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河南城建学院本科毕业设计（论文）11绪论LED光源是21世纪光源市场的希望，众多优点预告其未来将逐步取代传统光源，奥科委指出高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后，最伟大的发明之一，当前全球能源危机的时候，能源是一种宝贵的资源，所以节约能源是我们未来面临的问题。LED作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。1.1选题的背景随着全球经济的迅速发展，能源消耗以惊人的速度增长，伴随而来的则是大量的环境污染和生态破坏。在电能消耗中，发达国家照明用电占发电总量的比例为19%，而我国为10%。随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。开发和推广应用节能灯具，成为迫在眉睫的任务。LED照明就是在这样的形势下发展起来的。传统光源白炽灯发热量大、耗电、发光效率较低、使用寿命短。荧光灯管显色性较差（光谱是断续的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，需要在设计上采取措施消除频闪效应，另外灯管内存在着有毒的汞蒸汽，不环保。LED光源与常见光源效率典型数据对比如下表1所示。表1LED光源与常见光源效率典型数据对比灯具光源种类光源光效（LM/W）灯具效率（X%）灯具有效光效（LM/W）LED光源90-13090%1-117HPS高压钠灯100-13055%55-72Halide金卤灯8055%44CPL型节能灯60-7060%36-42无极灯60（大功率50）60%36（30）白炽灯15————普通荧光灯60-8070%42-56LED照明以其绿色环保，高效节能的优势成为当前最具潜力的照明方式之一。LED号称“绿色照明的第四代光源”，目前已开始逐步应用于电信、交通、农业、医学、军事等领域。LED（Light-emittingDiode，发光二极管）是一种固态的河南城建学院本科毕业设计（论文）2半导体组件，能够把电能直接转化为光能。作为一种固体照明光源，LED具有长寿命、高光效、多光色等特性，可在安全低电压下工作，也可连续开关闪断，能实现0％-100％调光。1.2课题的意义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。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，许多国家都开始推广LED的应用。LED的应用在照明领域是最令人振奋的，它将开创一个新的照明市场，很快会成为市场的主打产品。其实LED的技术不是刚出现的，在许多年前就已经出现，但是那个时候LED只是被用作仪器和设备的指示灯。近些年随着科技的突破，材料和芯片性能上都有新的改善和突破，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。普通白炽灯的寿命只有1000小时，而LED的寿命则高达50000小时，而且消耗的电量要少得多。根据美国Sandia国家实验室的研究，如果白光二极管系统能够普及，全世界照明用电的消耗将减少50％。影响白光二极管系统普及的主要障碍还是它的亮度和价格，目前白光二极管的亮度不足以照亮整个房屋，而且其价格大约是白炽灯泡的10倍。LED照明技术的发展将带来更加明亮的光线和更少的能源消耗。随着经济发展，我国的照明用电还将有大幅度的提高，国家对绿色节能科技的投入越来越大，LED照明是借助着这个大环境下才得以发展的。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的优点还有很多，作为全固态发光体，LED更加的耐震耐冲击，发热量也更低，而且不易破碎、不含汞、钠等可能危害健康的元素，更加安全，更加环保。LED的应用十分广泛，应用在路灯照片、汽车尾灯、景观灯、液晶显示屏、手机背光源等。1.3LED的国内外研究现状在照明领域的技术革新中，LED的应用毫无疑问是最令人振奋的，它改变了整个照明市场的结构。LED的发光强度很高，但它发出的热量很少。白炽灯会浪费大量的热能，霓虹灯容易破损，荧光灯会产生有毒气体。LED已被全球看成一种新型的高科河南城建学院本科毕业设计（论文）3技环保的节能光源。近几年来，LED的发光效率已增长了100倍，而成本下降了10倍。在目前LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是照明用LED，其用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯。目前，照明LED的应用每年发展的速度超过20%，世界上的许多发达国家都开始大量应用LED照明。功率型LED优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域。为替代荧光灯，白光LED必须具有150~200lm/W的光效，而且每流明的价格应该控制在0.015美元以下。想要做到这个标准，仍有很多技术要突破。根据理论上的说法，LED的发光效率可以非常接近100%。所以LED被看成21世纪的新型光源，很有希望在白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。为了提高白光LED的发光效率，世界上许多国家的科研人员正从改进工艺和开发新材料入手，以改进产品结构。美国波士顿的PhotonicsResearch研究中心报道了LED技术方面的新进展，声称光效达到330lm/W。这种被称作photon-rectcling的半导体光源可发出蓝、黄两种波长的光。所发出的光能使人感到的是白光。这种光效，与目前市场上的LED比要高10倍甚至更高。不过，应该指出，从实验室到商业化的产品这条路也许还十分漫长。