智能LED照明控制系统.docx
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智能LED照明控制系统
题目：
智能LED照明系统
系别：
电气工程与自动化
专业：
自动化
班级：
B110411
日期：
2013/10/17
一、论文的背景目的和意义
近年来，世界各国在半导体照明产业领域跃跃欲试、剑拔弩张，巨大的跨国商机相继诱发催生了日本的„21世纪照明‟计划、美国的„下一代照明计划‟、欧盟的„彩虹计划‟、韩国的„固态照明计划‟、中国台湾的„新世纪照明光源开发计划‟和中国大陆的„国家半导体照明工程‟计划等国家级照明规划，促使日本、美国、欧盟、韩国、中国台湾和中国大陆等国家或地区携巨资前赴后继地在上游的衬底制作、外延晶片生长，中游的光刻、腐蚀、金属蒸镀、芯片切割和测试分选以及下游的器件封装、集成应用等各个环节展开了激烈地竞争。
LED照明产生的效益显而易见，世界各国都在政府的大力资助下加快推进LED照明取代传统照明的步伐，日本、美国、欧盟、韩国、东南亚、我国台湾和中国政府都制定了相应的发展计划
LED球泡灯是替代传统白炽灯泡的新型节能灯具。
传统白炽灯耗能高、寿命短，在全球资源紧张的大环境下下，已渐渐被各国政府禁止销售，随之替代产品是电子节能灯，电子节能灯虽然提高了节能效果，但由于使用了污染环境的重金属汞，与十二五计划的保护环境相对。
随着LED技术的高速发展LED照明逐渐成为新型绿色照明的不二之选。
LED在发光原理、节能、环保的层面上都远远优于传统照明产品。
二、国内外研究概况
根据DIGITIMES Research最新统计，高亮度LED 市场规模将由2010年82.5亿美元，成长至2011年的126亿美元，年成长率将高达53%；其中， LED照明使用颗数由2010年48亿颗，将增至2011年124亿颗，主因为2011年LED灯泡取代传统白炽灯效应开始显现。
继LED背光TV后， LED照明将成为带动LED产业高度成长的应用产品。
虽2010年LED照明占总照明市场比重尚不高，以产值来看仅3.2%，然在节能减碳意识高涨下，世界主要国家已订定 LED照明政策，积极推动 LED照明产业发展。
DIGITIMES Research分析师兼项目经理林芬卉分析，全球LED灯泡需求量将由2011年5.96亿颗，大幅成长至2013年的25亿颗；路灯方面，由于中国大陆、美国、欧洲于各主要城市已推动示范工程，预估LED路灯将由2011年220万盏，增至2013年980万盏，将再带动未来数年LED照明渗透率提升。
在全球主要国家LED照明政策推动、LED发光效率显著提升、及预估LED照明价格每年将有20~30%下跌空间等影响下，林芬卉预估，照明用LED需求量2009年至2013年CAGR将达97.4%，高于大尺寸LCD用 LED背光CAGR的62.6%，且LED照明市场规模至于2011年将达154亿美元，于整体照明市场渗透率首度突破10%，达10.6%LED在发光原理、节能、环保的层面上都远远优于传统照明产品。
目前白炽灯的淘汰已经不再是将来时，而是进行时，今年白炽灯禁用法律已经在阿根廷、澳大利亚、新西兰、法国、意大利和菲律宾生效，明年将在英国、芬兰和荷兰生效，后年将在日本和加拿大生效，2014年将在美国生效，全球最晚的中国也将在2017年生效，这也是为什么CFL节能灯市场需求快速上升的一个主要原因，因为CFL节能灯是目前白炽灯的一个最佳替代选择，不仅价格最接近白炽灯，而且寿命和节能效果远超白炽灯，一只13W的CFL节能灯光效就相当于一只60W的白炽灯，功耗降低了五分之四，寿命提高了8-15倍。
目前全球灯具市场需求总量大约是100亿只，其中近三分之一（30亿只）是CFL节能灯。
NXP半导体照明产品市场资深经理陈嵘说：
“未来3年，CFL节能灯市场将快速发展，之后发展速度就会平坦下来，5年后市场需求将逐渐减少。
LED灯具目前还存在成本障碍，但LED光源的成本在快速下降，目前市场正在试用阶段，预计LED灯具将会在未来5-10年内占据通用照明市场的主流地位。
”
