LED彩灯控制器设计

LED彩灯控制器设计 军械工程学院本科 毕业论文 毕业论文答辩ppt模板下载毕业论文ppt模板下载毕业论文ppt下载关于药学专业毕业论文临床本科毕业论文下载 随着人们对城市美化要求的提高，在许多场合可以看到彩色霓虹灯的 应用。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制简单等特点 而得到了广泛的应用，同时对彩灯控制器也提出了更高的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。有些彩灯 控制器实现的图案单一，体积过大，应用起来极不方便，为了更好的美化 环境，使彩灯控制器适应不同的地点，不同的环境，本人利用小型的数字 集成器设计了一种更为实用的彩灯控制器。 本设计介绍了一种新型的LED彩灯控制系统的设计方法，采用廉价的 数字集成电路定时器、计数器和数据选择器，产生循环控制信号，从而控 制彩灯循环，通过LED显示设备实现四种效果。 本电路使用555定时器构成振荡电路，555定时器是一种模拟和数字 功能相结合的中规模集成器件。计数器采用74LS93实现对计数脉冲的分频。数据选择器采用74LS153，74LS153里面有两个地址码共用的4选1数据选择器。通过输入不同的地址码A1，A0，可以控制输出Y选择4个输入数据D0～D3中的一个,这里只用了它的一组4选1数据通道，此器件在各种数字电路和单片机系统的显示系统中经常用到。 从555振荡电路引脚出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送 到计数器的引脚；另一路作为移位时钟脉冲加到移位寄存器引脚。调节指 定电阻改变555振荡电路的振荡频率，从而改变灯光的移动速度，以得到 不同的动态效果。 户外彩灯都是采用交流电源供电，因此数字集成器件输出的TTL电平用作开关信号，根据TTL电平的高低控制开关器件通断。本电路选用可控 硅作为元器件，用8只三极管组成8路射随器作缓冲放大，去触发8只双向可控硅，以控制彩灯发光。 关键词 555定时器；数据选择器；计数器；LED；彩灯控制器 I 军械工程学院本科毕业论文 Abstract As people in urban landscaping requirements of the increase, in many occasions we can see the color of neon. LED lantern light because of its rich color, low cost and simple control characteristics has been widely used, while the lantern controller also has set higher standards. Some of the lantern design a single controller, the volume is too large, very inconvenient to use, in order to better landscaping, lantern controller to adapt to different locations,different environment, I use the small number of the integrated design A more practical lantern controller. The design introduces a new type of LED lanterns control system design methods, using cheap digital integrated circuits timers, counters and data selector, a cycle of control signals to control the lantern cycle through the four LED display devices effect. The timer circuit using a 555 oscillator circuit, the timer is a 555 analog and digital functions in the combined scale integrated devices. 74 LS93 counter used to achieve the sub-frequency pulse count. Data Selector by 74 LS153, 74LS153 there are two of the four code sharing data elected a selector. Through different input code A1, A0, Y output can be controlled choice four input data D0 to D3 in one of its used here only for a group of four elected a data channel, the device in a variety of digital circuits and monolithic System display system frequently used. From the 555-pin by the oscillation circuit pulse signal is divided into two roads: as a way to counter the pulse count pin the other way as the shift clock pulse added to the shift register pin. Resistance to change regulation designated 555 oscillation frequency oscillation circuit, thereby changing the lighting speed, in order to get different dynamic effects. Outdoor lanterns are used in AC power supply, digital integrated device TTL-level output signal for the switch, according to the level of TTL-level control switch-off device. SCR chosen as the circuit components, with eight of transistor radio with 8-as a buffer to enlarge to trigger 8 BTA, to control the luminous lantern. Keywords 555 timer,Data selection,Counter,LED,Lantern controller II 军械工程学院本科毕业论文 摘要 ................................................................ ? Abstract ............................................................ ? 第1章 绪论 .......................................................... 1 1.1课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 的开发背景 ................................................................................................ 1 1.1.1设计背景 ..................................................................................................... 1 1.1.2 课题研究的目的及意义 ............................................................................. 2 1.2 LED国内外研究现状及发展 ............................................................................ 3 1.2.1 LED的现状与发展 ....................................................................................... 3 1.2.2中国的LED工程 ........................................................................................ 6 1.2.3 LED的现实应用 ......................................................................................... 6 1.2.4 LED彩灯控制器的现状与发展 .............................................................................. 7 1.3 课题实现的功能 ............................................................................................... 8 第2章 LED的结构及发光原理 .................................... ……..9 2.1 LED的分类及光源的特点 ................................................................................ 9 2.2 LED注意事项 ................................................................................................... 11 第3章 控制系统的构成 ................................................ 12 3.1 系统原理设计框图............................................................................................ 12 3.2 电路组成原理 ................................................................................................... 12 3.2.1 稳压电路 .................................................................................................... 13 3.2.2 振荡电路 .................................................................................................... 14 3.2.3 计数器 ........................................................................................................ 16 3.2.4 数据选择器 ................................................................................................ 16 3.2.5 移位寄存器 ................................................................................................ 17 3.2.6 驱动电路 .................................................................................................... 18 第4章 电路工作原理 .................................................. 20 第5章 控制器的制作 .................................................. 21 5.1 印刷电路板的装接 ........................................................................................ 21 5.1 印制板的封装 ............................................................................................... 21 结论 ................................................................ 