【毕业设计】小功率led日光灯控制器设计

毕业论文设计题目小功率LED日光灯控制器设计学生李苗学号20110311105专业电子信息工程指导教师马令坤陕西科技大学职业教育师范学院2015年6月2日小功率LED日光灯控制器设计摘要作为第四代新型照明光源，LED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LED灯功率控制器具有实际应用价值。在研究LED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LED功率控制技术的两种方法电压控制和电流控制。根据LED功率制器的设计要求，论文采用AT90PWM3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LED灯功率控制算法，给出了LED功率控制器的软件设计流程，主要包括功率调度程序和功率控制程序，并对PWM信号的产生和A/D采样及转换过程作了详细说明。关键词LED日光灯，电流控制器，PWM信号DESIGNOFLOWPOWERFLUORESCENTLCAMPCONTROLLERABSTRACTASANEWFOURTHGENERATIONLIGHTSOURCE,LIGHTEMITTINGDIODELED，HASNOTONLYBECOMETHEFIRSTCHOICEFORENERGYSAVINGANDENVIRONMENTALPROTECTION，ALSOHASTHEADVANTAGESOFLOWVOLTAGESTARTE,NONPOWESUPPLY,SIMPLESTRUCTURE,CONTROLLABLECOLORRICHANDNON。BALLAST,ORNOULTRAHIGHPRESSURETRANSFORMERSINTHEFIELDOFLANDSCAPELIGHTINGDESIGNTHEREFORE,THEDESIGNOFLEDLAMPCONTROLLERISAVERY,MEANINGFULTOPICINTHISFIELDBASEDONTHESTUDYOFTHESTRUCTURALCHARACTERISTICS,LIGHTEMITTING,MECHANISM，ELECTRICAANDOPTICALPROPERTIESOFLEDLAMP，THEPAPERBRIEFLYDISCCSESTHELEDPOWERCONTROLTECHNOLOGYINTWOWAYSVOLTAGECONTROLLEDPOWERANDCURRENTCONTROLLEDPOWERACCORDINGTOTHEDESIGNREQUIREMENTS，PAPERUSESAT90PWM3SINGLECHIPMICROCOMPUTERASACONTROLLER,GIVETHECOMPOSITIONOFTHECONTROLLERCIRCUITANDHARDWAREDESIGNPROCESS，DERIVATETHEALGORITHMOFLEDLAMPCONSTANTPOWERCONTROL；GIVETHESOFTWAREDESIGNFLOWOFLEDCONSTANTPOWERCONTTOLLER，INCLUDINGPOWERDISPATCHINGPROCEDURESANDCONSTANTPOWERCONTROLPROCEDURES；ANDALSOGIVEADETAILEDDESCRIPTIONOFPWMSIGNALSGENERATIONANDA/DSAMPLINGANDCONVERSIONPROCESSFINALLY,BYTHEWAYOFGIVINGTHETESTWAVEFORMDIAGRAMOFAPROTOTYPE，ITISPROVEDTHATTHELEDLAMPCONSTANTPOWERCONTROLLERDESIGNEDINTHISPAPERACHIEVESTHEREQUIREMENTSKEYWORDSLEDLAMP，CONSTANTPOWERCONTROL，PWMSIGNALSLIGHT目录摘要IABSTRACTII1前言111课题研究的目的及意义112电光源技术革命和绿色照明2121电光源技术革命2122绿色照明313LED灯的起源与发展414论文主要内容42LED特性及原理621LED的结构与发光原理622LED的主要参数与特性7221LED的主要参数7222LED的电学特性8223LED的光学特性9224LED的寿命103小功率LED日光灯灯控制器软硬件设计1231LED灯功率控制方式12311电压控制功率技术12312电流控制功率技术1232AT90PWM3单片机13321AT90PWM3的结构13322AT90PWM3的ADC电路16323AT90PWM3的PSC电路1833LED灯功率控制器设计20331控制器组成20332LED灯功率控制器电路设计2034功率算法设计2235LED功率控制器的软件设计23351软件总体设计23352功率调度25353PWM信号的产生26354A/D采样284结束语30致谢31参考文献321前言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，LED灯就是由发光二极管为发光源的半导体灯具，是20世纪后期发明并发展起来的新光源。LED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”。11课题研究的目的及意义“绿色照明”是90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1991年由美国环保局（EPA）首次提出并逐渐获得推广。