LED亮度自动调节专业系统设计开题报告.doc

论文题目LED亮度自动调整系统设计一、选题背景和意义LED是一个新型半导体固态光源。它是一个不需要钨丝和灯管颗粒状发光原件1。LED光源凭借环境保护、节能、寿命长、安全等众多优点在打造节能、环境保护型社会大环境下当仁不让地成为照明行业新宠。二十一世纪照明领域中，LED应用毫无疑问是最振奋人心，它将改变整个照明市场结构，很快就能得到广泛应用。LED技术本身不是一个很新东西，在很多年之前，就已开始使用LED来作仪器和设备指示灯2。伴随技术发展，芯片和材料在性能上全部有新改善和提升，使得LED亮度和寿命全部有了极大改善，从而也推进了LED更为广泛使用。一般白炽灯寿命仅仅1000小时，而LED寿命却高达50000小时，而且消耗电量要少很多。依据美国Sandia国家试验室研究，假如白光二极管能够普及应用，全世界照明用电消耗将降低503。影响白光二极管系统普及最关键问题还是它价格和亮度，现在单个白光二极管亮度还不能够照亮整个房间，其价格却是白炽灯泡10倍。伴随科技发展LED照明肯定会带来愈加明亮光线和更少能源消耗。伴随经济连续发展，中国照明用电也将连续提升，绿色节能照明越来越受到政府重视，LED照明就是在这么情形下发展起来4。据中国绿色照明工程促进项目办公室专题调查，中国照明用电每十二个月在3000亿度以上，用LED替换全部白炽灯和部分荧光灯，可节省13照明用电，相当于三峡工程整年发电量。LED还有其它很多优点，比如LED作为全固态发光体，发烧量低、耐震耐冲击、无热辐射、不易破碎、不含汞、钠等可能危害健康元素5，废弃物可回收、无污染。LED已经进入很多应用领域，包含宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等6，遍布国民经济各部门，广泛用作一般照明、车灯、景观灯、路灯照明、液晶板背光源、手机背光源、数码相机闪光灯等。二、中国外研究现实状况、发展动态 中国LED发展起步于20世纪60年代。1970年11月在上海召开全国砷化镓学术交流会议上，汇报了用水汽外延法制成“磷砷化镓红色发光二极管”研究结果，以后中国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支持下，北京大学率先研制出中国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材料和芯片生产技术，实现批量生产，成为含有自主知识产权第三种发光二极管外延材料和芯片技术路线；到上海、大连、南昌、厦门已成为国家四大半导体照明基地,中国LED照明开始了快速发展。9月，CREE成功研制出冷白光LED，效率达107 lm/W。这项结果来自于CREEEZBright LED芯片平台，得到了能源部资金资助。是能源部光子晶体芯片项目标一部分，这个项目标目标是改善光提取率和研发出新封装技术，得到比传统LED更高下转换（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流明光通量。美国波士顿Photonics Research研究中心报道了LED技术方面新进展，声称光效达成330lm/W。这种被称作photon-rectcling半导体光源可发出蓝、黄两种波长光。所发出光能使人感到是白光。这种光效，和现在市场上LED比要高10倍甚至更高。不过，应该指出，从试验室到商业化产品这条路可能还十分漫长。奥地利照明设计企业已完成一项大型试验，采取了14000只白光和彩色LED混合照明整个房间。光照水平达成600-700Lux，足够一间一般办公室照明。用计算机计算白光，蓝光，蓝/绿光，琥珀和红光二极管混合效果，以取得2500-3000K暖色温，其显色指数很靠近最好荧光灯。因为LED色彩比较丰富，所以除了大量应用于照明和背光源之外，另外一个用途就是景观照明。LED应用于古建筑景观照明，如颐和园11、城市立交桥景观照明12等。因为LED驱动电压低，控制比较灵活，结合多种驱动方法对其控制，还能够应用做路灯照明13等。