LED亮度自动调节系统设计开题报告.doc

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论文题目

LED亮度自动调节系统设计

一、选题背景和意义

LED是一种新型半导体固态光源。

它是一种不需要钨丝和灯管的颗粒状发光原件[1]。

LED光源凭借环保、节能、寿命长、安全等众多优点在打造节能、环保型社会的大环境下当仁不让地成为照明行业的新宠。

21世纪的照明领域中，LED的应用毫无疑问是最振奋人心的，它将改变整个照明市场的结构，很快就能得到广泛应用。

LED的技术本身不是一个很新的东西，在很多年之前，就已开始使用LED来作仪器和设备的指示灯[2]。

随着技术发展，芯片和材料在性能上都有新的改善和提高，使得LED的亮度和寿命都有了极大的改进，从而也推动了LED更为广泛的使用。

普通白炽灯的寿命仅仅1000小时，而LED的寿命却高达50000小时，而且消耗的电量要少很多。

根据美国Sandia国家实验室的研究，如果白光二极管能够普及应用，全世界照明用电的消耗将减少50％[3]。

影响白光二极管系统普及的最主要问题还是它的价格和亮度，现在单个白光二极管的亮度还不能够照亮整个房间，其价格却是白炽灯泡的10倍。

随着科技的发展LED照明肯定会带来更加明亮的光线和更少的能源消耗。

随着经济的持续发展，中国的照明用电也将持续提高，绿色节能照明越来越受到政府的重视，LED照明就是在这样的情形下发展起来的[4]。

据中国绿色照明工程促进项目办公室专项调查，我国照明用电每年在3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯和部分荧光灯，可节省1／3的照明用电，相当于三峡工程全年的发电量。

LED还有其他很多优点，比如LED作为全固态发光体，发热量低、耐震耐冲击、无热辐射、不易破碎、不含汞、钠等可能危害健康的元素[5]，废弃物可回收、无污染。

LED已经进入很多应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等[6]，遍及国民经济各部门，广泛用作普通照明、车灯、景观灯、路灯照明、液晶板背光源、手机背光源、数码相机闪光灯等。

二、国内外研究现状、发展动态

我国LED的发展起步于20世纪60年代。

1970年11月在上海召开的全国砷化镓学术交流会议上，报告了用水汽外延法制成“磷砷化镓红色发光二极管”的研究成果，从此我国LED材料和器件研发正式起步。

20世纪80年代形成LED产业，90年代LED产业已经初具规模，90年代后期得到迅猛发展，1997年在国家自然科学基金的支持下，北京大学率先研制出国内第一只蓝光发光二极管。

几年后南昌大学在国际上率先开发成功硅衬底蓝光LED材料与芯片的生产技术，实现批量生产，成为具有自主知识产权的第三种发光二极管外延材料与芯片的技术路线；到2003年上海、大连、南昌、厦门已成为国家四大半导体照明基地,中国的LED照明开始了快速的发展。