22 III 军械工程学院本科毕业论文 致谢 ................................................................ 23 参考文献 ............................................................. 24 IV 军械工程学院本科毕业论文 LED彩灯控制器设计 第一章 绪论 1.1课题的开发背景 1.1.1设计背景 随着千年钟声的敲响,历史的车轮被推进了一个新的世纪。站在新 世纪的门槛上，我们感受到的是高速发展的现代科技。 为了美化环境，照明灯的需求也在不断地发展，人类有意识地采用 各种方法改进它。照明，不仅改变了人们“日出而作，日落而息”的生 活方式，也丰富了我们的精神世界。 随着发达国家产业步伐的加快，发展中国家将逐步成为照明电器产 品的出口大国。 展望未来的国内市场，需求会呈逐年增长的趋势，以下强力因素都 预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖。基础设施建设方面：机场、 铁路、港口、城市轨道交通等迅速发展，每一项工程均需要照明。城市 亮化工程方面：城市广场、绿地、道路、建筑物泛光照明，已从大城市 发展到中小城市。 根据国内外市场需求预测，我国照明电器行业的高速增长期还将继 续，对未来的预测如何更加科学化是我们面临的问题。进一步提高照明 产品的质量和档次，这既是当前摆在我们面前的课题，同时也是全行业 共同努力的长期目标。人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求 也越来越高，对照明电器产品也提出更高的要求。 环顾当今国内外现代化都市，不少标志性景观、亮化工程、照明夜 景都开始使用LED这种节能新光源。 LED是近年来欧洲产品设计师的宠儿，他们将LED作为产品设计元 素的一部分，驰骋于想象的空间，将光、玻璃或其它材料结合在一起， 做成美轮美奂的产品。 随着我国改革开放加入WTO以来，国内经济发展迅速。各级地方政 1 军械工程学院本科毕业论文 府为吸引外资、发展地方经济积极创造条件。城市环境的亮化、美化工 作，己经列入到各级政府的议事日程上来了。 目前的国内传统的城市亮化非常耗电，一般是采用建筑物的被动发 光，其耗电量非常大。因此许多城市在亮化工程中即使安置完善，因耗 电量大而被迫限时亮化。如果采用LED主动发光的方式进行亮化，其耗 电量仅为被动发光亮化方式的二十分之一。由于LED彩灯白天美观,夜晚亮丽,省电节能,经久耐用的诸多优点，LED已经开始进入城市亮化工 程。 LED是一种新产品,作为国家绿色照明工程中明确推广使用的产品,随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到由LED构成的彩色霓虹灯。LED彩灯由于其丰富的灯光色彩，低廉的造价以及控制 简单等特点，而得到了广泛的应用，用彩灯来装饰街道和城市建筑物已 经成为一种时尚。 但目前市场上各式样的LED彩灯控制器电路结构复杂、功能单一， 这样一旦制作成产品，只能按照固定的模式闪亮，不能根据不同场合、 不同时间段的需要来调节亮灯时间、模式、闪烁频率等动态参数。这种 彩灯控制器结构往往有芯片过多、电路复杂、功率损耗大等缺点。此外， 从功能效果上看，亮灯模式少而且样式单调，缺乏用户可操作性，影响 亮灯效果。因此有必要对现有的彩灯控制器进行改进。 1.1.2 研究的目的及意义 通过这次的课题研究我们希望在理清它的发展脉络上进一步了解 它的发明原理，将平时所学习的知识运用到实践探索上，这对提高我们 的动手能力，创新意识，及锻炼思维无疑是一个莫大的帮助。通过这次 的研究，能让我们进一步地了解LED彩灯控制器，而不是仅局限于课本 知识以内。从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，从而实现课堂外 的又一次提高。 本课题设计用简单的数字集成器件构成控制器，能够使LED彩灯应用于不同的场合，例如电子玩具和各种小型电器，能使LED彩灯显示的内容、形式更加丰富，为装饰城市夜景和家庭环境增加欢乐气氛。 2 军械工程学院本科毕业论文 1.2 LED国内外现状及发展 1.2.1 LED的现状与发展 自高亮度白光LED问世后，由于它具有发光效率高、节电效果好、 无污染、寿命长的特点，在照明应用上受到各国的重视。用白光LED作照明灯来取代传统照明灯的研发工作，不断地进行着，并且取得了成果。 1.采用白光LED作小型LCD彩屏的背光照明来取代冷阴极荧光灯。 由于驱动白光LED有电路简单、无须正负电源、且效率高、尺寸小的特 点，在便携式电子产品中获得极其广泛的应用。随着白光LED性能的提高，白光LED作背光源的应用不仅用于手机、游戏机、PDA、MP4、数码相机等小彩屏电子产品中，目前已应用到屏幕尺寸更大的DVD、GPS及15英寸笔记本电脑中。它已成为LED最大用户之一，占LED年产量的30%左右。 2.采用白光LED作小型数码相机的闪光灯来取代传统的氙灯。因为 采用短时间脉冲给LED供电可以比额定电流大一倍，给出的强光可满足 相机补光的要求。所以驱动LED闪光灯的电路无须高压电源，也没有较 长的时间充电的缺点，可获得更多的抓拍机会，并使电池使用时间更长。 3.采用太阳能电池、蓄电池及白光LED组成的真正绿色照明系统。 我国的太阳能电池生产量很大，2006年已达到370MW，太阳能组件的生 产能力已大于1000MW.这对利用太阳能点亮白光LED灯创造了极为良好 的条件。这不仅用于无电区，同样适合于城镇（在国外，主要依靠大量 安装屋顶并网系统来发展太阳能光电产业）。目前我国已能生产成套适 合牧区人民应用的白光LED照明系统。 4.采用白光LED来取代白炽灯的研发工作起步不晚，在2004年后不少单位采用Φ5高亮度白光LED开发出小功率LED灯泡（15W）、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等产品，但并未大量生产。在我 国南方一些工厂生产出各种1～5W LED灯泡及一些白光LED灯具，但大部分都出口而在国内市场上反而少见。目前成批生产的替代白炽灯的 有：矿灯、各种手电筒、应急灯、小瓦数阅读灯及照明灯等。另外，有 一些城市用LED路灯作试点工作，但尚未普及。 随着半导体光电材料及工艺技术的进步及大功率白光LED的封装结构的改进，使得这两年内白光LED的发光效率有长足的进步。1～5W的白光LED从以前的发光效率为30～40lm/W提高到50～60lm/W，最近又提高到80lm/W。有一些顶级的发光效率可达100lm/W以上。例如，Cree 3 军械工程学院本科毕业论文 公司的一种4W冷白光LED，其光通量分挡，在350mA电流时其最高挡可达107～114lm（其功率为0.35A×3.3V=1.15W，其发光效率为93～99lm/W），典型的发光效率是80lm/W，而发展的目标是200lm/W。 