LED節(jié)能燈設(shè)計與智能亮度控制開發(fā)-畢業(yè)論文

1、 LED節(jié)能燈設(shè)計與智能亮度控制的開發(fā)摘要：目前世界各國都在政府的大力資助下加快推進LED 節(jié)能燈取代傳統(tǒng)照明燈的步伐。從1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功，僅十幾年時間，市場上已有白光LED的手電筒、在礦上有白光LED的礦燈,不僅亮度好,而且節(jié)電。雖然家用LED節(jié)能燈目前還沒有上市,而且目前只能生產(chǎn)小功率的燈泡,且價位還較高,普通家庭還難以接受。但隨著半導(dǎo)體材料及工藝技術(shù)的進步,LED家用節(jié)能燈的性能會很快進入市場,價格也會不斷地下降,它將逐步地進入千家萬戶,給您帶來節(jié)電、明亮的新的光源。為了推動LED節(jié)能燈的發(fā)展，我將用25顆散光型白色高亮度LED組裝一枚節(jié)能燈，以確定LED 節(jié)能燈取代傳統(tǒng)

2、照明燈的可行性。 為了更加節(jié)能環(huán)保，我將結(jié)合智能開發(fā)系統(tǒng)，根據(jù)光線的強度、紅外和溫度變化，來實現(xiàn)此節(jié)能燈的自動開關(guān)、自動調(diào)節(jié)亮度。我采用單片機C8051F020為系統(tǒng)控制核心，安裝了光強傳感器，紅外無線感應(yīng)器，采用DS18B20為溫度傳感器，使系統(tǒng)具有光強、溫度、紅外3種感應(yīng)開關(guān)控制LED節(jié)能燈，再加上過壓、過流保護措施，進一步提高節(jié)能效率并保證照明系統(tǒng)的正常工作。此外，系統(tǒng)還使用液晶實現(xiàn)LED照明工作信息的外部顯示。該系統(tǒng)可應(yīng)用于如樓道照明、工作照明、設(shè)備照明等很多場合。關(guān)鍵詞：LED節(jié)能燈 自動控制 光強 溫度 紅外一、 LED節(jié)能燈簡介 1、LED發(fā)光原理LED俗稱發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)

3、體固體發(fā)光器件。它是 利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。2、LED的發(fā)展 上個世紀60年代，科技工作者利用半導(dǎo)體PN結(jié)發(fā)光的原理，研制成了LED發(fā)光二極管。當時研制的LED，所用的材料是GaASP，其發(fā)光顏色為紅色。經(jīng)過近30年的發(fā)展，現(xiàn)在大家十分熟悉的LED，已能發(fā)出紅、橙、黃、綠、藍等多種色光。最初LED僅用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。通常LED能直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光，但對于一

4、般照明而言，人們更需要白色的光源。經(jīng)過多年研究，人們在1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GAN芯片和YAG（釔鋁石榴石）封裝在一起做成的。芯片GAN發(fā)藍光，高溫燒結(jié)制成的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光射，峰值達550nm。藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍光部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，最終可以得到得白光。現(xiàn)在，對于白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫在3500-10000K的各色白光。這種通過藍光LED得到白光的方法，構(gòu)造簡單、成本低廉、技

5、術(shù)成熟度高，因此運用最多。 然而照明需用的白色光LED僅在近年才快速發(fā)展起來，目前白色LED發(fā)光效率已經(jīng)突破120LM/W，是白熾燈15LM/W的8倍，是熒光燈50LM/W的2倍多。LED的光譜中沒有紫外線和紅外線成分，所以不會發(fā)熱，不產(chǎn)生有害輻射。而且LED的光通量半衰期大于5萬小時，可以正常使用20年，器件壽命一般都在10萬小時以上，是熒光燈壽命的10倍，是白熾燈的100倍，所以基本不會損壞，這種燈具具有非常好的節(jié)能長壽命特性，隨著白色LED價格的不斷降低，LED節(jié)能燈不但在節(jié)日彩燈裝飾中廣泛應(yīng)用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的領(lǐng)域，全面進入實用化，并且在環(huán)保方面廢棄物可以

