1、2LED 节能灯设计与智能亮度控制的开发摘要：目前世界各国都在政府的大力资助下加快推进 LED 节能灯取代传统照明灯的步伐。从 1998 年发白光的 LED 开发成功，仅十几年时间，市场上已有白光 LED 的手电筒、在矿上有白光 LED 的矿灯,不仅亮度好,而且节电。虽然家用 LED 节能灯目前还没有上市,而且目前只能生产小功率的灯泡,且价位还较高,普通家庭还难以接受。但随着半导体材料及工艺技术的进步,LED家用节能灯的性能会很快进入市场,价格也会不断地下降,它将逐步地进入千家万户,给您带来节电、明亮的新的光源。为了推动 LED 节能灯的发展，我将用25 颗散光型白色高亮度 LED 组装一枚节
2、能灯，以确定 LED 节能灯取代传统照明灯的可行性。为了更加节能环保，我将结合智能开发系统，根据光线的强度、红外和温度变化，来实现此节能灯的自动开关、自动调节亮度。我采用单片机C8051F020 为系统控制核心，安装了光强传感器，红外无线感应器，采用DS18B20 为温度传感器，使系统具有光强、温度、红外 3 种感应开关控制 LED节能灯，再加上过压、过流保护措施，进一步提高节能效率并保证照明系统的正常工作。此外，系统还使用液晶实现 LED 照明工作信息的外部显示。该系统可应用于如楼道照明、工作照明、设备照明等很多场合。关键词：LED 节能灯 自动控制 光强 温度 红外一、LED 节能灯简介1
3、、LED 发光原理LED 俗称发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是 利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。2、LED 的发展 上 个 世 纪 60 年 代 ， 科 技 工 作 者 利 用 半 导 体 PN 结 发 光 的 原 理 ， 研 制 成 了LED 发 光 二 极 管 。 当 时 研 制 的 LED， 所 用 的 材 料 是 GaASP， 其 发 光 颜 色 为 红色 。 经 过 近 30 年 的 发 展 ， 现 在 大 家 十 分 熟 悉 的 LED， 已 能 发 出 红 、 橙 、
4、 黄 、绿 、 蓝 等 多 种 色 光 。最 初 LED 仅 用 作 仪 器 仪 表 的 指 示 光 源 ， 后 来 各 种 光 色 的 LED 在 交 通 信号 灯 和 大 面 积 显 示 屏 中 得 到 了 广 泛 应 用 ， 产 生 了 很 好 的 经 济 效 益 和 社 会 效 益 。3通 常 LED 能 直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光，但 对 于 一 般照 明 而 言 ， 人 们 更 需 要 白 色 的 光 源 。经 过 多 年 研 究 ， 人 们 在 1998 年 发 白 光 的 LED 开 发 成 功 。 这 种 LED 是 将GAN 芯 片 和 YAG（ 钇 铝
5、石 榴 石 ） 封 装 在 一 起 做 成 的 。 芯 片 GAN 发 蓝 光 ， 高 温烧 结 制 成 的 YAG 荧 光 粉 受 此 蓝 光 激 发 后 发 出 黄 色 光 射 ， 峰 值 达 550nm。 蓝光 LED 基 片 安 装 在 碗 形 反 射 腔 中 ， 覆 盖 以 混 有 YAG 的 树 脂 薄 层 ， 约 200-500nm。 LED 基 片 发 出 的 蓝 光 部 分 被 荧 光 粉 吸 收 ， 另 一 部 分 蓝 光 与 荧 光 粉 发出 的 黄 光 混 合 ， 最 终 可 以 得 到 得 白 光 。 现 在 ， 对 于 白 色 LED， 通 过 改 变YAG 荧 光
6、 粉 的 化 学 组 成 和 调 节 荧 光 粉 层 的 厚 度 ， 可 以 获 得 色 温 在 3500-10000K 的 各 色 白 光 。 这 种 通 过 蓝 光 LED 得 到 白 光 的 方 法 ， 构 造 简 单 、 成 本低 廉 、 技 术 成 熟 度 高 ， 因 此 运 用 最 多 。 然 而 照 明 需 用 的 白 色 光 LED 仅 在 近 年 才 快 速 发 展 起 来 ， 目前白色 LED 发光效率已经突破 120LM/W，是白炽灯 15LM/W 的 8 倍，是荧光灯 50LM/W 的 2 倍多。LED 的光谱中没有紫外线和红外线成分，所以不会发热，不产生有害辐射。而且
