LED照明系统的设计.docx

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LED照明系统的设计

编号：

审定成绩：

重庆邮电大学

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

LED照明系统的设计

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学生姓名：

专业：

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学号：

指导教师：

答辩组负责人：

填表时刻：

2020年6月

重庆邮电大学教务处制

摘要

LED（发光二极管）具有功耗低、无红外辐射、寿命长等特点，是一种节能环保的绿色光源，在照明系统的应用中有着其它光源无法比拟的优势，代表着以后照明技术的进展方向。

本文第一论述了白光LED的发光原理和光学特性，探讨了LED照明系统选择LED光源的理论依据，总结了LED应用于照明的优缺点。

本次设计的目标是设计一个以STC89C52单片机为核心，操纵20只5mm高亮度白光LED的照明系统。

该系统能够对LED灯的亮度进行操纵，当环境光强减弱时自动提高LED的亮度，当环境光强变强时自动减弱LED灯的亮度，维持环境光强值的稳固并达到节能的成效。

同时，系统还能在自动调光和手动调光之间切换，进一步提高节能效率并保证系统的正常工作。

实验证明，该系统稳固高效，能够用于楼道照明、工作照明、设备照明等很多场合。

【关键词】单片机白光LED自动调光手动调光

ABSTRACT

LED（lightemittingdiode）hastheadvantagesoflowconsumption,noinfraredirradiation,andlonglifetime,isanenvironmentfriendlylightsource.LEDismoreadvantageousinilluminationsystemthanotherlightsources.TheilluminationwithLEDisthedevelopingdirectioninfuture.

ThisarticlefirstelaboratedthewhitelightLEDshineprincipleandtheopticalcharacteristics,thendiscussedthetheoryofLEDlightingsystemtochoosetheLEDasthelightsource,summarizedtherelativemeritsoftheLEDtoapplyintheillumination.Thisdesign'sgoalisdesignsonetakethe

STC89C52monolithicintegratedcircuitasacore,controls205mmhighluminancewhitelightLEDthelightingsystem.ThissystemcancarryonthecontroltotheLEDlamp'sluminousintensity,whentheenvironmentluminousintensityisweakenenhancestheLEDluminousintensityautomatically,whenenvironmentluminousintensitystrengthenweakenstheLEDlamp'sluminousintensityautomatically,maintenanceenvironmentluminousintensityvaluestabilizingandachievestheenergyconservation.Atthesametime,thesystemcanalsocutsbetweentheautomaticcontrolandthemanualcontrol,furtherraisestheenergyefficiencyandguaranteethesystem’snormaloperation.Throughexperiment,thesystemisprovedtobemorestableandreliable,whilecanfulfilltherequirementsofcorridorillumination,operatingilluminationandequipmentillumination.

【Keywords】singlechipcomputerwhiteLEDautomaticdimmingmanualdimming

引言

随着全世界能源危机和气候变暖问题的日趋严峻，绿色节能已经成为全世界普遍关注的话题，人们正通过各类途径寻觅新的节能方式。

照明是人类消耗能源的重要方面，随着经济的进展，我国的照明用电将有大比例的提高，因此绿色节能照明的研究愈来愈受到重视。

LED作为一种固态冷光源，是继白炽灯、荧光灯、高强度放电灯（如高压钠灯和金卤灯）以后的第四代新光源。

基于白光LED的固态照明，是一种典型的绿色照明方式，与传统光源相较，具有节能、环保、寿命长、体积小、平安靠得住等特点，代表着照明技术的以后，并符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。

能够预见不久的以后，LED必然会进入一般照明领域取代现有的照明光源。

目前，市场上采纳白炽灯、卤素灯、荧光灯作为光源的照明系统普遍存在这低效率、高功耗、不能调光等特点，无法适应现代照明的节能需求。

本文设计了以STC89C52单片机为核心的白光LED自动调光照明系统，能够按如实际的光照亮度来调剂LED的亮度，实现了照明系统的节能高效。

第一章LED发光原理及光学特性

第一节LED大体原理

一、LED发光机理和结构

LED又称发光二极管，是由P型和N型半导体组成的二极管，P型半导体中的多数载流子是空穴，N型半导体中的多数载流子是电子。

它的发光原理主若是应用二极管PN结中电子与空穴的复合进程中产生的能量，转化为光能输出，当PN结加正向电压时，N区电子在电场作用下向P区移动，而P区的空穴那么向N区移动。