市场研究公司Datapoint Research今年6月发布的一份报告要显示，从2007年到2013年，白炽灯市场正在呈快速下降态势，CFL节能灯市场正在强劲上升，LED照明处于方兴未艾状态。
目前CFL灯具驱动解决方案绝大部分是NXP提供的。
NXP每年的全球CFL驱动器销售量超过6千万，其中1千万片是在中国市场销售的，目前超过20家全球客户在使用NXP的CFL驱动解决方案。
之所以能取得这样的市场领导地位，是因为NXP具有独特的高压工艺，它使得我们能把控制、MOSFET和MOSFET驱动电路一起集成在一个Die上，其它供应商通常需用两个Die，再封装在一个芯片上，因此我们的成本可做得更低，而这对于成本敏感型的CFL灯具市场来说是至关重要的。
目前CFL节能灯市场存在的主要问题是：
CFL灯具的品质参差不齐、CFL灯泡需要经过较长时间的预热才能达到最高亮度、与现有TRIAC调光器不兼容。
现在很多消费者抱怨，买回家的CFL灯具没用多久就变黑或不亮了。
这一品质问题的根本来源于欧盟目前的CFL灯具标准：
即CFL灯具的合格率标准为50%，因为欧盟是中国CFL灯具制造商的主要目标市场，他们的产品合格率基本上取决于欧盟市场的要求。
合格的CFL灯具使用寿命是6000小时（差不多6年），但由于合格率只有50%，因此差不多有一半的用户买回家的CFL灯具是不合格，其使用寿命可能只有几百个小时。
浙江是国内出口节能灯的第一大省，其中60%以上的产量均来自杭州。
据杭州检验检疫局统计，2010年上半年杭州地区出口节能灯5457批，货值2.6亿美元，同比分别增长72%和63.5%。
这两年，海外一些发达国家纷纷出台相应政策，要求逐步用节能灯和LED灯等能耗小的新产品来取代白炽灯。
2007年2月，澳大利亚政府率先宣布，要在2010年前在全国范围内实现用节能灯取代白炽灯、禁止居民使用白炽灯。
去年9月，欧盟宣布将用4年时间逐步淘汰白炽灯等高耗能照明设备，以节能灯、卤素灯泡和LED灯来代替白炽灯成为欧洲居民的主要照明灯。
今年以来，出口量大幅增加，企业数量也增加很快，几乎每个星期都有新企业成立。
卢振球说，虽然节能灯产业发展很快，但是这个行业的隐忧已经出现，作为一个劳动密集型的行业，门槛很低，同质化竞争日趋严重；新员工急着上岗，产品质量下降，利润率也逐年在下降。
在提倡环保、节能的绿色照明年代，白炽灯已经逐渐被节能灯、荧光灯、LED等新兴光源所替代。
但是由于新型的光源存在价格较贵、质量不稳定、容易引起眼睛疲劳等缺陷，因此白炽灯还能够在市场上留有一席之地。
我国也是一个白炽灯的生产、消费和出口大国。
2005年我国共出口各类白炽灯99亿个， 总值2亿7千万美元，出口目的国165个，其中非洲国家占了三分之一。
三、论文的理论依据、研究方法、研究内容
随着世界经济的飞速发展, 照明作为日常生活 中所不可缺少的部分, 成为了世界各国的一项重要 的能源消耗。
众所周知用LED 代替白炽灯作为照明 光源, 被誉为继爱迪生发明白炽灯之后, 在照明领 域, 人类的又一大发明。
1999 年9 月国家经贸委印发了中国绿色照明工程实施方案， 发 展和推广高效照明器具, 逐步替代传统的低效照明 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 的照明环境, 以满足国民经济各部门和人民群众日益增长的对照明质量、照明环境的需要。
当然, 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。
传统的白炽灯、荧光灯显然不 能满足使用要求, 而发光效率较高的金属卤化物灯 和高压钠灯不适合于普通照明。
发光二极管（Light Emitting Diode ,LED） 是一种半导体固体发光器件, 具 有寿命长、低耗等独特优势, 起到环保、节省能源的 作用, 使得LED 光源具有光明的前景。
但是, 由于在 某些场合, LED 的亮度达不到要求, 因此, 如何来提高LED照明亮度迫在眉睫。
四、研究条件和可能存在的问题：
现在的led产业为了打开民用市场，多是将LED灯具设计成可替换方式，即直接替换现有的灯具。
