基于AVR单片机的LED自适应调光系统设计【开题报告】

由天下分享时间：2025/1/15 2:46:03 加入收藏我要投稿点赞

毕业设计（论文）开题报告

题目：基于AVR单片机的LED自适应调光系统设计

专业：电子信息工程

1选题的背景、意义

LED是一种新型半导体固态光源。它是一种不需要钨丝和灯管的颗粒状发光原件[1]。LED光源凭借环保、节能、寿命长、安全等众多优点在打造节能、环保型社会的大环境下当仁不让地成为照明行业的新宠。

21世纪的照明领域中，LED的应用毫无疑问是最振奋人心的，它将改变整个照明市场的结构，很快就能得到广泛应用。LED的技术本身不是一个很新的东西，在很多年之前，就已开始使用LED来作仪器和设备的指示灯[2]。随着技术发展，芯片和材料在性能上都有新的改善和提高，使得LED的亮度和寿命都有了极大的改进，从而也推动了LED更为广泛的使用。

普通白炽灯的寿命仅仅1000小时，而LED的寿命却高达50000小时，而且消耗的电量要少很多。根据美国Sandia国家实验室的研究，如果白光二极管能够普及应用，全世界照明用电的消耗将减少50％[3]。影响白光二极管系统普及的最主要问题还是它的价格和亮度，现在单个白光二极管的亮度还不能够照亮整个房间，其价格却是白炽灯泡的10倍。随着科技的发展LED照明肯定会带来更加明亮的光线和更少的能源消耗。

随着经济的持续发展，中国的照明用电也将持续提高，绿色节能照明越来越受到政府的重视，LED照明就是在这样的情形下发展起来的[4]。据中国绿色照明工程促进项目办公室专项调查，我国照明用电每年在3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯和部分荧光灯，可节省1／3的照明用电，相当于三峡工程全年的发电量。

LED还有其他很多优点，比如LED作为全固态发光体，发热量低、耐震耐冲击、无热辐射、不易破碎、不含汞、钠等可能危害健康的元素[5]，废弃物可回收、无污染。

LED已经进入很多应用领域，包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等[6]，遍及国民经济各部门，广泛用作普通照明、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。

2相关研究的最新成果及动态

在20世纪70年代，LED最早应用在数字、指示灯和文字显示等。随着第

三代半导体材料氮化镓(GAY)的突破，高亮度蓝光二极管的出现解决了发光二极管的三原色缺色的问题，彻底解决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，更重要的是因此创造了白光半导体灯。由于白光发光二极管的出现，LED开始逐渐进入人们的日常生活。LED从显示领域进入到照明领域最关键的是发光效率的大大提高，随着发光效率201m/w以上的白色LED(白炽灯的发光效率一般是15m/w)的出现[7]，白色LED灯开始成为新世纪的节能照明光源。

许多研究表明在本世纪的前十年，LED产业仍然将会保持继续快速发展。所以，很多人认为白光LED是在未来成为代替传统照明器具的一大潜力商品。作为新型的发光器件，LED具有效率高、体积小、环保、寿命长、节能等优点，能量转化效率也非常高，从理论上来说，发射相同光通量的耗电量大约是白炽灯的10％[8]，相比荧光灯来说，LED也可以达到50％的节能效果[9]。在发达国家照明用电占发电总量的比例大约为19％，在我国占10‰，并且我国以低效照明为主，是终端节电节能的主要对象之一。

在早期，由于发光效率、光通量、光色和价格等方面的限制，LED主要应用在指示和显示领域，比如用作警告灯、指示灯以及显示牌等。但是随着LED光色的不断增多，尤其是随着白光LED技术的不断成熟，发光效率不断提高，价格也越来越低，大功率超高亮的LED开始在市场上销售[10]，其中功率在1W以上的白光LED的开发研究已成为现今的主攻方向。由于大功率白光LED的应用受到世界上很多国家的关注，因此大功率白光LED的驱动电路设计也成为热点，大功率LED的驱动电路大多采用恒流驱动方式，LED恒流驱动电路有电荷泵、Boost、Buck等多种驱动方式[11]。电荷泵、Boost、Buck实质上都是电压输出型，通过电流反馈控制电路来实现输出恒定电流。电荷泵电路则是利用电容对电荷的累积效应储存电能，在时钟周期的一段时间内为电容充电，剩余的时间释放能量，根据电容的不同连接方法可以得到不同的输出电压。Boost和Buck电路都是开关电源方式，都是利用电感的储能作用储存电能，在时钟周期的一段时间内为电感充电，剩余时间释放能量得到输出电压，电路中电感、电容和续流二极管的结构不同，实现降压或升压功能，Boost是升压电路，Buck是降压电路。美国Northern Illinois University针对2串6并的LED灯组，在恒流驱动电路基础上并接了N型MOSFET功率器件实现PWM控制，调节范围为0—100％[12]，当占空比低到1％时输出电流仍能保持稳定[13]。