P区的电子和N区的空穴别离与P区的空穴和N区的电子复合，这时电子与空穴的复合就会释放出多余的能量而发光，如下图。

图LED发光原理

图典型的发光二极管结构

典型的发光二极管结构如下图，其中包括三个关键结构：

第一是LED芯片，第二是芯片所在的金属帽，那个金属帽既是电极，又是散热器，而且还作为反射镜用来搜集光线能量，最后是集成照明透镜。

二、白光LED

咱们明白，能发射白色光线的LED并非存在。

因为LED的特点是只发射一个波长，而白光并非是单一的频率。

目前产生白光LED的方式有两种：

第一种是RGB,也确实是红光LED+绿光LED+蓝光LED，LED走RGB合成白光的这种方法要紧的问题是绿光的转换效率低，此刻红绿蓝LED转换效率别离达到30%，10%和25%，白光流明效率能够达到60lm/w。

通过进一步提高蓝绿光LED的流明效率，那么白光流明效率可达到200lm/w。

由于合成白光所要求的色温和显色指数不同，对合成白光的各色LED流明效率有不同的。

随着白光LED的深切进展，人们希望用作照明光源的白光LED的光谱、色品坐标、显色性及相关色温等均能知足国际CIE和我国的有关标准，不然应以为不合格。

咱们对相关色温80004000K白光LED的光色特性及其与正向电流的关系进行了总结。

因为黄色荧光体的发射光谱中缺少红成份。

故目前大多数报告限于有关5000K以上的高色温白光LED的工作。

尽管白光LED已有商品，但缺少低色温白光LED。

5000K以上的高色温商品，显色性差，难以知足市场，目前，由蓝色芯片和荧光体组合的低色温白光LED的报告极少。

因此，不管从学术上研究，仍是应用需要，进展低色温（<4000K）高显色性白光LED具有重要意义。

第二种是LED+不同色光荧光粉：

第一个方式是用紫外或紫光LED+RGB荧光粉来合成LED，这种工作原理和日光灯是类似的，可是比日光灯的性能要优越，其中紫光LED的转换系数可达80%，各色荧光粉的量子转换效率能够达到90%，还有一个方法是用蓝光LED+红绿荧光粉，蓝光LED效率60%，荧光粉效率70%；还有是蓝光LED+黄色荧光粉来组成白光。

两种途径相较较之下，RGB三色LED合成白光综合性能好，在高显色指数下，流明效率有可能高到200lm/w，要解决的要紧技术难题是提高绿光LED的电光转换效率，目前只有13%左右，同时本钱高。

表白光LED与现行照明光源的特点

照明方式

特点

白光LED

具有发光热量低、耗电量小（白炽灯的1/8，荧光灯的1/2）、寿命长（数万小时，是荧光灯的10倍）、反应速度快、体积小、可平面封装等优点，以开发成轻薄短小的产品，是被业界看好在未来10年内代替传统照明器具的一大潜力产品。

荧光灯

省电，但是废弃物有汞污染、易碎

白炽钨丝灯

效率低，耗电量大，寿命短，易碎

白光LED与现行照明光源见表。

白光LED是最被看好的LED新兴产品，其在照

明市场的进展潜力值得期待。

与白炽灯及荧光灯相较，白光LED具有体积小（多只、多种组合）、发烧量低（没有热辐射）、耗电量小（低电压、小电流启动）、寿命长（一万小时以上）、反映速度快（可高频操作）、环保（耐震、耐冲击，废弃物可回收，没有污染）、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优势，没有白炽灯高耗电、易碎及荧光灯废弃物汞污染等缺点。

三、LED应用于照明的优缺点

发光二极管（LED）是一种极具有竞争力的新型节能光源，并有慢慢取代传统照明光源的趋势。

之因此LED在照明领域有如此大的进展潜力，是因为它与传统光源相较，有很多的优势：

节能：

LED能量利用率高。

依照通常的光效概念，LED的发光效率并非高，但由于LED的光谱几乎全数集中于可见光频段，效率能够达到80～90％，而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10~20％。