但是在灯具发展的过程中，除了紧凑型灯管直接替换白炽灯以外，鲜有直接替换的模式，像T8、吸顶灯几乎是荧光灯的专利，而吊灯依旧是钨丝灯的天下，LED替代传统照明究竟还有哪些不足？
很多公司将LED的电流做大以在维持亮度不变的情况下减少灯芯数量以节约成本，或者压缩PCB面积，抑或是减少安规器件等方法，当然大家要相信中国的公司在压缩成本方面的先天优势。
LED还没有市场的情况下部分企业就面临洗牌，这对整个产业来说是不利的，资金大头的进入会加剧中小企业的衰亡。
在整个LED产业；LED的技术发展将会停滞甚至于退化，另一方面成本的压缩，或者说过多的关注成本无法保证最终产品特质，将很大的程度上不能展示LED的优势。
下面我来从几个方面来看看LED替换传统照明的劣势：
1.散热方面
LED的耐热很差会带来灯芯寿命的问题。
现有的LED灯的设计往往散热难以达到要求，在一个散热要求非常苛刻的领域，却使用十分低劣的被动散热方式，而且多是风冷，甚至是封闭式的风冷。
像一些灯具在驱动板和铝散热片之间要加塑料套管以增加绝缘的可靠性，还需要灌散热硅胶以提高散热能力。
而T8的灯管灯管还是封闭的，灯芯只能依靠空气对流传热到灯管背面的铝管上进行散热。
一般这类灯的内部温度都会有七八十度。
并且要是兼顾散热，重量又是问题；兼顾重量，散热难以保证，这在现有设计中是两难的选择，尚没有可行的标准。
2.价格方面
LED驱动板在70度的温度下可能寿命仅5年（家用），远没有达到LED灯芯10年的“概念”.所以相对比同等亮度的荧光灯来说，即便荧光灯只有1年的寿命，1W1元的荧光灯要远远比1W10元的LED划算得多。
尤其是LED灯具损坏往往灯芯没坏，却要整个灯更换。
算一算因为十分之一的驱动板却要丢弃剩下十分之九的灯（灯芯和散热片占了整个灯具绝大部分的成本），如果每一个厂商都没有做好回收再利用的话，客户是不会喜欢这样的产品的。
3.效率
为什么要考虑效率的问题？
一个是PF值，一个是系统效率。
由于现有的LED设计多数都是低功率的，受成本的压力均采用被动PFC（填谷式），PF可能最高90,远远小于主动PFC动辄99的效率，对国家而言用LED取代发光效率非常接近的荧光灯是个压力。
由于LED的灯具现有的设计（除了路灯之外）多数都是小功率的，像是4.8W,7.2W等，器件的损耗占了很大的比例，隔离方式的必然很低，为了提高效率而采用非隔离方式不但要在安全上做很好的设计，而且效率也仅仅在80左右，很不理想。
并且，现有的LED生产厂商到底LED的光照度做到了多少，都没有提供准确的数值，往往发光亮度远远小于标称值。
4.光感
LED一个优势是光谱纯净，但是这在视觉上面却是一个非常严重的劣势。
人的眼睛是不能长时间观测一个单色谱的光源，LED可可调光，但是比较麻烦，比较专业，需要理论和大量的调研数据支持，是很多均光材料厂商或者LED光源厂商抑或是方案供应商难以实现的。
5.寿命
LED的寿命瓶颈在系统驱动板，往往LED灯芯没有损坏，系统驱动已经坏掉了。
另外LED的光衰是非常严重的，现有的LED家用照明多数受体积限制，防护方面很难做的很好，在电压波动较大，干扰严重的区域。
6.重量
螺旋类接口的灯具中，荧光灯的重量只有LED灯具的数分之一，由于没有了散热片的问题，荧光灯的重量对灯座来说可以忽略不计，但是LED的重量对灯座是一个很严重的考验，尤其是7.8W的螺旋接口LED灯。
其次一般LED的灯具颗粒感都比较明显，并且其发光位置比较集中，目视灯具的时候会有刺痛感，这种感觉在其他光源中一般只有大功率的才会出现。
所以LED需要在均光上面做更好的设计，以实现在保证亮度的情况下，将点光源尽量扩展成面光源，提高眼睛的舒适度。
再有就是很多产品都会做LED调光设计，以节约能源，且不说低功率的时候效率的问题，由于线圈中的电流的存在，会导致调光设计中灰阶变化不连续，也就是说按比例调节的过程中，LED的亮度会慢慢变亮再突然变亮，视感很不舒服，调光技术还是需要开发。
另外当大家都关注LED光源高光效、节能的优点的时候，而LED照明一个非常重要的优点—无汞，却往往被忽视。