7、 LED 的光通量半衰期大于 5 万小时，可以正常使用 20 年，器件寿命一般都在 10 万小时以上，是荧光灯寿命的 10 倍，是白炽灯的 100 倍，所以基本不会损坏，这种灯具具有非常好的节能长寿命特性，随着白色 LED 价格的不断降低，LED 节能灯不但在节日彩灯装饰中广泛应用，而且逐步延伸到路面照明、民用照明等低照度要求的领域，全面进入实用化，并且在环保方面废弃物可以回收，没有荧光灯的贡污染问题，是国家重点发展的产业项目。发 展 空 间 无 限 ， 市 场价 值 巨 大 。3、研发意义及背景 LED 灯相对于其他光源有寿命长、发光效率提高空间大的优势，并且 LED 灯由于采用物理 P-N
8、 结的冷发光原理，使得 LED 节能灯灯转化效率高，发光效率从 2002 年的 25 流明/瓦提高到 2007 年 75 流明/瓦，而发光成本将从 2002的 200 美元/千流明降低到 2007 年的 20 美元/千流明、最重要的是 LED 节能灯不存在汞灯污染源，被誉为绿色环保的照明能源，符合当今世界主题。目前LED 节能灯最高发光率为 200 流明/瓦，其寿命理论值达到 10 万小时，远远高于其他光源产品。是未来世界必用主流产品。目前世界各国都在政府的大力资助下加快推进 LED 节能灯取代传统照明灯的步伐、日本、美国、欧盟、韩国、中国台湾和中国政府都制定了相应的发展计划。 中国为节约能源
9、、实现经济和社会的可持续发展，于 2007 年 6 月 3 日制定节能减排综合性工作方案半导体照明产业顺应了节能减排的宏观政策。从2005 年开始科技部批准了大连、厦门、上海、南昌、深圳等五个半导体照明产 业基地，之后在 2007 年和 2008 年相继批准石家庄、扬州等两个半导体照明产业基地，在政策、税收和资金上给予长期支持。4LED 节能灯在 2007 年开始渗透进入白炽灯照明市场、预计在 2012 年进入荧光灯照明市场，从而大量取代白炽灯和荧光灯。但目前 LED 路灯市场中，应用 LED 灯的比例很少，存在很大的替代空间，目前路灯在全球未来景观照明和通用照明的 LED 市场增长速度最快，
10、预计景观照明 LED 市场份额将从 03 年的2%增加到 08 年的 8%。04 年通用照明 LED 的销售额是 9400 万美元，到 2010年将增长到 8.75 亿美元，年增长率将达 52.3%，届时 LED 节能灯将在全球 120亿美元至 140 亿美元的照明市场占据重要的位置。二、LED 节能灯的制作1、元器件：（1）25 颗散光型白色高亮度 LED（2）塑料外壳、罗口灯座、均光板各一块（3）400V/0.33UF 降压电容一个（4）100V/4.7UF 滤波电容一个（5）集成整流桥一个（6）1M 高压泄放电阻一个（7）100 欧姆限流保护电阻一个（8）电源板 PCB 一片（9）LED
11、 灯板 PCB 一片2、 制作过程 绘制电源 PCB 板电路图 ：3、 焊接成品（1）首先可以焊接 LED 灯板部分，制作前先用绘图橡皮将 LED 的所有焊盘仔细擦磨一遍，这样可以清除 PCB 上的氧化层，确保焊接可靠！将白色 LED 按照 PCB 上标注的极性仔细插入 PCB，注意：引脚长的那根脚插入 PCB 上标有“”的孔中，千万不能插反！如图：5（2）在焊接 LED 时请一定要选用不漏电的 30W 尖头电烙铁焊接，可以先焊好 LED 的一个引脚观察 LED 的位置，如果不正可以融化焊锡时扶正，确认位置正确后焊接另一个引脚。焊接要干脆果断，可以先焊接内圈的 LED，再焊接外圈的 LED，焊
12、接时间不能过长，应控制在 2 秒以内，否则 LED 有可能被焊坏！我们特地多提供了一颗 LED，就是防止意外损坏时可以替换。（3）焊接完成后从 LED 灯板上的 A、B 处用软导线引出，然后请仔细检查是否有虚焊？是否有桥搭短路？LED 是否在同一平面上？是否有多余的焊锡球散落在 PCB 上？完成后图：（4）根据电源 PCB 板电路图焊接整流桥和 4.7UF/100V 的滤波电容，注意：电解电容、整流桥是有极性的，一定要按照我们图片的方向进行焊接。 （PCB 正面白色的丝印 V+ V-是错误的，请不要被误导）焊接完成后将电源板的 A、B 两处焊盘用绝缘软导线焊接好 LED 灯板的 A、B 两处焊