2008年9月，CREE成功研制出冷白光LED，效率达107lm/W。

这项成果来自于CREE的EZBright®LED芯片平台，得到了能源部的资金资助。

是能源部光子晶体芯片项目的一部分，这个项目的目的是改善光的提取率和研发出新的封装技术，得到比传统LED更高的下转换（down-conversion）效率。

该LED有一平方毫米，色温为5500K，显色指数为73，在单一模块封装中集成了4个LED芯片，能够产生大于450流明的光通量。

美国波士顿的PhotonicsResearch研究中心报道了LED技术方面的新进展，声称光效达到330lm/W。

这种被称作photon-rectcling的半导体光源可发出蓝、黄两种波长的光。

所发出的光能使人感到的是白光。

这种光效，与目前市场上的LED比要高10倍甚至更高。

不过，应该指出，从实验室到商业化的产品这条路也许还十分漫长。

奥地利的照明设计公司已完成一项大型实验，采用了14000只白光和彩色LED的混合照明整个房间。

光照水平达到600-700Lux，足够一间普通办公室的照明。

用计算机计算白光，蓝光，蓝/绿光，琥珀和红光二极管的混合效果，以获得2500-3000K的暖色温，其显色指数非常接近最好的荧光灯。

由于LED色彩比较丰富，因此除了大量应用于照明和背光源之外，另外一个用途就是景观照明。

LED应用于古建筑景观照明，如颐和园[11]、城市立交桥景观照明[12]等。

由于LED驱动电压低，控制比较灵活，结合各种驱动方式对其控制，还可以应用做路灯照明[13]等。

在20世纪70年代，LED最早应用在数字、指示灯和文字显示等。

随着第三代半导体材料氮化镓（GAY）的突破，高亮度蓝光二极管的出现解决了发光二极管的三原色缺色的问题，彻底解决了大屏幕全彩色显示问题，才有了红橙黄绿青蓝紫七种全彩，更重要的是因此创造了白光半导体灯。

由于白光发光二极管的出现，LED开始逐渐进入人们的日常生活。

LED从显示领域进入到照明领域最关键的是发光效率的大大提高，随着发光效率201m/w以上的白色LED（白炽灯的发光效率一般是15m/w）的出现[7]，白色LED灯开始成为新世纪的节能照明光源。

许多研究表明在本世纪的前十年，LED产业仍然将会保持继续快速发展。

所以，很多人认为白光LED是在未来成为代替传统照明器具的一大潜力商品。

作为新型的发光器件，LED具有效率高、体积小、环保、寿命长、节能等优点，能量转化效率也非常高，从理论上来说，发射相同光通量的耗电量大约是白炽灯的10％[8]，相比荧光灯来说，LED也可以达到50％的节能效果[9]。

在发达国家照明用电占发电总量的比例大约为19％，在我国占10‰，并且我国以低效照明为主，是终端节电节能的主要对象之一。

由于LED产业不断涌现新技术、新产品、新应用，呈现出了朝阳工业的欣欣向荣的景象，可以相信，半导体技术不仅不会被其他技术取代，而且会继续沿着原来的轨道向前发展。

半导体照明技术由于技术的先进性和产品使用的广泛性，已经被广泛认为是最具发展潜力的高科技领域之一。

半导体照明产业具有明显的节能和环保效果，也被认为是一个战略性的高技术产业。

　　自适应调光技术国内外研究现状：

人眼对光线的感受是非线性的，因此将亮度级降低10％以上人却觉察不到亮度的变化，这样就可以节省将近10％的电能。

假如将调光级别降低50％，就可以节省约40％的电能。

如果采用智能调光就可以将灯的亮度逐渐调到预设级别。

白炽灯没办法达到这个要求，是因为冷的灯丝会受到热冲击。

将灯亮度渐渐调到设定级别，不仅节省了电能而且还会极大地延长灯的使用寿命。

使用10％的调光级别就可以将灯的使用寿命延长2倍，而50％调光级别将可以延长使用寿命20倍。

三、研究的内容及可行性分析

1.方案论证与比较

（一）控制部分的方案论证与选择

方案一：

采用89S52作为控制核心。

51单片机具有主频12M,三十二个I/O引脚，8Kflash程序存储空间，256byteRAM,三个定时、计数器，五个中断源，且价格低廉，C语言程序编写容易，控制方便。

方案二：

采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。

由于其集成度高，使其成本偏高，同时其芯片引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。

方案三：

采用ARM7芯片LPC2148，具有512Kflash程序存储空间、主频达48M、三个定时器、四个外部中断、内部RTC、采用三级流水线模式运行程序，拥有I2C、SPI、UART等通信接口。