上面已介绍了白光LED的特点及性能的提高，并开发出应用于各种 场合的白光LED灯，但LED灯难进百姓家。这不是生产上存在什么难题， 主要原因是白光LED照明灯的发光效率还不太高，并且价格太贵，使一 般百姓家难以接受。以家庭常用的白炽灯、节能荧光灯与相同亮度的白 光LED灯的价格比较，目前1W白光LED的单价是8～10元，3W的单价是20～25元（与LED的质量及品牌有关），另外还要驱动电路及结构器 件。再考虑生产厂家的利润及商业利润，则单价可能要120元以上。 9W节能荧光灯的发光效率与LED差别不大，但单价要比同样功率的 白光LED灯价格低十几倍以上。这是白光LED灯难进百姓家的主要原因。 要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提高到150lm/W时，LED灯才能普及，这可能要等几年。节能荧光灯的上市到普遍应用 也有近二十年时间（这有质量上的提高及价格下降的过程），白光LED灯的普及可能要比节能荧光灯快些（Φ5高亮度白光LED上市时单价大于1.5元，现在批量单价已降低到0.125～0.15元）。 目前LED照明灯虽然还难进百姓家，但是还有很多领域可以大量地 应用LED照明灯。这些领域的应用可促进LED的生产、可促进技术的提 高，并可降低生产成本。在LED照明设计、应用上也可获得更多的经验， 有利于将来的推广。这些应用领域都是用电大户，对节约电能起到很大 作用。 他们是： 1.城镇街道的路灯系统（包括太阳能路灯系统）； 2.隧道及地下停车场（包括地下商场）； 3.交通工具的照明（汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部 照明灯）； 4.大的公共场所的LED照明系统，例如火车站、地铁站、飞机场、 大型超市、大型百货公司、大厦及医院等； 5.无电区的LED灯照明工程。 实际上早在1907年，人类就发现了半导体材料通电发光现象，不 过真正商用的LED是上世纪60年代。当时的LED由化合物半导体材料制成，发红光。在整个上世纪60、70年代，LED的发光效率非常低，而且不能激发非常重要的原色——蓝光。在此阶段，LED主要应用于各种昂贵设备，作为信号指示灯。 4 军械工程学院本科毕业论文 1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺，使发光 二极管的效率达到了1lm/W,并且能够发出红光、橙光和黄色光。到1971年，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色裸片LED。 1972年开始有少量LED显示屏用于钟表和计算机。全球首款采用 LED的手表，最初是在昂贵的珠宝商店出售的。 20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用， LED的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主推的是数字与文字显 示技术。然而，在许多商用设备中，LED显示屏也逐渐受到来自其他显 示技术的激烈竞争，如液晶、等离子体和真空荧光管显示器。这种竞争 性激励着LED制造商进一步拓展他们的产品类型，并积极寻求LED具有明显竞争优势的应用领域。此后，LED开始应用于文字点阵显示器、背 景图案用的灯栅和线条图阵列。 20世纪80年代早期的重大技术突破是开发出A1GaAseg LED,它能以10lm/W的发光效率发出红光。这一技术的进步，使LED能够应用于室外运动信息的发布。 进入20世纪90年代，随着氮化物LED的发明，LED的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色蓝光，也在1993年由日本著名LED企业日亚化学的中村修二发明。这样整个可见光领域的单色LED已经完整，能够满足各种单色发光的应用场所。 影响LED产业发展最重大的变化，是高亮度白光LED的发明。自1997年白光LED发明后，专家对白光LED进入普通照明领域的可能进行了研 究。作为光源，LED优势体现在三个方面：节能、环保和长寿命。LED不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯 10%的能耗，相比荧光灯，LED也可以达到50%的节能效果。 正是在这种背景下，美国、日本、欧洲、韩国都制定了相应的国家 半导体照明 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 。 例如，日本于1998年在世界率先开展“21世纪照明”计划，旨在 通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍，减少二氧化碳的产生，并在2006年完成用LED替代50%的传统照明。从1998-2002年，耗资50亿日元的第一期目标，目前已经完成。现在，日本正在实施第二期计划，计划到 2010年LED的发光效率达到120lm/W。 美国2000年制订的“下一代照明计划”(NGLI)被列入了能源法案， 计划从2000年-2010年，投资5亿美元。 欧盟的“彩虹计划”在2000年启动，通过欧盟的补助金来推广白 5 军械工程学院本科毕业论文 光发光二极管的应用。希望通过应用半导体照明实现高效、节能、不使 用有害环境的材料、模拟自然光的目标。 韩国“GaN半导体开发计划”从2000年至2008年，由政府投入数亿美元来进行。研究项目包括以GaN为研究材料的白光LED，蓝、绿光激光二极管及高功率电子组件三大领域。 今天似乎全世界的目光都聚焦在LED这个新型的光源上，被誉为21世纪的绿色照明产品。因为它具有寿命长、启动时间短、结构牢固、节 能、发光体接近点光源等特点。灯具材料选择范围大，不需要加反射器， 低压，没有紫外辐射，尤其在公共环境中使用更加安全。再加上LED光源的生产可实现无汞化，对于环境保护和节约能源更具有重要意义。 1.2.2中国的LED工程 中国的LED产业面临一个巨大的问题就是技术水平太低。中国LED产业刚刚处于起步阶段，与日本、美国、欧洲有巨大的差距。 2003年中国科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半 导体照明工程协调领导小组”，提出了我国实施半导体照明工程的总体 方针，确定从协调领导小组成立之日起，到2005年年底前的这段时间，为半导体照明工程项目的紧急启动期，在此期间要制定国家中长期科技 发展规划和第十一个科技五年计划，研究提出中国半导体照明产业发展 的总体战略和实施方案。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导 体照明工程作为一个重大工程进行推动。 1.2.3 LED的现实应用 LED要真正进入普通照明领域，需要在2010年后。