13、盘。如图：（5）从电源板上标有“交流入”的两处焊盘处引出两根软线，一根和外壳焊接，另一根和中心电极焊接，焊接点如上图红色箭头位置。最后热溶胶分别固定罗口灯座、电源板、LED 灯板和均光板，防止晃动和意外短路。如图： 6（6）做好的 LED 灯不但很轻不容易摔坏，如图所示：4、制作注意事项：（1）请仔细多次核对后通电试验，注意人身安全，谨防触电！（2）因为这款灯的 LED 数量众多，很容易因为其中一个 LED 损坏或者 LED 管脚和 PCB 焊接不良造成全部不亮，所以制作成功的关键还是在焊接 LED 时务必认真仔细！（3）用万用表直流 250V 电压档排查每个 LED 两端的电压，如果发现某个
14、LED 两端的电压异常大，可能出现了开路（如 LED 装反、LED 管芯开路、LED 焊盘齐根处 PCB 短路、LED 虚焊等），此时最有效的办法就是用直流电压试通电点亮 LED 测试，先彻底断开交流电源！然后如用 10V 左右的直流电压，4 个 LED串连后通电测试，可以快速判断出故障。5、最容易出现的错误：（1）LED 引脚和 PCB 接触不良 （2）LED 被插反极性 （3）LED 焊接时间过长损坏 （4）电阻或者其他元件接错。7三、智能亮度控制系统的开发1、总体设计方案本智能亮度控制采用单片机是 C8051F020，为实现 LED 照明灯的自动测控，我采用了以下整体框架。如图所示：整个
15、系统的设计分硬件设计和软件设计，硬件设计又可分为供电驱动模块、自动测控与显示模块 3 部分。供电驱动模块实现的过程为：1224 V 的直流供电输入，经过过压保护电路后向 SN3350 芯片构成的 LED 驱动电路提供安全电压，驱动电路驱动 LED 照明灯正常工作。自动测控与显示模块主要包括光强传感器、温度传感器、红外无线传感器和液晶显示器。光强传感器采用了硅光电池和集成运放组成光电转换电路，将环境中光照强度转换为电压信号，经过单片机的 AD 转换，依据实测电压和光照的关系曲线，将相应电压值转化为照度并经由 LCD1602 液晶显示；温度传感器采用了 DS18B20 芯片电路，将实时的环境温度转
16、换为电信号传递给单片机分析处理，同样经 LCD1602 液晶显示；红外无线传感器采用以 BISS0001为核心的热释电红外无线感应器电路，感应电路接收到信号后传给单片机控制LED 照明灯的开关。系统实现节能和自动测控的功能由单片机 C8051F020 实现。软件编程的思路是：由单片机内部产生 PWM 信号控制 SN3350 驱动芯片的 ADJ 引脚。通过改变PWM 的占空比，实现对 ADJ 输入任意电压，进而控制 LED 照明灯的开关及亮度调节。2、硬件电路设计（1） 单片机 C8051F0208本系统采用单片机 C8051F020，其片内含 CIP-51 的 CPU 内核，指令系统与MCS-
17、51 完全兼容。含有 64 kB 片内 Flash 程序存储器，4 352 B 的 RAM、8 个IO 端口共 64 根 IO 口线、1 个 12 位 AD 转换器 1 个 8 位 AD 转换器以及1 个双 12 位 DA 转换器、2 个比较器、5 个 16 位通用定时器、5 个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列、看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器等部分。C8051F020 单片机支持双时钟，其工作电压范围为 2.73.6 V（端口IO、RST 和 JTAG 引脚的耐压为 5 V）。如下图：（2） LED 驱动电路本系统选用了 SN3350 芯片作为 LED 驱动电路的核心。SN3350
18、 是一款降压型电感电流连续模式驱动芯片，适用于电源电压高于一颗或一串 LED 所需电压的应用场合。输出电流可达 750 mA，输出功率可达 30W。下图为本系统采用的 LED 驱动电路。LED 驱动电路图 2 中，3 号引脚 ADJ 为多功能开关亮度控制脚，其引脚特性为：1）引脚悬空：工作在普通模式。（普通模式下 VADJ=VREF=1.2 V，工作电流 IOUTnom=0.1R1）；92）输入电压低于 0.2 V：关闭输出电流；3）输入直流电压从 0.31.2 V：输出电流调整范围从 25100；4）通过不同占空比的 PWM 信号来控制输出电流；5）当 ADJ 引脚电压超过 1.2 V：电流
