基于单片机控制下LED散热装置的设计.docx

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基于单片机控制下LED散热装置的设计

本科毕业论文（设计）

题目：

基于单片机控制下LED散热装置的设计

学院：

物理与电子科学学院

班级：

姓名：

指导教师：

甄海龙职称：

助教

完成日期：

2014年5月25日

基于单片机控制下LED散热装置的设计

摘要：

随着LED灯的不断普及，人们也越来越意识到，LED灯的使用寿命受到了很大的限制。

综合原因主要是LED在使用时只有百分之二十的电能是用于自身发光，而其余百分之八十的电能都用于产生热量。

如果它产生的这部分热量不能及时的散发出去就会造成晶片温度过高，而不能实现LED节能效果并且成为了减少LED使用寿命最主要的原因。

所以我的设计是通过单片机为控制核心然后利用半导体制冷片的制冷技术来实现LED的散热，同时为了验证设计的可行性，我选用DS18B20温度传感器对LED灯的温度进行实时监测，还加上了NOKIA5110液晶显示屏作为显示模块，，并且还加入了蜂鸣器作为报警信号，提醒什么时候温度过高，此时半导体制冷片应该开始工作。

最后由于半导体制冷片热电偶的作用，自身产生的热量不及时散发也会影响它的散热效果，所以我还加入了风扇对半导体制冷片进行散热。

该设计虽然比传统的LED灯增加了许多器件，但相比能够更有效的实现LED的节能效果，具有很现实的意义。

关键词：

LED；单片机；半导体制冷片；5110液晶屏；DS18B20温度传感器

目录

1引言1

1.1论文研究的背景1

1.2论文的组织结构1

2相关理论及综述1

2.1LED相关理论1

2.2半导体制冷片的原理特性2

2.3温度传感器DS18B203

2.4STC89C52RC单片机5

3方案设计7

3.1总体设计思路7

3.2方案比较与选择8

3.2.1控制芯片的选择8

3.2.2LED灯珠的选择8

3.3系统原理框图8

3.4DS18B20的工作流程9

3.5系统软件设计9

4设计调试10

5总结10

参考文献11

1引言

1.1论文研究的背景

LED由于其是高能效的光源而被人们广泛接受，并且由于节能寿命长的缘故得到更多人的喜爱。

对于LED技术每日一新的发展，LED已经逐渐平民化。

LED尽管光电转换率高，但比较白炽灯2500℃的工作温度，LED光源产生的温度要低很多。

然则，LED因为有其散热原因在照明体系的前进遇到很大的局限。

尤为功率较大的LED，散热已经成为了最大限制它前进的前提。

LED使用时温度要比100摄氏度低，由于能量守恒，产生的热会传到别的地方。

所以，对于一个较大的散热平面以及高效的热管理是非常必要的。

之所以选择用半导体制冷片，是采用它体积较小，结构简单，不用添加化学制冷剂，并且没有声音，稳定性高等特点。

把它用于LED的照明系统中对于节能作用是很有现实意义的。

1.2论文的组织结构

本论文共分为五章。

第1章，引言。

主要介绍论文的研究背景。

第2章，对经过单片机作主要管理核心，将半导体制冷技巧使用到LED散热钻研中所用到的器件的相干道理分别阐明。

第3章，详细诠释单片机控制下使用半导体制冷技巧控制LED散热装置的总计划。

重点介绍了电路的组成和工作原理，并对其中所用到的软件设计加以说明。

第4章，针对单片机控制下利用半导体制冷技术的LED散热装置的调试过程，所遇的故障和对故障处理方法进行说明。

第5章，总结全文工作。

2相关理论及综述

2.1LED相关理论

LED就是一种固态的半导体器件我们称之为发光二极管，最突出的特点是方便简单的把电转光。

它本身主要是一个晶片，两头都会有支架来依附它，通过引脚的长短就可以判断它的正负，即长为正短为负，这样先组合以后，最后还要采用一种称为环氧树脂的物质把它整体包裹起来。

