LED故障检测系统研究毕业设计论文.docx
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LED故障检测系统研究毕业设计论文
毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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日期:
年月日
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日期:
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注意事项
1.设计(论文)的内容包括:
1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
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3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
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引言(或绪论)、正文、结论
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2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
4.文字、图表要求:
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2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分用计算机绘制,所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
4)图表应绘制于无格子的页面上
5)软件工程类课题应有程序清单,并提供电子文档
5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩:
□优□良□中□及格□不及格
(在所选等级前的□内画“√”)
评阅教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
□优□良□中□及格□不及格
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
□优□良□中□及格□不及格
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩:
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
年月日
教学系意见:
系主任:
(签名)
年月日
第一章绪论
1.1LED灯原理
LightEmittingDiode,即发光二极管,是一种半导体固体发光器件,它是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。
LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
LED发光原理及特点:
多变幻:
LED光源可利用LED通短时间短和红、绿、蓝三基色原理,在计算机技术控制下实现色彩和图案的多变化,是一种可随意控制的“动态光源”。
寿命长:
LED光源无灯丝、工作电压低,使用寿命可达5万到10万小时,也就是5年到10年时间。
白炽灯的发光机理是电能将发光钨丝进行加热而发光的,经过相当长时间的加热,钨丝就会老化甚至烧断,至此,白炽灯泡的寿命也就此告终了,而发光二极管的发光机理是由二极管特殊的组成结构决定的,二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成,当在电极上加上正向偏压之后,使电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载流子和多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。
其发光过程包括三个部分:
正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。
由此可见二极管主要是靠载流子的不断移动而发光的,不存在老化和烧断的现象,其特殊的发光机理决定了它的发光寿命长达5-10万个小时。
1.2研究LED灯的意义
目前,全球有近200家公司和300多所大学以及研究机构从事氮化镓基LED的材料生长、器件制作工艺和相关装备制造的研究和开发工作,居于领先水平的公司主要有日本的Nichia、ToyotaGosei、索尼、三洋、美国的CreeLumileds,欧洲的Osram、菲利普、中国台湾的芯片厂家主要有国联、晶元、光磊、广镓、灿元、连威等,封装方面主要有亿光电子、鼎元光电、佰鸿工业等。