6、回收，沒有熒光燈的貢污染問題，是國家重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)項目。發(fā)展空間無限，市場價值巨大。3、研發(fā)意義及背景 LED 燈相對于其他光源有壽命長、發(fā)光效率提高空間大的優(yōu)勢，并且LED 燈由于采用物理P-N 結(jié)的冷發(fā)光原理，使得LED節(jié)能燈燈轉(zhuǎn)化效率高，發(fā)光效率從2002年的25流明/瓦提高到2007年75流明/瓦，而發(fā)光成本將從2002的200美元/千流明降低到2007年的20美元/千流明、最重要的是LED節(jié)能燈不存在汞燈污染源，被譽為綠色環(huán)保的照明能源，符合當今世界主題。目前LED節(jié)能燈最高發(fā)光率為200 流明/瓦，其壽命理論值達到10萬小時，遠遠高于其他光源產(chǎn)品。是未來世界必用主流產(chǎn)品。 目前世界

7、各國都在政府的大力資助下加快推進LED節(jié)能燈取代傳統(tǒng)照明燈的步伐、日本、美國、歐盟、韓國、中國臺灣和中國政府都制定了相應(yīng)的發(fā)展計劃。 中國為節(jié)約能源、實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展，于2007年6月3日制定節(jié)能減排綜合性工作方案半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)順應(yīng)了節(jié)能減排的宏觀政策。從2005年開始科技部批準了大連、廈門、上海、南昌、深圳等五個半導(dǎo)體照明產(chǎn) 業(yè)基地，之后在2007 年和2008 年相繼批準石家莊、揚州等兩個半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)基地，在政策、稅收和資金上給予長期支持。LED節(jié)能燈在2007 年開始滲透進入白熾燈照明市場、預(yù)計在2012年進入熒光燈照明市場，從而大量取代白熾燈和熒光燈。但目前LED 路燈市場

8、中，應(yīng)用LED 燈的比例很少，存在很大的替代空間，目前路燈在全球未來景觀照明和通用照明的LED 市場增長速度最快，預(yù)計景觀照明LED市場份額將從03 年的2%增加到08 年的8%。04 年通用照明LED 的銷售額是9400萬美元，到2010年將增長到8.75億美元，年增長率將達52.3%，屆時LED節(jié)能燈將在全球120億美元至140億美元的照明市場占據(jù)重要的位置。 二、 LED節(jié)能燈的制作1、元器件：（1）25顆散光型白色高亮度LED（2）塑料外殼、羅口燈座、均光板各一塊（3）400V/0.33UF降壓電容一個（4）100V/4.7UF濾波電容一個（5）集成整流橋一個（6）1M 高壓泄放電阻一

9、個（7）100歐姆限流保護電阻一個（8）電源板PCB一片（9）LED燈板PCB一片 2、 制作過程 繪制電源PCB板電路圖 ： 3、 焊接成品（1）首先可以焊接LED燈板部分，制作前先用繪圖橡皮將LED的所有焊盤仔細擦磨一遍，這樣可以清除PCB上的氧化層，確保焊接可靠！將白色LED按照PCB上標注的極性仔細插入PCB，注意：引腳長的那根腳插入PCB上標有“”的孔中，千萬不能插反！如圖：（2）在焊接LED時請一定要選用不漏電的30W尖頭電烙鐵焊接，可以先焊好LED的一個引腳觀察LED的位置，如果不正可以融化焊錫時扶正，確認位置正確后焊接另一個引腳。焊接要干脆果斷，可以先焊接內(nèi)圈的LED，再焊接外

10、圈的LED，焊接時間不能過長，應(yīng)控制在2秒以內(nèi)，否則LED有可能被焊壞！我們特地多提供了一顆LED，就是防止意外損壞時可以替換。（3）焊接完成后從LED燈板上的A、B處用軟導(dǎo)線引出，然后請仔細檢查是否有虛焊？是否有橋搭短路？LED是否在同一平面上？是否有多余的焊錫球散落在PCB上？完成后圖：（4）根據(jù)電源PCB板電路圖焊接整流橋和4.7UF/100V的濾波電容，注意：電解電容、整流橋是有極性的，一定要按照我們圖片的方向進行焊接。（PCB正面白色的絲印V+ V-是錯誤的，請不要被誤導(dǎo)）焊接完成后將電源板的A、B兩處焊盤用絕緣軟導(dǎo)線焊接好LED燈板的A、B兩處焊盤。如圖： （5）從電源板上標有“交

