1、本科毕业论文（20 届）Led 发光二极管参数测试仪的设计所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期目 录摘 要 . .1Abstract. .2前 言. .3第一章 绪 论 .41.1 LED 开发背景及意义 .41.1.1 LED 的发光机理 .41.1.2 LED 光电参数测量 .51.2 LED 特性参数测试存在的问题 .7第二章 整体结构设计 .8第三章 硬件设计 .93.1 恒流源设计 .93.2 光电转换电路 .93.3 AD 转换 .113.4 液晶显示模块 .113.5 单片机控制模块 .123.6 开关 Key.12第四章 软件设计 .144.1 单片机软
2、件开发环境 .144.2 测量电压的流程图 .144.3 测量电流的流程图 .144.4 测量光通量的流程图 .14第五章 测试结果 .165.1 测量结果 .165.2 误差分析 .16第六章 总结与展望 .186.1 总结 .186.2 展望 .18参考文献致谢1摘 要发光二极管产业的飞速发展，对二极管特性参数的测量也随之泛起。通过对 LED 光电参数及基本工作原理的进一步的分析，设计出一种能对 LED 进行各项参数测量的测试仪器。该设计侧重于用户的操作便捷、可靠稳定和降低制作成本等方面。首先，根据毕业设计的要求规划出硬件设计的部分。硬件设计包括恒流源设计，光电转换电路设计，数模转换电路设
3、计，单片机，液晶显示设计，键盘 Key 设计等。其中恒流源的设计是其中的核心部分，可以通过它调节电压的变化，完成各项数据的测量。然后，借助 Keil 和 Proteus 等软件工具，按照之前设计要求和方法，完成 LED 光电参数测试仪软件设计的部分。其中，利用 Proteus 软件平台，可以实现各硬件模块之间的联系并进行仿真。并通过仿真结果的分析，对设计的不足进行补充或进一步的改进，完成 LED 参数测试仪的设计。该设计选用光敏二极管和数模转换芯片 TLC1543 实行数据转换，AT89C51 单片机为微处理器，进行数据分析和控制，再通过 1602 液晶屏显示出相关的测试成果。最后，总结在设计
4、 LED 光电参数测试仪过程中出现的问题，并进行分析讨论，提出设计可以展望的方向。关键词：发光二极管，单片机，TLC1543 ，数模转换器2AbstractThe rapid development of light-emitting diode industry, measuring the parameters of the diode characteristics also will be thrown. Through further analysis of the LED optical parameters and the basic working principle, des
5、ign a test equipment were able to measure the parameters of the LED. The design focuses on the users operation convenient, reliable and stable and reduce production costs, etc.First, according to the requirements of graduation plan the hardware part of the design. Hardware design includes a constant
6、 voltage source design, photoelectric conversion circuit design, digital to analog conversion circuit design, microcontroller, LCD design, Key switch design. Constant voltage source which is designed to be one of the core parts, which can adjust the voltage changes, complete the measurement of the d
7、ata.Then, with the Keil and Proteus software tools and methods in accordance with the design requirements before completion LED Optical parametric tester software design part. Among them, the use of Proteus software platform that enables connection between the various hardware modules and simulation