19、被自动钳位在 100。SN3350 的输出电流可以通过在 ADJ 引脚加控制信号来设置。本系统利用单片机产生 PWM 信号输入 ADJ 引脚，驱动电路依据以上引脚特性在不同的电压值下进入不同的工作模式。（3）光强传感器1）本系统的光强传感器采用了一种光电转换电路，其原理图如图 3 所示。电路的作用在于，通过集成运放 LM324 和反馈电阻 Rf，将硅光电池（相当于一个光控恒流源）输出的电流转换为电压信号输出。通过调节 Rf 阻值的大小，可以改变输出电压值的大小，从而能够适应后级控制电路对输入信号电压值的要求。实际应用时，光照强度影响，Is 大小，进而引起 Vout 的改变，从而实现了将光强信号
20、转换为电压信号。光电转换电路图2）在实际制成的光电转换电路中，使用照度计和电压表测得的光照度-电压关系。光电转换电路测试结果如图。103）根据测量结果绘制线性图如下4）由图可见，随着环境光照度的增大，光电转换电路的输出电压也线性增大，相关度达 99.1，线性良好。这表明按照图 3 制成的光电转换电路的实际测试结果与理论预期符合度较好。同时，图 4 的光照度-电压关系直线也为软件部分的程序设计提供了重要依据。（3） 红外无线传感器1）本系统的红外无线传感器采用以 BISS0001 为核心的热释电红外无线感应器电路。BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时
21、间定时器等构成的数模混合专用集成电路。以 BISS0001 为核心的热释电红外无线感应器采用被动探测方式，其电路原理如图 5 所示。菲涅尔透镜（DSG）接收进入探测区域的人体所发射的波长为 812 m 的红外线，通过热释电传感器（PIR）将光信号转变为电信号，经电路系统放大，滤波，最后将信号输出。2）电路图如下113、 软件设计1）软件设计的思路是先分模块独立设计，然后对各个模块进行综合整理。2）本系统程序设计的流程框图如下图所示。3）程序主要分为 5 个模块：亮度控制模块、温度探测处理模块、光照度探测处理模块、红外无线探测处理模块、液晶显示模块，下面对前 3 个较为复杂的模块分而述之。a、亮
22、度控制模块根据给定的 LED 驱动电路芯片 SN3350 的引脚特性，可以通过控制 ADJ 脚的信号的电压来控制 LED 的亮度。单片机 80C51F020 能够自行产生 Vpp=5 V 的 PWM 信号，因此可以通过控制该 PWM 信号的占空比来控制 LED灯的亮度。依据图 4 的光照度-电压关系直线设定判定程序，得出对应的占空比，就能实现对于亮度的控制。b、温度探测处理模块由于 DS18B20 芯片的信号输出脚输出的是数字信号，本模块的内容主要是对从 DS18B20 获得的数字信号进行译码，从而获得实际环境温度数值。c、光照度探测处理模块使用图 3 光电转换电路探测环境光强度输出电压信号。
23、该信号是模拟信号，因此，需要对此信号进行模数转换之后才能够用单片机进行处理。使用 80C51F020 自带的 AD 转换模块，可以实现模数转换。光照12度对应的电压信号在 02.4 V 之间，因此某一特定的电压值转换成 8 位的数字信号，然后通过与温度信号类似的处理从而对光进行控制。4)根据本文第 2 部分所述的 SN3350 驱动芯片控制端 ADJ 引脚特性，程序设计的具体方案如下：a、LED 灯随外界环境照度的自动调节和控制：当测得实际光照度大于 2 000 lx（照度值可依据需要自行设定，下同）时，令 ADJ 引脚的输入电压为0，LED 灭；当测得实际光照度小于 1 000 lx 时，令
24、 ADJ 引脚的输入电压为 0.3 V，LED 亮；当测得实际光照度大于 1 000 lx 且小于 2 000 lx 时，令 ADJ 引脚的输入电压在 0.31.2 V 之间做相应变化。b、LED 灯随外界环境温度的自动调节和控制：当 LED 的温度大于 80（温度值可依据需要自行设定，下同）时，令 VADJ=0；当 LED 的温度小于 50时，令 VADJ=1.2 V。c、LED 灯随外界红外辐射信号的自动调节和控制：当热释电红外无线传感器传来感应信号时，令 VADJ=1.2 V，没有信号传来时，令 VADJ=0。4、系统测试1）基本工作测试a、电源供电 15 V；实测三盏 LED 灯两端的
