具有自动亮度控制功能的LED光源的设计论文正文及结论.docx
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具有自动亮度控制功能的LED光源的设计论文正文及结论
第1章绪论
本章介绍了论文的研究背景、目的和意义，LED的相关知识，并对国内外LED技术的发展和应用做了简要综述。
1.1选题的背景及意义
随着全球经济的迅速发展，能源消耗以惊人的速度增长，伴随而来的则是大量的环境污染和生态破坏。
在电能消耗中，照明用电占发电总量的比例：
发达国家是19%，我国是10%。
随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。
开发和推广应用节能灯具，成为迫在眉睫的任务。
LED照明就是在这样的形势下发展起来的。
传统光源白炽灯发热量大、耗电、发光效率较低、使用寿命短。
荧光灯管显色性较差（光谱是断续的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，需要在设计上采取措施消除频闪效应，另外灯管内存在着有毒的汞蒸汽，不环保[1]。
LED光源与常见光源效率典型数据对比如表1-1所示。
表1.1LED光源与常见光源效率典型数据对比
灯具光源种类
光源光效（LM/W）
灯具效率（X%）
灯具有效光效（LM/W）
LED光源
90-130
90%
1-117
HPS高压钠灯
100-130
55%
55-72
Halide金卤灯
80
55%
44
CPL型节能灯
60-70
60%
36-42
无极灯
60（大功率50）
60%
36（30）
白炽灯
15
——
——
普通荧光灯
60-80
70%
42-56
该课题研究的照明光源采用的是白光二极管，白光LED具有如下特点：
低电压驱动，最低可用2V电压驱动；体积小，一般直径3-5mm，用于被光照明的体积更小；重量轻，显色性好，显色指数超过90，超过荧光灯，接近白炽灯的显色性能，接近自然光；调光性能好、寿命超过10Wh、耐振动、不易损坏、色温变化时不会产生视觉误差，生产过程无汞和铅的污染，将成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源。
近几年来，LED的发光效率已增长了100倍，而成本下降了10倍。
在目前LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用LED，其用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯。
LED已被全球公认为新一代的环保型高科技光源[2]。
1.2LED照明的国内外研究现状
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[13]。
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[3].
1.3LED相关知识
1.3.1LED的结构及发光原理
LED是英文LightEmittingDiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好[14]。
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，p型半导体里面空穴占主导地位，n型半导体里面主要是电子，当两种半导体连接起来的时候，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。
在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。
当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关[12]。
一种LED结构图如图1.2所示。
图1.2LED结构图[4]
1.3.2LED光源的特点
1.电压：
LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2.效能：
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
3.适用性：
很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4.稳定性：
10万小时，光衰为初始的50%。
5.响应时间：
其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
6.对环境污染：
无有害金属汞。
7.颜色：
改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。
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。
8.价格：
LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成[4]。
1.3.3单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。
当时所用的材料是GaAsP，发红光（λp=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。
70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λp=555nm），黄光（λp=590nm）和橙光（λp=610nm），光效也提高到1流明/瓦。
到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。
90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。
在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λp=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。
1.3.4LED的应用
1.建筑物外观照明
对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。
但是，由于LED光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为LED投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。
它的安装便捷，可以水准也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师带来了新的照明语汇，拓展了创作空间。
并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。
2.景观照明
由于LED不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的有机结合。
可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。
对于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作为光源进行照明。
LED隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。