奥地利的照明设计公司做了一个大型的实验，用了14000只白光和彩色LED的混合照明整个房间。光照水平可以达到600-700Lux，足够一间普通办公室的照明。用计算机计算白光，蓝光，蓝/绿光，琥珀和红光二极管的混合效果，可以得到2500-3000K的暖色温，其显色指数非常好。由于LED产业不断涌现新技术、新产品、新应用，呈现出了朝阳工业的欣欣向荣的景象，可以相信，半导体技术不仅不会被其他技术取代，而且会继续沿着原来的轨道向前发展。半导体照明技术由于技术的先进性和产品使用的广泛性，已经被广泛认为是最具发展潜力的高科技领域之一。半导体照明产业具有明显的节能和环保效果，也被认为是一个战略性的高技术产业。1.4LED相关知识1.4.1LED的结构及发光原理LED是英文LightEmittingDiode（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。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，p型半导体里面空穴占主导地位，n型半导体里面主要是电子，当两种半导体连接起来的时候，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某河南城建学院本科毕业设计（论文）4些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它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。一种LED结构图如图1所示。1.4.2LED光源的特点（1）电压：LED使用低压电源，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）效能：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）对环境污染：无有害金属汞。（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）价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。图1LED结构图河南城建学院本科毕业设计（论文）51.4.3LED的应用（1）建筑物外观照明对建筑物某个区域进行投射，无非是使用控制光束角的圆头和方头形状的投光灯具，这与传统的投光灯具概念完全一致。但是，由于LED光源小而薄，线性投射灯具的研发无疑成为LED投射灯具的一大亮点，因为许多建筑物根本没有出挑的地方放置传统的投光灯。它的安装便捷，可以水准也可以垂直方向安装，与建筑物表面更好地结合，为照明设计师带来了新的照明语汇，拓展了创作空间。并将对现代建筑和历史建筑的照明手法产生了影响。（2）景观照明由于LED不像传统灯具光源多是玻璃泡壳，它可以与城市街道家具很好的有机结合。可以在城市的休闲空间如路径、楼梯、甲板、滨水地带、园艺进行照明。对于花卉或低矮的灌木，可以使用LED作为光源进行照明。LED隐藏式的投光灯具会特别受到青睐。固定端可以设计为插拔式，依据植物生长的高度，方便进行调节。（3）标识与指示性照明需要进行空间限定和引导的场所，如道路路面的分隔显示、楼梯踏步的局部照明、紧急出口的指示照明，可以使用表面亮度适当的LED自发光埋地灯或嵌在垂直墙面的灯具，如影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯，以及购物中心内楼层的引导灯等。另外，LED与霓虹灯相比，由于是低压，没有易碎的玻璃，不会因为制作中弯曲而增加费用，值得在标识设计中推广使用。（4）室内空间展示照明就照明品质来说，由于LED光源没有热量、紫外与红外辐射，对展品或商品不会产生损害，与传统光源比较，灯具不需要附加滤光装置，照明系统简单，费用低廉，易于安装。其精确的布光，可作为博物馆光纤照明的替代品。商业照明大都会使用彩色的LED，室内装饰性的白光LED结合室内装修为室内提供辅助性照明，暗藏光带可以使用LED，对于低矮的空间特别有利。（5）娱乐场所及舞台照明由于LED的动态、数字化控制色彩、亮度和调光，活泼的饱和色可以创造静态和动态的照明效果。从白光到全光谱中的任意颜色，LED的使用在这类空间的照明中开启了新的思路。长寿命、高流明的维持值（10000小时后仍然维持90％的光通），与PAR灯和金卤灯的50～250小时的寿命相比，降低了维护费用和更换光源的频率。另外，LED克服了金卤灯使用一段时间后颜色偏移的现象。与PAR灯相比，没有热辐射，可以使空间变得更加舒适。目前LED彩色装饰墙面在餐饮建筑中的应用已蔚然成风。河南城建学院本科毕业设计（论文）6（6）视频屏幕全彩色LED显示屏是当今世界上最为引人注目的户外大型显示装置，采用先进的数字化视频处理技术，有无可比拟的超大面积与超高亮度。根据不同的户内外环境，采用各种规格的发光像素，实现不同的亮度、色彩、分辨率，以满足各种用途。它可以动态显示图文动画信息，利用多媒体技术，可播放各类多媒体文件。世界上目前最有影响的LED显示屏，当属美国曼哈顿时代广场纽约证券交易所，总计使用了18677760只LED，面积为10736平方英尺。屏幕可以划分成多个画面，而同时显示，将华尔街股市的行情一目了然呈现在公众面前。另外崛起在上海浦东陆家嘴金融中心的震旦国际总部，整个朝向浦西的建筑立面镶上了长100米的超大型LED屏，总计面积达到3600平方米。堪称世界第一。（7）车辆指示灯照明汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。河南城建学院本科毕业设计（论文）72系统设计原理2.1总体设计方案本设计以89C52单片机为控制器，利用光敏电阻采集环境光照度，采用脉宽调制方式调节三极管，进而调节LED的发光亮度，最终维持环境光照度在一个设定的水平。包括手动控制模块、光采集模块、电源模块、LED照明模块