11、流入”的兩處焊盤處引出兩根軟線，一根和外殼焊接，另一根和中心電極焊接，焊接點如上圖紅色箭頭位置。最后熱溶膠分別固定羅口燈座、電源板、LED燈板和均光板，防止晃動和意外短路。如圖： （6）做好的LED燈不但很輕不容易摔壞，如圖所示： 4、制作注意事項：（1）請仔細多次核對后通電試驗，注意人身安全，謹防觸電?。?）因為這款燈的LED數(shù)量眾多，很容易因為其中一個LED損壞或者LED管腳和PCB焊接不良造成全部不亮，所以制作成功的關(guān)鍵還是在焊接LED時務(wù)必認真仔細?。?）用萬用表直流250V電壓檔排查每個LED兩端的電壓，如果發(fā)現(xiàn)某個LED兩端的電壓異常大，可能出現(xiàn)了開路（如LED裝反、LED管芯開路

12、、LED焊盤齊根處PCB短路、LED虛焊等），此時最有效的辦法就是用直流電壓試通電點亮LED測試，先徹底斷開交流電源！然后如用10V左右的直流電壓，4個LED串連后通電測試，可以快速判斷出故障。5、最容易出現(xiàn)的錯誤：（1）LED引腳和PCB接觸不良 （2）LED被插反極性 （3）LED焊接時間過長損壞 （4）電阻或者其他元件接錯。三、智能亮度控制系統(tǒng)的開發(fā)1、 總體設(shè)計方案 本智能亮度控制采用單片機是C8051F020，為實現(xiàn)LED照明燈的自動測控，我采用了以下整體框架。如圖所示：整個系統(tǒng)的設(shè)計分硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件設(shè)計又可分為供電驅(qū)動模塊、自動測控與顯示模塊3部分。供電驅(qū)動模塊實現(xiàn)的過程

13、為：1224 V的直流供電輸入，經(jīng)過過壓保護電路后向SN3350芯片構(gòu)成的LED驅(qū)動電路提供安全電壓，驅(qū)動電路驅(qū)動LED照明燈正常工作。自動測控與顯示模塊主要包括光強傳感器、溫度傳感器、紅外無線傳感器和液晶顯示器。光強傳感器采用了硅光電池和集成運放組成光電轉(zhuǎn)換電路，將環(huán)境中光照強度轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過單片機的AD轉(zhuǎn)換，依據(jù)實測電壓和光照的關(guān)系曲線，將相應(yīng)電壓值轉(zhuǎn)化為照度并經(jīng)由LCD1602液晶顯示；溫度傳感器采用了DS18B20芯片電路，將實時的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給單片機分析處理，同樣經(jīng)LCD1602液晶顯示；紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路，感應(yīng)電路

14、接收到信號后傳給單片機控制LED照明燈的開關(guān)。系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能和自動測控的功能由單片機C8051F020實現(xiàn)。軟件編程的思路是：由單片機內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號控制SN3350驅(qū)動芯片的ADJ引腳。通過改變PWM的占空比，實現(xiàn)對ADJ輸入任意電壓，進而控制LED照明燈的開關(guān)及亮度調(diào)節(jié)。2、 硬件電路設(shè)計（1） 單片機C8051F020本系統(tǒng)采用單片機C8051F020，其片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。含有64 kB片內(nèi)Flash程序存儲器，4 352 B的RAM、8個IO端口共64根IO口線、1個12位AD轉(zhuǎn)換器1個8位AD轉(zhuǎn)換器以及1個雙12位DA轉(zhuǎn)換器、2個比較器、

15、5個16位通用定時器、5個捕捉比較模塊的可編程計數(shù)定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.73.6 V（端口IO、RST和JTAG引腳的耐壓為5 V）。如下圖：（2） LED驅(qū)動電路 本系統(tǒng)選用了SN3350芯片作為LED驅(qū)動電路的核心。SN3350是一款降壓型電感電流連續(xù)模式驅(qū)動芯片，適用于電源電壓高于一顆或一串LED所需電壓的應(yīng)用場合。輸出電流可達750 mA，輸出功率可達30W。下圖為本系統(tǒng)采用的LED驅(qū)動電路。LED驅(qū)動電路圖2中，3號引腳ADJ為多功能開關(guān)亮度控制腳，其引腳特性為：1）引腳懸空：工作在普通模式。