固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方便进行调节。
3.标识与指示性照明
需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的LED自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。
另外，LED与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作中弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。
4.室内空间展示照明
就照明品质来说，由于LED光源没有热量、紫外与红外辐射，对展品或商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单，费用低廉，易于安装。
其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。
商业照明大都会使用彩色的LED，室内装饰性的白光LED结合室内装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用LED，对于低矮的空间特别有利。
5.娱乐场所及舞台照明
由于LED的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。
从白光到全光谱中的任意颜色，LED的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。
长寿命、高流明的维持值（10，000小时后仍然维持90％的光通），与PAR灯和金卤灯的50～250小时的寿命相比，降低了维护费用和更换光源的频率。
另外，LED克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。
与PAR灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。
目前LED彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。
6.视频屏幕
全彩色LED显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高亮度。
根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。
它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。
世界上目前最有影响的LED显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了18,677,760只LED，面积为10,736平方英尺。
屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。
另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建筑立面镶上了长100ｍ的超大型LED屏，总计面积达到3600平方米。
堪称世界第一。
7.车辆指示灯照明
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。
1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。
1.3.5白光LED的开发
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
1998年发白光的LED开发成功。
这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。
GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。
LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光[4]。
第2章方案设计
本章根据论文课题要求的性能指标进行方案论证，给出课题要求的性能指标，根据系统实现功能，完成系统方案设计。
2.1性能指标
2.1.1系统功能
系统采集外部光照强度，并根据采集的数据控制LED的通断，达到调节光源发光亮度的目的。
2.1.2技术要求
1.系统LED数目：
a>20
2.系统反馈控制时间：
t>1s
2.2系统方案设计
2.2.1系统设计思想
本系统采用单片机AT89C52作为本设计的核心元件，光敏器件将外部光信号转换为电信号，通过单片机调节LED光源的亮度。
2.2.2系统构成框图
根据上述系统设计思想的描述，系统构成框图如图2.1所示。
图2.1系统构成框图
2.3设计系统方案
根据上述系统实现功能的描述，具有自动控制功能的LED光源系统的设计方案分为五大功能模块：
1.信心处理单元模块（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。
2.系统背景亮度监测模块
系统背景亮度监测模块由光敏传感器和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.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。
4.串口通信模块
该部分电路是单片机与外部设备之间进行数据通信的主要途径，电路采用RS-232电平转换芯片MAX232与上位机连接。
该电路在系统中的主要作用是用来从上位机向单片机中下载系统程序。
5.LED光源亮度调节驱动模块
光源亮度调节驱动模块主要由锁存器、电流驱动器和LED构成。
该部分电路作为系统的输出部分，接收信息处理模块发送的数据，驱动LED发光，调节光源的亮度。
2.4方案论证
方案一：
采用AT89S52,片内ROM全都采用FlashROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。
光敏传感器选择LX1970集成芯片。
方案二：
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
光敏传感器选择GL5549光敏电阻。
经过比较，方案二中的STC89C52的性价比比较适合本系统。
在选择光敏传感器的时候，我们选择简单实用的GL5549光敏电阻。
经上所述，我们选择方案二为系统方案。
2.5本章小结
在本章中，我们根据课题要求系统实现的功能，完成系统方案的设计论证，给出系统原理框图，并简述系统方案各模块实现的功能。
第3章硬件电路设计实现
本章根据已完成的系统方案设计和系统构成框图，利用AltiumDesigner软件绘制系统电路原理图，PCB图，电路元器件的选择，详细介绍各个电路模块元件的构成及实现的功能，完成系统硬件电路的设计，焊接等。
3.1信息处理单元模块（主控模块）
作为整个系统的核心电路，信心处理单元模块（主控模块）由主控芯片,复位电路，时钟电路构成。
3.1.1主控芯片
1.单片机选型
在单片机应用系统开发过程中，单片机是整个设计的核心，因此选择合适的单片机型号很重要。
根据实现系统功能需要的单片机硬件资源，在性能指标满足的情况下，该系统的单片机型号选择8051系列的STC89C52芯片。
STC89C52系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择。
