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基于LabvIEW的LED驱动仿真
1.1 太阳光模拟器1
1.2 AM1.51
1.3 光源现状 1
2.1 太阳光对应LED4
2.2AM1.5标准4
2.3 LED驱动方式、控制方式5
3.1 设计目的6
3.2设计流程6
3.3 仿真方法9
3.3.1 LabvIEW的特点9
3.3.2本文设计所用到的功能10
4.2 不同电压驱动控制方式下系统所输出波长的控制功能实现12
4.3 不同条件下的输出结果13
1 引言
1.1 太阳光模拟器
在太阳能使用领域里,作为衡量太阳能转换器件的转换性能,规则上必须用含有一定标准光谱强度和分布的光源作为标准测试光源,这种光源即称为太阳模拟器。
目前中小型光伏器件的测验方式一般采用和标准光谱分布存在很大差异的碳弧灯或者是卤钨灯,没有比较合适的用于测试和试验用的光源。
所以在太阳模拟器领域里中、小型太阳能光伏组件的研发、生产、测试等一般处于没有标准的零乱状态。
所以当前的需求特别有必要、而且必须加快的研究和制造出一种小型的太阳模拟器,这必须是达到一定的标准、廉价又高效。
1.2 AM1.5
AM1.5是作为地面使用薄膜型光伏组件设计和定型(GB/T18911-2002)的测试标准。
同时也是一般非晶硅光电池电特性的规定测试基准。
AM的意思是air-mass(大气质量)定义是:
Path-lengththrough theatmosphere relativeto vertical thickness ofthe atmosphere,定义就是光线通过大气层的实际直线距离比上大气的垂直厚度,而AM1.5就是光线通过大气的实际距离与大气垂直厚度的比值为1.5的比值。
AM还有两个比较重要的参数,1000W/m2:
是标准测量太阳能电池光线的辐照强度。
25ºC:
就是在25ºC的工作温度下。
太阳电池效率会随温度升高而递减,在使用的时候温度会随之升高,再通过温度系数就可以计算出它工作时的输出功率电和压电流等相关数据。
1.3 光源现状
在目前比较常用的光源中,白炽灯和碘钨灯的原理比较相近,存在不同的地方是碘钨灯内部冲入一定量碘蒸气,碘蒸气具有一个特性,在标准温度下,低温的时候易与钨化和,在高温的状态下与其产生分解反应,因此,就把位于灯管内部已经升华了的钨化和掉,再在灯丝上进行分解,这就能使得灯丝不会由于温度过高造成烧毁。
缺点:
第一:
由于碘蒸发出来的碘蒸气是紫红色的,会对碘钨灯的亮度和发光效率产生一定的影响
第二:
正常工作环境下碘钨灯的玻壳内部会形成气体对流,局部地点的温度存在着可能降低到不足以维持碘钨内部循环反应进行的最低温度,其结果会导致玻壳的局部发黑。
第三:
在使用的过程中管型的碘钨灯水平放置一定要用溴代替硫而且要放的很平,当倾斜度超过4摄氏度时,会大大的减少灯的使用寿命。
在实际使用过程中溴钨灯在一定的程度上可以克服上述不足点,因为溴钨循环特性与碘钨循环存在很多地方是相似的,不足的一点是溴的化学特性比碘更容易发生反应。
所以充溴的数量在溴钨灯一定要严格的控制,一旦稍微的超过就会在温度较低处局部产生腐蚀反应损坏溴钨灯。
通过实验表明,往溴里加入氢能起到缓和化学活性的作用,当把溴的碳氢化合物或溴化氢按一定量充进灯内部,会减轻灯内金属零件的腐蚀效率。
当溴化氢在标准温度150~100℃的玻壳壁温下溴钨灯会进行正常的溴钨循环,有了这个特性可以用来研发生产制作大功率且具有高光效的电光源。
还有个优点是溴对玻壳壁清洁的效果相对于碘来说效果明显好很多,这个优点基本解决了玻壳发黑的问题。
溴化氢物理性质为无色透明的气体,对于可见光没有吸收的作用,同物理条件下单位时间内比碘钨灯的发光效率高。
与碘钨灯相比溴钨灯里产生的对流气体响到灯的寿命程度不大,实际使用时也不用像碘钨灯那样必须要水平放置。
