家用可调光LED照明系统设计.docx

1、家用可调光LED照明系统设计 毕 业 设 计 论 文题 目： 家用可调光LED照明系统设计 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 自动化 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： 2013年5月24日 摘 要作为一种光源，调光是很重要的。不仅是为了在家居中得到一个更舒适的环境，在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更加重要的一件事。而且对于LED光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的LED灯具中加上调光的功能。该系统硬件电路由四个部分组成：感光电路、AD转换电路、单片机控制电路、发光二极管驱动电路。可实现自动和手动两种控制

2、方式。软件部分采用PID算法，自动调节环境光照度。本设计以89C52单片机为控制器，利用光敏电阻采集环境光照度，采用脉宽调制方式调节三极管，进而调节LED的发光亮度，最终维持环境光照度在一个设定的水平。关键词：发光二极管，PID算法，照明,节能AbstractThe quality of dimming of light source is very important. It is not only for a better environment at home. At present, it is also an even more important issue to lessen w

3、aste of unnecessary electric light and further achieve the goal of energy saving and emission reduction. Whats more, for light source of LED, it is easier to adjust brightness than fluorescent lamp, energy saving lamp, high pressure sodium lamp and other kinds of lamps. Therefore, wed better add the

4、 function of brightness-adjusting to various kinds of LED lamps.The hardware of adaptive adjustable optical-intensity system is consisted of four parts. They are photosensitive circuit, AD change-over circuit, single-chip microcomputer control circuit, and LED driving circuit. And the software of th

5、e system makes use of PID algorithm to adjust brightness of environment automatically. This design takes 89C52 SCM as controller, use photo conductive resistance to collect luminance of the environment. And the designer adopt pulse width modulation mode to adjust triode, which can help adjust bright

6、ness of LED to keep intensity of illumination of the environment at a set level.Keywords: LED,PID,illumination,Energy Saving 第1章 绪论LED光源是21世纪光源市场的希望，众多优点预告其未来将逐步取代传统光源，奥科委指出高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大的发明之一，当前全球能源危机的时候，能源是一种宝贵的资源，所以节约能源是我们未来面临的问题。 LED作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。1.1 选题的背景及意义1.1.1 选题

7、的背景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，发达国家照明用电占发电总量的比例为19%，而我国为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。LED光源与常见光源效率典型数据对比如下表1所示。表1 LED

8、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90-13090%1-117HPS高压钠灯100-13055%55-72Halide金卤灯8055%44CPL型节能灯60-7060%36-42无极灯60（大功率50）60%36（30）白炽灯15普通荧光灯60-8070%42-56LED照明以其绿色环保，高效节能的优势成为当前最具潜力的照明方式之一。LED号称“绿色照明的第四代光源”，目前已经开始逐步应用于电信、交通、农业、医学、军事等领域。LED（Light-emitting Diode，发光二极管）是一种固态的半导体组件，能够把

9、电能直接转化为光能。作为一种固体照明光源，LED具有长寿命、高光效、多光色等特性，可以在安全低电压下工作，也可以连续开关闪断，能实现0-100调光。1.1.2 课题的意义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。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，许多国家都开始推广LED的应用。LED的应用在照明领域是最令人振奋的，它将开创一个新的照明市场，很快会成为市场的主打产品。其实LED的技术不是刚出现的，在许多年前就已经出现，但是那个时候LED只是被用作仪器和设备的指示灯。近些年随着科技的突破，材

10、料和芯片性能上都有新的改善和突破，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。普通白炽灯的寿命只有1000小时，而LED的寿命则高达50000小时，而且消耗的电量要少得多。根据美国Sandia国家实验室的研究，如果白光二极管系统能够普及，全世界照明用电的消耗将减少50。影响白光二极管系统普及的主要障碍还是它的亮度和价格，目前白光二极管的亮度不足以照亮整个房屋，而且其价格大约是白炽灯泡的10倍。LED照明技术的发展将带来更加明亮的光线和更少的能源消耗。随着经济发展，我国的照明用电还将有大幅度的提高，国家对绿色节能科技的投入越来越大，LED照明是借助着这个大环境下才得