我们知道汞是一种极其有毒的物质，然而几乎大多数目前采用的高效电光源中都含有汞（水银），无论是常见的日光灯、紧凑型节能灯，或者是高压汞、金卤灯等都含有汞。
而汞的沸点很低，在常温下可蒸发。
一支废旧丢弃光源破碎后，立即向周围散发汞蒸气，瞬间可使周围空气中的汞浓度达到10-20毫克/立方米，超过国家规定的汞在空气中最高允许浓度（为0.01毫克/立方米）的1000至2000倍。
，根据美国斯坦福大学对汞的研究指出，1毫克汞足以污染5454.5公斤饮用水，使之达不到安全的饮用标准。
汞所造成空气和水质
污染的后果非常严重，被水中生物食用以后就会生成CH3Hg,这是一种剧毒物，只要半耳勺就能致人于死命。
汞本身会破坏中枢神经系统，它所造成生殖缺陷的效应也是十分严重的，汞也可以损害肾脏和肝脏，在剂量足够的条件下甚至可以导致死亡。
汞能够以不同的方式在泥土中、水流中、甚至大气层、食物链中转移。
因此，持久性、易迁移性和高度的生物富集性，使得汞成为目前全球最引人关注的环境污染物之一。
历史上最严重的汞中毒事件要算是日本的水俣病事件了，当时因为水俣湾的水被汞污染而死去数百人之多。
现在日本政府吸取了教训，要求把所有的废弃日光灯必需进行有毒物质的处理，从而要求购买普通日光灯的人必需多付一倍的价钱来预支这种有毒物质处理费。
五、预期的结果
如今，高亮度LED在光输出、能效及成本方面得到了全面改善，同时具备了小巧、低压工作及环保等众多优势，应用范围也在不断拓宽。
未来，LED照明在通用照明、LCD背光、汽车照明等领域的增长前景尤为可观。
LED照明市场被称为灯具照明领域的新出现大蛋糕。
据相关人士介绍，2010年中国LED照明产业产值将超过1500亿元，较2008年翻倍。
发展如此迅猛的LED照明市场是每个LED企业眼中的香饽饽。
据不完全统计，中国的LED照明企业接近4000家。
除了涉足LED照明的传统节能灯巨头企业欧普、雷士等企业以外，国内专门从事LED的企业也只有长方照明、真明丽、雷曼、三安、路美等几家比较大。
还有更多的让人记不住名字的小企业。
LED照明的历史并不长，但发展十分迅猛，可是目前还并不成熟。
很多小企业视乎不知道品牌的真正含义，以夸张的姿态铺天盖地的广告宣传，以追求知名度为目的。
如今市场上，LED的价格普遍偏高，但是价格差异也比较大。
LED照明尚在起步阶段，说得天花乱坠往往不切实际。
没有强大的售后服务团队和良好的售后服务体系，光靠花哨的广告只能骗得了消费者一次。
都说广告是补品，只有在适当的时间里适当又贴切的广告来针对适合的人才会取得最好的效果，否则如同逆水行舟。
预计最快在2015年，LED在中国照明市场的占有率将达到20%,带动产业规模达5000亿元。
如此庞大的市场加上政府的大力支持，LED照明行业的发展如日中天。
六、论文拟写的主要内容
一、理论依据：
该LED照明系统主要分为七个部分：
信息处理部分、LED照明部分、光照强度采集部分、调理部分、A/D转换部分、D/A转换部分、显示部分、按键输入部分。
可实现自动和手动两种控制方式。
通过光敏电阻对外界光强进行采集，将采集到的信号送给TLC1543进行A/D转换，继而将转换的数字信号送入STC89C52，STC89C52通过对输入信号的处理从而实现自动控制发光二极管的亮灭。
通过调节按键控制STC89C52输出的电流经TLC5615进行D/A转换，从而实现手动控制发光二极管的亮灭程度。
测量系统结构图：
通用的测量系统结构图如下图所示，外界的被测对象通常为非电信号，通过传感器转化成数字量、开关量或者模拟量，以上信号在幅度、频率等方面满足MCU处理的要求，后级需经过处理单元对信号进行处理以满足MCU的处理要求。
2、智能LED照明控制总体框图
测量系统是一个开环系统，而智能LED照明系统要构成一个闭环系统，总体框图如下图所示：
二、系统设计
该系统主要由液晶显示、AD（TLC1543）、DA（TLC5615）、LED、MCU几个模块组成。
其总原理框图如下：
2、研究方法，研究内容：
1、液晶（LCD1602）显示：
（1）LCD1602液晶显示模块主要功能：
