基于LabVIEW的LED结温特性测量仪毕业论文.doc
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1、本本 科科 生生 毕毕 业业 论论 文文 题 目:基于 LabVIEW 的 LED 结温特性测量仪 i 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺: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。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期:
2、 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文) 的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本; 学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与 阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文; 在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: ii 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡
3、献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许 论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 iii 注 意 事 项 1.设计(论文)的内容包括: 1)封面(按教务处
4、制定的标准封面格式制作) 2)原创性声明 3)中文摘要(300 字左右) 、关键词 4)外文摘要、关键词 5)目次页(附件不统一编入) 6)论文主体部分:引言(或绪论) 、正文、结论 7)参考文献 8)致谢 9)附录(对论文支持必要时) 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: 1)文字通顺,语言流畅,书写字迹工整,打印字体及大小符合要求,无错别字,不准请他 人代写 2)工程设计类题目的图纸,要求部分用尺规绘制,部分
5、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 3)其它 摘摘 要要 利用动态电学测量方法来测量 GaN 基白光 LED 的结温,获得了较为准确的结温 iv 数据。该方法利用发光二极管 PN 结的正向压降 VF 与 PN 结的温度成线性关系 的特性,通过测量其在不同温度下的正向压降差来得到发
6、光二极管的结温。本系统以 ATMEL 增强型 FLASH 单片机 AT89S52 作为主处理器以完成主要的测控任务,单 片机选通 CD4051 不同的通道电压来控制压控恒流源的电流输出,其负载为 LED, 同时启动 AD 读取不同电流值下 LED 的 PN 结电压数据,经单片机处理后通过 RS485 总线传送到 PC 机上进行处理。PC 机软件由具有图形界面编程能力的 LabVIEW 进行编写,负责与单片机系统进行命令交互控制与测试数据的处理。本系 统已经应用于高亮度 LED 的测试,测算出来的结温数据误差小,取得了较好的测试 效果。 关键词:关键词:白光 LED,结温,LabVIEW Abs
7、tract Base on the electronic technique to measure the junction temperature of the GaN_based white LEDs, we get a exact data. This method use the linear programming between positive voltage and temperature of PN_junction. This system take the Atmel AT89S52 microcontroller which is low- power, high-pe
8、rformance and with 8K Flash bytes of in-system programmable Flash memory as the control center. The MCU choose the different channels of the CD4051 chip to control the voltage- controlling current source, which can has various current output. And at the same time, the MCU start up the AD converter t
9、o get the voltage of PN_junction during different current. The voltage data processed by MCU is send to the PC via RS485 bus. The software on PC is written by LabVIEW, which have graphical interfaces capability. The software communicate with the MCU to process command and parameter. This system is u
10、sed to test GaN_based white LEDs, and the testing result is all right Keywords: white LEDs, junction temperature, LabVIEW v 第一章 前言.1 第二章 大功率 LED 特性及 LabVIEW 综述.2 2.1 大功率 LED 特性.2 2.1.1 LED 的工艺特性.2 2.1.2 LED 的优缺点.2 2.1.3 LED 的实际应用以及急需解决的问题.3 2 .2 LabVIEW 简介3 2.2.1 LabVIEW 的编程语言特点4 2.2.2 虚拟仪器的概念.5 第三章
11、 结温测量仪整体系统设计.5 3.1 结温测量仪的原理5 3.2 硬件设计方案5 3.2.1 各部分硬件功能简述 5 3.2.2 硬件电路器件参数确定.6 3.3 软件设计方案6 3.3.1 LabVIEW 平台特性.6 3.3.2 PC 机程序整体框架以及各部分功能模块划分.7 3.3.2.1 上位机软件操作流程.7 3.3.2.2 系统功能模块划分8 3.3.3 上位机与下位机通讯接口协议.9 3.3.3.1 硬件协议9 3.3.3.2 软件协议9 第四章 上位机通讯接口及用户界面.10 4.1 LabVIEW 程序架构的比较10 4.1.1 顺序结构10 4.1.2 并行结构11 4.1
12、.3 EVENT+QUEUE 结构11 4.2 PC 机软件各模块的算法与实现.12 4.2.1 用户权限控制块12 vi 4.2.2 命令控制模块13 4.2.3 数据处理模块14 4.2.4 图形显示与打印模块15 4.3 CRC 校验的算法与实现16 4.3.1 CRC 校验的算法简介.16 4.3.2 CRC 在 LabVIEW 平台的实现.16 4.4 整体软件界面.17 4.4.1 登录界面.17 4.4.2 串口设置界面.18 4.4.3 电流设置面板.18 4.5 结果分析.19 4.5.1 实际波形分析.19 4.5.2 软件波形分析.20 第五章 结论.21 致谢.22 参