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80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1996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，LED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。LED光源除具有绿色光源无汞、节能、节材、对环境无电磁干扰和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；（4）可控性好响应时间快（微秒数量级）、可反复频繁亮灭、基本无惰性，不会疲倦；（5）色彩纯厚由半导体PN结自身产生，色彩纯正、浓厚；（6）色彩丰富三基色加数码技术，可演变任意色彩；（7）轻质结构节材，节约费用，对灯具强度和刚度要求很低；（8）体积小巧大的LED灯具可看成LED细胞组成，最小的LED仅为平方毫米数量级或更小；（9）柔化性好LED光源的精巧，使LED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。目前LED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。LED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LED，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LED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。12电光源技术革命和绿色照明121电光源技术革命自1882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。1993年日本首先在蓝色GAN发光二极管上获得技术突破，并于1996年实现白光LED，近几年正向第四个照明光源的发展阶段以白光LED为主的半导体照明光源的方向发展。（1）第一次电光源技术革命白炽灯二十世纪40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80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1938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38毫米缩小到26毫米，能节电10；日本将灯管直径从32毫米缩小到25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1974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60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70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LIGHTEMITTINGDIODE，简称LED发光二极管发明于20世纪60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10倍以上。122绿色照明多年前,联合国在一份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。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CO2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方面来考察（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HID或更先进的HID，LED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。13LED灯的起源与发展1907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LED出现在20世纪60年代，当时的LED由化合物半导体材料GASAP制成，可以发红光。在20世纪6070年代，LED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，LED主要应用于各种昂贵的设备中作为信号指示灯用。进入20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃，而很难实现的蓝光LED，也在1992年由日本著名的LED企业日亚化学公司成功制造。这样，整个可见光频谱的单色LED都已生产出来，可用于各种需要单色光的应用场合。影响LED产业发展最重大的转变是高亮度白光LED的发明，自1997年白光LED出现后，专家对白光LED进入普通照明领域的可能性进行了研究。作为光源，LED优势体现在三个方面节能、环保和长寿命。LED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10的耗能，与荧光灯相比，LED也只需要荧光灯50的耗能。说到底，半导体电光源的效率最高、最节能、寿命最长。