A、40通道点阵LED驱动；
B、可选择当作行驱动或列驱动；
C、输入/输出信号：
输出能产生20*2个LED驱动波形；输入接受控制器送出的串行数据和控制信号，偏压（V1~V6）；
D、通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来；
（2）LCD1602的引脚功能：
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接+5V正电源。
第3脚：
VL为对比度调整端，用一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平是选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平是进行读操作，低电平是进行写操作。
第6脚：
E端为使能端，由高电平跳到低电平时，液晶执行指令。
第7~14脚：
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
（3）LCD1602与单片机接口：
LCD1602引脚
单片机接口
VDD
+5V
GND
GND
RS
P1.0
RW
P1.1
E
P1.2
第7~14引脚
P0.0~0.7
15
+5V（稳压电源的）
16
GND（稳压电源的）
注：
P0需加上拉电阻。
2、AD（TLC1543）：
（1）TLC1543引脚功能如下：
TLC1543为20脚DIP装CMOS10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器。
其引脚分布如下；
第1~9、11、12脚为A0~A10为11个模块输入端。
第13、14脚分别是VCC、地，为基准电压正负端。
第15脚为CS片选端，下降沿变化内部计数器并控制使能ADDRESS、I/OCLOCK（18脚）和DATAOUT（16脚）。
DATAOUT为A/D换结束3态串行输入端。
第17脚：
ADDRESS为串行数据输入端。
（2）TLC1543和单片机接口
10脚-GND，13脚-GND，15脚-P1.3，17脚-P1.5，
20脚-+5V，14脚-+5V，16脚-P1.4，18脚-P1.6
3、DA（5615）：
DA是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。
带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零。
（1）TLC5615的特点
A、10位CMOS电压输出；
B、5V单电源供电；
C、与CPU三线串行接口；
D、最大输出电压可至基准电压的两倍；
E、输出电压具有和基准电压相同机性；
F、建立时间125uS；
G、内部上电复位；
H、低功耗，最大仅175mW；
（2）TLC5615引脚说明；
1脚DIN：
串行数据输入端；
2脚SCLK：
串行时钟输入端；
3脚CS：
芯片选用通端，低电平有效；
4脚DOUT：
用于级联时的串行数据输入端；
5脚AGND：
模拟地；
6脚REFIN：
基准电压输入端；
（3）TLC5615和单片机接口以及其外部电路如下图：
4、LED：
该系统采用12只白光3mmLED，12只LED需要采用3组4个串联的LED并联。
12个LED灯由+12V的电源提供。
电路连接如下：
5、MCU
系统控制核心，采用51单片机作为整个系统的控制核心。
三、软件设计
1、LCD初始化；
2、A/D程序/流程图/时序；
3、D/A流程图/程序/时序；
4、自动模式；
5、手动模式；
七、论文工作进度安排
（1）论证论文的可行性；
（2）搜集资料（图书馆期刊，学术期刊网，百科，专业杂志），对资料进行汇总；
（3）分析和完善提纲；
（4）就提纲完成论文初稿；
（5）与导师沟通，修改论文，反复知道导师通过；
（6）论文格式和文字检查，校对；
（7）打印，装订。
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