环保：

与白炽灯等光源的全频段光谱不同，典型的LED光谱狭小，几乎没有紫外线和红外线，既没有热量也没有辐射。

由于采纳电致发光的原理，没有有害金属汞污染问题，故废物能够回收，而且冷光源发烧量较低。

LED属于典型的绿色照明光源。

平安：

LED利用低压电源，比较适用于公共场合。

靠得住：

LED具有牢固，耐震，耐冲击等特性，光源稳固性好。

寿命长：

光通量衰减到70％的标称寿命为十万小时。

应用灵活：

体积小，可平面封装，能够做成点、线、面各类形式的轻薄短小产品。

尽管LED有这些优势，可是LED的发光机理决定了它应用于照明的一些缺点。

由于LED是典型的面光源，假设是没有封装透镜和反光罩的作用（被称为一次光学设计），其发光特性接近于朗伯体。

事实上即便有上述一次光学设计，目前大部份LED光源发光半角仍然专门大，不能直接用于照明系统。

这时就需要对LED光源进行后续的照明光学系统设计（通常被称为LED二次光学设计）以达到照明设计指标。

第二，目前的LED光源与一些传统光源相较光输出仍然很小。

这就意味着要在照明中实现特定区域的高亮度，二次光学设计不仅要有优秀的聚光能力而且要尽可能的提高系统的光能搜集率。

第二节LED的光学特性

一、LED光强散布特性

在照明光学系统中，光源的光散布是后续光学系统选择的要紧起点和依据。

照明光源的光散布特性一样用其周围空间的光强散布（称为配光特性）或用与明光源轴线垂直或平行的假想平面上的照度来讲明。

假设是照明光源的尺寸比其与被照面的距离小很多，光源能够被看成点光源，那么用发光强度来讲明光散布是足够准确的。

假设是当光源的大小和其到观看点之间的距离相较不是很小时，人们称该光源为扩展光源，不能直接用光强的概念来描述，需要借助亮度来描述。

光强空间散布特性是用配光曲线来表示，一样分为极坐标法和直角坐标法来表示曲线。

图配光曲线

极坐标配光曲线。

在通过光源中心的测光平面上，测出照明器在不同角度的光强值。

从某一方向起，以角度为函数，将各角度的光强用矢量标注出来，连接矢量顶端的连接线确实是照明光源的极坐标配光曲线。

如图左半部份。

假设是光源是旋转对称的，因其在与轴线垂直的平面上各方向的光强度值相等，因此只需用通过轴线的一个测光面上的光强散布曲线就能够够说明光强在空间的散布，假设是照明光源在空间的光散布是不对称的，那么需要假设干个测光平面中的光强散布曲线才能说明光强的空间光散布状况。

直角坐标配光曲线。

关于有些光束集中在十分狭小的空间立体角内的照明光源，很难用极坐标表达清楚时，就采用直角坐标表示法，以纵轴来表示光强，以横轴表示光束的投射角，用如此的方式绘制的曲线称为直角坐标配光曲线。

如图的右半部份。

LED芯片能够近似看成一面光源，在没有集光光学器件的条件下，其各个方向上的光亮度都近似相同。

知足朗伯定律的LED光源极坐标配光曲线近似为圆形，如图所示。

在有集光光学器件的条件下，依照其配光曲线能够取得光源的半强度发散角、中心光强等参数，一样从配光曲线能够估算出光源的总光通量。

图知足朗伯定律的LED配光曲线

依照光强度的角散布能够把LED光源分为三类：

高指向型。

一样为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，并且不加散射剂。

半强度角为5-20度或更小，具有较高的指向性，可作局部照明光源使用。

标准型。

通常作为指示灯使用，其半强度角为20-45度。

散射型。

这是视角较大的LED光源，半强度角为45-90度或更大，没有过量考虑聚光设计的一次封装，多用于高光通量的LED。

二、LED光谱特性

典型的单色LED光源光谱狭小，几乎没有紫外线和红外线，超级适合应用于实际的照明设计。

因此LED光源能够专门好的知足照明系统设计中关于照明光源的光谱特性的细微要求。

这些要求诸如铁路信号机要分为红、绿、黄、蓝、白五种信号灯，而每种灯要求光源有一种特定的光谱散布；还有一些照明光源是由多色LED配色取得的，每种LED的光谱范围也会有必然的要求。

总之，关于照明面给出的色度要求，必需选择对应的具有特定光谱散布的LED光源。

光源的光谱特性可由供给商提供或由光谱仪测量。

三、LED发光效率

光源所发出的光通量和它所消耗的电功率之比，称为发光效率。

发光效率与LED光源的光输出紧密相关，是照明系统选择LED光源的关键因素，更是半导体照明产业进展进程中的关键指标。

明确并信任其进展前景，对LED照明领域的从业者十分重要。

发光效率K表示为：

（式

K的单位为流明每瓦（lm/W）。

第三节本章小结

本章要紧介绍了LED的发光原理和光学特性，并简要介绍了LED的结构，白光LED的原理及产生方式，LED的光强散布特性，光谱特性及LED的发光效率，给出了白光LED应用于照明相关于其他光源的优势。

