基于8051单片机的自动测控LED节能照明系统.doc
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基于8051单片机的自动测控LED节能照明系统.doc
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天津农学院
毕业设计
中文题目:
LED光源的自适应控制系统设计
英文题目:
DesignofSelf-adaptionControlling
SystemonLEDLightSource
学生姓名刘哲
系别机电工程系
专业班级2008级测控技术与仪器专业二班
指导教师张志勇
成绩评定
2012年06月
18
目录
1引言 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2LED照明的国内外研究现状 2
1.3LED相关知识 3
1.3.1LED的结构及发光原理 3
1.3.2LED光源的特点 3
1.3.3LED的应用 4
1.4系统研究内容 5
2系统硬件电路设计 6
2.1主控芯片 6
2.1.1单片机 6
2.1.2内部结构 7
2.1.3引脚功能 8
2.2LED驱动电路 10
2.3光强转换电路 11
2.3.1光照强度 11
2.3.2光照强度与电压的转换 11
2.4其他电路模块 13
3系统软件设计与实现 13
3.1软件总体设计与流程 13
3.1.1系统程序开发软件 13
3.1.2系统主程序的设计 14
3.2各子模块软件设计与实现 15
3.2.1LED亮度控制模块 15
3.2.2温度采集控制模块和显示模块 15
4结论 16
参考文献 17
致谢 18
附录1相关英文文献 19
附录2英文文献中文译文 24
附录3系统源程序 30
摘要
大功率白光LED因其高效、节能、环保、寿命长、高可靠性等优点逐渐在照明领域获得广泛应用,已经开始替代白炽灯、荧光灯等传统照明光源,成为21世纪的新一代照明光源。
本文提出了一种可根据环境光强,和温度变化而实现自动开关、调节亮度的LED照明系统的设计方案。
采用单片机8051为系统控制核心,设计了由硅光电池和集成运放组成的光强传感器,采用DS18B20为温度传感器,还利用液晶实现了工作信息显示。
实验结果表明,系统在光强大于2170lx时能自动关断;当光强小于1040lx时能自动开启;当光强在1000~2000lx变化时,LED亮度能自动调节,以维持环境照度基本稳定。
关键词:
LED照明;自动测控;节能
ABSTRACT
Semiconductorlightingiswidelyusedandisgraduallyreplacingtheincandescentandfluorescentlightingduetoitsadvantagesoverconventionallightingofhighefficiency,lowenergyconsumption,lowpollution,longlifetimeandhighreliability.ALEDlightingsystemwhichcanautomaticallyswitchandregulateitsbright-nessoflightingaccordingtothelightintensityandtemperaturewaspresentedinthispaper.8051MCUwasusedasthesystemcontrollingcore.AsiliconphotovoltaiccellandanintegratedoperationalamplifierwereusedtodesignthelightintensitysensorandDS18B20wasusedasthetemperaturesensor.Besides,aLCDwasusedtodisplaytheworkinginformation.Experimentalresultsshowthatthesystemcanautomaticallyshutdownwhenlightintensityisabove2170lx,andswitchonwhenlightintensityisbelow1040lx.Whenthelightintensityisfluctuatesfrom1000lxto2000lx,thebrightnessoftheLEDlightingsystemcanautomaticallyadjusttomaintainthebasicstabilityoftheenvironmentillumination.
Keywords:
LEDLighting;AutomaticMonitoringandControlling;EnergySaving
LED光源的自适应控制系统设计
刘哲
(天津农学院机电工程系)
1引言
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,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[1]。
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
LED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”[2],目前已开始逐步应用于电信、交通、农业、医学、军事等领域。
LED(Light-emittingDiode,发光二极管)是一种固态的半导体组件,能够把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,可在安全低电压下工作,也可连续开关闪断,能实现0%-100%调光。
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[3]。
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。
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[4]。
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。
1.3LED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[5]。
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。
一种LED结构图如图1所示[6]。
图1LED结构图
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。
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- 基于 8051 单片机 自动 测控 LED 节能 照明 系统