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CHANGCHUNINSTITUTEOFTECHNOLOGY开题报告设计题目：LED智能节能照明控制系统设计学生姓名：XXX学院名称：电气与信息工程学院专业名称：电子信息工程班级名称：XXXX学号：XXXXX指导教师：XXX教师职称:副教授学历：大学本科2011年3月25日1开题报告一、选题依据1.设计目的及意义（1）设计目的LED被认为是21世纪的照明光源。LED发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10%，荧光灯的50%。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用LED替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12%。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了一套LED智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。（2）意义随着社会经济和科学技术的发展，人们的生活水平也不断提高，导致用电负荷的加剧，又由于世界性的能源危机，能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。对于一些公共场所，如学校，公共建筑等，一般采用开放式管理模式为主，如学校里，一般的高等学校学生都没有固定的教室，无固定的座位;而楼层管理人员仅负责卫生或保卫工作。因此，造成了白天长明灯，晚上无人也开灯，人少灯全开等无效运行的浪费现象在高校司空见惯。在一些公共场所，大部分灯具的照明都是一直亮着的，而且公共场所的灯具数目也不少，出于这些原因，往往就在不经意间造成电能的巨大浪费。而从全国角度出发，我国人口众多，因此人均占有资源储量较少，能源短缺问题将长期存在。应此，提高用电效率就成开题报告了21世纪以来需要考虑的问题。目前对灯光的智能控制，国内外己经开始采用，随着21世纪的到来，现代自动化程度不断提高，计算机技术的普及，灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。比如，一些居民楼的楼道口用的灯是根据对周围声音的判断来确定是否需要2亮灯，但这只能解决小部分的问题，不能解决根本上浪费电源的问题。于是，开发更加简便、能适用于更多公共场合的灯光自动控制系统便具有重要的现实意义。2.设计拟解决的工程实际问题使用白光LED照明的第一个突出优点就是节能。未来白光LED照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯10%-20%，1998全球照明共消耗2300亿美元的电力，同时在发电过程中还产生了4.1亿吨的二氧化碳，而假如到2055年有一半的普通光源被LED照明取代，那就意味着全球每年将节约1000亿美元，并减少二氧化碳污染物的排放。现在我国一年耗电量为2000亿千瓦时，光源替代后，每年可节约近1600亿千瓦时，相当于2个三峡电路。白光LED照明的另一个突出优点就是环保。只用3V的直流电压保证其没有电磁干扰，同时长寿命又保证不产生废物，不像日光灯点亮后会产生汞蒸汽灯污染物。普通灯泡寿命只有1000个小时，而LED灯寿命却可达到10万个小时，可大幅减少灯具损坏抛弃带来的环境污染。3.设计拟应用的文献综述在参考文献【1】中主要采用以MCS-51单片机为核心的一个集采集、处理、控制为一身的自动控制系统。该系统硬件模块部分由传感器单元，控制器单元，LED驱动电路和照明系统四个部分组成。该系统的工作原理是：首先通过被动热释电红外探测器和环境噪声探测是否有人，并探测环境亮度。如果没人，所有LED灯均开题报告不开。