目前工业生产LED的关键技术指标——发光效率是50lm/W，高于白炽灯典型的发光效 率，不及荧光灯的发光效率。世界领先的LED厂商日本日亚化学预测， 超过100lm/W高亮LED最快也要到2008年才能开发。专家普遍认为， LED要进入日常照明领域，至少要达到120lm/W的发光效率。 同上世纪60、70年代，LED产业发展初期不同，LED虽然进入日常照明领域还需要时间，但是目前LED的应用领域已经非常广泛。 实际上，从全球市场来看，高亮度LED主要的应用领域还是在移动 设备的背光源上，这种需求占整个市场的近60%。另一个主要市场是汽 车和信号灯市场。 6 军械工程学院本科毕业论文 从视觉效果看，射灯依靠的是楼宇反光，需要很高的亮度，而LED是自身发光，在同样视觉效果下能耗将大大降低。更重要的是，LED色彩丰富，可以构成彩色图案。 在城市中大量应用的广告牌也可以部分用LED取代，现在的广告牌基本采用喷绘加射灯照明，视觉效果是喷绘反射光的效果，而采用LED则不需要反射。目前在国内城市上海、厦门、重庆等都展开了LED景观照明示范工程。而2008年北京奥运会、2010年上海世博会召开，也会 大大促进LED在景观照明中的应用。 最近两年，LED主要应用领域——手持设备增长有限，不过在汽车 等高端应用领域，LED的市场空间正在飞速成长。目前欧洲很多的汽车 采用了LED照明。例如，普遍采用的高位刹车灯，由于LED反应速度比传统白炽灯快一个数量级，相比传统白炽灯可以给后车增加更多的反应 时间，可以大大降低追尾事故的发生。 同时我国也规定，上高速公路的汽车必须安装LED雾灯。在汽车照明领域，目前LED还达不到大规模应用于汽车前大灯的要求，其他如仪 表指示灯、车内照明灯、尾灯等都可以用LED取代。LED灯在汽车照明的优势就是可以制作成任何形状，同时LED灯的寿命往往超过汽车使用 寿命，不需要更换。 在光通讯领域，LED有可能迎来新的发展高潮。目前光纤的价格已 经降到可以接受的范围，光纤入户、光纤到桌面完全可能。这可能给LED带来一个爆发性的增长。 随着器件水平的发展，有一些新的应用也被开发。在农业上，利用 特殊波长的紫外LED可以杀虫。在医疗领域，比如治疗癌症，可以将特 殊波长紫外LED植入体内，针对癌细胞进行照射。 1.2.4 LED彩灯控制器的现状与发展 最初,LED彩灯控制器的功能是作为单独的部分来实现的,只提供简单的开关控制。新型LED彩灯控制器最大特点在于所有亮灯模式均由软 件控制完成。 随着科技的发展,现在世界上的大部分LED彩灯控制器都是用单片 机进行控制的，如今的彩灯控制器采用了抗干扰性能最好的美国PIC单片机，使得控制器的抗干扰性能成倍提高,解决了控制器死机现象。控 制器的同步采用了先进的“锁相”技术，使得控制器的同步性能大大提 高，甚至超出普通控制器的同步性能。 7 军械工程学院本科毕业论文 1.3 课题实现的功能 本彩灯控制器可以实现四种花样变化:第一种花样为彩灯一亮一 灭，从左向右移动；第二种花样为彩灯两亮两灭，从左向右移动；第三 种花样为彩灯四亮四灭，从左向右移动；第四种花样为彩灯1到8从左到右逐次点亮，又从左到右逐次熄灭。4种花样自动变换，循环往复。 8 军械工程学院本科毕业论文 第二章 LED的结构及发光原理 发光二极管(Light Emitting Diode;LED)是一种微小的固态(Solid-State)光源，它是一个多个学科的融合。 50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商 用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个 有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用， 所以LED的抗震性能好。 当其处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳 极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的 强弱与电流有关。 影响LED的因素很多,主要包括LED的性能和参数、工业造型设计、 光学设计、热设计、电路设计、结构设计、加工工艺、生产工艺等环节。 所以在设计和生产过程中必须充分考虑相关因素,任何一个环节出现偏差都会影响它的性能和效果。 2.1 LED的分类及光源的特点 LED的分类有很多种： 1.LED灯按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标 准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色 的芯片。 根据发光二极管发光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，还可分成 有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。 2.LED灯按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、微 型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm 及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记 作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。 从发光强度角分布图来分有三类： （1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装， 且不加散射剂。半值角为5?～20?或更小，具有很高的指向性，可作 9 军械工程学院本科毕业论文 局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 系统。 （2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20?～45?。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45?～90?或更 大，散射剂的量较大。 3.按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封装、金属底座环氧封装、陶瓷 底座环氧封装及玻璃封装等结构。 4.按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。 LED光源的特点如下： （1）电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公 共场所。 （2）效率高：LED的发光效率已超过45lm/W,更由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,光效率远远大于白炽灯并正在赶上节能灯和 荧光灯。消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。 （3）适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。 （4）稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。 （5）响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。 （6）环保好：废弃物可回收,没有污染;不像荧光灯含有汞成分。 （7）颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰 方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电 流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后 为绿色。 （8）显色性好：与荧光灯相比，LED的显色指数高，通常在80左右，这样有利于减少人眼的疲劳程度，对保护视力有很大帮助。 （9）光线质量高：由于光谱中没有紫外线和红外线,故没有热量,没有辐射,不会给人眼带来负担,长时间阅读或工作不会有眼睛发疼发 胀的现象。 （10）维护成本低LED寿命长,光通量半衰期寿命超过5万小时以 10 军械工程学院本科毕业论文 上,一般正常使用30年以上.抗冲击和抗震能力强,没有钨丝、玻壳等易损坏的部件,非正常“报废”的可能性很小。与蓄电池配合,很容易把台灯做成应急灯，当停电或紧急情况下,帮助人们疏散和照明。 2.2 LED使用注意事项 （1）由于LED的工作电压变化0.1V，工作电流可能变化20mA左右。为了安全，普通情况下使用串联限流电阻，极大的能量损失显然不适合 太阳能草坪灯，并且LED亮度随工作电压变化。采用升压电路是一个好 办法，也可以用简单的恒流电路，总之一定要自动限流，否则将损坏LED。 （2）一般LED的峰值电流50~100mA，反向电压6V左右，注意不要超过这个极限，尤其在太阳能电池反接或者蓄电池空载，升压电路峰值 电压过高时，超过这个极限，有可能损坏LED。 （3）LED温度特性不好，温度上升5?，光通量下降3%，夏季使用要注意。 （4）工作电压离散性大，同一型号，同一批次的LED工作电压都有一定差别，不宜串联使用。一定要并联使用，应该考虑均流。 （5）超高亮白光LED色温为6400k~30000k。目前，低色温的超高亮白光LED尚没有进入市场，因此用超高亮白光LED制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差，所以在光学设计上要注意。 （6）静电对超高亮白光LED影响很大，在安装时要有防静电设施， 工人要佩带静电手套。受静电伤害的超高亮白光LED当时可能凭眼睛看不出来，但是使用寿命将变短。 11 军械工程学院本科毕业论文 第三章 控制系统组成 3.1系统原理设计框图 数振驱彩据分 荡动选频电电灯择器 路路 器 图3.1 系统结构框图 3.2电路组成原理 本彩灯控制器电路原理图如图3.2所示。 图3.2 彩灯控制器电路原理图 12 军械工程学院本科毕业论文 IC1、IC2由555接成多谐振荡器。IC3由4位2进制计数器74LS93接成16进制计数器，其4个输出端可分别输出对计数脉冲的2、4、8、16分频信号。IC4是双D触发器74LS74，在这里接成两位2进制加法计数器。IC5是双4选l数据选择器74LSl53，这里只用了它的一组4选1数据通道。IC6是3位单向移位寄存器74LSl64，它是产生移动灯光信 号的核心器件。驱动电路用8只三极管组成8路射随器作缓冲放大，去 触发作电流开关的8只双向可控硅，以控制彩灯发光。电路的电源由变 压器降压，经D1--D4桥式整流，7805稳压后给控制电路供电。 3.2.1 稳压电路 本设计采用的7805是典型的稳压器件。 7805集成稳压器的典型应用电路如图3.2.1所示，这是一个输出正 5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容。当输出电流较大时，7805应配上散热板。 图3.2.1 7805稳压器的典型应用电路 13 军械工程学院本科毕业论文 3.2.2 振荡电路 振荡电路主要用来产生时间基准信号（脉冲信号），由于循环彩灯 对频率的要求不高，只要能产生高低电平就可以了，且脉冲信号的频率 可调，所以采用555定时器组成的振荡器，其输出的脉冲作为下一级的 时钟信号。 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般 用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V 工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA， 因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可 以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电 路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自 动控制等方面。 图3.2.2.1 555定时器的内部电路图 555电路的内部电路方框图如图3.2.2.1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只 5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3V和1/3V。A1和A2的CCCC输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过 14 军械工程学院本科毕业论文 2/3V时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开CC 关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3V时，触发器置位，555CC 的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 R是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接V。DCCVc是控制电压端（5脚），平时输出2/3V作为比较器A1的参考电平，CC 当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输 出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。 