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100倍，比日光灯寿命长1525倍；它的发光效率相当于白炽灯的1015倍，相当于日光灯的24倍；而它的体积非常小，只相当于白炽灯泡的10分之一，目光灯的50分之一。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500亿美元，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。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。14论文主要内容论文在研究了LED的发光原理和特性的基础上，论述了LED发展中主要攻克的问题，并根据设计要求，采用ATMEL公司的AT90PWM3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LED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AT90PWM3单片机的结构，ADC和PSC电路；给出了LED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LED灯恒功率控制器的硬件电路的设计过程；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AT90PWM3单片机的PWM信号发生器和AD采样的工作过程，并给出了论文对这个过程所做的设置。2LED特性及原理21LED的结构与发光原理20世纪中叶出现在市场上的第一批LED产品，经过50多年的发展历程，在技术上已经取得了长足的进步。现在，LED的发光效率己达到70LMW流明瓦特），LED的场频质量提高了近10倍，而制造成本已下降到早期的十分之一，这种趋势还在进一步的发展之中，从而使LED成为信息光电子新兴产业中极具影响力的新产品。要设计高性能的LED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（LIGHTEMTTINGDIODE，简称LED），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。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IIIV族化合物，如GAP（磷化稼）、GAASP（磷砷化稼）等半导体制成的。图21所示为LED的PN结，发光二极管的核心部分是由型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体N和P型半导体之间有一个过渡层，称为口N结，因此它具有一般PN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。图21LED的PN结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PN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PN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，致使区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。于是在PN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P区发光N区光属于自发辐射。当在发光二极管的PN结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光，图22所示为LED发光原理。电子注入导带发光中心EGN区空穴注入结区价带P区发光图22LED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PN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。22LED的主要参数与特性221LED的主要参数（1）工作电压LED使用低压电源，额定正向电流下，工作电压为15V35V，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LED光电转换效率为20，而白炽灯为3，简单说因为LED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LED芯片不超过5MM2，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1万小时以上，光强衰减为初始值的50；（5）响应时间LED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LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色、黄色，最后为绿色。222LED的电学特性（1）V（电流电压）特性V特性是表征LED芯片PN结性能的主要参数。LED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23所示为IV特性曲线。A正向截止区G点电压VG为开启电压，当VVG时，外加电场尚未克服少数载流子的扩散而形成势垒电场，此时电阻很大。开启电压对于不同LEDIFISEQVF/KT1式中IS为反向饱和电流。