STC89C52具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择，可以满足系统在各个子模块程序之间的切换；STC89C52的运算速度可满足一般的设计要求；而且STC系列单片机支持ISP在线编程功能，可以不用昂贵的编程器。
2.8051系列单片机的内部结构
8051系列单片机的内部结构是各种逻辑单元及其之间的互连构成的。
主要包含中央处理器（CPU）、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，8051系列单片机的内部结构框架示意图，如图3.1所示[5]。
图3.18051系类单片机的内部结构框图
中央处理器：
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，51系列单片机是8位数据宽度的处理器，它能处理8位二进制数据或代码。
CPU主要由算术逻辑部件，控制器和专用寄存器三部分电路组成。
它负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
数据存储器（RAM）：
数据存取器（RAM）可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个。
程序存储器（ROM）：
程序存取器（ROM）用于存放用户程序，原始数据或表格等。
8051共有4096个8位掩膜ROM。
定时/计数器：
定时/计数器用于硬件的定时或计数。
8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，也可产生中断用于控制程序转向。
并行输入输出（I/O）口：
单片机的并行输入输出（I/O）口主要用于和外部设备进行通信，以便于处理外部的输入和将运算结果反馈到外部设备。
8051共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
全双工串行口：
全双工串行口主要用于与其他设备间的串行数据传送。
8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用
中断系统：
8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。
时钟电路：
8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。
3.51系列单片机的引脚功能
8051系列单片机采用40Pin封装的双列直接DIP结构，它们的引脚配置如图3.2所示，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。
现在我们对这些引脚的功能加以说明：
图3.28051引脚配置
Pin20:
接地脚。
Pin40:
正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。
Pin19:
时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。
Pin18:
时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。
8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10pF-30pF。
另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。
输入输出（I/O）引脚：
Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
Pin9:
RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。
RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。
然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态。
Pin30:
ALE/
当访问外部程序器时，ALE（地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。
而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。
更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。
如果单片机是EPROM，在编程其间，
将用于输入编程脉冲。
Pin29:
当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据
将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。
Pin31:
EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。
如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。
显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。
在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压[6]。
3.1.2复位电路
复位是单片机的CPU及系统的各个部件处于特定的初始状态，并使系统从初始状态开始工作。
一般需要在系统上电，或者程序死机的时候需要进行单片机的复位。
单片机的复位状态是单片机在上电时，首先进入的一个特定的状态。
在复位状态下，CPU和整个硬件资源，特别是特殊功能寄存器都处于初始化的状态。
单片机的复位电路是促使单片机进入复位状态的硬件结构。
单片机的复位是很重要的，复位操作可以完成单片机的初始化，也可使处于死机状态下的单片机重新开始运行[16]。
1.复位要求
单片机复位的原理是在时钟电路开始工作后，在单片机的RST引脚施加24个时钟振荡脉冲（即两个机器周期）以上的高电平，单片机便可以实现复位。
在复位期间，单片机的ALE引脚和
引脚均输出高电平。
当RST引脚从高电平跳变为低电平后，单片机便从0000H单元开始执行程序。
在实际应用中，一般采用外部复位电路来进行单片机复位。
一般在RST引脚保持10ms以上的高电平，保证单片机能够可靠地复位。
2.上电复位电路
上电复位电路的基本原理是利用RC电路的充放电效应电路如图3.3所示。
当单片机系统上电的时候，复位电路通过电容加在RST引脚一个短暂的高电平信号，这个高电平信号随着电容的充电而逐渐降低，这个高电平持续的时间和RC电路的充放电时间有关。
图3.3上电复位电路
3.手动加上电复位电路
在实际应用中，一般采用既可以手动复位，又可以上电复位的电路，这样可以人工复位单片机系统，这种电路如图3.4所示。
上电复位电路部分的原理也是RC电路的充放电效应。
除了系统上电的时候可以给RST引脚一个短暂的高电平信号外，当按下按键开关的时候，VCC通过一个高电阻连接到RST引脚，给RST一个高电平，按键松开的时候，RST引脚恢复为低电平，复位完成。
图3.4手动加上电复位电路
通过比较上面两种复位电路，在实际应用中，我们在本系统选择手动加上电复位电路比较实用[7]。
3.1.3时钟电路
时钟电路是用于产生单片机
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