如图3.2.2.2，由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦 不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端D放电，使电路产生振荡。电容C在1/3V和2/3V之间充电CCCCC和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图3.2.2.3所示。 图3.2.2.2 555构成多谐振荡器 图3.2.2.3 多谐振荡器的波形图 其中，他t为VC由1/3V上升到2/3V所需的时间，t为电容CW1CCCCW2放电所需的时间。 555电路要求R1与R2均应不小于1KΩ，但两者之和应不大于 3.3MΩ。 外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少 15 军械工程学院本科毕业论文 量的元件即可获得较高精度的振荡频率和具有较强的功率输出能力。因 此，这种形式的多谐振荡器应用很广。 3.2.3 计数器 其作用是产生系统要求的快、慢节拍脉冲。快节拍频率直接由振荡 器的频率传入，慢节拍频率将振荡器输出的频率进行2、4、8、16分频得到。 74LS93是实现此功能的主要器件。74LS93是由4个JK触发器构成的集成异步递减计数器，触发器的输出端分别为Q、Q、Q和Q。在计ABCD数器内部，由最低位触发器的下沿时钟输入端INA和输出端QA组成1位计数器，分频数为2，即输出信号频率为输入时钟信号频率除以2；由另外3个触发器组成3位计数器，其下沿时钟输入端为INB，输出端分别为Q、Q和Q，分频数为8。通过外部连接74LS93也可组成一个BCD 16分频的4位二进制计数器，方法是将1位计数器的输出端Q与3位A计数器的输入端INB相连。这个特性使得74LS93用起来非常方便，可随意接成1位、3位或4位计数器。74LS93还有两个高电平复位输入端 RO1和RO2。这两个输入端可用来对计数器清0，为了改变计数器的分频 数还可用它来中止计数。用不同的方式连接计数器，可改变它的分频数， 范围是2分频至16分频。 74LS74是构成电路中加法计数器的器件，有预置、清零功能的双上升沿D触发器，D1～D5构成8脉冲发生器。 3.2.4 数据选择器 数据选择器又称为多路选择器是一种多个输入一个输出的中规模 器件，其输出的信号在某一时刻仅与输入端信号的一路信号相同，即输 出为输入端信号中选择一个输出。 我们在日常生活中常常会碰到这种多路选择器的情况，如家庭音响 系统中在选择音源时，可以在CD、录音磁带、收音机中选择一路进行欣 赏，这是将多个信号源中选择一路进行输出。 16 军械工程学院本科毕业论文 74LS153是常用的4选1数据选择器，在各种数字电路和单片机系 统的显示系统中经常用到，这里只用了它的一组4选1数据通道。74153 里面有两个地址码共用的4选1数据选择器。通过输入不同的地址码， 可以控制输出Y选择4个输入数据D0～D3中的一个。 图3.2.4 4选1数据选择器功能 表 输 入 输出 地 址使能 GBAY 1××00 00D01 00D12 01D03 01D13.2.5 移位寄存器 移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代 码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为 双向移位寄存器，只需要改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要 求。 从逻辑结构上看，移位寄存器有以下两个显著特征： (1)移位寄存器是由相同的寄存单元所组成。一般说来，寄存单元 的个数就是移位寄存器的位数。为了完成不同的移位功能，每个寄存单 元的输出与其相邻的下一个寄存单元的输入之间的连接方式也不同。 (2)所有寄存单元共用一个时钟。在公共时钟的作用下，各个寄存 单元的工作是同步的。每输入一个时钟脉冲，寄存器的数据就顺序向左 或向右移动一位。 移位寄存器的数据输入方式有串行输入和并行输入之分。串行输入 就是在时钟脉冲作用下，把要输入的数据从一个输入端依次一位一位地 送入寄存器；并行输入就是把输入的数据从几个输入端同时送入寄存 器。 在移位寄存器中，有的品种只具有串行或并行中的一种输入方式， 但也有些品种同时兼有串行和并行两种输入方式。移位寄存器的移位方 向有右移和左移之分。右移是指数据由左边最低位输入，依次由右边的 17 军械工程学院本科毕业论文 最高位输出；左移时，右边的第一位为最低位，最左边的则为最高位， 数据由低位的右边输入，由高位的左边输出。 移位寄存器的输出也有串行和并行之分。串行输出就是在时钟脉冲 作用下，寄存器最后一位输出端依次一位一位地输出寄存器的数据；并 行输出则是寄存器的每个寄存单元均有输出。 移位寄存器应用很广，可构成移位寄存器型计数器：顺序脉冲发生 器；串行累加器；还可用于数据转换，即把串行数据转换为并行数据， 或把并行数据转换为串行数据等。 本设计使用的74LS164是一个串入并出的8位移位寄存器，它常用于单片机系统中。 74LS164的引脚如图3.2.5，其中Q0-Q7为并行输出端。A,B为串行 输入端。 MR为清除端，为0时，输出清零。CP为时钟输入端。 图3.2.5 74LS164引脚图 3.2.6 驱动电路 LED驱动电路概述 驱动器看作是向LED供电的特殊电源。与荧光灯的电子镇流器不同， LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与 LED的电压和电流的匹配。 它可驱动正向压降为3.0~4.3V的LED，并可根据驱动串联、并联，满足驱动电流的要求。 ?为满足便携产品的低电压供电，驱动应有升压功能，以满足几节 充电电池或1节锂离子电池供电的要求，并要求工作到电池终止放电为 止。 18 军械工程学院本科毕业论文 ?驱动器要有高的功率转换效率，以延长电池的寿命或两次充电之 间的时间间隔。目前，功率转换效率高的可达80%~90%，一般的可达60%~80%。 ?在多个LED并联使用时，要求各LED的电流相匹配，使亮度均匀。 ?功率低，静态电流小，并且有关闭控制功能。在关闭状态下，一 般耗电小于1uA。 ?LED的最大电流I可设定，使用过程中可调。 ?有完善的保护电路，如低压锁存、过压保护、过热保护、输出开 路或短路保护等。 ?外围元件少而小，使其占印制板面积小，以便小尺寸封装。 ?使用方便，价位低，对其他电路的干扰影响小。 最近开发的LED驱动电路系列的产品中，引入了电压或电流反馈控 制环节。用户可以根据需要改变负载LED阵列形式和LED个数，得到不同的输出功率。同时该驱动电路也克服了因输入电压，环境温度等因素 而使LED灯光的颜色易变动等弊端。功率因数可以达到0.9以上，THD可做到20%以下，寿命可达到50000小时以上，同时还可完成从100%到1%的调光功能，并且此系列产品还具备过压和过流保护功能。 