11、以发展的。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13的照明用电，相当于三峡工程全年的发电量。LED的优点还有很多，作为全固态发光体，LED更加的耐震耐冲击，发热量也更低，而且不易破碎、不含汞、钠等可能危害健康的元素，更加安全，更加环保。LED的应用十分广泛，应用在路灯照片、汽车尾灯、景观灯、液晶显示屏、手机背光源等。1.2 LED的国内外研究现状在照明领域的技术革新中，LED的应用毫无疑问是最令人振奋的，它改变了整个照明市场的结构。LED的发光强度很高，但它发出的热量很少。白炽灯会浪费大量的热能，霓虹灯容易破损，

12、荧光灯会产生有毒气体。LED已被全球看成一种新型的高科技环保的节能光源。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。目前，照明LED的应用每年发展的速度超过20%，世界上的许多发达国家都开始大量应用LED照明。功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域。为替代荧光灯，白光LED必须具有150200lm/W的光效，而且每流明的价格应该控制在 0.015美元以下。想要做到这个标准，仍有很多技术要突破。根据理论上的说法，LED的发光

13、效率可以非常接近100%。所以LED被看成21世纪的新型光源，很有希望在白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。为了提高白光LED的发光效率，世界上许多国家的科研人员正从改进工艺和开发新材料入手，以改进产品结构。美国波士顿的Photonics Research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做了一个大型的实验，用

14、了14000只白光和彩色LED的混合照明整个房间。光照水平可以达到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，可以得到2500-3000K的暖色温，其显色指数非常好。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。1.3 本课题设计内容及要求本次课题设计

15、的目标是，在了解当前LED现有功能的基础上，利用单片机设计一个LED调光系统，该系统能够调节LED灯的亮度，且满足一定的精度要求。因此，本课题研究设计内容概括如下：1.基本功能1）采用脉宽调制（PWM）对LED进行调光；2）实现光敏自动调光，根据室内的光照变化，自动调整LED亮度；3）按键选择手动/自动调光方式；4）具有电源开关、电源指示灯、复位等功能。2. 扩展功能 1）利用热释电红外检测模块来检测是否有人靠近台灯，若有人则自动开启光源，当一段时间检测不到人时台灯就会自动熄灭。2）4位数码管显示LED光源的相对亮度。1.4 LED相关知识1.4.1 LED的结构及发光原理LED是英文Ligh

16、t Emitting Diode（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。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

17、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。一种LED结构图如图1所示。1.4.2 LED光源的特点（1）电压：LED使用低压电源，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

18、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，实现红黄绿蓝橙多色发光。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300500只二极管构成。1.4.3 LED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，

19、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

20、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

21、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（10000小时后仍然维持90的光通），与PAR灯和金卤灯的50250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

22、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18677760只LED，面积为10736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100米的超大型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

23、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。 第2章 系统设计原理2.1 总体设计方案本设计以89C52单片机为控制器，利用光敏电阻采集环境光照度，采用脉宽调制方式调节三极管，进而调节LED的发光亮度，最终维持环境光照度在一个设定的水平。包括手动控制模块、光采集模块、电源模块、LED照明模块，总体框架图如下图2-1所示。图2-1 总体框架图自动调光调光示意图如下图2-2所示。图2-2 调光示意图工作原理：通电的时候，单片机采集亮度，以当前亮度为基准。如果环境变暗，则调

24、亮L2亮度，直到环境亮度达到基准；如果环境变亮，则调暗L2亮度，直到环境亮度达到基准。调节方法：L1是手动调的，代表环境其他光线的亮度的变化，如果L1变暗，这时候L2就要变亮，保证环境总的亮度不变，反之，如果环境其他光线L1变亮，这个时候L2就要暗下来了。L1手动调，L2会根据L1的亮度自动调节，这就是自适应调光。在一个环境比较暗的地方，调节L1，让L2亮起来。然后在拿到一个比较亮的地方，L2会变暗，甚至熄灭。2.2系统驱动方式选择为发光二极管照明选择一个可行的供电方式，是半导体照明普及必须要解决的一个问题。如果选择用市电驱动发光二极管，则需要解决降压和整流问题，还有较小的体积和较低的成本，有

25、比较高的变换效率，特别要考虑到安全隔离问题；考虑到对电网的影响，还要解决好电磁干扰和功率因素等问题。对中小功率的发光二极管灯来说，其最理想的电路结构是隔离式单端反激变换器。对于大功率的应用而言，则应该使用桥式变换电路。现阶段，家庭用电均为220V的市电，为了能够更加方便的应用我这个课题，我选择了使用市电驱动。2.3光照检测方式选择 方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。 方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值（模拟值），然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。2.4人体感