如果有人，分成二种情况：1：若需要照明的环境的照度X200lx时,LED照明灯具处于关闭状态；2：若需要照明的环境的照度X200lx时,LED照明灯具处于开启状态，并且随着环境照度调节LED灯具的照度，LED灯具释放到室内的平均照度为E=200-X。该系统的软件设计采用模块化设计思想，以主程序为核心设置功能模块子程序。运行过程中通过主程序调用各功能模块子程序，因为灯具控制实时要求不高，循环控制即可满足要求。该系统的软件部分主要完成以下功能：信号输入模块实现相应传感器信号输入单片机数据通道，在控制系统软件中，分别将红外线探测器的信号与声音传感器的信号经过整流放大数字化后处理成开关的布尔型数据，然后相或。经过整流放大的环境补光光强度探测系统产生的信号分两路，一路为布尔值，并与前两路信号处理后产生的输出进行与运算，由此产生决定灯具开3关的开关信号，另外一路将环境数据A/D转换，然后作为系统调节亮度的控制信号编码输出到系统的输出模块，达到控制LED发光亮度的目的。达到智能照明的目的。该系统自在大庆石油学院现代教育中心中控室试运行以来，节能超过50%,节能效果非常明显。由于该系统的实验是在室内完成的，当应用于室外时，随着季节的变化，室外温度变化要比室内温度变化的大些，应此，当要应用于室外时，所用的系统就要比该系统更复杂些。由于该系统的控制单元用的是8051单片机，其软件设计的编程部分也比较复杂。在参考文献【2】中主要采用通过恒流源驱动的方式来达到LED智能照明的目的。该系统的硬件模块部分和参考文献【1】一样，由传感器单元，控制器单元，LED驱动电路和照明系统四个部分组成。与参考文献【1】的不同之处在于该系统的控制单元采用uPD78F0034芯片，该芯片用于对来自于热红外传感器、强光传开题报告感器、声控传感器检测到的信号经过A/D转换得到的信号数据进行计算处理，将处理过的信号经D/A转换，运算放大去驱动LED驱动电路和显示电路。该系统的软件模块部分以及软件部分实现的功能和参考文献【1】一样。该系统曾在实验室进行长达一年的实验，节能效果超过45%，从使用情况看，该控制系统稳定性好、可靠性高、故障率很低。此方法具有精度高、稳定性好、功能易于扩展等优点，为智能照明控制系统的设计提供一种新的设计方法，它在新型室内照明和城市照明中有非常好的应用前景。在参考文献【3】中主要采用以AT89C51单片机为核心的一个集采集、处理、报警为一身的制动控制系统，它的硬件部分由热式红外传感器件、可见光探测组件和控制部分组成。该系统是在教室内进行实验的，其工作原理是：当教室无人时,关闭电源,所有灯具均关闭。当教室有人时，分成3种情况：若室内照度X≤X1时灯全部打开；室内照度X1XX2时灯开一半（即每组开一支）；若室内照度X≥X2时所有灯均不开。X1、X2的取值可根据平均照度的公式计算：E=#×N×U×K/A。式中：#—光源的光通量；Ν—灯具数；U—灯具的利用系数；K—维护系数；A—室内面积,单位m2。该系统的软件是一个实时监控、检测和执行的开关控制软件，它的设计流程没有采用参考文献【1】所采用模块化设计思想，而是根据工作原理的三种不同情况逐次设计的，其复杂程度没有参考文献【1】高。该系统通过近一年的使用,在扣除学校其他用电正常递增的基础上,学校的用电量与使用这套装置之前同期相比,降低了30%;同时,教室内照明灯具、开关的维修量大为减少,使用寿命也相应增4加了10%。本设计也适用于车站候车室、办公楼等场所。在参考文献【4】中主要采用以AT89C52单片机为核心的新型节电照明控制开题报告系统。该系统是在保证照度标准和照明质量的前提下，以减少照明系统中的能量损失，最有效地利用电能。它的工作原理是：根据理论计算和实验测量。电压与灯源的功率关系可知降压节电是一种切实可行的方法。节电控制器的工作模式为：节电器开始工作后，首先以满电压在预设的预热时间段内运行。预热时间过后，节电器的输出电压开始平滑下降，直至输出电压降至预设的节电水平，并保持这一水平稳定运行。当节电水平设置值改变或节电控制信号断开，输出电压将改变为新的节电水平或恢复满电压输出。该系统的硬件结构包括强电部分、单片机及其外围电路、电流采样电路、电压采样电路和驱动电路等。