在现代的很多岗位上,溴钨灯的使用基本取代了碘钨灯。
用溴钨灯作为发光体的光源在形状特征上呈现多种多样的状态,有点状、线状,而且当溴钨灯呈面状点状的时候工作温度和发光效率相比点状、线状更高,在很多方面上具有广泛的应用,如光学仪器、电影放映、光刻等等。
白丝灯从1879年问世到现如今,灯已经和人结下了不解的缘分。
随着科学技术的发展、社会的进步、人们生活指数不断提高的现代,基于电的光源中新灯辈出,不可或缺的在人们的生活中大放光彩。
碘钨灯的优点:
碘钨灯与普通白丝灯相对比,基于它的化学特性极大的减少了内部钨的蒸发量,使用寿命进而得到了延长,同时也提高了碘钨灯发光效率和工作温度。
标准的碘钨灯使用寿命为1600小时而普通白炽灯的平均使用寿命是1100个小时,当它们的发光效率各提高20%时从个子老看,碘钨灯高是普通白炽灯一半高度,同是200瓦的家用灯泡,碘钨灯的整体体积只有白炽灯的2%因为玻壳充进了一定比例的碘气和惰性气体,充气的压力最高达到了1.4~11个大气压,整体来看不仅小而已很结实.
按照使用途径的不同,碘钨灯有以下几种:
加热干燥用来汽车、食品、中药等加热干燥,因为碘钨灯能发出很多肉眼看不见的红外线,红外线具有高热效率特点。
合适用作于大型场所如:
火车车站、体育馆、公园、地铁等公众场合处的照明。
因为有的碘钨灯发光功率很大,可以辐照出比较可观的光能。
有的是新闻摄影、彩色照相制版,以及电影、放映的光源,是它的主要优点。
在电视传媒界也能用碘钨灯如:
电影的摄影、电影院的播放光源、制作彩色相机制版。
利用的是其体积小、重量轻而已功率高等特点。
在交通车辆照明中有几个是必备的特性要求,光效高、亮度大、结构紧凑,碘钨灯作为光源都具备这样的特性,所以在汽车领域里特别是家用小轿车上的主前灯,都逐步改用碘钨灯作为光源。
碘钨灯是很普遍常见的,其有的体型犹如钢笔一样的细长身材。
主体由石英管制作而成,1700℃的软化点的特性,即使在高温的环境和状态下也能安全正常的使用,另一个特点是在灯丝上面等距离的用一个托着灯丝,为了使其导电和不漏气在灯的两端的长方形扁块是用支撑圈封接的。
往椭球形石英泡形状内的壳里充入0.018~0.0250MPa高压氙气、使其极间距离小于10mm的灯,就是氙灯。
按其使用特点氙灯可分3大类,自然冷却对应着功率比较小的灯、风冷对应着功率在2500~4500W的灯、水冷对应着功率比较大的灯。
特点:
①同条件下辐射出来的光谱能量分布与日光十分接近,色温大约为5500K。
②连续光谱部分的光谱分布基本与灯输入功率变化没有关系,在寿命期内光谱能量分布也是一成不变的。
③由于灯的光、电参数比较稳定,当外界条件变化时工作状态受波及很小。
④一旦灯被点燃,接近于瞬时就是可以达到稳定的光输出;灯灭后,可瞬时再燃点
2 原理
2.1 太阳光对应LED
根据AM1.5标准研发设计太阳模拟器的,将400~1100nm波段分为400~650nm、650~750nm、750~950nm、950~1100nm四个波段分别进行模拟。
对于模拟400~650nm的波段,选取“紫外光LED芯片+三基色荧光粉”发白光的LED作为子光源,因为紫外光在配色的过程中是没有作用的,所以对于配出来的白光,紫外光LED的强度和波长的波动是不会产生任何影响,这一点是其他可见光光源封装成的白色光源没有的特性。
且此单个LED就能发出这种紫外光,所以会减少热量过度产生,单能源的利用率很高。
选择的标准是白光LED在400~500nm、500~550nm、550~650nm标准的辐照度分布尽量接近18.6∶20.2∶18.2,即AM1.5标准光谱辐照度在此波段内的相对分布。
对于辐照度不够的波段,通过增加单色LED进行补偿。