本课题设计驱动电路的主要器件是可控硅，晶闸管又叫可控硅。自 从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员 有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、 快速晶闸管等等。今天大家使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普 通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。晶闸管和二极管一样是一种单方向导电的器件，关键是多了一个控制极G，这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。 要使晶闸管导通，一是在它的阳极A与阴极K之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极K之间输入一个正向触发电压。晶闸管导通 后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。 晶闸管的特点：是“一触即发”。但是，如果阳极或控制极外加的 是反向电压，晶闸管就不能导通。控制极的作用是通过外加正向触发脉 冲使晶闸管导通，却不能使它关断。 使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导 通的最小值(称为维持电流)。如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流 电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断。 19 军械工程学院本科毕业论文 第四章 电路工作原理 从ICl?脚出来的脉冲信号分为两路：一路作为计数脉冲送到IC3的?脚；另一路作为移位时钟脉冲加到IC6的?脚。调节R改变IClWl的振荡频率，可以改变灯光的移动速度，以得到不同的动态效果。 IC2、IC4、IC5共同组成了一个电子开关。IC2输出的计数脉冲经 IC4两位二进制计数，在IC4的两个输出端共可得到“00”-“11”4个逻辑状态。这4个状态作为IC5的4个数据通道选择信号，对应从IC3输送到IC5的QA、QB、QC、QD4个分频信号。其作用相当于一个受控的 一刀四位的机械转换开关。当IC4输出为“00”时，选通IC5的?脚；为“01”时，选定IC5的?脚。调节R改变IC2的输出脉冲周期，可W2 以改变开关的切换时间，用以选择每种花样出现时间的长短。 从IC5第?脚输出的数据信号送到IC6的输入端，在时钟脉冲作用 下，数据在IC6的8位并行输出端从Q0一Q7顺序移动。这一移动的8位控制信号经功率驱动电路去推动8路彩灯，就出现了8路4花样自动循环切换的流水彩灯。 20 军械工程学院本科毕业论文 5.1印刷电路板的装接 在熟悉元器件型号、规格和检测元器件性能良好后，即可进行印刷 电路板的装接。印制板的装接是制作成功的关键，为了取得更好的效果 和顺利装盒，工艺要求如下： 集成电路、电阻器、二极管采取水平安装方式。集成电路的VDD端接电源的正极，VSS端接电源的负极，即集成块切不可插反，同时注意 避免其引脚未完全插入插孔的现象。电阻器、二极管引脚成形时，应在 距引脚根部1.5mm处开始折弯，以防止引线折断；器件应贴靠印刷电路 板安装。电容器、三极管、晶闸管垂直安装。电容器引脚不作整形处理， 可直接插入插孔焊接，但电容器底部要紧贴印刷电路板，否则其高度会 给装盒造成不便。三极管、晶闸管器件底部距印刷电路板高度以2～3mm为宜，以利于散热。焊接时，要确保焊点无漏焊、虚焊、搭焊等现象。 焊接完成后，要剪去引脚多余的部分，在焊面以上留头0.5～1mm，且不可损伤焊接面。 5.2印制板的封装 取一尺寸合适的空塑料盒，在盒侧面适当位置开出一个穿线口，再 剪一块与印制板面积相当的青壳纸垫在盒底上，然后将电路板元器件面 朝上平行置于盒内，用502胶在盒内侧壁与电路板边缘处稍加固定，从 穿线口中引出导线，合上盒盖，这样印制板就被封装在盒内了。 21 军械工程学院本科毕业论文 结 论 通过这次设计，我们把以前所学过的很多知识都运用到了，对所学 知识起到了一个串联的作用，使我们更加清晰的了解我们专业的应用范 围。同时也深刻的体会到我们欠缺的还很多，还需要继续学习。 设计过程中出现的问题层出不穷，经过老师的指导都能一一得到解 决，使我们学到了很多的实际应用型知识，主要的问题出在对知识掌握 的不牢固上，对很多元件虽然都了解但是对其实际应用却一知半解，所 以在选择器件时经常出现失误，另一个就是电路图的设计，因为实际操 作的机会很少，所以在设计电路图的过程中很多实际的问题没有考虑进 去，从而使电路图看起来没有实际应用性。 不论是书本上的，还是实际操作中的知识，都在这次设计中得到了 一个实践的过程，不仅能从中学到很多新知识，更主要的是对以前的知 识有了更近一步的掌握。 22 军械工程学院本科毕业论文 致 谢 本学位论文是在娄建安教授和贺臣教授的悉心指导下完成的。 导 师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦 的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的 人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本 的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从 选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心 血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！ 在本文的完成过程中，始终得到实验中心领导和教员的热情帮助和 指导。从论文选题、课题研究到学位论文完成，都有他们的一份辛勤汗 水。在此谨向他们表示诚挚的谢意和感激之情。 最后，向所有给予我关心和帮助的领导、老师、亲人、同学和朋友 再次表示衷心的感谢！ 23 军械工程学院本科毕业论文 参考文献 [1]康华光、邹寿杉.电子计数基础（数字部分）第四版.高等教育出版 社,2000年6月 [2]祁存容、陈伟.电子计数基础实验（数字部分）.武汉理工大学教材 中心,2006年2月 [3]周惠朝.常用电子元件及典型应用.电子工业出版社出版,2005年1 月 [4][日]藤井信生.电子使用手册.科学出版社OHM社,2001年8月 [5]杨清德.LED及其工程应用.人民邮电出版社2007年12月 [6] 陈元灯.led制造技术与应用.电子工业出版社 2007年7月 [7] 杨恒.LED照明驱动电路设计与实例精选.中国电力出版社，2008年 1月 24