按正负通过电流时，电子和空穴在其中结合的过程中会产生一种能量，这种能量是光子的形态，通过这种形态，我们就看到了LED发光了。

LED结构示意图，可见下图2-1：

图2-1LED结构示意图

LED光源有①低电源电压，②高效能，③面积小，④实用性强，⑤稳定性高，⑥响应时间快，⑦可变色和⑧无污染等特点。

LED灯的颜色，发光的效率是通过生产LED所用的原料和工艺进行控制，当前最常用的三种显示颜色有红，蓝，绿。

2.2半导体制冷片的原理特性

半导体制冷片，也称为热电制冷片。

优点是无滑动部件，应用在一些空间受限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。

它是使用发生负热阻来进行制冷的，它的特征是①无活动部件②可靠性比别的高。

经历半导体原料的帕尔贴效应，当两种有差别半导体材料串连的电偶通过电流时，在电偶的冷端和热端就能分开吸热和放热，从而能兑现制冷所要的成效。

采用半导体制冷片的特点解决LED散热，很有实用价值。

半导体制冷片本身就是将一片N型和一片P型的半导体材料组合在一起形成了点偶对的原理，电流经N型到P型的时候是选择了吸热，成为冷端。

从P型元件流动到N型元件的接头放热时，成为热端。

而对它本身制冷作用的考验利用的则是所通过电流的大小以及它自身组成材料的多少，并且电流大小是影响它的主要因素。

道理上，半导体制冷片也可说是热传送的一个器材。

它由于本身的热电偶作用，当给它通过电流的时候就会有热量的移动，就会孕育温差从而产生冷端和热端。

但阻力会通过半导体本身产生热电流，这将阻碍传热。

N,P之间的热会通过空气以及半导体材料自身的热量产生逆向的热传导。

当冷热端达到一定温差，两种热传递的量一样时，会达到一个平衡点，正逆向热传递互相抵消。

这个时候N,P端的温度就会停止去发生变化。

为了使制冷效果温度更低，通常利用风扇吹风等方法去转移热端的温度来实现效果。

半导体制冷片的效果图可见2-2：

图2-2半导体制冷片效果图

2.3温度传感器DS18B20

DS18B20的三只引脚中左右分别是电源线和地线，只有所在中间的那个引脚是用来实现信号的传输与接收，精度非常之高，超出限度会有报警功能。

温度测量范围是从-55到+128摄氏度的，对它供电只需要通过数据线就行，而不需要单令接电源供电，由于自身特性也满足多个DS18B20工作在同一总线上。

因此，只要单一的线就可以检测大面积并且多热源。

DS18B20选用T0—92包裹，有3引脚，此中脚1为地（GND），脚2为数据（QD）输入输出引脚，亦然漏极开路单线的引脚在接口处，脚3为电源正极（VDD），必需接地线的模式是寄生模式。

DS18B20具有反应速度灵敏，并且有较高的精度，电路连接简单，对于检查器件的正常与否，只要简单的连接单片机，并通过显示屏显示数据，如果显示屏显示数据一直不变，那么就可以确认DS18B20的器件不能正常使用；反之，如果用手握住DS18B20能够在显示屏下显示快速增高，就说明器件能正常使用。

最后把它连接到单片机中通过程序就能控制实现对温度的实时监测了。

由于用它测温度，所以会把它放置在LED灯背面发热的地方。

单片机连接DS18B20图，可见图2-3：

图2-3单片机与DS18B20连接图

DS18B20的数据端口需用一个4.7K的上拉电阻。

DS18B20应用严密的单方协议，每次DS18B20开始工作时都必须按照：

①初始化②ROM命令③DS18B20功能命令这样的处理顺序,这样主机才和DS18B20建立了通讯。

DS18B20温度对应二和十六进制数字转换表，可见表2-1：

表2-1DS18B20温度对应二和十六进制数字转换表

温度℃

数据输出（二进制）

数据输出（十六进制）

+125

0000011111010000

07D0h

+85

0000010101010000

0550h

+25.0625

0000000110010001

0191h

+10.125

0000000010100010

00A2h

+0.5

0000000000001000

0008h

0

0000000000000000

0000h

-0.5

1111111111111000

FFF8h

-10.125

1111111101011110

FF5Eh

-25.0625

1111111001101111

FE6Eh

-55

1111110010010000

FC90h

2.4STC89C52RC单片机

本单片机是新型的一类，和旧的51系列具有很好的兼容性，并且具有功耗低，速度快，抗干扰能力强等优点。

同时能够随意采取12时钟/机器周期和6时钟/机器周期。

主要特性如下：

1.工作电压：

5V单片机是5.5V到3.3V/3V单片机是3.8V到2.0V。

2.工作频率限度：

理论上是从0到40MHz，但在实际工作中产生的是48MHz频率可达。

3.用户应用程序空间为8K字节。

4.片上集成的是512字节的RAM。

5.ISP即在体系可编程/IAP即在操作可编程，不采用专用编程器，也不用专用的仿真器，利用串口直接下载编写的程序，时间很快，所选的串口是RXD和TXD。

6.具有EEPROM功能。

7.具有看门狗功能。

8.3个16位定时器/计数器分别是T0、T1、T2。

9.工作温度限度：

正常工业级是控制在-40～+85℃/而商用则是控制在0～75℃。

10.PDIP封装

运作时的工作模式

1.空闲模式：

典型功耗2mA。

2.正常工作形式：

典型功耗是从4mA到7mA。

3.掉电模式：

是通过外部中断唤醒，适用于燃气表，水表和其它电池供电系统和便携式设备。

我只是采用了本芯片的P3和P1端口。

其中P3端口是用来驱动我作为显示数据的5110液晶显示屏，而P1端口的部分引脚则是用来驱动半导体制冷片开始工作和风扇开始工作，选用它主要是由于能够通过程序去控制它们开始作用的时间，工作期间主要是通过移动电源给单片机供电，然后通过单片机控制各个器件协调起来。