B反向截止区V0时为反向截止区，PN结加反偏电压VV，反向漏电流为IOC反向击穿区V一VR，时为反向击穿区，VR，称为反向击穿电压，与VR，对应的电流IR，为反向漏电流。当反向电压一直增V一VR，使时，IR将突然增加出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。图23IV特性曲线（2）最大允许功耗PFM当经过LED的电流为IF、管压降为UF时，则功率消耗为PFMUFF（22）IIFHH,VVF工作区正向截止区反向截止区VRIR0在外加偏压、偏流作用下，一部分载流子复合发光，其余部分转化为热，使结温迅速升高。若结温为TF、外部环境温度为TA。，则当TFTA。时，内部热量借助管座向外传递，耗散功率为PKTTFTA（23）其中KT为温度常数。（3）响应时间响应时间反映了LED器件对外部信号变化的敏感程度，是标志反映速度的重要参数，尤其在脉冲驱动或调制时显得尤为重要。响应时间包括注入电流后LED启亮（上升时间TR）和熄灭（衰减时的时间TF上升时间R，为接通电源使发光亮度达到正常值的10开始，至发光亮度达到正常值的90所需的时间；衰减时间TF为正常发光减弱到正常值的10所需的时间，如图24所示。TR随着电流的增大以近似指数速率迅速减小，不同材料制得的LED响应时间各不相同对于直接带隙半导体材料，GAAS等，响应时间为几纳秒；对于间接带隙半导体材料，如GAP等，响应时间为几百纳秒，均可以用于10100MHZ的高速调制系统。LED可利用调制或脉冲供电得到调光或脉冲光，调制频率高达几十兆赫兹，这种直接调制技术使LED在相位测距仪、能见度仪及短距离通讯中得到应用。图24LED响应时间特性曲线223LED的光学特性LED的设计和生产是一个紧密衔接的过程，对LED光学特性的研究，保证了LED良好的光学特性，为LED由设计，走向实用，最终走向市场提供了保证。以白光LED为例，其出射白光由多种颜色混合而成，如用蓝光、黄光二波长光混合，或用蓝光、绿光、红光三波长光混合，其中以三波长光技术较成熟。目前主要应用的LED是IFTT相对亮度10900将GAN芯片和忆铝石榴石（YAG）封装在一起，GAN蓝光芯片置于碗形反射腔中，外层覆盖含有YAG的环氧树脂薄层，GAN芯片出射蓝光，YAG荧光粉等苗光激发后射出黄光，两者混合产生白光。可见如果要得到预期色彩的LED，必须着重对以下光学特性进行研究（1）光谱分布大多数半导体材料的折射率较大，光子逸出半导体前，需经过多次反射，由于短波光比长波光易于被吸收，峰值波长对应的光子能量小于带隙。例如，GAAS发射的峰值波长对应的光子能量为11EV，低于常温下带隙（G）03EV，当GGAAS1XPX改变其中的值，峰值波长将在620680NM的范围内变化，谱线半宽度为200300A，LED可提供半宽度较大的单色光。有些半导体材料有多个峰值（如一些间接隙半导体材料，GAP等），其色度特性由主波长九。决定，由于半导体带隙随温度上升而减小，峰值波长随温度上升而增加，温度系数约23A/C。光谱分布与制备LED的半导体材料种类、性质、PN结结构（如外延层厚度、掺杂杂质种类、掺杂杂质浓度等）相关，与LED的几何形状、封装形式无关。（2）发光强度（法向光强）及其角分布IO发光强度是表征发光器件发光强弱的重要性能，大量LED应用要求圆柱或圆球封装，由于凸透镜的作用，光有很强的指向性，位于法向的光强最大，其与水平面夹角为900，偏离法向时，光强随角度日变化。发光强度的角度分布IO描述LED在空间各个方向上的光强分布，主要取决于封装工艺，如支架、模粒头、环氧树脂中添加的散射剂。LED为获得高指向性的角分布，应尽量做到LED管芯位置离模粒头远、使用圆锥状（头）的模粒头、封装的环氧树脂中勿加散射剂。采用这些措施可使LED散射角等于60左右，大大提高了指向。（3）光通量光通量F表征LED总光输出的辐射能量，标志器件的性能优劣。F为LED向各个方向发光能量之和，称光通量，光通量单位为流明，与工作电流有关，随工作电流增加，LED光通量增大。（4）发光效率发光效率是LED重要的光学特性，为辐射出光能量（发光量）与输入能量的比值。发光效率分为内部效率与外部效率，内部效率为PN结附近由电能转化成光能的效率，用于评价芯片的质量；外部效率是辐射至LED外部的效率。224LED的寿命通常把LED亮度由初始亮度BO降到BT1/2BO所经历时间称为LED的寿命，其中BT为工作T时间后LED的亮度。LED寿命与亮度的关系如图26所示。LED寿命一般很长，电流密度小于1A/2的情况下，寿命可达10000时（IF20MA），即可连续工作一百多年，是任何光源均无法与之竞争的。目前，随着功率型LED的开发应用，国外学者开始以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据，如LED的光衰减为原来的35，寿命600D，时。LED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和老化时间常数有关，所谓老化，就是LED发光随着长时间工作而出现光强或亮度衰减的现象。BTATOBO0图26LED寿命与亮度的关系器件老化与外加恒流源大小有指数关系BTOE（T/R）（24）BO为初始亮度，BT为工作时间后LED的亮度，T为工作时间，为衰减系数。测量LED寿命时，经常是以一定恒流源激励LED，此时得NBO，在经过103104小时后，测得BT，此时B。约为10010000，代入式（24），求出。3小功率L日光灯灯控制器软硬件设计31LED灯功率控制方式LED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LED灯的电压或者电流，达到控制灯功率的目的。