26、应方式选择 方案一、采用红外对管进行检测。红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过，可以视为有人体进入。 方案二、采用集成电路BIS0001，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 由于方案一要求红外发送管和接收管必须相对才行，而且两者距离有

27、限，实现起来较为不便，所以本设计采用方案二。2.5 LED驱动设计注意点电源有各种各样，但不管何种电源，都不能直接给LED供电。所以说要用LED做照明光源就必须解决好电源变换这个问题。实际上LED是一个电流驱动的低电压单向导电的器件，LED驱动器应具有小尺寸、高效率、直流控制、PWM调光、过压保护、负载断开、以及简单易用等特点。为LED提供电的电源变换器设计的时候一定要注意以下的几个特点：（1）LED是一种单向导电器件。根据这个特点，我们就可以考虑用直流电流或单向脉冲电流给LED提供电能。（2）发光二极管是具有PN结结构的半导体器件，有势垒电势，这会形成导通门限电压，只有加载到LED上的电压值

28、超出了这个门限电压，LED才会充分的导通。一般大功率的LED门限电压在2.5V以上，一般工作的时候的管压降为34V。（3）二极管的电流/电压特性是非线性的。一般情况下流过LED电流的数值等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势再除以回路的总电阻，总电阻是电源内阻、引线电阻、发光管体电阻的和。所以，流过LED的电流跟加在发光管两端的电压不会成正比关系。（4）二极管的PN结是负的温度系数。温度升高会导致LED的势垒电势下降。根据这个特点，我们不能直接给 LED电压源供电，而是需要采取限流措施，不然随着管子工作时温度的升高电流会越来越大直到损坏器件。（5）流过发光管的电流跟发光管的光通量之间的比值是

29、非线性的。LED的光通量会随着流过发光管的电流上升而上升，但是却并不是正比关系，越是后来光通量的增加越是少。所以，我们应该让发光管在一个发光效率高的电流值下进行工作。 LED和其他光源一样，能够承受的电功率是有限的。假若加在LED上的电功率超过了一定的数值，发光管就有可能被损坏。因为材料特性和生产工艺等方面的区别，相同型号的发光管的势垒电势以及发光管的内阻也并不完全相同，这将导致发光管工作的时候管压降不一样，加上发光管势垒电势具有负的温度系数，所以说LED不能够直接并联使用。综上所述，用发光管作照明必须要设计一个合理的驱动。 第3章 硬件设计自动调光系统主要由：电源电路、感光电路、手动控制模块

30、、单片机控制电路、AD转换电路、发光二极管驱动电路、人体红外感应模块组成，原理图如图3-1所示。人体红外感应模块图3-1自动调光系统原理图3.1电源电路 电源是电路中很重要的一个部分，其设计的好坏对整个系统的性能有非常大的影响。要想得到+5V的电压，若选用12V的变压器，整流滤波后输出往往大于12V，会使稳压器功耗大，自身温度过高。故不选用输出电压为12V的变压器，而选用输出电压为8V的变压器。系统接通220V交流电源后，将220V交流电变压到8V，经过二极管全波整流、电解电容C5、C6滤波，再经一只正输出稳压器LM7805。为了缓冲负载突变，改善瞬态响应，输出端还采用了电容C7、C8，最后得

31、到+5V的直流工作电源，用于给控制系统中单片机系统及其它外围电路供电。电路图如3-2所示。图3-2 电源电路如图所示电路为输出电压+5V，它由电源变压器T，桥式整流电路D1D4，滤波电容C5、C6，防止自激电容C7、C8和一只固定式三端稳压器(7805)极为简捷方便地搭成的。 220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C5、C6的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C7、C8的滤波便在稳压电源的输出端产

32、生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。3.2 感光电路照度是指被照物表面在单位面积上受到的光通量。一般用“呎烛光”来表示照度。1呎烛光，是指发光强度为1烛光的光源，在距离光源一呎、面积为一平方呎的垂直面上所产生的光照度。呎烛光平均的光照度就是每平方呎1流明，故可写作1流明/平方呎。光照度也有用“米烛光”为单位，称作“勒克司”，即一平方公尺的面积上受距离一米的烛光的照射。同样强度的光源，在物体上的照度和其与光源的距离有关，所以呎烛光的光照度大于米烛光的光