本章的目的主若是了解LED的大体原理，为以后的照明系统设计打下基础。

第二章系统硬件电路设计

第一节整体硬件设计

本系统采纳20只高亮度白光LED灯为光源，以STC89C52RC单片机为主控芯片，由光强检测系统、数码管显示系统、白光LED驱动系统、按键系统组成。

系统的结构框图如下图。

图系统整体框架

该系统可具体实现LED照明系统的5级调光；数码管实时显示此刻环境光照强度档位和手动设置的档位；该系统可在手动调光与自动调光模式之间进行切换，当系统处于自动调光模式时，可自动检测环境的光照强度，单片机依照环境光强自动操纵LED的亮度；当系统处于手动调光模式时，系统可依照按键按下的次数来检测手动设定的光照强度档位，单片机依照档位值来实时操纵LED的亮度。

光强的检测咱们采纳光敏电阻，利用光敏电阻组成的电路将环境光强信号转换为电压信号，由于电压信号为模拟信号，咱们还需利用A/D转换芯片将电压信号转换为单片性能够识别的数字信号。

LED的驱动咱们第一把单片机输出的数字信号利用D/A转换芯片转换为模拟的电压信号，再经放大芯片放大后才能够驱动LED。

按键要紧功能确实是系统自动调光/手动调光的切换，当系统处于手动调光模式下时按键能够手动操纵LED的亮度。

单片机分析接收到的数据并判定系统此刻处于何种模式，当系统处于自动调光时单片机接收光强信号搜集和转换电路的数据。

依照此数据单片机自动调剂LED的亮度；当系统处于手动调光模式时，单片机接收按键的数据并依照此数据来操纵LED的亮度。

第二节硬件系统模块设计

一、单片机主控模块

单片机是整个系统的核心，用来操纵整个系统的稳固工作，其功能主若是读取环境的光照强度信号，而且分析环境光强的档位从而操纵LED的发光强度。

由于本系统关于单片机的处置能力没有专门的要求，咱们采纳了市场上性价比较高的STC89C52RC单片机。

STC89C52RC单片机是一种常常利用的51单片机，其引脚概念如图。

它在原有51单片机的基础上开发了很多新的功能。

STC89C52RC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，是MCS-51系列单片机的派生产品；它们在指令系统中、硬件系统和片内资源与标准的8051单片机完全兼容，DIP-40封装系列与8051为pin-to-pin兼容，指令代码是与8051完全兼容的单片机。

图STC89C52RC引脚图

STC89C52RC单片机具有增强型12时钟/机械周期、6时钟机械/周期任意选择，工作电压为（5V单片机）；工作频率范围：

0-40MHZ，相当于一般8051的

0-80MHZ。

实际频率可达48MHZ。

用户应用程序空间为8K字节；片上集成512字节RAM；有32个通用I/O口，P1/P2/P3/P4是准双向口；集成ISP（在系统可编程）/IPA（在应用可编程），无需专用的编程器/仿真器，可通过串行口直接下载用户程序，具有EEPROM功能，工作温度范围在0-70℃。

STC89C52RC单片机的P0口外接10K的上拉电阻，~作为共阴数码管的数据输入接口。

~作为ADC0804芯片的数据输出接口。

~作为DAC0832芯片的数据输入接口。

~别离接ADC0804芯片的片选端CS、读信号输入端RD与写信号输入端WR。

接红光LED的操纵端。

~作为S1,S2按键系统。

~别离接DAC0832芯片的片选端CS和输入寄放器的写选通输入端WR1。

系统晶振电路由12MHZ晶振与两个30PF电容组成；复位电路那么由按键、10K和200的电阻、10uF电解电容组成。

主控系统电路如下图。

图单片机主控系统电路图

二、光强信号检测模块

光强信号检测模块包括光强信号搜集电路、电压信号调理电路和A/D转换电路。

光强信号第一通过光强信号搜集电路将光强信号转换为电压信号，然后经调理电路将电压信号调整为A/D芯片能够有效检测的电压信号，最后通过A/D芯片将电压信号转换为单片性能够识别的二进制的数字信号。