LED灯功率控制可以分为两种电压方式和电流方式。311电压控制功率技术控制LED灯功率的直接方法是改变LED灯两端的电压，为此，需要通过DCDC变换，将直流供电电压转换成直接加在LED灯上的驱动电压，如图31所示，R0表示限流电阻。VDDGNDDCDCPWMVRR0LED灯GND图31电压控制功率模型通过改变PWM信号的占空比，可以改变驱动电压V。当PWM占空比增大时，由DCDC变换器使V相应增大，流过LED灯的电流ID和功率也增大；反之，当PWM占空比减小时，V减小，ID减小，LED灯的功率也减小。种通过控制驱动电压V来实现LED灯功率控制的方式，其优点是LED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LED灯。312电流控制功率技术控制LED灯功率的另一种方法是改变LED灯的电流，其电路模型如图32所示，供电电源直接加在LED灯两端，为了控制LED灯电流，引入由PWM信号驱动的MOSFET，当PWM信号为高电平时，MOSFET导通，LED灯有电流流过；当PWM信号为低电平时，MOSFET截止，LED灯上没有电流。图33给出在PWM驱动下的LED灯的电流波形。VDDR0LED灯MOSFETPWMPWMID图32电流控制功率电路模型图33PWM下的LED灯电流示意图当PWM信号的频率较高（大于1KHZ）时，人眼就感觉不到闪烁。当PWM信号的占空比增大时，LED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PWM信号的占空比减小时，LED灯平均电流及灯功率也减小。这样，过改变PWM信号的占空比，就可以改变LED灯功率。本论文采用电流控制方式来实现LED灯功率控制。32AT90PWM3单片机321AT90PWM3的结构AVR单片机是ATMEL公司推出的具有众多成员的单片机家族，主要包括ATTINY、AT90和ATMEGA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，AVR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FLASH程序存储器、EPROM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。AT90PWM3是AVR系列单片机，由于其具有能直接产生PWM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PWM信号，故此得名。AT90PWM3单片机结构框图如图34所示。88FLASH程序存储88程序存储器指令存储器指令存储器指令译码器程序计数器程序计数器状态控制寄存器328通用寄存器ALUSRAMEEPROMI/O口SPI单元看门狗定时器3路模拟比较器DALTUSART定时器、计数器中断单元定时器/计数器ADCDACPSC2/1/0控制总线直接寻址线间接寻址线图34AT90PWM3单片机结构AT90PWM3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FLASH程序存储器内，CPU从这里按程序计数器内容将指令读到指令寄存器，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SRAM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EEPROM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。AT90PWM3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。AT90PWM3单片机的存储器包括FLASH程序存储器，SRAM和EEPROM数据存储器，图35和36分别为程序存储器和数据存储器的组织结构。数据存储器32个通用寄存器64I/O口寄存器160外围I/O口寄存器内部SRAM0X00000X011F0X00200X005F0X00600X00FF0X01000X00000X0FFF应用FASH部分快速FASH部分35程序存储器图36数据存储器因AVR指令通常都是16或32位的，所以FLASH程序存储器被组织为4K16，为了程序安全，把FLASH程序存储器分为两部分应用FLASH和快速FLASH，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。AT90PWM3单片机内共有768个SRAM单元，如图36所示，前32个为通用寄存器，之后的64个为I/O空间地址，包括状态寄存器SREG、堆栈指针SP、中断控制寄存器等，0X00600X00FF为一补充I/O口寄存器，最后才为真下的片内随机读/写SRAM数据存储器。若片内SRAM不够使用，可扩展片外SRAM，其空间可与片内SRAM衔接，也可不连续。其中32个通用寄存器文件，除通用功能外，个别寄存器还具有特殊功能。例如，R26R31中每两个相邻的寄存器组成3个数据指针X、Y、Z，用于间址寻址（简称间址）。R0作为寻址ROM表格指令（LPM），专门用于存放数据寄存器。高端寄存器R16R31可涉及立即操作数，而低端16个寄存器文件涉及立即数的操作必须以高端寄存器为媒介进行。另外，AT90PWM3单片机还带有512B的EEPROM数据存储器。