这些跨国大公司多有原创性的专利,引领技术潮流,占有绝大多数的市场份额,其中日本的日亚公司是全世界研究和生产LED的“顶尖”单位,十余年来其氮化镓基LED的研究和开发水平一直领先其它单位2-3年。
日亚公司在生产白色LED的荧光粉材料方面拥有多项专利,在InGaN白色LED芯片供应上一直占统治地位,但专利技术一直控制在内部使用。
Lumileds公司也已开发出最大发光功率达120lm的白光LED,美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出效率为200lm/W的白光LED。
我国台湾是世界LED生产的最重要基地,其产量超过全球LED产量的1/3,早在20世纪90年代初已经名列世界第三位。
目前我国台湾LED产品市场占有率已达28%,超过了美国,位居世界LED市场第二位,产品80%以上外销,主要销往韩国、日本、美国和欧洲等地,目前台湾地区LED业主要是向全彩化、高亮度和大型化的方向发展,仅用于LED生产的MOCVD装备就多达200多台。
据CIR预测,全球LED市场将从2004年的36.8亿美元的基础上,增长至2005年的39亿美元,预计到2007年,全球LED市场将达47亿美元,其中,高亮度发光二极管市场将占44%的份额,可望达到5.2亿美元,占11%的市场份额。
据StrategiesUnlimited统计,2005年用于手机和其它手持设备的LED的销量在过去2年中增长了3倍,达到20.28亿美元。
占当年市场份额的51%、汽车领域销量达到5.46亿美元,显示屏领域销量达到5.46亿美元,各占14%的市场份额,照明领域销量达到2.34亿美元,交通信号灯领域销量达到0.78亿美元,与此同时,LED还将在未来10年内大举进入现被白炽灯和日光灯所占据的价值120亿美元的传统照明市场。
即使不考虑传统照明,这也是一个欣欣向荣的市场,预计,高亮度LED将在全球范围内大量销售,这一最大发展也最快的LED市场,在未来5年内将以14%的年增长率增长,从2004年的36.8亿美元涨至2009年的72亿美元,与以前的LED相比,镓基高亮度LED技术具有更高的发光效率,能产生甚至可以在日光下或户外使用的光线。
据业内人士预测,到2008年,全球LED的应用市场将从2004年的125亿美元提高到500亿美元,市场潜力巨大,竞争也将越来越激烈,美国能源部的研究报告分析,到2010年,美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代,每年节约电费可达350亿美元,半导体灯有望形成500亿美元的大产业。
1.3LED故障检测系统研究的意义
首先,LED显示器集微电子技术、计算机技术、信息处理于一体,以其色彩鲜艳、动态范围广、亮度高、寿命长、工作稳定可靠等优点,成为最具优势的新一代显示媒体,目前,LED显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育场馆、信息传播、新闻发布、证券交易等,可以满足不同环境的需要。
随着社会对于LED的广泛应用,越来越多关于LED的故障也会凸显出来,LED故障检测系统的研究可以帮助LED使用者更好地维护LED显示系统,减少相关损失,并且能加快LED产业的发展。
因此,这个研究具有较高的社会效益和经济效益。
其次,通过对系统的改进,可以实现远程监控,无人监控,实时监控等功能这样对于在无人状况下可能造成的损失减小到最低。
随着现代大生产的发展和科学技术的进步现代设备的结构越来越复杂功能越来越完善自动化程度也越来越高。
由于许多无法避免的因素的影响有时设备会出现各种故障以致降低其预定的功能甚至造成严重的灾难性事故国内外曾经发生的各种空难、海难、爆炸、断裂等恶性事故造成了人员伤亡产生了严重的社会影响;即使是经常生产中的事故也因生产过程不能正常运行或机器设备损坏而造成巨大的经济损失。
如年日本关西电力公司南海电厂号机组—汽轮发电机组因振动引起严重的断轴毁机事件年我国大同电厂和年我国秦岭电厂的汽轮发电机组的严重断轴毁机事件都造成了巨大的经济损失。
因此保证设备的安全运行消除事故是十分迫切的问题。
现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面一是设备设计与制造的各项技术指标的实现为此设计中要采用可靠性设计方法要有提高安全性的措施;二是设备安装、运行、管理、维修和诊断措施的实施。
现在设备诊断技术、修复技术和润滑技术已列为我国设备管理和维修工作的三项基础技术成为推进设备管理现代化保证设备安全可靠运行的重要手段。
最后,这方面的研究还可以应用到其他领域,比如说监视系统,温度控制系统等等对生产单位配置故障诊断系统能减少事故停机率具有很高的收益投资比。
对生产单位配置故障诊断系统能延长设备检修周期缩短维修时间为制定合理的检测维修制度提供基础极大地提高经济效益。
宏观上从全社会生产的角度看花费的设备维修费用是一笔巨大的数目而实施故障诊断带来的经济效益是巨大的。