关于STC89C52RC中各个引脚功用的说明与我所用引脚对应的位置，可见下图2-4：

图2-4STC89C52RC引脚图结构

VCC（40引脚）：

电源电压

VSS（20引脚）：

接地

P0端口即从P0.0到P0.7（39～32引脚）：

它自带的上拉电阻能起作用是在检查程序的可行与否上，而验证的过程则是会采用外面的上拉电阻去实现所需要的效果。

P1端口即P1.0到P1.7（1～8引脚）：

P1口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/0口。

P1口引脚功能图，可见下表2-2：

表2-2P1.0和P1.1引脚功能

引脚号

引脚名字

功能特性

P1.O

T2定时器/计数器2

外部计数输入，时钟输出

P1.1

T2EX定时器/计数器2

捕获/重装触发和目标控制

P2端口即P2.0到P2.7（21～28引脚）：

P2口也是带内部上拉电阻的8位双向I/0端口。

在编程使用时，它这个端口主要接受的是一些操作的信号和某些处于高位的地址。

P3端口即P3.0到P3.7（10～17引脚）：

双向的I/0功能是可以实现的，由于上拉电阻在内部。

P3口不仅可以作为正常I/0口，另有其他不同的复用功能，可见下表2-3：

表2-3P3口引脚复用功

引脚号

引脚名字

复用功能

P3.0

RXD

串行输入口

P3.1

TXD

串行输出口

P3.2

INT0

外部中断的0

P3.3

INT1

外部中断的1

P3.4

TO

定时器0外部输入

P3.5

T1

定时器1外部输入

P3.6

/WR

外部数据存储器作用写选通

P3.7

/RD

外部数据存储器作用读选通

RST（9引脚）：

复位输入。

特殊功能寄存器

定时器2是一个16位定时/计数器。

3方案设计

3.1总体设计思路

论文设计的以单片机为核心通过控制半导体制冷片来使LED灯实现散热，主要是通过STC89C52来实行软件编程，采用18B20温度传感器来检测LED的温度，通过5110液晶显示屏显示当前温度，当LED温度达到一定程度时，让半导体制冷片开始工作，但半导体制冷片工作时由于热电偶作用，需要把半导体制冷片热端的热导出去，所以在半导体工作的时候同时启动风扇工作。

当液晶显示屏上观察到LED温度降到一定温度时，通过单片机控制停止半导体制冷片以及风扇工作。

等到下一次温度再超过某一特定值时再次启动半导体制冷片和风扇工作，同时在温度达到一定值时蜂鸣器也会响应，当温度降低到设定范围是蜂鸣器随即停止响应，增加蜂鸣器主要是为了使设计的效果更直观。

本设计既起到给LED散热同时又满足节能效果，在技术发展成熟时可以用于太阳能路灯下，LED灯的散热，也可以再人们的生活中应用，使人们能够随时体

会到节约能源的重要性。

3.2方案比较与选择

3.2.1控制芯片的选择

方案一：

选择STC12C2O52为主控芯片，芯片内部自带有A/D转换（8位精度ADC）一共8路。

方案二：

选用STC89C52为主控芯片，可以外接18B20温度传感器实现A/D转换。

同时也有更多的空间去使软件的编写更丰富。

经分析STC12C2052虽然有自带A/D转换，但由于应用程序空间只有4K来说太少，最后选用应用空间较大的STC89C52最为主控芯片。

3.2.2LED灯珠的选择

方案一：

普通的LED灯珠，价格便宜。

方案二：

功率为1W的LED灯珠，时间长发热比较明显。

方案三：

功率为10W的LED灯珠，发热快效果明显，但是驱动电流太大，通过移动电源不能够达到所需电流。

经分析由于做LED散热装置，为使实验效果明显，故选用发热较为明显的1W的LED灯珠。

3.3系统原理框图

图3-1系统结构框图

3.4DS18B20的工作流程

图3-2DS18B20流程图

3.5系统软件设计

主程序编写思路：

软件采用各个模块分别设计的方式，将各个功能分成独立的部分，有输入和输出的程序同时执行。

本设计的软件包括主程序，5110显示子程序，半导体制冷片程序以及有关的DS18B20的程序。

主程序完成功能：

系统对传感器DS18B20、显示器5110进行初始化，并且读取LED当前温度的显示信息，之后当LED点亮后系统自动读取当前LED温度并比较当前温度与最高温度，最后系统分析情况执行相应功能，当一次处理完后等待系统下一次启动的命令。