16、（普通模式下VADJ=VREF=1.2 V，工作電流IOUTnom=0.1R1）；2）輸入電壓低于0.2 V：關(guān)閉輸出電流；3）輸入直流電壓從0.31.2 V：輸出電流調(diào)整范圍從25100；4）通過不同占空比的PWM信號來控制輸出電流；5）當ADJ引腳電壓超過1.2 V：電流被自動鉗位在100。SN3350的輸出電流可以通過在ADJ引腳加控制信號來設(shè)置。本系統(tǒng)利用單片機產(chǎn)生PWM信號輸入ADJ引腳，驅(qū)動電路依據(jù)以上引腳特性在不同的電壓值下進入不同的工作模式。（3）光強傳感器 1）本系統(tǒng)的光強傳感器采用了一種光電轉(zhuǎn)換電路，其原理圖如圖3所示。電路的作用在于，通過集成運放LM324和反饋電阻Rf，

17、將硅光電池（相當于一個光控恒流源）輸出的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出。通過調(diào)節(jié)Rf阻值的大小，可以改變輸出電壓值的大小，從而能夠適應(yīng)后級控制電路對輸入信號電壓值的要求。實際應(yīng)用時，光照強度影響，Is大小，進而引起Vout的改變，從而實現(xiàn)了將光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。光電轉(zhuǎn)換電路圖2）在實際制成的光電轉(zhuǎn)換電路中，使用照度計和電壓表測得的光照度-電壓關(guān)系。光電轉(zhuǎn)換電路測試結(jié)果如圖。 3） 根據(jù)測量結(jié)果繪制線性圖如下 4）由圖可見，隨著環(huán)境光照度的增大，光電轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓也線性增大，相關(guān)度達99.1，線性良好。這表明按照圖3制成的光電轉(zhuǎn)換電路的實際測試結(jié)果與理論預(yù)期符合度較好。同時，圖4的光照度-電壓關(guān)

18、系直線也為軟件部分的程序設(shè)計提供了重要依據(jù)。（3） 紅外無線傳感器1）本系統(tǒng)的紅外無線傳感器采用以BISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰Ｒ訠ISS0001為核心的熱釋電紅外無線感應(yīng)器采用被動探測方式，其電路原理如圖5所示。菲涅爾透鏡（DSG）接收進入探測區(qū)域的人體所發(fā)射的波長為812 m的紅外線，通過熱釋電傳感器（PIR）將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)電路系統(tǒng)放大，濾波，最后將信號輸出。2）電路圖如下3、 軟件設(shè)計1）軟件設(shè)計的思路是先分模塊獨立設(shè)計，然后對各個模塊進行綜

19、合整理。2）本系統(tǒng)程序設(shè)計的流程框圖如下圖所示。 3）程序主要分為5個模塊：亮度控制模塊、溫度探測處理模塊、光照度探測處理模塊、紅外無線探測處理模塊、液晶顯示模塊，下面對前3個較為復(fù)雜的模塊分而述之。 a、亮度控制模塊根據(jù)給定的LED驅(qū)動電路芯片SN3350的引腳特性，可以通過控制ADJ腳的信號的電壓來控制LED的亮度。單片機80C51F020能夠自行產(chǎn)生Vpp=5 V的PWM信號，因此可以通過控制該PWM信號的占空比來控制LED燈的亮度。依據(jù)圖4的光照度-電壓關(guān)系直線設(shè)定判定程序，得出對應(yīng)的占空比，就能實現(xiàn)對于亮度的控制。b、溫度探測處理模塊由于DS18B20芯片的信號輸出腳輸出的是數(shù)字信號

20、，本模塊的內(nèi)容主要是對從DS18B20獲得的數(shù)字信號進行譯碼，從而獲得實際環(huán)境溫度數(shù)值。c、光照度探測處理模塊使用圖3光電轉(zhuǎn)換電路探測環(huán)境光強度輸出電壓信號。該信號是模擬信號，因此，需要對此信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換之后才能夠用單片機進行處理。使用80C51F020自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊，可以實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。光照度對應(yīng)的電壓信號在02.4 V之間，因此某一特定的電壓值轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字信號，然后通過與溫度信號類似的處理從而對光進行控制。4)根據(jù)本文第2部分所述的SN3350驅(qū)動芯片控制端ADJ引腳特性，程序設(shè)計的具體方案如下：a、LED燈隨外界環(huán)境照度的自動調(diào)節(jié)和控制：當測得實際光照度大于2 000 lx（照度