我国的情况是年我国国营工交企业有万个以上总固定资产约亿元每年用于设备大修、小修及处理故障的费用一般占固定资产原值的。
采用诊断技术改善设备维修方式和方法后一年取得的经济效益可达数百亿元。
从上面的分析可以看出设备故障诊断技术在保证设备的安全可靠运行以及获取很大的经济效益和社会效益上其意义是十分明显的。
第二章LED故障检测系统的硬件实现方法
2.1LED故障检测系统实现的主要方法
首先是设计模拟的LED电路故障,即在正常,短路,断路情况下,然后就是电路电源的提供,根据要求是由单片机输出的PWM信号,来控制MOSFET管的关断,从而控制输出的平均电压。
同时为了模拟实际情况下可能出现的电源问题,在电源输出端接一个开关,通过开关的通断来模拟实际中电源的好坏。
下来就是将检测的信号通过单片机进行数据处理,主要包括,AD采样,数据处理,以及串口发送。
首先AD采样是通过外部中断,当检测到PWM的输出信号由高电平变成低电平时,先经过一小段延时,辟过尖峰脉冲,然后开始采集数据,将此时的高电平分成十段,然后在每一段中进行一次数据采集,即每组总共采到十个数据。
其次,是数据处理,就是将采集到的数据采用中值滤波法,取平均值。
然后将平均值和设定的值进行比较,从而输出对应的信号。
最后就是串口通信,将采集到的信号,通过串口与电脑相连,并在电脑上显示出来,这里主要用到VB编写了上位机显示界面。
硬件电路和最终的硬件电路板参见附录II。
2.2模拟故障电路的设计思想及设计电路
设计一个简单的模拟故障电路,要求可以控制它的短路,断路,正常。
所以如图2-1示,通过对开关的关闭可以调整电路的通断情况,后面的电阻是用来限流,同时提供模拟输入信号AD1,AD2。
图2-1模拟故障电路
2.3电源驱动电路的设计
图2-2电源驱动电路
如图2-2,为电源驱动电路,由于主电路所需提供的电压至少要大于8V,所以如果直接将PWM信号加在MOSFET管的栅极,因为PWM信号是由单片机提供,所以最大电压只有5V,所以根据MOSFET管得导通原理,栅极电压必须大于源极,此时源极最多只有5V电压,所以必须添加一个驱动,是源极输出电压大于8V。
如图2-2示,通过一个三极管就可以实现,当PWM信号为高电平时,则三极管导通,那么MOSFET管的栅极电压为0V,则其断开,当PWM信号为低电平时,三极管截止,则栅极电压为电源电压,则大于8V,符合实际要求。
同时可以看到此电路后面有一个开关,它是用来设计电源故障用的,当开关打开时则即为实际中的电源故障,它的故障信号是由AD3提供给单片机,因为提供单片机的信号要小于5V,所以这里要加电阻作为分压。
2.4功率器件选型
2.4.1开关管MOSFET和IGBT的比较
MOSFET、IGBT有一点是相同的,即其导通与关断均是由门极电压所控制的,除此之外,它们却有天壤之别。
其主要差别是:
MOSFET的源极漏极通道是电阻性的通道。
然而IGBT的从集电极到发射极的通道却是PN结。
因而决定了它们在导通状态所消耗的功率不相同。
它们的导通消耗的功率定义如下:
<1>MOSFET:
设RDS-ON为通道的导通电阻,Irms为通道电流的有效值。
则其导通功率为:
<2>IGBT:
设VCE-SAT为集电极至发射极饱和电压,Iave为集电极至发射级平均电流。
则其导通功率为:
从以上两等式可以看出它们之间的关键不同:
MOSFET所消耗的功率正比于电流的平方,随着电流的增加,为了保持与IGBT有相同的功率消耗,故要求有更低的RDS-ON。
在低电压应用系统中,MOSFET的RDS-ON仅有几十毫欧。
而用于高电压(250V及以上)时,其RDS-ON却不可能区区几十毫欧。
在计算功率元件的导通态所消耗的功率时,另一个关键之处是MOSFET的RDS-ON,与IGBT的VCE-SAT的温度系数。
随着温度的上升,MOSFET的RDS-ON也随着增加,而IGBT的VCE-SAT却是下降的(大电流时除外)。
这就意味着随着温度的上升,MOSFET所消耗的功率也随着增加,而IGBT所消耗的功率却是减少的。
就目前的情况来看,似乎IGBT相比MOSFET而言,主要用于高电压方面。
但是我们还有另一种功率消耗没加以考虑,即开关转换过程中所消耗的功率(switchinglosses)。
开关损耗(switchinglosses)发生在给开关器件MOSFET的D,S或IGBT的C,E两端加上电压时,开关的导通或关闭时的电流突变造成的。
开关损耗存在于任何形式的硬开关设备,它经常占据整个功率消耗中的大部份。
IGB与MOSFET相比较而言,IGBT是一个比较慢的开关设备,因而其开关损耗要高于MOSFET。
关于这个话题,一个非常重要的一点应引起我们的注意,近10年来,IGBT技术已取得很大的进步,人们可以根据不同的应用来对IGBT进行各种不同的优化、改进。
MOSFET同样如此,只不过IGBT的进步相比较而言要大一些而已。
每个公司都有多条IGBT生产线,有些用来生产专门用于低速场合的IGBT,此类IGBT拥有较低的VSE-BAT。
而有些生产线用来生产拥有较高的VSE-BAT,较低的开关损耗的IGBT,以用于高速(60KHz-150KHz)应用场合。