25、工作电压为 14V；驱动电路输出电流为 320 mA；过压保护测试调节输入电压大于 24 V 时，LED 两端电压很快下降；当输入电压升至 27V 时 LED 两端电压已降至 0V。b、测试结果表明本系统能在低压条件下正常稳定工作，具有过压保护功能2 )功能测试a、测量与显示功能能否显示环境光照强度：能，LCD 显示环境光强可精确到 1 lx；能否显示环境温度：能，LCD 显示环境温度可精确到 0.1；b、自动控制功能光强改变时能否开关灯：能，光强大于 2 170 lx 时自动关灯；光强小于 1 040lx 时自动关灯（设计阈值分别为 2 000lx 和 1 000 lx）；温度改变时能否关灯
26、：能，温度高于 82.5时自动关灯；温度低于 49.3时自动开灯（设计阈值分别为 80和 50）；13能否维持环境光强的基本稳定：能，环境光强减弱但不小于 1 000 lx 时，自动提高 LED 的发光强度；环境光强增强但不超过 2 000 lx 时，自动减弱 LED的发光强度；能否感应红外辐射并开关灯：能，在有人进入 LED 灯一定距离（最大半径3.5 m 处）时，自动开灯，并维持 10 s 后逐步减弱灯光亮度直至关闭。测试结果表明，本系统具备随环境光强、温度、红外辐射变化而自动控制开关、调节光强的功能，实测数据与理论设计值符合得比较好。4、设计中需注意问题 1）本系统的特点是硬件模块电路较
27、多，设计时应注意共地与接口匹配。具体来说，单片机 C8051F020、LED 驱动电路的 SN3350 芯片、光电转换电路中的集成运放 LM324、热释电红外无线感应器电路的核心 BISS0001 芯片、DS18B20温度传感器电路和过压保护电路 6 个模块都要与直流电源共地。接口匹配问题主要存在于光强、红外辐射、温度 3 个传感器的输出口与单片机的输入口，以及单片机的输出口与液晶 LCD1602、LED 驱动芯片 SN3350 的控制引脚之间。此外，由于 LM324、BISS0001、DS18B20 等芯片的工作电压为 5 V，小于 LED 照明系统 15 V 的工作电压，测试时需另接 5
28、V 电源，而实际制作成品时则需增加一个电平转换电路，将统一的 15 V 供电电压转换为 5 V 稳压输出给相关芯片。2）在编写程序时需考虑各个传感器传送的信息被单片机处理的优先级。根据实际需要，本系统接收信号的参考优先级顺序为：温度信号、红外信号、光强信号。四、设计总结1、本文设计的 LED 照明系统，利用单片机 C8051F020 作为控制核心，实现 了根据环境光强、红外辐射、温度条件变化而自动开关、调节亮度等功能，突出了 LED 节能照明的优势，因而具有较好的实用参考价值。本系统的最大特色是功能集 成度高，集测量、控制、显示为一体，包括光强、红外辐射、温度 3 种传感器。在 实际应用中，可
29、以根据不同需要设置相关阈值或突出某一功能。例如，应用在楼道、 洗手间照明时主要用到红外辐射传感功能，无人时灯不亮，有人时灯才亮，达到了 节约电能的效果；应用在办公室、教室照明时主要用到光强传感器及调光功能，使 环境光强稳定在某一设定值，白天灯不亮或较暗，夜晚灯亮，从而提高电能利用率； 达到设计的最初目的。 2、在设计中,我遇到了不少问题,通过自己努力研究,把它们一个一个解决了, 系统模拟非常成功,总的来说,这次设计不难,关键在于细心用功,真正让我感觉到了学以致用的重要性.三年来，我认真地学习了专业课程基础知识，具有一定的设计理论基础和独立设计能力，由于毕业设计的课题是一种整体性的，系统性的设计
30、，14我真的是很努力地在做，但还是感到力不从心，因而这次设计在深度和广度上都有一定的局限性，不过，我认为这还是让我学到了很多东西。 3、在即将毕业之际，我想借此机对关心和支持我的所有人表示感谢！感谢电气工程系的各位老师，尤其是三年来我的指导老师们，在你们的悉心教导下，我才得以完成学业，另外，三年中，我还得到了同组其他同学的真诚帮助，在此一并表示感谢！大学生活即将结束，我感到自己树立了正确的世界观、人生观、价值观。在此，我感谢学院领导和班主任老师，是他们教会我做人的道理。回顾这三年的学习和生活，还有许多的朋友和同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后，在此我要感谢所有关心和爱护我的人，今后我会继续努力，不辜负您们对我的期望！参考文献：1、电子技术基本技能综合训练 王成安，人民邮电出版社，2005。2、集成电路应用 300 例M 黄继昌，人民邮电出版社，2002。3、LED 驱动电路设计实例 周志敏，纪爱华，电子工业出版社，2003。4、 中国电子网：www.chn-