特点为占有独立空间，写入时按严格的时序操作，较为安全读出或写入时以字节为单位进行擦/写，其寿命至少为10，000次。论文设计的LED灯恒功率控制器采用的AT90PWM3单片机是32引脚直插式，其引脚图如图37所示，论文中主要用到的引脚是ADCM（2、3、6、5）和PSCOTN0（1、2、3）。图37AT90PWM3引脚图AT90PWM3共有4个8位的I/O口，分别为B、C、D和E口，这32个引脚都可单独设定为输入或输出，故可最大限度、灵活地利用这一资源。各端口除具有输入输出功能外，还具有第二功能，甚至第三功能，在论文中根据设计要求选择了相应功能。322AT90PWM3的ADC电路AT90PWM3单片机具有专门的ADC电路，可以完成A/D转换（模/数转换）。A/D转换共有11个ADC引脚（应将它设为输入口），由多路开关控制模拟量输入，并带有采样保持电路。ADC电源由AVCC和AGND组成，模拟地与数字地要单线连接，AVCC与VCC引脚的电压差不能超过03V，ADC电路原理如图38所示。AT90PWM3的ADC（模数转化）可以达到10位精度，具有8250微秒的转换时间，转换速度非常高，并具有采样完成中断申请。在进行自由模式下多路A/D转换时，不采用常用的那种“循序渐进”的做法在模数转换完成的中断服务中读出当前通道转换结果，再设置、启动下一通道的转换；而是在本通道转换启动后，立即设置下一通道，这样在本次转换完成中断前，已启动了下一通道的转换。故进行多通道自由模式转换时，对通道的切换有点异乎寻常，正是这样才使AT90PWM3达到如此高的自由转换速度。ADC有单次转换和自由转换两种工作模式，单次转换时，每次转换都要启动一次，自由模式转换则只须启动一次，其后就不停止地连续启动各通道扫描多个通道进行转换，并将转换结果不断地装入转化结果寄存器ADCH和ADCL。AT90PWM有两个控制与状态寄存器ADCSRA和ADCSRB。两种工作模式由寄存器ADCSRA的ADATE（自由方式选择位）来切换，当ADATE1时，选中自由转换模式，A/D转换过程由ADCSRA的相关位控制，控制功能包括可以使能ADC、启动ADC、允许转换完成时申请中断等。第一次转换引发一次哑转换，以初始化ADC然后才进行真正的A/D转换，首次转换比后续转换多用12个ADC时钟周期。为了得到最大精度，输入时钟频率要求在5OKHZ一2MHZ，如果所需精度低于10位，ADC输入时钟频率可以高于2MHZ，以得到更高的采样率。ADC模块含有一个预分频器，任何高于100KHZ的频率经过预分频器处理（处理过程是外部时钟/预分频数），都可以为ADC提供时钟。图39给出了ADC预分频器，其由寄存器的三位控制预分频数，可以产生8组预分频数，最大可以达到128分频，ADC时钟源只有一个，即CK。ADC时钟端ADPS0ADPS1ADPS27位ADC预分器ADENSTARTCKCK/248128图39ADC预分频器预分频器的设置是由ADC的寄存器ADCRSA的ADPS位控制。在寄存器ADCRSA的ADEN被置为1后，即ADC转换开始后，预分频器就开始计数，保持工作直到ADEN被置0。在A/D转换完成后（ADIFI），转换结果被存到了ADC结果寄存器ADCL，ADCH中，读取数据的方法与AVR单片机其他16位寄存器一样，先读ADCL，再读ADCH。对于采用单点输入，则A/D转换结31VBEFINADC1023其中VIN表示正端输入电压，VREF表示负端输入电压。如果采用差分模拟输入，则A/D转换结果是32ADC结果被表示成两个互补的形式0X200（512D和0X1FF（511D），若想得到一个快速的极性判断，有VBEFGAINPOSADC512ADCHLCONTRLPRESCALER0CSR1CSRINTERAL25VAREFAVCADC01ADC234ADC567ADC8910AMP0GNDBARDGPNEFS0REFS1SARDACRS1RS0ADRMU3U2MU1U0ADNASCAVEADFADEPS2PS1PS0SCRTS3TS2TS1TS0SURCESEDGEADTECKADXCSRADBADCONVESIONMPLTRQ效的方法是读ADC结果的MSB位（ADC9的ADCH），如果该位为1,则结果是负的，反之结果为正图39AT90PWM3的ADC电路图323AT90PWM3的PSC电路AT90PWM3还包含有三个PSC（POWERSTAGECONTROLLER）电路，分别是PSC0、PSC1和PSC2，其中PSC0和PSC1可以产生一对相位相反的PWM信号，PSC3相当于两个PSCO的级联，可以产生两对相位相反的PWM信号。通常单片机是借助于定时器计数器产生PWM信号，而AT90PWM3借助专门电路产生了三组相互独立的PWM信号，从而可以简化设计，节约计算资源，PSC0、PSCI的电路框图如图310所示。图310PSC电路框图PSC可以产生高频率的PWM信号，图311为PSC预分频器，其包含两个时钟源CLKPLL和CLKI/O以选择时钟源和预分频数，PSC的预分频器共可以产生四组预分频数，最高分频数为64。PSC计数器OCRNBOCRNSBOCRNAOCRNSAPICRN波形发生器BPSC输入单元B波形发生器APSC输入单元APCNFNPFRCNBPCM2PCTLNPFRCNAPSCAPSCOUTN1PSCINAPSCOUTN0N011000011011CKCKCK/4CK/16CK/64PLLI/OPRESCALERCLKPSCPCLKSEL图311PSC预分频器33LED灯功率控制器设计331控制器组成LED灯功率控制器的组成框图如图312所示。