通过对二十几个厂家的近40种白光LED进行测量,最终采用了杭州友旺电子有限公司的PWH01NBT—12—B2B型号的白光LED(其在400~500nm、500~600nm、600~700nm、700~800nm波段辐照度之比18.5∶20.03∶12.89∶0.73在600~700nm、700~800nm、800~900nm、900~1100nm波段则分别采用了中心波长为660nm、740nm、850nm和940nm的单色LED。
2.2AM1.5标准
衡量太阳模拟器模拟太阳光相似程度的指标中太阳光谱辐射分布的匹配程度是不可或缺的条件之一。
太阳谱总辐射一般分为AM0标准太阳光谱、AM1.5标准太阳光谱总辐射等两种。
现如今光伏研发中的太阳模拟器一般采用AM1.5标准,在研发太阳模拟器过程中光谱辐照分布应该匹配AM1.5标准下的太阳光光谱辐照分布。
表2-1为AM1.0条件与AM1.5条件下标准光谱辐照度相对分布。
表2-1 标准光谱辐照度相对分布
波长间隔(um)
占有效波段总辐照度的百分比
波长间隔(um)
占有效波段总辐照度的百分比
AM0条件
AM1.5条件
AM0条件
AM1.5条件
0.3-0.4
9.4
-
0.7-0.8
12.8
14.8
0.4-0.5
18.5
18.5
0.8-0.9
10.2
12.2
0.5-0.6
18.6
20.1
0.9-1.1
14.7
16.1
0.6-0.7
15.8
15.8
注:
AM有效波段为0.3~1.1AM1.5有效波段为0.4~1.1
对于连续的太阳光谱,其模拟仿真需要用到多个不同辐射波长的光源。
当前的发展趋势是用LED灯作为单光源。
为形成太阳模拟器,需要对各LED进行控制,以驱动其产生不同的标称波长。
2.3 LED驱动方式、控制方式
当前,LED驱动方式主要分为3种:
通过增大电阻从而达到降压的驱动方式,线性稳压/恒流电源驱动方式,电荷泵驱动方式,DC-DC转换驱动方式。
通过增大电阻从而达到降压的驱动方式的LED驱动电路制作工艺简单、操作容易。
LED是电流控制型器件,作为使用电阻限制LED的电流是比较简单的方法这是因为它导通压降相对较低。
但是,该电阻消耗功率相对较大,电路效率也较低,这驱动的方式任何保护功能都不具备。
电流输出型电荷泵驱动电路输出恒定电流,电荷泵电路相对于其他驱动电路的优势,其中最大优势莫属不需要使用任何电感元件,它主要的优点一共有4个:
①成本低②噪声低③辐射EMI小④控制能力强。
为了实现LED的驱动,须设计驱动算法,实现电压可调。
可调方式包括两种:
既可实现连续可调,又可通过一定的初始设置实现固定值调节。
3 实验与仿真
本文目的在于基于Labview设计控制单个LED的驱动电压程序,这是设计多个LED发光光源以模拟太阳光的基础。
本节从设计目的、设计流程和仿真方法三方面进行了论述。
3.1 设计目的
1.了解LabVIEW控制LED发光的编程环境。
2.掌握LabVIEW的操作驱动电压的方法,根据表3-13种LED电压和发光波长关系表编制基于Labview设计控制单个的驱动电压程序。
3.建立程序运行每一步的过程子程序。
表3-1 3种LED的正常电压、阈值电压和发光波长
种类
U/V
β/nm
正常电压
阈值电压
红光
2.50
1.58
622-660
蓝光
2.74
2.51
443-478
绿光
3.14
2.75
520-535
3.2设计流程
本文控制程序主要步骤如图所示。
a
第一步:
首先对待控制信号进行初始化,程序入口开始,如图3-1所示。
图3-1 程序入口图
第二步:
进入while循环,整个程序将在while循环进行,程序主体开始,如图3-2所示。
图3-2 while循环开始
第三步:
while控制信号进行初始化,设置输入控件、赋初始值,如图3-3所示。
图3-3 while赋初始值
第四步:
创建数据处理数组、LED显示控件、延时程序、判断电压值返回布尔值执行下一步,当大于2.74是返回真、大于1.58是LED显示控件被激活,如图3-4所示。
图3-4 判断电压值返回布尔值
第五步:
当第四步返回为“真”时,第一个条件判断程序开始,本程序需要建立两个程序,第一个创建判断电压生成波长程序,生成电压对应波长数据,第二个创建LDE显示控件、RGB颜色显示转换控件、捆绑控件程序,生成颜色数据,如图3-5所示。
图3-5 处理颜色、波长数据
第六步:
创建波形图表、捆绑控件,第五步得到的数据与电压值进行捆绑,传给波形图表,波形图表显示处理,如图3-6所示。
图3-6 XY图显示数据
第七步:
重新返回while循环结构入口处,信号进行重新初始化自累加0.02V,如图3-7所示。
图3-7 返回while初始值自加
第八步:
判断电压值返回布尔值执行下一步,当大于2.74是返回真、大于1.58是LED显示控件被激活,如图3-8所示。
图3-8 判断电压进入条件结构
第九步:
当第八步返回“假”时,第二个条件判断程序开始,本程序需要建立两个程序,第一个创建判断电压生成波长程序,生成电压对应波长数据,第二个创建LDE显示控件、RGB颜色显示转换控件、捆绑控件程序,生成颜色数据。
第十步:
同上
第十一步:
当电压大于3.24V时程序结束,程序出口,如图3-9所示。
图3-9 程序出口结束
3.3 仿真方法
Labview平台,用一些功能构建框图、局部仿真、优化与输出
3.3.1 LabvIEW的特点
Labview是一个功能很强大的开发工具,可以与硬件配合通过可视化编程完成一个复杂系统的开发,相对于硬件一出厂就不能随意更改开发而言Labvi更能自定义通过前面板的设计想要的界面
LABVIEW的应用领域
测试测量:
LabvIEW在测试测量的应用是最广泛的,因为起初的LabvIEW是为解决数据的测试和测量而开发的,LabvIEW的易于开发、入门简单、功能的强大等特性获得了肯定的认可。
现如今,却大多数的硬件仪器、数据处理仪器都带有非常成熟的驱动程序,如果使用LabvIEW开发一个程序来控制这些设备是很容易的,不仅仅是有成熟驱动程序还有测试各个领域的开发工具包,这些工具几乎满足了绝大多数用户的需求,用户可以通过这些简单的工具包开发自己想要的测试测量软件,只需要简单的几个工具和几天简单易懂的循环语句,就可以开发出一个强大的应用软件。
控制领域:
LabvIEw在控制领域仅次与测试测量领域,两个的关联度是特别高的,对于一般的设备相对应的也有驱动程序数据线等,使用LabviEW可以利用内置的控件很方便的定制的编程出各种的程序。
其中有个模块---LabVIEWDSC,是专门为控制领域而开发的一个模块。
仿真领域:
Labview和c++类似包含了数学运算涉及到的函数包大全,特别是在通过模拟、仿真等设计出模拟仿真系统时运用需要运用到的运算函数包非常的丰富,在制作一件事可以通过模拟仿真来做好数据的分析和采样计算,减少开发成本和时间,极大地验证了设计的效果性和合理性,在教学领域中通过模拟可以达到实践的目的,丰富教学工作的实践性。
儿童教育:
因为LabvIEW是可视化编程,其极易开发的外观、自定义性等优点极大的满足了儿童的兴趣爱好,所以成为一个很受儿童欢迎的高级编程工具,对于孩子来说用Labview来编程就像在玩积木游戏,这一切就是这么简单,通过拖控件可以完成各种玩具的模型、变形金刚等机器人的搭建,再用Labview通过简单的编程控制行为进而生成程序。
有利于儿童智力的开发,同时也是能养成一定的思维逻辑。
快速开发性:
一般开发同一个功能的应用软件,在熟练程度一样的前提之下Labview程序员需要的时间是一个java程序员的1/5左右,因此在项目时间比较紧急的情况下应该优先选择labview进行项目的部署和开发。
跨平台性:
Labview在跨平台特性上可以和java一比,完美的运行环境造就了对平台的兼容性完美性,Labview做出来的软件无需任何的修改就可以运行在3大操作系统上,同时也兼容了各种实时操作系统和嵌入式硬件设备
3.3.2本文设计所用到的功能
结构:
while循环、条件结构 数组:
创建数组、数组子集
定时:
等待 数值:
加、减、乘、除
信号处理:
波形处理 类与变体:
捆绑
转换vi和函数:
RGB至颜色转换VI控件:
颜色、LED、数据常量。
波形:
XY图像表
4 结果与讨论
4.1 所设计的操作界面
图4-1 操作界面
在此界面中,包含电压输入控件,在此通过输入某个电压值,而实现出入电压的初始化;包含LED灯现实是空间,实现不同电压值下的LED发光颜色的变化;包含XY图空间,实现电压和波长对应显示关系,电压以V为单位、波长以nm为单位。
4.2 不同电压驱动控制方式下系统所输出波长的控制功能实现
图4-2 逻辑框图
4.3 不同条件下的输出结果
假设:
调节电压使得LED输出波长连续变化。
因此可实现不同波段的配光。
不同电压下的输出波长
当电压为1.4-1.58V时,没达到LED的驱动电压,LED不亮波长为0,如图4-3所示。
图4-3 电压为1.4--1.58V
当电压为1.58--2.50V时达到了LED的驱动电压,LED发红光,波长从622nm连续增加到660nm,如图4-4所示。
图4-4 电压为1.58--2.5V
当电压为2.50--2.74V时达到了LED的驱动电压,LED发蓝光,波长从443nm连续渐变到478nm,如图4-5所示。
图4-5 电压为2.50--2.74V
当电压为2.74--3.24时达到了LED的驱动电压,LED发绿光,波长从520nm连续渐变到535nm,如图4-6所示。
图4-6 电压为2.74--3.24V
5 结束语
1、本文基于Labview设计了不同颜色的LED驱动模块。
通过考虑不同驱动电压下LED发光颜色、强度和光的波长,实现了不同颜色LED其波长连续可调。
2、此模块通过改变初始参数,可推广到任意LED驱动。
据此,可通过通用芯片,实现硬件的控制,最终在LED太阳模拟器中,随着配光质量的变化而实现辐射波长可调。
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致 谢
时光荏苒,岁月流逝。
记忆的雪花翩翩起舞,在我的脑海中飞来飞去。
在这个即将毕业的季节,我感慨万千,尤其在毕业设计的过程中,遇到困难和解决困难的过程在我心中刻下了深深地印记。
这次论文是在尊敬的导师赖伟东老师的亲切关怀和认真负责地指导下进行的。
他严谨的教学精神,精益求精的作风,给我留下了深刻的印象。
从论文题目的选择到毕业论文的完成,赖老师在精神上和理论上给了我很大的支持。
赖老师总会时刻关心我论文的进展,并给与宝贵的建议,给我很大的帮助与启迪,在此向赖老师致以诚挚的谢意。
感谢与我并肩作战的同学们,在生活上,心理上都给了我莫大的支持。
感谢王紫义同学在理论和软件学习方面给予的支持。
感谢我美丽的大学河北大学工商学院四年来为我提供的良好的学习环境,在学校教师认真负责的教学中,我学到了很多宝贵的专业知识。
同样感谢我的学校给我提供了做毕业设计的实验教室和各种器材以及图书馆的丰富资料。
在毕业论文设计过程中,感到了合作的重要性,与同学在技术,生活各方面相互交流,对双方有很大益处。
我和杜霖元同学在同一个实验室做毕业设计的硬件制作部分,相互探讨问题,很多问题都迎刃而解了。
在准备论文期间,始终感受着导师的精心指导和无私的关怀,我受益匪浅。
时间过得很快,我会记住在毕业设计过程中的点点滴滴,这都是我美好的回忆和人生旅途中的宝贵的财富。
最后再次深深地感谢在本次毕业设计中指导帮助我的所有人,谢谢大家。
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