当检测到LED温度高于系统设定的最高温度时，系统会半导体制冷片和风扇工作，并且会自动使LED温度降到预期值。

在单片机开发中需要硬件与软件的配合，以上已对硬件系统以及软件的选择做了一定的阐述，本系统是在KEIL软件环境中进行编程设计的。

利用KEIL我首先编写C语言的程序。

有两种方法可以改变我所编写的程序，手工转或者是机器直接转变。

现在机器汇编使用的频率较高。

机器汇编的工作流程是通过汇编软件把源程序转为机器代码。

由于技术发展的先进性，单片机中所利用的汇编语言正被人们多次利用成为一种常用的语言。

KEIL是我们最常用的一种编程软件，之所以这样利用广泛是由于它的特别在于能够把①C编译器；②宏汇编；③连接器；④库管理；⑤一个功能强大的仿真调试器等配合在一起，同时有一个系统的开发计划。

4设计调试

我在实验板上进行了实物的制作。

由于各方面条件有限，在进行实物制作时，我把1W的LED灯珠焊接到多孔板上。

并把焊接好的灯珠串联电阻，引出正负极，把正负极接到电源上检测LED灯的正常发光。

当把半导体制冷片连接到电源时，由于热电偶的作用，半导体一端为冷端一端为热端，可知半导体能起到降温的作用，然后连接风扇，风扇正常运行，可以通过风扇把半导体制冷片热端的热散发出去。

验证DS18B20是否有效，只需要用手握住它，利用手的温度观察眼见显示屏能否正常反应，即表示DS18B20反应正常并且系统能够正常显示出LED灯温度的变化。

当LED灯点亮一会的基础上，可以看到显示器上显示的温度在不断变化，从最低变到最高，即表示系统可正常显示温度的变化。

当焊接实物以及连线前期工作做完后，我就开始对设计用到的器件调试，硬件调试是通过各个模块分工进行的，当各个模块都能成功使用的前提下，进行最后的联调。

调试过程会有很多困难，其中出现了不少问题，开始时5110液晶显示屏没有任何的显示，我请教了老师和同学，最后通过他们的帮助发现单片机和液晶显示器的连线有问题，改正后终于可以正常显示了。

系统程序也是通过老师和同学的帮助之后慢慢调试整合出来的。

经过努力终于使整个系统能够正常的工作了。

5总结

经由一个多月的学习以及对学过知识的系统化和创造，我终于实现了学校要求的设计论文以及LED散热装置的的制作。

对于论文完成的经历，我深深地体会到了把理论和实际结合在一起的重要性。

在整个制作过程和论文设计中，我不仅在动手能力并且专业知识的运用都得到了很大的提高，同时，我也学习到了如何去独立思考和解决相应问题，如何灵活地改变的方法，通过不同的方案来实现设计。

通过我的毕业设计，巩固了我对专业知识的理解和记忆，而且也增强了我对新产品的开发意识，让我在这最后的大学期间得到了一次很好的而且很有意义的锻炼机会。

参考文献

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DesignofmicrocontrollerbasedcontrolLEDheatsink

Abstract:

WiththepopularizationofLEDlamps,moreandmorepeopleareawarethattheservicelifeoftheLEDlampisrestricted.Comprehensivereasonismainlythatonlytwentypercentoftheelectricityisusedforlightitself,whiletheremainingeightypercentoftheelectricalenergyisusedtoproduceheat.Iftheheatitproducescannotbetimelygivenoff,itwillcausethewafertemperaturetoohigh.ThemainreasonforreducingtheservicelifeoftheLEDisthatitcan'trealizeLEDenergysavingeffect,SomydesignisusingsemiconductorrefrigerationpiecerefrigerationtechnologytorealizeLEDheatbyLEDsinglechipmicrocomputerasthecontrolcore.Meanwhile,inordertoverifythefeasibilityofthedesign,IjoinedtheNOKIA5110LCDasthedisplaymodule.ThetemperatureofDS18B20temperaturesensorontheLEDlampwasmonitoredinrealtime,andIjoinedthebuzzerasawarningtoremindwhattimethetemperatureistoohigh.Sothesemiconductorrefrigerationpieceshouldbegintowork.Finally,becauseofthesemiconductorrefrigerationpieceofthermocouplefunction,itwillaffectthecoolingeffectofitthatitsgeneratedheatisnottimelygivenoff.SoIjoinedthefansforcoolingthesemiconductorrefrigerationpiece.AlthoughthedesignincreasesmoredevicesthantraditionalLEDlamps,comparedtotheenergyefficiencyofLED,ithasverypracticalsignificance.

Keywords:

LED;singlechip;semiconductorrefrigerationpiece;5110LCDscreen;DS18B20temperaturesensor