在20世纪70年代，LED最早应用在数字、指示灯和文字显示等。伴随第三代半导体材料氮化镓(GAY)突破，高亮度蓝光二极管出现处理了发光二极管三原色缺色问题，根本处理了大屏幕全彩色显示问题，才有了红橙黄绿青蓝紫七种全彩，更关键是所以发明了白光半导体灯。因为白光发光二极管出现，LED开始逐步进入大家日常生活。LED从显示领域进入到照明领域最关键是发光效率大大提升，伴随发光效率201m/w以上白色LED(白炽灯发光效率通常是15m/w)出现7，白色LED灯开始成为新世纪节能照明光源。很多研究表明在本世纪前十年，LED产业仍然将会保持继续快速发展。所以，大家认为白光LED是在未来成为替换传统照明器具一大潜力商品。作为新型发光器件，LED含有效率高、体积小、环境保护、寿命长、节能等优点，能量转化效率也很高，从理论上来说，发射相同光通量耗电量大约是白炽灯108，相比荧光灯来说，LED也能够达成50节能效果9。在发达国家照明用电占发电总量百分比大约为19，在中国占10，而且中国以低效照明为主，是终端节电节能关键对象之一。因为LED产业不停涌现新技术、新产品、新应用，展现出了朝阳工业欣欣向荣景象，能够相信，半导体技术不仅不会被其它技术替换，而且会继续沿着原来轨道向前发展。半导体照明技术因为技术优异性和产品使用广泛性，已经被广泛认为是最具发展潜力高科技领域之一。半导体照明产业含有显著节能和环境保护效果，也被认为是一个战略性高技术产业。自适应调光技术中国外研究现实状况：人眼对光线感受是非线性，所以将亮度级降低10以上人却觉察不到亮度改变，这么就能够节省快要10电能。假如将调光等级降低50，就能够节省约40电能。假如采取智能调光就能够将灯亮度逐步调到预设等级。白炽灯没措施达成这个要求，是因为冷灯丝会受到热冲击。将灯亮度逐步调到设定等级，不仅节省了电能而且还会极大地延长灯使用寿命。使用10调光等级就能够将灯使用寿命延长2倍，而50调光等级将能够延长使用寿命20倍。三、研究内容及可行性分析 1.方案论证和比较 （一）控制部分方案论证和选择 方案一：采取89S52作为控制关键。51单片机含有主频12M,三十二个I/O引脚，8K flash程序存放空间，256 byte RAM , 三个定时、计数器，五个中止源，且价格低廉，C语言程序编写轻易，控制方便。方案二：采取FPGA（现场可编程门阵列）作为系统控制器。FPGA能够实现多种复杂逻辑功效，规模大，密度高。因为其集成度高，使其成本偏高，同时其芯片引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接工作。 方案三：采取ARM7芯片LPC2148，含有512K flash程序存放空间、主频达48M、三个定时器、四个外部中止、内部RTC、采取三级流水线模式运行程序，拥有I2C、SPI、UART等通信接口。同时其芯片引脚也较多，不便控制。且价格较贵。方案选择：本系统能够采取89S52 、FPGA、ARM三种控制器。ARM比89S52单片机含有更强大控制功效、愈加快运行速度，可愈加快捷地进行高精度测量，但本设计运行速度要求不高，89S52就能满足所需要功效。所以综合考虑选择89S52作为控制部件。 （二）模数转换 方案一：采取V/F变换电路该方案是使用压频变换器件，把电压信号转化为频率信号，单片机经过计数取得重物重量，此方案，可不用A/D芯片，但需要比较复杂小信号放大、调理电路，而且V/F变换外围电路较繁琐，参数配置相对严格，故未采取。方案二：选择高精度并行ADC芯片此方案经小信号放大、调理电路，进行A/D转换，经A/D转换信号直接连接单片机，但价格高，通常适适用于高速测量中，故此方案未采取。方案三：选择高精度串行ADC芯片此方案经小信号放大、调理电路，进行A/D转换，经A/D转换数字信号经过串行方法送到单片机，价格低，在低速测量中广泛使用，故采取此方案。为了实现量程自动转换功效和满足误差要求，采取24位串行A/D转换器HX711，该转换器内部带可编程增益放大电路，是数字电子秤专用芯片之一。 （三）数据显示模块方案选型 显示部分采取LCD1602液晶显示模块，液晶显示模块含有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，现在字符型液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常见信息显示器件。 2.模块组成 根据设计功效和性能要求，系统由5个部分组成：控制器部分、光信息采集部分、LED光源亮度调整驱动部分、AD转换部分、电路电源部分，系统设计总体方案框图图1： 图1 模块框图 3.系统方案3.1 关键处理单元模块（主控模块）信心处理单元模块由单片机最小系统组成。该部分电路是整个系统关键部分，接收背景亮度监测电路采集电信号，经过合适信息处理，输出到LED亮度调整驱动模块，调整LED亮度。3.2 光信息采集及转换模块 该部分由光敏传感器和A/D转换芯片组成。该背景亮度监测模块作为整个系统输入部分，用于采集外部光照信号，并将其转换为单片机能够处理电信号。3.3 电源模块该部分电路是整个系统能源供给部分，利用L7805稳压芯片，为系统提供工作所需5V直流稳压电源。3.4 LED光源亮度调整驱动模块 该电路作为此次设计输出显示模块，用于调整LED亮度，由三极管和16个LED组成。四、论文拟处理关键问题及难点 1.关键问题（1）整体硬件电路设计，是以STC89C52单片机为关键。利用仅有I/O线外接功效按键、led灯和A/D转换接口电路。怎样合理进行单片机资源分配是一个比较关键问题，本系统很好得处理了这个问题。（2）软件要很好地实现，依据音符来确定亮哪组灯、亮几盏灯，AD采集到数据需要比较正确。2.难点（1）软件整体计划；（2）A/D转换正确度；（3）实现手动/自动切换控制系统。五、研究方法和技术路线 研究方法：模块化设计思想，分部完成各电路设计及调试工作，认真做好每一个步骤。最终将各模块整合，经过在不一样环境下数次试验，找出缺点，进行完善以确保最终结果可靠性和实用性。技术路线： （1）研究LED调控亮度及A/D转换原理，经过各部分设计电路比较及论证，找出最好实现方案； （2）硬件电路板制作。为确保系统性能稳定及测试数据正确，同时该仪器也要含有体积小、质量轻、便携式特点，所以硬件组准备采取印制电路板制作。六、论文进度安排1.7月-8月：经过网络、图书馆、学过书本搜集材料2.9月： 完成开题汇报，文件综述；3.10月-12月底：完成PCB板，原理图，完成软件设计，并能调试正确；4.1月-2月底：完成PCB板制作，元器件焊接，硬件调试和软件调试；5.3月： 完成毕业设计作品及毕业设计论文；6.3月底： 指导老师修改审批论文；7.4月： 准备毕业答辩。七参考文件1李兵. 国外照明技术发展. 光源和照明, (4):36-372易安.半导体照明二十一世纪节能新光源J.中国创业投资和高科技,32(1):32-333张巨芳.第四代新光源LED.安徽电子信息职业技术学院学报,5尉广军,郝永生,姚义.单片机系统中复位电路可靠性分析和设计J.仪器仪表学报S2期6刘凤格.MCS-51单片机时钟电路J.菏泽师范专科学校学报,02期7何立民.单片机应用技术选编. 北京航空航天大学出版社.:241-2458刘虹. 绿色照明概论. 中国电力出版社，-01:212-2189王占庆,毛兴武.交流电源供电大电流LED驱动电路.中国照明电器.10金永镐. 基于总线模式交通灯控制系统设计J. 信息化纵横， ,0811周志敏等.应用电路.电磁兼容.PCB布线.北京：电子工业出版社,12Neuron Chip Data Book，Echelon Corporation，1995-02:19-2113Colm Slattery, Mariah Nie. A Reference Design for High-Performance,Low-Cost WeighScalesJ. Analog device,39(12):134-143八、指导老师意见 准备较充足，方案合理可行，同意开题。署名： 汪晓东 年12 月20 日九、开题审查小组意见 该同学研究方案切实可行，进度安排合理，同意开题。 开题审查小组组长署名： 汪晓东 年 12月 20 日