1.光强信号搜集电路

光强信号的搜集咱们采纳光敏电阻与电阻串联的电路，在那个地址咱们利用了信利佳电子有限责任公司生产的5528型光敏电阻，其亮阻为10-20KΩ，暗阻为1MΩ。

其中亮电阻是指在标准光源A（色温2854K）下，用10Lux照度测量的阻值；暗电阻指在关闭光照后（OLux）第10秒的电阻值。

电源电压为5V,串联阻选用100K的电阻。

当环境光强增强时，光敏电阻的阻值减小；当环境光强减弱时，光敏电阻的阻值增大。

如此通过光强信号搜集电路光敏电阻就能够够将光强信号转换为电压信号，光强信号搜集电路如下图。

图光强信号搜集电路

依照图能够取得光强信号搜集电路的输出公式：

（式

按如实际的测量取得光敏电阻在不同光照强度下的阻值如表所示。

表不同光照强度档位下光敏电阻的阻值

光照环境类型

光敏电阻阻值（Ω）

白色台灯下

300

自然光照明

没有光照条件下

100K

2.电压信号调理电路

由以上的光敏电阻阻值，利用式能够计算取得光强信号搜集电路的输出电压信号Vout1的转变范围约为~，而咱们利用的A/D芯片的输入电压范围为0~5V，Vout1的转变范围过小，不能知足系统设计得要求，故咱们需要电压信号调理电路，将电压信号Vout1转变范围进行放大使输出的电压信号能够在0~5V之间转变。

在那个地址咱们选用三极管S8050，S8050为NPN型三极管，发达倍数约为80。

依照上述的分析可取得光强信号的搜集和调理电路如下图。

图光强信号的搜集和调理电路

3.A/D转换电路

本系统中A/D转换咱们选择ADC0804芯片，ADC0804芯片是典型的逐次比较型A/D转换器，它是采纳CMOS工艺的20引脚集成芯片，分辨率为8位，转换时刻为100us，输入电压范围为0~5V。

芯片内具有三态输出数据锁存器，可直接连接在数据总线上。

ADC0804芯片的双列直插式封装引脚散布图如下图。

图ADC0804芯片的双列直插式封装引脚散布图

电压信号Vout接到ADC0804的正向输入端Vin+，ADC0804将模拟的电压信号转化为8位二进制数字信号送给STC89C52RC单片机进行分析。

ADC0804的CLKR,CLR,GND之间用10K电阻R5和150pF电容C1组成的RC振荡电路，用来给ADC0804提供工作所需的脉冲；Vref/2端用两个1K的电阻分压取得电压，将该电压作为ADC0804芯片工作时内部参考电压；将AGND和DGND同时连接到系统的GND端。

故可取得光强信号检测模块电路如下图。

图光强信号检测模块电路

三、白光LED驱动模块

由于本系统对LED的光色没有严格的要求，LED的驱动咱们能够采纳比较简单的电阻限流电路。

电阻限流电路操纵方式是依照LED的I-V曲线来确信预期的正向电流所需要的电压，通过一个串联的限流电阻来操纵LED的电流。

LED驱动系统要紧包括LED灯的排列方式、D/A转换电路和电压放大电路。

1.LED灯的排列方式

本系总共有20只LED灯，每只LED灯的正向导通电压约为，工作电流约为20mA。

假设咱们采纳20只全数串联的排列方式尽管能够取得较小的输入电流，可是输入电压要求很高，而且假设是其中一只灯出了故障会阻碍其它LED灯的工作，故不选择这种方案；假设咱们选择全数并联的排列方式虽可取得较小的输入电压，但这种排列方式要求较高的输入电流，故咱们也不选择这种方案。

综上所述，咱们采取折中的方式，即每四只LED灯串联一组，共分为五组，这种排列方式的输入电压和输入电流要求不是很高，输入电压最高可为，最低约为10V,输入电流最高为100mA。

为了幸免因电路中电流过大而烧坏LED灯，在那个地址咱们给每组串联一个200Ω电阻。

LED灯的排列方式如下图。

图LED灯的排列方式

2.D/A转换电路

要实现用STC89C52单片机对LED灯的亮度操纵，必需要先用A/D转换芯片将单片机输出的数字信号转换为能够驱动LED灯的模拟信号。

在那个地址咱们选用DAC0832芯片，DAC0832是利用超级普遍的8位D/A转换器，其转换时刻为1us，工作电压为+5V~+15V，基准电压为±10V。

它要紧由两个8位寄放器和一个8位D/A转换器组成。

利用两个寄放器（输入寄放器和DAC寄放器）的益处是能够进行两级缓冲操作，使该操作具有更大的灵活性，其转换原理与T型解码网络一样，由于其片内有输入数据寄放器，故能够直接与单片机接口。

DAC0832芯片为20脚双列直插式封装，其引脚散布如下图。

图DAC0832芯片引脚图

在本设