21、值可依據(jù)需要自行設(shè)定，下同）時，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0，LED滅；當測得實際光照度小于1 000 lx時，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓為0.3 V，LED亮；當測得實際光照度大于1 000 lx且小于2 000 lx時，令A(yù)DJ引腳的輸入電壓在0.31.2 V之間做相應(yīng)變化。b、LED燈隨外界環(huán)境溫度的自動調(diào)節(jié)和控制：當LED的溫度大于80（溫度值可依據(jù)需要自行設(shè)定，下同）時，令VADJ=0；當LED的溫度小于50時，令VADJ=1.2 V。c、LED燈隨外界紅外輻射信號的自動調(diào)節(jié)和控制：當熱釋電紅外無線傳感器傳來感應(yīng)信號時，令VADJ=1.2 V，沒有信號傳來時，令VADJ=0。4、系統(tǒng)測試1

22、）基本工作測試a、電源供電15 V；實測三盞LED燈兩端的工作電壓為14V；驅(qū)動電路輸出電流為320 mA；過壓保護測試調(diào)節(jié)輸入電壓大于24 V時，LED兩端電壓很快下降；當輸入電壓升至27V時LED兩端電壓已降至0V。b、測試結(jié)果表明本系統(tǒng)能在低壓條件下正常穩(wěn)定工作，具有過壓保護功能2 )功能測試a、測量與顯示功能能否顯示環(huán)境光照強度：能，LCD顯示環(huán)境光強可精確到1 lx；能否顯示環(huán)境溫度：能，LCD顯示環(huán)境溫度可精確到0.1；b、自動控制功能光強改變時能否開關(guān)燈：能，光強大于2 170 lx時自動關(guān)燈；光強小于1 040lx時自動關(guān)燈（設(shè)計閾值分別為2 000lx和1 000 lx）；溫

23、度改變時能否關(guān)燈：能，溫度高于82.5時自動關(guān)燈；溫度低于49.3時自動開燈（設(shè)計閾值分別為80和50）；能否維持環(huán)境光強的基本穩(wěn)定：能，環(huán)境光強減弱但不小于1 000 lx時，自動提高LED的發(fā)光強度；環(huán)境光強增強但不超過2 000 lx時，自動減弱LED的發(fā)光強度；能否感應(yīng)紅外輻射并開關(guān)燈：能，在有人進入LED燈一定距離（最大半徑3.5 m處）時，自動開燈，并維持10 s后逐步減弱燈光亮度直至關(guān)閉。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)具備隨環(huán)境光強、溫度、紅外輻射變化而自動控制開關(guān)、調(diào)節(jié)光強的功能，實測數(shù)據(jù)與理論設(shè)計值符合得比較好。4、 設(shè)計中需注意問題 1）本系統(tǒng)的特點是硬件模塊電路較多，設(shè)計時應(yīng)注意共

24、地與接口匹配。具體來說，單片機C8051F020、LED驅(qū)動電路的SN3350芯片、光電轉(zhuǎn)換電路中的集成運放LM324、熱釋電紅外無線感應(yīng)器電路的核心BISS0001芯片、DS18B20溫度傳感器電路和過壓保護電路6個模塊都要與直流電源共地。接口匹配問題主要存在于光強、紅外輻射、溫度3個傳感器的輸出口與單片機的輸入口，以及單片機的輸出口與液晶LCD1602、LED驅(qū)動芯片SN3350的控制引腳之間。此外，由于LM324、BISS0001、DS18B20等芯片的工作電壓為5 V，小于LED照明系統(tǒng)15 V的工作電壓，測試時需另接5 V電源，而實際制作成品時則需增加一個電平轉(zhuǎn)換電路，將統(tǒng)一的15 V供電電壓轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)壓輸出給相關(guān)芯片。2）在編寫程序時需考慮各個傳感器傳送的信息被單片機處理的優(yōu)先級。根據(jù)實際需要，本系統(tǒng)接收信號的參考優(yōu)先