8、. By analyzing the simulation results, the design of the lack of further improvement or supplement, complete LED parametric tester design. The design chosen photodiode chip digital to analog converter TLC1543 implement data conversion, AT89C51 single chip microprocessor, data analysis and control, t
9、hrough 1602 LCD screen shows the relevant test results.Finally, the summary appears in designing LED photoelectric parameters tester process issues were discussed and proposed design prospect direction.Keywords:Light emitting diodes;SCM;TLC1543;Digital to Analog Converter3前 言随着 LED 的迅猛发展和广泛应用，照明再不像传
10、统那样单调，变的更加丰富多彩了。同时，由于 LED 芯片的厂家越来越多，制作成本和工艺的不同，所生产的 LED 芯片在性能及稳定性方面存在很大的差异。因此，对 LED 特性参数的测量就显得有为重要了。本论文主要侧重于发光二极管的光电特性参数的测量，在简要叙述发光二极管的结构特点及基本工作原理的同时，进一步介绍了 LED 一些重要的特性参数及其测量方法，设计出能对发光二极管(LED) 进行光电参数测量的测试仪器。全文共分六章。第一章绪论：简述发光二极管开发背景及其性能参数，并列举发光二极管参数测试仪自身存在的一些问题，在查找这些相关问题的处理方案的过程中，大致确定此次设计的框架。第二章方案设计：
11、简要说明方案的设计流程。第三章硬件设计：大致的介绍了设计中需要用到的各模块功能，按照硬件结构图的顺序慢慢的制定出办案来完成总硬件设计模块。第四章软件设计：简要介绍 Keil 软件和 Protel 软件，根据流程图一步步实现软件设计这一模块。第五章测试结果：进行原理图仿真，列表显示结果。通过之前的调试检验结合 LED特性参数的测试结果分析出现的误差，并提出解决的方案。第六章总结与展望：结合之前的结果分析，总结出本论文的步骤与不足，并在此基础提出进一步的展望。4第一章 绪 论1.1 LED 开发背景及意义LED 英文名称是 Lighting Emitting Diode。在 LED 管中，由于正偏
12、电压使电子-空穴复合产生能量和自身材质的关系，从而产生各种发光波长。LED 因具有物理尺寸小、质量轻、发光效率高、使用时间长、光色纯、能耗小、稳定性高和绿色环保等特点，普遍应用于彩色动态显示大屏幕、交通信号灯和汽车照明灯等地方。由于第三代半导体材质氮化稼的开发和白光 LED 的研制出来，将会对现在的照明产业产生巨大冲击 。通过对比白炽灯和荧光灯各项光照参数，LED 的性能更好，并广泛的应用于 城市景区装饰、室内照明装潢等范围。伴随着 LED 被广泛的应用于各个领域 ，人们对 LED 的各项特性参数提出了更高的要求。而为了适应市场的需求，LED 的光照亮度和波长分选提上了日程。因此，能够开发出更
13、高测试精度和更快速率的 LED 特性参数测试仪器，实现快速、有效的测试，有利于开发出更好的 LED 和满足市场对 LED 更高性能的需求。本设计是基于此设计的测试仪，可用于小范围的实验测试。1.1.1 LED 的发光机理首先 LED 管内部要有足够多的电子和空穴，然后在 P-N 结上加正偏电压来激发使得电子和空穴发生碰撞产生能量，发出光谱。LED 的发光机理如图 1 所示：图 1 LED 结构及工作原理参看相关文献可知，光通量 与电子-空穴的复合速率 及量子效率 成正比，1VR/式中 为电子空穴复合的总时间，而 为电子空穴辐射复合时间。所以 R(2-1)11Vnvv式中： 为 LED 发光二极