312LED灯控制器的组成框图LED灯内部是由三个发光二极管组成，要想驱动LED,需要三路相互独立的PWM信号驱动。功率控制部分由AT90PWM3单片机构成，其可以产生三路PWM信号驱动LED灯，通过采集LED灯电流信号，计算出实际的灯功率，并与设定的功率相比较，产生相应的PWM占空比调整量，从而实现LED灯的功率控制。332LED灯功率控制器电路设计功率控制主要由微处理器、驱动电路、采集电路和电源组成，如图313所示。微处理器采用AT90PWM3单片机，其主要功能是发送PWM信号分别驱动LED灯，并采集LED灯的电流A和电源VDD的电压值A0，电源由105V直流电源提供，负责为LED灯和单片机供电。发送接收按键解码电流控制器（单片机构成）驱动电路信号回采LED灯电源供电图313功率控制器电路示意图LED灯驱动电路由PWM信号、晶体管、MOSFET和LED灯组成，由于单片机引脚的驱动能力有限，不足以使MOSFET可靠饱和，因此，增加了一级晶体管Q4驱动，使PWM信号能够有效控制LED灯开关；电流采集电路由二级积分RC电路完成，电源电压的采集采用简单的电阻分压器实现。当PWM信号为高电平时，晶体管Q1导通，使MOS管Q截止,无电流流过LED灯；反之，当PWM信号为低电平时,Q1截止，使Q导通，有电流流过LED灯。通过改变PVN信号的占空比，可以调整电流大小，从而实现了LED灯的亮度的控制。VDPWMLED灯调理微处理器AT90PWM3R147KR2479RR347RR63KR73KR42/2WR52/2WQ1IRL3103Q49013R210KR2310KC7104UF105VRC1C2A1DIODELEDPWM1AOR847KR9479RR1047RR133KR143KR12/2WR122/2WQ2IRL3103Q49013RA2DIODELEDPWM2R1547KR16479RR1747RR203KR213KR182/2WR192/2WQ3IRL3103Q49013RA3DIODELEDPWM3C3105UFC4105UFC5105UFC6105UF图314LED功率控制器驱动电路为了测量流过LED的平均电流，论文设计了二级积分电路，通过电路仿真，得出，PWM占空比增大，相应的二级积分的输出电压也增大。从图314可以看出，二级积分的输出电与流过LED的平均电流成正比，因此，通过A1点的电压，可以间接测量出LED功率。34功率算法设计调光功能的实现方法可分为两种模拟和PWM，采用模拟调光技术的缺点是LED会随着正向电流改变而产生色偏现象；而PWM调光通过开启和关闭LED来政变M同时可以继续保持原有色纯度以创造出更完美的画质。论文中，LED的恒功率控制采用PWM调节方法，单个通道的恒功率电路如图314所示。图314中的单个通道驱动电路可以进行等效处理，如图315所示，其中等效电阻R1为1欧姆。在PWM信号控制下，VA和VB的波形如图316所示。VDDR0LED灯MOSFETPWMPWMID图315单个驱动电路等效图316测量波形实际上，MOSFET的RON最大为16M图318测量波形VAL与VAH几乎相等。在实际应用中，对VB采用二阶积分，得到平均电压U1，即是图314中A1点的电压值，它与PWM信号的占空比D及VB有密切关系33DUVBH1DUVAL1灯功率可以这样计算根据34ALCP1RBHI有1/UDV根据VCKUDP10/54/RK35DP通过单片机内的4斜波发生器可以控制所产生PWM的占空比，通过原始设计可以得到图319所示的占空比曲线，由此可以看出，占空比的范围为01，但其序号控制复杂。0200400600800100012000102030405060708091图317原始的占空比曲线因此，论文对此进行改进，得到图318所示的占空比曲线。这样占空比与信号之间为线性关系，根据占空比个数为593，因此有D00016ND,ND1,59336其中，D表示占空比序号。代入36式可以得到P1/28U117U016000U1/NDMW370200400600800100012000102030405060708091图318改进的占空比曲线35LED功率控制器的软件设计351软件总体设计软件编写的基本思想根据给定占空比，产生PWM信号，通过测量计算LED的实际功率，与给定功率对比，产生需要调整的功率差，由功率一占空比曲线计算出相应的占空比调整量，更新占空比，整体设计流程如图319示。在完成堆栈指针的初始化后，对硬件电路中涉及到的引脚进行初始化，即设为输入或输出，PSC的初始化则是对三路PSC的模式、时钟、有效电平、输入中断、预分频、输出信号进行设置，并通过为比较寄存器赋初值产生一定占空比的PWM信号，然后通过为比较寄存器赋O关闭LED，ADC的初始化主要完成转换模式、触发源、输出的选择。用RSTEP、G、分别表示的功率STEPBSTEPLED占空比斜率；LPOWER表示LED的功率；RDUTY表示LED的占空比；ST表示恒功率保持时间；TT表示色30LED灯恒功率控制器的设计彩变换时间；N代表色彩组数。按全彩恒功率控制器的整体设计，ST、TT、R_POWER、G_POWER、B_POWER是由遥控器发送的，但是由于目前尚未实现调，所以论文在EEPROM中写入预先设置的RGB功率、色彩变幻时间和恒功率保持间，总是20组数据，即N20。对栈指针初始化引脚初始化选振荡频率PSC初始化关闭LED灯ADC初始化首次写入功率占空比斜率初值模拟写入LED功率、改变时间TT、保留时间ST读取占空比斜率置LED功率初值置LED占空比初值读取点数N读取LED功率、STTT计算相应占空比计算时间片个数M调度LE