该系统的软件设计思想和参考文献【1】一样，也采用模块化设计思想。主要有三个功能模块：按钮、显示模块实现相应信号从单片机输入和输出；控制信号模块实现控制信号的编码输出；外部输入模块实现控制模块对外部控制信号的接收。通过实验证明该节电器的节电效率为25%左右，该系统不仅具有节电，延长灯泡寿命的功能，而且能使日光灯在电压波动范围较大的情况下稳定运行，由于该系统采用了单片机控制，所以具有较高的性能价格比和柔性，即可以根据实际情况进行变更和扩展，提高了系统灵活性和适应性，有利于应用和推广。4.设计相关技术的国内外现状从全球来看，半导体照明产业已形成以美国、亚洲、欧洲三大区域为主导的三足鼎立的产业分布与竞争格局。全球LED产业主要分布在日本、台湾两大地区，其中日本2005年的LED产值达28.7亿美元，占据全球LED产值近50%;台湾（包括台湾岛内及大陆分厂生产）LED产值2005年达12亿美元，约占全球LED产值的21%列第二。开题报告日本Nichia、ToyodaGosei,美国Cree、Lumileds、GelCore、欧洲Orsam等国际厂商代表了LED的最高水平，引领着半导体照明产品产业的发展。日本和美国两大区域的企业利用其在新产品和新技术领域中的创新优势，主要从事最高附加价值产品的生产。其中日本几乎垄断全球高端蓝、绿光LED市场，为全球封装产量第二大、产值第一大的生产地区。自2003年实行半导体照明工程以来，我国LED产业已进入快速发展时期，我国下游封装已实现了大批量生产，正在成为世界重要的中低端LED封装基地。受国内下游应用产品巨大的制造能力及市场消费的吸引，除积极介入的民营资本外，台5湾地区、香港、韩国及日本的众多投资者都已在我国投资，在提高我国的半导体照明产业技术水平和产业国际竞争力同时，也加剧了国内市场的抢夺大战。随着LED产业分工与竞争的加剧，国际大厂间的参股投资、代加工、代理销售、专利交互授权、策略联盟等合作步伐正日益加快。如日本住友电工成为美国Cree在日本的销售总代理、Cree和Osram签署长期供货协议，种种迹象表明国际厂商的合作步伐正在加快，以策略联盟共同占据有利市场地位。二、设计方案及技术路线（一）设计方案方案一：采用恒流源驱动与单片机结合技术的方案实现LED的智能照明；图一：恒流源驱动LED原理图开题报告图一是一个以单片机为核心通过恒流源驱动实现LED节能照明的控制电路图。该系统的性能指标主要由两大关系所决定:设定值与A/D采样显示值的关系;内部测量值与实际测量值的关系。后者是由于取样电阻与负载电阻和晶体管的放大倍数受温度的影响和测量仪表的误差所造成的。为了减少这种误差,所以选用温度系数低的电阻作采样电阻;而A/D与D/A转换过程的误差可以通过多次实验得出一定的比例关系,将所得的误差加入系统程序中。该系统的恒流源电路部分属于电流串联负反馈的拓扑结构，由集成运放和MOS管构成。为了实现可调恒流源控制，在运算放大器的同向输入端引入由D/A输出的可调电压Vin，使其成为受控恒流源，在反向输入端连接采样电阻R。单片机（C8051F040）部分的主要功能是按给定电流值,提供调节输出电流所需的精密电压信号。首先采用键盘输入方式设置给定电流值。根据单片机写入的数据经过其内置的12位D/A转换输出直流电压提供给恒流源的输入电压Vin使其得到一个稳定的恒流输出,再通过12位A/D采样将LED输出的电流数据送入单片机,通过单片机处理计算出控制电压,根据实际的电流与设定电流的比较,向单片机写入新的数据,从而更新输出电流,再反馈回可控恒流源电路,实6现对恒流源输出电流的精确调节,最后由数码管分别显示设定电流与输出电流的数值。方案二：采用以单片机为核心与传感器结合技术的方案实现LED智能照明；图二：以单片机为核心的智能控制原理图开题报告图二是一个以单片机为核心的智能控制电路，它由一系列传感器单元构成。通过相关传感器感应外部实际情况，将外部信号转换为实际电信号，通过运算放大器、A/D转换电路转化为单片机处理的数信号，通过单片机的一系列运算与