14、管的体积； 为复合多下来的电子-空穴对浓度。平衡状v5态要求电子-空穴的产生速率等于其复合速率，即（2-2 ）1Vn单位时间内流过结区的载流子总数为 （ 为流过结区的电流， 为电子数），因此ei/ e经过结区载流子的速率 为1V（2-3 ）vi/1结合上式(2-1)，可得（2-4 ）ei通过上式(2-4)可得光通量与载流子总数的比值就是量子效率。因此，想要提高 LED 的光通量，就要尽可能提高 LED 的量子效率，也就是要增加辐射复合过程。半导体发光二极管的核心是其内部的芯片，它的结构如图 2 所示分为几个部分：芯片上下两端装上的是导电金属，当作阳极和阴极；LED 的衬底是用来导热和反射光的，
15、也是外延片生长的根本，是利用外延片制造芯片的重中之重；P 型层、N 型层、发光层是芯片发光的核心。当加上正偏电压后，P 型层的空穴和 N 型层的电子，会由于外力的作用在发光层发生碰撞并发出光。图 2 LED 内部芯片图1.1.2 LED 光电参数测量1.LED 相关参量（1）光通量 (Luminous flux)：LED 单位时间某波段的辐射能量与人眼对该波v段的相对视见率的乘积；（2）发光强度 (Luminous intensity)：光源向某一方向发射的光通量；vl（3）工作电流 (Working current)：普通 LED 工作电流(5-10)mA，亮度高的I6LED 电流范围 (3
16、0-50)mA；（4）工作电压 (Working voltage)：普通电压 1.55-2.15V，通常用的 LED 电压为V3.35-3.65V。2.LED 发光强度的测量光强代表了光源向不同方向发射的辐射能力，是 LED 发光二极管基本参数中比较重要的参数。光源向某一方向单位的空间角元 发出的光通量 称为发光强度 ，即dvdvl（2-5 ）lv发光强度主要用在点光源或距离光探测器比较近的场合。但是，探测器接收面积也不能太小，因为 LED 发出的光是圆环状的。因此经过多次系统的调试，确定 LED 与光探测器之间的距离。而在实际测量中无法保证环境在国际标准下，所以难免会有一点误差的产生。LED
17、 的光强测试如图 3 所示，然后把多次测得的光强记录取其平均值。VTDAd图 3 LED 发光强度测试结构示意图其中：D 为 LED 发光二极管；V 是额定电源；T 为光测试仪；A 为电流方向；d是发光二极管与光探测器之间的距离。3.LED 的伏 -安(V-I)特性LED 的伏-安特性是在 PN 结两端施加电压观察电流变化的特性，一般包括正向特性和反向特性。LED 的伏- 安特性曲线如图 4 所示。图 4 LED 伏-安特性曲线7LED 两端加正向电压时，正向电流就会产生。当提供的正向电压较小时，由于克服不了 LED 自身载流子运动形成的阻力，经过的电流就会很小。而当 LED 两端的电压超过一
18、定的数值以后，就会因为克服了内部载流子运动所造成的阻力，电流也就会很快增长上去如图 4 中的 a 点所示。将 LED 反向接入电压，由于 P 型层还有少量的剩余电子，N 型层也有少数空穴剩余，这些剩余量则因为反接电压的缘故会很容易在发光层产生光，因此形成反向电流。如图 4 中的 Ob 段所示。而 LED 反接的电压增加到某一额定数值时，反向电流就会急剧上升，当超过额定值就会出现反向击穿现象，如图 4 中的 c 点所示，这个电压值 叫做反向击穿电压。BV1.2 LED 特性参数测试存在的问题在 LED 特性参数测量的过程中，由于影响 LED 测量的因素较多，使得测试结果不能达到预想值。对比于传统
19、光源，LED 在物理尺寸、光通量、光谱、光强等方面具有一定的独特性。一测量 LED 特征参量有如下几方面的问题：1.LED 的封装、温度、传感器、测量定律等因素都会影响测量的结果。因此这些因素往往是不可忽视的。为了确保测量结果的稳定，本设计采用标准条件进行测试。2.尽管国内根据国际标准制定了相应的基本标准，但由于 LED 存在一定的独特性，使得标准量值必须逐级进行，从而导致层数多和精确差等问题的出现。3.LED 由于体积小，使得发出的能量比较微弱。如果还照搬传统方案展开测量会有很大的误差产生。4.LED 的伏 -安特性与普通二极管相比大致相同，温度容易引发电压产生变化，从而造成测量值重复性差等问题。5.高亮度和功率型 LED 产品中，元器件的不合理搭配组合将导致 LED 管温度升高，并对 LED 的光强、发光颜色、使用寿命和稳定性产生不可估计的影响。二在对 LED 测试的过程中，使用仪器须知道几处注意点：（1）必须选用具有较稳定和准确的恒压源；（2）光传感器的光谱灵敏度必须严格按照测试要求进行修正，使其符合人眼光谱的标准值；（3）LED 发射角度的差异，测量距离的远近和光谱的不同会对测量结果有影响；（4）LED 在实际生活应用中，人们对 LED 的颜色要求比较高。 LED 的发光波长是由半导体材质决定的，而测量 LED 的仪器精度不高，将很难生产出完美的 LED 产品。
