1、 本科 毕业 论文 (设计 ) （二零 届） LED 混色照明系统的设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 1 - 摘 要 发光二极管是 20 世纪 60 年代末期出现的一种半导体光源，自其诞生之日起到 20 世纪 80 年代，由于 LED 的发光亮度低， LED 主要应用 于仪器仪表的状态指示、数字和文字显示等。 20 世纪以来 LED 的研制取得了重大突破， LED 亮度的不断提高，价格持续下降。 LED 使用寿命长、利用率高、能耗低、发光效率高，是一种理想的绿色照明光源。 本文旨在通过对 LED 混色照明的设计研究，寻求 LED
2、在照明系统中应用的可行性和可靠。 本文采用高亮度红、绿、蓝三种颜色 LED相混合得到 24 位、 16 位或 8 位彩色光作为光源，设计 16 通道的照明系统，应用于广泛的装饰照明及普通照明，对 LED 及应用系统进行了配色设计、控制系统设计及结构设计。论文阐述了 LED 的结构、发光原理及相关 特性，论述了 LED 混色照明的颜色相加原理及与此原理相关的色度学理论。 本文以红绿蓝三种颜色LED 所发出的光为三基色，以颜色相加原理为理论基础，以 CIE 色度系统为应用基础，论述了利用 EZ-Color 控制器和无代码嵌入式设计软件 PSoC express 实现对高亮 LED 的控制和设计。
3、关键词 ： 混色照明，高亮 LED， EZ-Color 控制器 - 2 - Abstract Light-emitting diode 60 in the late 20th century the emergence of a semiconductor light source, since its birth 80 years to play the 20th century, due to low brightness light-emitting LED, LED is mainly used in instruments of the status indicators, numb
4、ers and text display. LEDs development since the 20th century made a major breakthrough, LED brightness continues to improve, prices continued to decline. LED long life, high efficiency, low energy consumption, high luminous efficiency, is an ideal green lighting. This paper aims at the design of LE
5、D color mixing lighting, LED lighting system for the feasibility and reliability. In this paper, high-brightness red, green, and blue LED mixed with 24-bit, 16-bit or 8-bit color light as the light source, designed 16-channel lighting system for a wide range of decorative lighting and general lighti
6、ng, LED and application of system, a color design, control system design and structural design. LED paper describes the structure, principle and related properties of light, discussed the color of LED lighting adding the principles of color mixing and color associated with this principle theory. In
7、this paper, three colors red, green and blue LED light emitted by three primary colors, to add color theory as the theoretical basis, based on CIE color system for applications, discusses the use of EZ-Color controller and no code embedded design software PSoC express bright LED to achieve the contr
8、ol and design. Key words: Color mixing lighting， Tricolor， HB-LED， EZ-Color Controller - 3 - 目 录 1 引言 .1 1.1 研究背景和意义 .1 1.2 国内外研究现状 .2 1.3 主要研究内容 .2 1.4 论文内容概述 .3 2 高亮 LED 介绍 .4 2.1 LED 的发展历程 .4 2.2 LED 的结构和发光原理 .5 2.2.1 LED 的基本结构 .5 2.2.2 LED 发光原理 .5 2.2.3 LED 光源的优 势 .6 2.3 高亮 LED 的标准 .7 2.4 高亮 LED
