表 2所示。将表1, 表2 数据同时代入, 通过计算得到5 种色温下R, G, B 三基色LED 配比不同色温的白光时光通量的比例,如表3 所示。表 2 选取的色温在黑体线上对应的色坐标xy1/x1/y2300K0.4950.4151.19282.40963000K0.4360.403751.07992.47685000K0.34510.35160.98152.84416500K0.31350.32370.96853.08937000K0.3060.3160.96843.1646表 3 理论计算得到的不同色温下 R, G, B 的光通量比例2300K3000K5000K6500K7000Klr0.3780.3150.2380.2140.209lg0.6130.6670.7200.7310.733lb0.0080.01730.04120.05450.0584由分析可知, 改变RGB 三种颜色LED 的比例,可以得到固定亮度档次色度坐标上符合要求的白光随着白光LED技术不断完善、光效的提高、价格的降低, 作为一种典型的绿色光源, 颜色稳定的三基色白光 LED 在实际中应用的前景是十分看好的。4.2 LED的主波长的影响三种LED芯片发出的光的主波长一般是：红光为615620mm，绿光为 530540mm，蓝光为460470nm。要达到最佳光效，可在这三种光的主波长范围内经过实验选择最佳的主波长配比。如果为了提高显色指数，可采用蓝光(460nm)、绿光(525nm)、黄光(580nm)、红光(635nm)组合，这种光的主波长配比可得到最佳的显色指数(达95以上)，光效可达3540lm/W，最低色温可做到2700K。为了兼顾出光效率和显色指数，三种LED可进行调光使发出的光的主波长和发光强度需要进行优化组合。根据所用的模式和材料多做几次实验，可得到最佳效果。对于三种LED红、绿、蓝芯片的发光强度的比例，一般选择为3(红)：6(绿)：1(蓝)，但是要考虑到不同芯片光衰不一样;而且当点亮发热后，三基色光的主波长漂移也不同。同时考虑这几个因素，进行综合的实验来得到最好的效果，所以上述的只作为参考的比例，而不是固定的结论。如果将三种LED简单地排列封装在一起，那么这样不能使三种LED的颜色光很好地混合成白光。图1给出了RGB三色混合的示意图，只有A区是三种颜色都有的区域，所以只有A区才是白光，其他区域都不是白光。RGB三种芯片发出的光能量主要分布在以光源光轴为中心的一定角度之内，因此不同位置上由不同芯片发出的光要传播一定距离后，才可能发生交叠进而混色。然而即使在传播一定距离后，仍然只有中心区域才出现白光，也就是说中心区域以外的区域仍然没有混合，并且发散角度比较大的光线在经过传播后远离中心，继而造成发光效率降低。图1图1所以在制作三基色合成白光LED时，应该在热沉上和模粒上实现一些特殊的结构设计，从而使三种基色光能在集中的区域混合产生有效的白光。 方案设计5.1 总体设计本学期我刚好学了单片机，对其也比较了解了，因此我采用单片机实现三基色 LED 光源控制的设计方案。通过单片机定时器及中断实现 PWM 信号输出，通过控制 PWM( 脉冲宽度调制 ) 的占空比实现对 R( 红 ) 、 G( 绿 ) 、 B( 蓝 ) 三色 LED 光源的光强度数字化调控，通过控制 LED 的 R 、 G 、 B 三色驱动和显示实现多彩的组合光调制，从而实现七彩效果的 LED 光源控制技术来模拟合成白光。 单片机输出PWM信号开关及驱动控制LED显示模拟白光本系统主要以带 PWM 功能的 AD 型单片机为核心，通过单片机输出的 PWM 调制信号控制程控开关电源，并通过驱动电路控制 LED 光源，实现光源亮度的数字化无级调控，由单片机输出的逻辑控制信号控制 LED RGB 三色的驱动电路实现三基色的组合光调制。其系统的框图如图2所示。 图2 5 2硬件电路设计 5.2.1单片机控制模块 此次选用 AT89S51单片机，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。芯片如图3 ：图3AT89s51单片机内部有两个定时器，用它来控制输出PWM信号。用12M晶振接单片机，其机器周期为振荡周期的12倍即1us。用红、绿、蓝三种颜色的LED来合成白光则需要三路PWM信号，可用定时器T1定时50us,通过循环100次获得三路周期为5ms即200Hz的PWN信号，从p1.0、p1.1、p1.2输出 。单片机有两个外部中断源，用INT0来控制PWM的脉宽大小，实现改变占空比大小来调光。通过开关分别给p1口的p1.3、p1.4、p1.5低电平来判断改变那一路信号，并根据p1.6是高电平还是低电平来判断占空比是增加还是减小。用INT1做复位控制，使三路PWM信号脉宽为50%。使用方便，易于调光。单片机控制模块电路图见图 4： 图4 单片机控制模块电路图5.2.2程控开关及驱动电路模块 控制模块给出的 PWM 调制信号对 N沟道功率场效应管的导通和关断进行控制，通过高频电感充放电实现能量的转换。用CN5612做驱动器，CN5612是一款工作于2.7V到6V的电流调制电路，恒定输出电流可达1.2A，可以用来驱动包括白光发光二极管在内的各类发光二极管。CN5612的LED端电流通过一个外部的电阻设置，可设置的电流范围为30mA到1.2A。芯片内部集成有功率晶体管，大大减少了外部元器件的数目。其它功能包括芯片过温保护，LED短路/开路保护等。 