RGB LED PWM驱动电路及色差控制_电子论文

(RGB LED PWM驱动电路及色差控制 毕业论文 104页 30765字包括开题报告文献综述任务书外文翻译程序电路图答辩记录）

摘要：发光二极管（LED）会成为未来的一种主要光源。RGB LED具有体积小、散热好、颜色可以随时改变的特点，比传统的灯泡有更好的应用前景。
然而，其颜色的精确控制是一项非常有挑战性的工作，包括光色混合、颜色光强控制以及如何保持由于LED节温变化和器件老化引起的颜色变化。
在本文中，为了有效的控制颜色，我们设计了一个采用颜色传感器和温度测量的RGB LED调光系统，使用PWM方式来调整RGB LED的前向电流，以获得所需要的白光。
本文详细介绍了系统的硬件电路及软件程序设计。硬件电路采用了STC12C5410AD单片机，包括了电源电路、PWM驱动电路、颜色获取电路、温度测量电路以及串口电路；软件设计与硬件电路对应，主要包括了颜色获取及自动颜色控制程序等。试验结果表明系统具有较好精确性、稳定性与重复性。

关键词：RGB LED；PWM；色差控制
分类号：TN 535

Research on RGB LED PWM Driver Circuit and Color Control
Abstract: Light-emitting-diode (LED) lightings are expected to become a major kind of light sources for the coming decades. Red-green-blue (RGB) LEDs having capability of generating instantly different colors can find more applications than conventional light bulbs due to their compactness, lower heat dissipation, and most importantly, real-time color changing capability.
However, accurate control of colors for RGB LED lights is a challenging task, which includes optical color mixing, color light intensity control and color point maintenance due to LED junction temperature change and device aging.
In this paper, we present color sensor and temperature measurement technique for a pulse width modulation (PWM) diode forward current controlled RGB LED lighting system. The technique can control the color effectively.
This paper explains the design of hardware and software of the system in detail.
Hardware design is based on the microcontroller STC12C5410AD, which include the power circuit, PWM driver circuit, color access circuit, temperature measurement circuit and serial circuit. Software design is correspond to hardware, color access program and automatic color adjustment arithmetic mainly included. The test result shows that the system has High-precision, good stability and repeatability.

Keywords : RGB LED; PWM; Color Control
Classification: TN 535

目次
摘要 I
目次 III
1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2 LED的概述 2
1.2.1 LED的结构与发光原理 2
1.2.2 LED光源的特点 2
1.3 LED灯的优点 3
1.4 研究历史与现状 3
1.5 白光LED的产生 4
1.6 三基色LED配色实现白色发光 5
2 总体设计方案与实现基础 6
2.1 整体设计方案 6
2.2 单片机 6
2.2.1 STC12C5410AD单片机 7
2.2.2 不同控制芯片的比较 8
2.3 PWM调光技术 8
2.4 三基色调色原理 9
2.5 颜色传感器技术 10
2.5.1 TCS230结构与特点 10
2.5.2 识别颜色的原理 11
2.6本章小结 11
3 硬件电路设计与实现 12
3.1 颜色识别电路 12
3.2 带PWM功能的恒流源 13
3.2.1 恒流源芯片SB42511 13
3.2.2 恒流源电路 14
3.3 电源电路 15
3.4 温度测量电路 15
3.5 串口电路 16
3.4.1 MAX232芯片 16
3.4.2 串口电路 16
3.6 硬件设计经验总结 17
3.7 本章小结 17
4 软件的设计与实现 18
4.1 Keil C51 软件介绍 18
4.2 软件总体设计 19
4.3 数据采集 20
4.4 颜色识别 21
4.5 颜色调整 22
4.6 硬、软件的调试 23
4.6.1 硬件的调试 23
4.6.2 软件的调试 23
4.6.3 硬件和软件的联合调试 23
4.7 本章小结 23
5 实验结果与分析 24
5.1 实验系统的组成 24
5.2 上位机软件界面 26
5.3 数据记录与分析 27
5.3.1 红色占空比100% 28
5.3.2 红色占空比75% 28
5.3.3 红色占空比50% 28
5.3.4 红色占空比25% 29
5.4 实验性能结果 29
5.5 本章小结 29
6 结论与工作展望 30
参考文献 31
附录：程序 32
作者简历 44
学位论文数据集 45

1 绪论

在过去的100多年里，作为人类文明象征的照明技术有了飞速的发展，作为照明技术主体的光源经历了三个重要的发展阶段：白炽灯，荧光灯和HID灯。在进入新世纪的时候，大家都在关心：“什么将是二十一世纪的照明新光源？”现在，众多的人认为二十一世纪照明新光源是发光二极管LED[1]。LED作为第四代光源，有着极其光明的发展前景。

1.1课题背景
应用半导体P•N结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初，1964年首先出现红色发光二极管，之后出现黄色LED。直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司（日亚）成功开发出白色LED。
LED以其固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制，无法作为通用光源推广应用。
近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。
随着各种颜色的LED相继研制成功，LED从最初仅用作仪器仪表的指示光源，到交通号志灯、高位刹车灯（汽车上的第三刹车灯）、显示屏（单色、双色、全色，户内、室外全天候）、手机、彩灯装饰（轮廓灯、椰树灯、烟花灯），再到现在在城市亮化工程照明中得到广泛的应用，展现了良好的发展空间和广阔的市场前景。
目前，LED光源的颜色主要有红色、黄色、蓝色、绿色、白色及全彩色（RGB三色，由红、绿、黄三原色组成），发光角度从也由原来的60度扩大到120度。
相对与传统光源，LED在显色性，使用寿命，工作效率，环保及抗干扰等方面，均有不可替代的优势。随着成本的降低，功效的进一步提高，LED将在汽车电子，家庭照明，大屏幕平板显示器的背光以及更高效的照明应用中成为主流产品。

1.2 LED的概述
在某些半导体材料的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。

1.2.1 LED的结构与发光原理
LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。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。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。
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，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。

1.2.2 LED光源的特点
LED光源的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达80～90%。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm／W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm／W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm／W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED为20～28lm／W，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。具体表现在以下几方面：
（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。

1.3 LED灯的优点
（1）点亮无延迟，响应时间更快，传统玻壳灯泡则有0.3秒的延迟
（2）更强的抗震性能
（3）发光纯度高，无需灯罩滤光，光波长误差在10纳米以内
（4）光束集中，更易于控制，且不需要用反射器聚光，有利于减小灯具的深度
（5）耗电量低，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗电量仅为传统灯泡的6%
（6）超长寿命，无灯丝结构不发热，正常使用在6年以上
（7）车辆控制电路不易氧化

RGB LED PWM驱动电路及色差控制

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