9、 的应用 .7 2.4.1 汽车信号提示灯 .7 2.4.2 交通信号提示 .8 2.4.3 大屏幕显示 .8 3 色彩学及混色原理 .9 3.1 标准化的色谱 .9 3.2 CIE1931 色彩空间色度图标 .9 3.3 LED 混色的原理 .10 3.3.1 三基 色原理 .10 3.3.2 LED 混色原理 . 11 3.4 LED 混色控制的基本方法 . 11 4 EZ-COLOR 与开发环境 .12 4.1 什么是 EZ-COLOR 控制器 .12 4.2 EZ-COLOR 控制器的特点 .13 4.2.1 EZ-Color 控制器的特点 .13 4.2.2 PrISM 技术 .13
10、 4.3 EZ-COLOR 控制 LED 的优势 .14 4.4 PSOC EXPRESS 开发软件介绍 .14 4.4.1 Express 简介 .14 4.4.2 Express 特点 .15 4.4.3 Express 开发过程 .15 5 系统设计方案 .16 5.1 系统设计总体方案 .16 5.2 混色设计的基本步骤 .17 5.3 方案的实时调 .22 - 4 - 6 总结 .24 6.1 写作总结 .24 6.2 课题研究总结 .24 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 .25 附录 1 芯片清单图 .26 附录 2 数据表截图 .27 附录 3 原理示意图 .29 -
11、 1 - 1 引言 1.1 研究背景和意义 LED 即发光二极管，具有寿命长、节能、安全、绿色环保、色彩丰富等显著优点 ， 节能技术呼声高涨的今天， LED 照明将成为照明技术的发展主流已成为共识。科学技术的发展， LED 的光效逐年提高， 逐步 取代传统光源，从而 引发人类照明史上的第四次革命 ，并 极大地改善人类的生存环境，缓解全球日益严峻的能源危机。 今天，灯具已是从单纯 “ 提供照明 ” 的光源演变为 “ 创造生活情趣 ” 的角色。 LED 灯 混色 照明，不但可以满足节电照明的需要，而且 混色 照明灯光可变化的色彩使人产生各种不同感觉，通过改变灯光的颜色、对比度和亮度等 ， 对彩色可
12、随心所欲 控制。 满足我们需要的情景，也在色彩的变化间切换出不同的季节风情以及不同的情景场面氛围；并可陶冶人们的情操，不同的颜色使人产生不同的情绪，从而引起人的心境发生不同变化。 灯光是一种能够为人们敏锐地感觉到的因素， 它既能形成宁静舒适的气氛，又能烘托欢乐、热烈的场面；能产生庄重肃穆的效果，也能制造豪华富丽的气氛，巧妙运用灯光色彩可让人们心情放飞。夏天天气比较炎热，如果家里的灯光属于暖色调的，无疑给人感觉更加热，从而是人的内心烦躁不安，容易引起发脾气等 。而冬天正好相反，由于天气严寒，而家里的灯具属于冷色调的，就会使空间显得更加的冷清，也会影响人的情绪的， LED 混色 照明可满足人们能随
13、时随心调节灯光色温、色调的需要，创造出一个使人们更舒适的照明环境 。 LED 混色 照明 的方案， 适应于形势、时代的要求，充分体现和发挥 LED 节能高效 的优势，实现以人为本，按需调亮，在不影响正常照明照度的同时， 可以 随心所欲极大限度地按需控制能源，在照度和节电率间获得最佳平衡。 LED 的 混色照明还有一个重要的功能就是它可以按照人们的意愿调节 LED 灯光的色调、色彩，从而可实现单个光源能轻易创造变化的照明情景 。混色 照明的 LED 驱动线路的负载是由白光 LED 和三基色 LED 组合而成，通过驱动线路对不同色彩 LED 输出的调整，来弥补白光 LED 其显色性指数 (CRI)
14、偏低的问题，使 LED 照明在白光应- 2 - 用中保持很高的显色指数 (CRI)，满足人们对高质量灯光照明的需求 1。 同时 ,从目前国内外的技术发展来看， LED 混色照明 (室内照明 ,情景照明 )进入千家万户是一个必然的过程。随着各国纷纷出台的禁用白炽灯的法律，同时伴随标准的逐渐完善，所以预期将会替换大量白炽灯和卤素灯，因此 LE 混色 照明设计和 产品的预计需求量很大。只要质量稳定，有持续的客户需求 ,相信这方面的增长会持续至少 10 年的时间。合理有效的政府组织，加上国内外相关科研能力和企业基础，我们完全有信心 使 LED 混色 照明走进千家万户。 1.2 国内外研究现状 改革开放
15、 30 年，我国照明行业得到迅速发展，基本形成生产、销售、研究一条完整的产业 链。在装饰行业中，混色照明的地位也在不断提高。特别是近年来，光环境、光空间、光艺术等概念在国内越来越引起行业的重视混色，照明设计也已经脱离了纯粹谈技术的层面，上升到设计理念的层次，而且设计师开始运用各种各样的技术来创造出新的照明艺术。目前中国虽然被称为 “ 世界工厂 ” ，能够生产出很多的产品，但好的设计并不体现在数量上，而是体现在品质、技术水平上的。据统计，目前照明行业产值占建筑装饰行业总产值的 10%左右。 纵观目前国内的情况，室外城市情景照明大部分由照明工程公司来做，室内大部分则由照明灯具销售方来做，这样的情况
16、 往往会带来一些弊病，例如导致照明设计有所偏离，不是根据实际需要而去设计。国外的情况则不一样，他们的照明设计是独立的。所以国内外混色设计的差距，既有技术方面的原因，也有目前国内体制方面的原因。 国外混色照明设计行业发展要早于中国很多年，国外的混色照明设计较之中国水平更高，技术更全面，操作更规范，这就保证了最终的设计质量。照明设计在国外能得到很多业主和建筑师、室内设计师的认同与重视。总体来说，我国照明设计前景还是非常广阔的。 1.3 主要研究内容 本课题要研究和学习的内容主要是以下几方面： - 3 - （ 1）了解和研究 Cypress 公司的 EZ-Color 混色照明控制器； （ 2）分析基