MOSFET也同样如此,在过去的5年中,许多先进技术用于MOSFET的制造,提高了MOSFET的开关速度,并且降低了RDS-ON。
最后,我们得出的结果是,当我们为某个应用而必须在MOSFET与IGBT之间作出决择时,总结下上面的论,一些通用原则归纳于下:
<1>对于电压低于250V的应用场合,MOSFET是最好的选择。
你会发现在众多的IGBT供应商中,额定电压600V以下的IGBT的选择范围很小。
<2>对于电压高于1000V的应用场合,IGBT是最好的选择。
因为随着MOSFET额定电压的升高,MOSFET的尺寸及RDS-ON也会随着升高,当1000V以上时,MOSFET的RDS-ON的损耗与IGBT的饱和的结的损耗不再有可比性。
<3>在250V-1000V的应用场合,要根据具体应用的开关频率及功率损耗要求,及成本要求来进行选择MOSFET或者IGBT。
系统要求输入12DVC,输出50DVC以内,效率80%以上,纹波小于0.1%。
结合上面的总结,选择MOSFET是最好的。
故系统选择MOSFET。
因要考虑到系统要留有1倍以上的裕量。
比较多种MOSFET,最总选择IRF540N作为功率开关器件。
2.4.2稳压管IRF540
IRF540具备先进的制造工艺,超低导通电阻,动态dv/dt速率,能承受高达175摄氏度的工作温度,快速开关等优秀特征。
该MOSFET,最大漏源极电压为100V大于系统要求的50V,并留有两倍的裕量,最大漏源极电流达33A足以满足系统的要求。
IRF540的结构及参数如图2-3,外形如图2-4,GS电压下Vds与Id之间的关系如图2-5示。
2.4.3稳压管LM317介绍
在单片机的电源引脚,需要要供给其一个+5V的电压,而外部提供的是12V的电压,所以就需要一个稳压管,将12V电压转变成5V来给单片机供电。
如图2-6所示,为稳压管LM317外部电路连接图,当稳压器离电源滤波器有一定距离是Cin是必需的,CO对稳定性而言不必要,但改进瞬态响应。
Vout
=1.25V(1+R2/R1)+IadjR2,
因为Iadj控制在小于100μA,这一项误差,在多数应用中可忽略。
图2-6稳压管LM317外部链接图
2.5MCU选型
在前面已经提及了系统选用STC12C5A系列的单片机。
主要是由于该单片机具备ISP功能,可以很方便的通过串口把软件下载到单片机里。
而且该单片机运行速度较快,内核与51单片机一样,所以指令和51单片机指令相同。
图2-7为该系列单片机的结构框图。
图2-8为该系列单片机封装为DIP-40的引脚功能图。
从图2-8可以看出该单片机的引脚排布和51单片机是一样,只是有些引脚增加了些功能。
所以该单片机接口更丰富,功能更强大。
图2-7STC12C5A系列单片机结构
从图2-8中可以看出,该单片机运行速度比51单片机要快的多,更利于对本系统中大量的数据进行处理。
片内自带AD采样、Flash程序存储器、看门狗、PWM/PCA/CCP等功能,精简了外围AD采样器件。
其主要特征如下:
<1>高速:
1个时钟/机器周期,增强型9051内核,速度比普通8051快8~12倍;
<2>宽电压:
5.53~3V,2.23~6V(STC12LE5A60S2系列);
<3>增加第二复位功能引脚(高可靠复位、可调整复位门槛电压,频率<12MHz时,无需此功能);
<4>增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM;
<5>低功耗设计:
空闲模式,(可由任意一个中断唤醒);
<6>低功耗设计:
掉电模式(可由外部中断唤醒),可支持下降沿/上升沿和远程唤醒;
<7>工作频率:
0~35MHz,相当于普通8051:
0~420MHz;
<8>时钟:
外部晶振或内部RC振荡器可选,在ISP下载编程用用户程序设置;
<9>8//16/20/32/40/48/52/60/62K字节片内Flash程序存储器,擦写次数10万次以上;
<10>1280字节片内RAM数据存储器;
<11>芯片内EEPROM功能,擦写10万次以上;
<12>ISP/IAP,在线可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器;
<13>8通道,10位高速ADC,速度可达25万次/秒,2路PWM还可以当D/A使用;
<14>2通道捕获/比较单元(PWM/PCA/CCP),也可用来再实现2个定时器或2个外部中断(支持上升沿/下降沿中断);
<15>4个16位定时器兼容普通8051的定时器T0/T1,2路PCA实现2个定时器;
<16>可编程时钟输出功能,T0在P3.4输出时钟,T1在P3.5输出时钟,BRT在P1.0输出时钟;
<17>硬件看门狗(WDT);
<18>高速SPI串行通信端口;
<19>全双工异步串行口(UART),兼容普通8051的串口;
<20>先进的指令集结构,兼容普通8051指令集,
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