同时其芯片引脚也较多，不便控制。

且价格较贵。

方案选择：

本系统可以采取89S52、FPGA、ARM三种控制器。

ARM比89S52单片机具有更强大的控制功能、更快的运行速度，可更快捷地进行高精度的测量，但本设计运行速度要求不高，89S52就能满足所需要的功能。

因此综合考虑选择89S52作为控制部件。

（二）模数转换

方案一：

采用V/F变换电路

该方案是使用压频变换器件，把电压信号转化为频率信号，单片机通过计数获得重物的重量，此方案，可不用A/D芯片，但需要比较复杂的小信号放大、调理电路，并且V/F变换外围电路较繁琐，参数配置相对严格，故未采用。

方案二：

选用高精度并行ADC芯片

此方案经小信号放大、调理电路，进行A/D转换，经A/D转换的信号直接连接单片机，但价格高，一般适用于高速测量中，故此方案未采用。

方案三：

选用高精度串行ADC芯片

此方案经小信号放大、调理电路，进行A/D转换，经A/D转换的数字信号通过串行方式送到单片机，价格低，在低速测量中广泛使用，故采用此方案。

为了实现量程的自动转换功能与满足误差要求，采用24位串行A/D转换器HX711，该转换器内部带可编程增益放大电路，是数字电子秤专用芯片之一。

（三）数据显示模块方案选型

显示部分采用LCD1602液晶显示模块，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。

2.模块组成

按照设计功能与性能要求，系统由5个部分组成：

控制器部分、光信息采集部分、LED光源亮度调节驱动部分、AD转换部分、电路电源部分，系统设计总体方案框图如图1：

图1模块框图

3.系统方案

3.1核心处理单元模块（主控模块）

信心处理单元模块由单片机最小系统构成。

该部分电路是整个系统的核心部分，接收背景亮度监测电路采集的电信号，经过适当的信息处理，输出到LED亮度调节驱动模块，调节LED的亮度。

3.2光信息采集及转换模块

该部分由光敏传感器和A/D转换芯片构成。

该背景亮度监测模块作为整个系统的输入部分，用于采集外部光照信号，并将其转换为单片机可以处理的电信号。

3.3电源模块

该部分电路是整个系统的能源供给部分，利用L7805稳压芯片，为系统提供工作所需的5V直流稳压电源。

3.4LED光源亮度调节驱动模块

该电路作为本次设计的输出显示模块，用于调节LED的亮度，由三极管和16个LED构成。

四、论文拟解决的关键问题及难点

1.关键问题

（1）整体硬件电路的设计，是以STC89C52单片机为核心。

利用仅有的I/O线外接功能按键、led灯以及A/D转换接口电路。

如何合理进行单片机资源的分配是一个比较关键的问题，本系统很好得解决了这个问题。

（2）软件要很好地实现，根据音符来确定亮哪组灯、亮几盏灯，AD采集到的数据需要比较精确。

2.难点

（1）软件整体规划；

（2）A/D转换精确度；

（3）实现手动/自动切换控制系统。

五、研究方法与技术路线

研究方法：

模块化的设计思想，分部完成各电路的设计及调试工作，认真做好每一个步骤。

最终将各模块整合，通过在不同环境下的多次试验，找出缺陷，进行完善以确保最终成果的可靠性与实用性。

技术路线：

（1）研究LED调控亮度及A/D转换原理，通过各部分设计电路的比较及论证，找出最佳实现方案；

（2）硬件电路板的制作。

为确保系统性能的稳定及测试数据的精确，同时该仪器也要具备体积小、质量轻、便携式的特点，因此硬件组准备采用印制电路板制作。

六、论文的进度安排

1.2013年7月-8月：

通过网络、图书馆、学过的课本收集材料

2.2013年9月：

完成开题报告，文献综述；

3.2013年10月-2013年12月底：

完成PCB板，原理图，完成软件的设计，并能调试正确；

4.2014年1月-2月底：

完成PCB板制作，元器件焊接，硬件调试和软件调试；

5.2014年3月：

完成毕业设计作品及毕业设计论文；

6.2014年3月底：

指导老师修改审批论文；

7.2014年4月：

准备毕业答辩。

七．参考文献

[1]李兵.国外照明技术的发展.光源与照明,2004（4）:

36-3