17、于 EZ-Color 的高亮 LED 控制的解决方案，掌握 EZ-Color 控制器的结构和性能； （ 3） Cypress Designer5.0 的学习和软件的操作使用； （ 4）研究实现展厅背景墙多色彩照明效果的解决方案。 （ 5）应用 CY8CLED16 设计 16 通道 LED 混色照明系统； （ 6）应用 PSoC express 软件 设计编写 EZ-Color 控制器的驱动程序； （ 7）系统的整体硬件结构设计 (包括芯片规划和外围电路设计 )； （ 9）制作课题研究的实物。 1.4 论文内容概述 本文围绕高亮 LED 混色照明设计，研究 Cypress 公司的 EZ-Colo
18、r 控制及其开发设计的方法，介绍了适用于室内多色彩 LED 照明系统的实现方案。论文的第一章分析了 LED 混色照明技术的特点及其发展现状；第二章阐述了 LED 的结构、发光原理及相关特性；第三章介绍了色彩学及混色原理，论述了 LED 混色照明的颜色相加原理及与此原理相关的色度学理论；第四章介绍了 Cypress的 EZ-Color控制器的结构和控制 LED 混色照明的优势；第五章介绍了无代码嵌入式设计软件PSoC Express 开发工具，并详细阐 述了高亮 LED 混色照明系统的设计方法。 - 4 - 2 高亮 LED 介绍 2.1 LED 的发展历程 自从美国爱迪生发明白炽灯以来，照明技
19、术的发展已经历了 120 多年的历史。继白炽灯这种热辐射光源之后，荧光灯、高压钠灯和金属卤化物灯等气体放电光源应运而生。 1936 年 ， George Destiau 出版了一个关于硫化锌粉末发射光的报告。随着电流的应用和广泛的认识，最终出现了 “电致发光 ”这个术语。 二十世纪 50 年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的 LED， 并于 60 年代面世。据说在早期的试验 中， LED 需要放置在液化氮里，更需要进一步的操作与突破以便能高效率的在室温下工作。第一个商用 LED 仅仅只能发出 不 可视的红外光，但迅速应用于感应与光电领域。 60年代末，在
20、砷化镓基体上使用磷化物发明了第一个可见的红光 LED。磷化镓的改变使得 LED 更高效、发出的红光更亮，甚至产生出橙色的光。 到 70 年代中期，磷化镓被使用作为发光光源，随后就发出灰白绿光。 LED采用双层磷化镓蕊片 (一个红色另一个是绿色 )能够发出黄色光。就在此时，俄国科学家利用金刚砂制造出发出黄光的 LED。尽管它不如欧洲的 LED 高效 ， 但在70 年代末 ，它能发出纯绿色的光。 80 年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的 LED 的诞生，先是红色，接着就是黄色，最后为绿色。到 20 世纪 90 年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了桔红、橙、黄和绿光的 LED。 第一个
21、有历史意义的蓝光 LED也出现在 90 年代早期，再一次利用金钢砂 早期的半导体光源的障碍物。依当今的技术标准去衡量，它与俄国以前的黄光 LED 一样光源暗淡。 90 年代中期，出现了超亮度的氮化镓 LED，随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓 LED。 超亮度蓝光 芯 片是白光 LED 的核心，在这个发光 芯片上抹上 荧光磷，然后荧光磷通过吸收来自 芯 片上的蓝色光源再转化为白光 ， 就是利用这种技术制造出任何可见颜色的光。今天在 LED 市场上就能看到生产出来的新奇颜色，如浅绿色和粉红色。 有科学思想的读者到现在可能会意识到 LED的发展经历了一个漫长而曲折的历史过程。事实上，最近开
22、发的 LED 不仅能发- 5 - 射出纯紫外光而且能发射出真实的 “ 黑色 ” 紫外光。那么 LED 发展史到 底 能走多远，不得而知。也许某天就能开发出能发 X 射线的 LED。早期的 LED 只能应用于指示灯、计算器显示屏和数码手表 ， 而现在开始出现在超亮度的领域。 LED 灯的研究 将会在接下的 一段时间继续下去 ，选择不同的半导体材料，是 LED 能够辐射出多种单色光，将逐步地满足人们对色彩的要求。 2.2 LED 的结构和发光原理 2.2.1 LED 的基本结构 LED（ Light Emitting Diode），即发光二极管，是一种固态的 半导体 器件，它可以直接把电能转化为光
23、能。 LED 的心脏是一个半导体的晶片， 晶片 的一端附着在一个支架上，整个晶片用 环氧树脂 封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是 P 型半导体 ，在它里面 空穴 占主导地位，另一端是 N 型半导体 ，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个 “ P-N 结 ” 。当电流通过 导线 作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区，在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 发光的原理。而光的 波长 决定光的颜色，是由形成 P-N 结材料决定 的 。通常的 LED 结构见图 2-1。 图 2-1 LED 灯珠 2.2.2 LED 发光原理 简单地说在一块本征半导体的两边通过不同的掺 杂分别做成 P 型和 N 型半导体。 P 型半导体中空穴为多数载流子， N 型半导体中电子为多数载流子。由于