传统的PWM调光方式是将负载与调光开关串联。开关关闭的时候，LED支路上有电流流过，LED灯发光；开关打开的时候，LED支路上没有电流流过。现今提出的PWM调光方式是将负载与调光开关并联，LED驱动电路则采用BUCK电路。当开关关闭时，LED支路被开关短路，LED灯不亮；当调光开关

打开时，LED支路有电流流过。控制器可以根据采样电阻检测到的电流值改变调节开关的占空比，因此调节占空比可以使得输出电流恒定[14]。在普通灯具照明系统的调光领域，已经出现了智能调光系统，比如基于Lon Works的酒店智能调光控制系统[15]，以及国家大剧院的灯光控制系统等。

近些年，LED的发光效率一直在逐步提高，商品化的器件都已经达到了白炽灯的水平。

3课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标

本课题的主要研究内容是设计一种LED灯光自动调光系统，阐述一套LED智能调节亮度系统设计方案，可以根据环境的亮暗自动调节光的强弱。

驱动LED有许多种方法，其中最简单的方法是将LED与限流电阻串联，再用电压源供电。采用这种驱动方式的优点是电路比较简单，但是也存在着不少缺陷。首先是效率比较低，降压电阻会消耗比较多的电能，甚至有可能会超过LED所消耗的电能；其次是稳定电压能力很差， LED的V-I曲线具有负温度的特性，随着结温的升高，流过LED的电流会逐渐变大。所以，如果驱动电流不能得到很好的控制，LED就很容易被烧毁，即使没有烧毁，使用寿命也会受到很大影响。因此，驱动大功率LED时，电流控制是至关重要的。除这些之外，LED光源的照度直接与电流有关，所以控制好LED的驱动电流，其照度也可以得到控制。

应用LED阵列还有另外一个显著的优点。我们都知道LED可能会因某些故障发生断路或短路。当某个串联支路中的LED发生断路时，该串LED熄灭。但由于阵列由多个LED串组成，其他LED串仍能工作，并分担熄灭的LED串中的电流，但是由于LED的支路较多，上升的电流不大，上升后的电流仍不会超出LED允许的工作范围。当某个串联支路中的LED发生短路的时候，该支路中其他的LED仍然可以正常工作。尽管通过LED的电流可能会上升，但是由于LED的数量比较多，上升的电流比较小，上升后的电流依旧不会超过LED允许的工作范围。所以很明显，LED阵列相对具有更好的稳定性和可靠性。而且，对于特定数目的LED阵列，当支路数目和支路中的LED数目相同，会更加有利于提高LED组件工作的可靠性和稳定性。LED阵列示意图如下所示

系统的原理框图如下图所示。供电电源为铅酸蓄电池，使用LTC3783作为控制器，负载为LED组成的阵列，实现PWM控制。本电路设计可以同时对LED进行数字调光和模拟调光。而且本系统对于功率从几瓦到几十瓦的LED阵列、端电压范围从6V到36V的蓄电池都可以正常工作，从而使得在对产品进行维护（需要更换LED或需要更换蓄电池时）只要满足上述要求，不需要更换电路模块，系统就能正常的工作。

Boost变换器 LED阵列控制器

由于散热技术、发热量等方面的限制，使得单颗LED的功率不能做得像传统光源那么大，功率为1W的LED已经是大功率LED了。实际应用中，一般使用多颗小功率LED组成的阵列来满足较高的照度要求，以此来低成本。

设计本课题的难点在于给LED阵列提供一个恒定的电流，设计时还要考虑到减小散热量，并在LED出现短路时能够有足够的电流裕量。

4研究工作详细工作进度和安排

2010年11月23日—2010年12月5日布置毕业设计任务，讲解毕业设计的方法和步骤，查找、分析相关文献资料；

2010年12月06日—2011年1月10日初步拟定系统采取的研究方法、设计路线，完成文献综述、外文翻译的撰写；

2011年1月11日—2011年3月5日整理相关资料，确定系统完成的主要功能，绘制系统的流程图。完成开题报告；

2011年3月5日—2011年4月8日进行详细的系统分析，完成电路的设计，每周汇总情况、问题和进度一次，各人随时可通过电话、ICQ或E-MAIL联系。开始撰写论文大纲及初稿；

2011年4月9日—2011年5月3日系统开发、代码设计、系统调试、修改及优化阶段。

2011年5月4日—2011年5月26日完成毕业论文并提交； 2011年5月27日—2011年5月29日毕业论文答辩。

5参考文献

[1]杨清德.LED照明工程与施工[M].北京：金盾出版社，2009. [2]M. M. Jordan The New Field of Applying LED [J].LIGHT & LIGHTING,2003,42:2908-2914.