CN5612采用散热能力较强的5管脚TO252封装 如图4：图 5 CN5312 CN5612用一个连接在ISET管脚和VDD管脚之间的电阻RISET来设置LED管脚的电流，该电流的计算公式如下： ILED = 910V / RISET 其中， ILED是流进LED管脚的电流，单位是安培(A) RISET是ISET管脚和VDD管脚之间的电阻值，单位是欧姆() 例如，如果要使流进LED管脚的电流为1A，则： RISET = 910V/1A = 910 为了保证良好的稳定性和温度特性，RISET建议使用精度为1%的金属膜电阻，功率为1/10瓦即可。CN5612 所允许的最大功耗由下式所示： PDmax(TJTA)/JA 其中， PDmax 是 CN5612 所允许的最大功耗 TJ 是CN5612 的最大结温，由于过温保护电路的作用，TJ=125 TA是 CN5612 工作的环境温度 JA是 CN5612 所采用的封装的热阻，在没有散热措施没有空气流动时其值为 85/W；用PWM信号调整发光二极管的亮度如图6所示：图6 驱动电路 开关及驱动控制模块电路图如图7：图7 开关及驱动控制模块电路图5.3 系统的软件设计 5.3.1程序流程图：主程序：如图8开始开中断、设定时器初值3路信号控制单元（20H）,(30H),(40H)初值#50总循环（50H）=#100p1.0,p1.1,p1.2置1定时器是否有中断（50H）是否等于0（50H）-1（50H）=（30H）？（50H）=（20H）？（50H）=（20H？P1.0清0P1.1清0P1.2清0图8 主程序流程图中断服务程序：如图9P1.0占空比增加开始返回P1.3=1?P1.6=1?P1.6=1?P1.5=1?P1.6=1?P1.4=1?P1.0占空比减少P1.1占空比增加P1.1占空比减少P1.0占空比增加P1.0占空比增加5.3.2程序的调试 当写好程序后，用proteus进行仿真，根据程序画好电路图。仿真原理图：如图10图10画好后将程序导入进行仿真调试，刚开始是示波器输出三路占空比都是50%的PWM信号。当开关sw1接地，sw2、sw3接高电平时，若sw4接高电平，按按键使其放生中断时，P1.0 路占空比增大，反之减小。同理，当开关sw2接地，sw1、sw3接高电平时，若sw4接高电平，按按键使其放生中断时，P1.1路占空比增大，反之减小。当开关sw3接地，sw2、sw1接高电平时，若sw4接高电平，按按键使其放生中断时，P1.2 路占空比增大，反之减小。若sw3 sw2、sw1都接地，则三路PWM信号同时改变。用此方式可使PWM信号脉宽变大变小，如图11，图12：图11图126 结论 通过上面的调试，我们可得占空比可改变的PWM信号。因此我们可通过单片机定时器及中断实现 PWM 信号输出，通过控制 PWM对 N沟道功率场效应管的导通和关断进行控制，通过高频电感充放电实现能量的转换，用CN5612做驱动器，实现对 R( 红 ) 、 G( 绿 ) 、 B( 蓝 ) 三色 LED 光源的光强度数字化调控，通过控制 LED 的 R 、 G 、 B 三色驱动和显示实现多彩的组合光调制，从而实现七彩效果的 LED 光源控制技术来模拟合成白光。7 心得体会 通过这次课设让我学到了很多，特别是知识方面。当刚开始选到课设题目时，根本无从下手。由于自己对软件、硬件方面知识的缺乏使得更难着手，特别是做电路板时遇到问题好多，但通过自己的不懈努力，最终程序做出来了，电路板也做出来了。通过查资料得到要想对三基色合成白光进行可调就必须PWM信号，通过脉宽可变来调光，从而模拟太阳光。还好这学期学了单片机，要不就更麻烦了。通过学习我们知道单片可输出脉宽可调的PWM信号。不过这必须要自己编程，因此又把单片机这本书重新复习了一遍，发现自己学得好浅，复杂一点的程序就不会了。通过两天的奋战还有好多次失败才把程序调好，我发现自己又懂了好多。画板也是一个难题啊，protel软件又忘得一干二净了，当自己需要找得元件在元件库里找不到时，只有自己画，通过重新学习当然也咨询厉害的同学，自己又慢慢的熟练起来了。这次课设让自己不断的查资料，自己也学到了好多，就比如懂得了LED的驱动电路，用PWM信号控制N沟道场效应管来控制他驱动LED，并且通过调PWM信号来调光，从而模拟三基色LED合成白光。自己不仅懂得了它的原理，最重要的是自己参与了实践，自己编程自己做板。更懂得了LED的应用背景和发展前景。半导体照明是 21 世纪最具发展前景的新一代绿色照明光源, 其节能、 环保和寿命长等优点,顺应了时代发展的潮流, 引起全球性的高度重视参考文献1王亚男.雍静.三基色LED光源颜色稳定性的研究.照明工程学报.2007年9月第18卷第3期58652荆其诚, 焦书兰等. 色度学. 北京: 科学出版社, 1979：54 108,3冯勇，杨旭.白光LED可控恒流源驱动系统设计.（2008.No.4）：29 31.4学位论文 李帆 多模式白光LED驱动控制器的设计 20085Abraham I.Pressman.王志强 开关电源设计 2005附录元器件清单名称数量名称数量AT89S511电阻（1K）6下载器接口1电容(200pF)3晶振1LED(红，绿，蓝)3小按键3CN56123变阻器3开关4电路原理图电路PCB图程序ORG 0000HLJMP MAINORG 0003HLJMP INT00ORG 0013HLJMP INT11 ORG 0100H ;主程序 MAIN: MOV P3,#00H SETB EA ;开总中断 SETB EX0 ;INT0中断 SETB EX1 ;INT1中断 SETB IT0 ;外中断为边沿触发 SETB IT1 MOV IP,#02H ;设置优