13、考文献.23 - 1 - 第一章第一章 前言前言 目前随着技术的发展,大功率白光 LED 的寿命在逐渐加长,是未来绿色,环保, 节能光源的发展方向。但是结温升高会使白光 LED 的光度、色度学性能变差以及 寿命变短,因而对结温的测试在大功率 LED 的研制中具有非常重要的地位。目前对 LED 结温的研究主要有三种方法,分别是管脚温度法,电致发光谱法,正向电压法。 管脚温度法是利用 Pt 电阻测量 LED 的管脚温度 ,然后通过耗散功率和热阻系数求 得结温。电致发光谱法是一种非接触的结温测量方法,它利用的是白光 LED 的电 致发光 EL 谱中蓝光与白光的功率比值随结温变化的关系来测量结温。正向
14、电压法 是利用 LED 电输运的温度效应通过测量工作电流下的正向电压与结温的有着较好 的线性关系来确定结温。 - 2 - 第二章第二章 大功率大功率 LED 特性及特性及 LabVIEW 综述综述 2.1 大功率大功率 LED 特性特性 LED(Light Emitting Diode) ,发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可 以直接把电转化为光。LED 的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架 上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。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
15、两种半导体连接起来的时候,它们之间就形 成一个“P-N 结结”。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。而光的波长也就是光的颜色,是由形成 P-N 结的材料决定的1。 2.1.1 LED 的工艺特性的工艺特性 白光 LED 的工艺结构和白色光源。 对于一般照明,在工艺结构上,白光 LED 通常采用两种方法形成。第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光;第二种 是多种单色光混合方法。这两种方法都已能成功产生白光器件。第一种方法产生白 光的采用 LEDGaM 芯片发蓝光(p=465NM
16、)和 YAG(钇铝石榴石)荧光粉封装 在一起,当荧光粉受蓝光激发后发出黄色光,结果,蓝光和黄光混合形成白光。第 二种方法采用不同色光的芯片封装在一起,通过各色光混合而产生白光2。 2.1.22.1.2 LEDLED 的优缺点的优缺点 大功率 LED 作为光源用于照明具有以下优点: (1)电压低: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:消耗能量比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
17、 (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 - 3 - (6)对环境污染:无有害金属汞 。 大功率 LED 的缺点是价格太贵,使一般百姓家难以接受,大大推迟了它在实 际应用中的普及。 2.1.32.1.3 LEDLED 的实际应用以及急需解决的问题的实际应用以及急需解决的问题 目前 LED 照明灯虽然还难进百姓家,但是还有很多领域可以大量地应用 LED 照明灯。这些领域的应用可促进大功率白光 LED 的生产、可促进技术的提高,并可 降低生产成本。在 LED 照明设计、应用上也可获得更多的经验,有利于将来的推广 。
18、这些应用领域都是用电大户,对节电能起到很大作用。它们是: (1) 城镇街道的路灯系统(包括太阳能路灯系统)。 (2) 隧道及地下停车场(包括地下商场)。 (3) 交通工具的照明(汽车、电车、轮船、飞机等的内部及部分外部照明灯) 。 (4) 大的公共场所的 LED 照明系统,例如火车站、地铁站、飞机场、大型超市 、 大型百货公司、大厦及医院等。 (5) 无电区的 LED 灯照明工程。 由于 LED 照明灯一般采用低压直流(恒流)供电。若采用交流 220V 市电供电, 需要专门的变电装置输出低压直流电(如 12V、24V 等)并由 LED 驱动器来驱动 LED 灯。所以最好在新建这些建筑时就考虑到
19、用 LED 灯,则在建筑设计中都把它 设计在内,这要经济得多。而归建筑原用日光灯的照明系统要改造成 LED 照明,则 改造的费用大、改造的时间长(如改造一个地铁站或一个候机大厅的照明系统) 。 2 .2 LabVIEW 简介简介 2.2.1 LabVIEW 的编程语言特点的编程语言特点 LabVIEW(Laboratory Virtual instrument Engineering)是虚拟仪器概念的首 创者,是美国 National Instrument(简称 NI)公司推出的一个图形化软件开发环境, 类似于 C 和 BASIC 开发环境,但是 LabVIEW 与其他计算机语言的显著区别是:
20、其 - 4 - 他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码,而 LabVIEW 使用的是图形化编 辑语言 G 编写程序,产生的程序是框图的形式。在一般的数据管理,科学计算等 方面,在 LabVIEW 环境下也可以开发出优秀的应用程序。LabVIEW 的最大优势在 于测控系统的开发,因为它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的 高级信号分析工具,而且还非常容易和各种数据采集硬件集成,可以和多种主流的 工业现场总线通讯以及与大多数的通用标准的实时数据库链接。据统计,使用 LabVIEW 开发的虚拟仪器比使用基于文本语言的开发效率可以提高 1015 倍3, 程序的执行却几乎不受影响;同时在
21、信号处理等方面的强大功能是组态软件不可以 比的。 与 C 和 BASIC 一样,LabVIEW 也是通用的编程系统,有一个完成任何编程任 务的庞大函数库。LabVIEW 的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、 数据显示及数据存储,等等。LabVIEW 也有传统的程序调试工具,如设置断点、以 动画方式显示数据及其子程序(子 VI)的结果、单步执行等等,便于程序的调试。 2.2.2 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 虚拟仪器(virtual instrumention)是基于计算机的仪器。随着技术的发展,计 算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。这种结合有两种方式,一 种是将
22、计算机装入仪器,其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的 日益强大以及其体积的日趋缩小,这类仪器功能也越来越强大,目前已经出现含嵌 入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系 统为依托,实现各种仪器功能,这种方式的虚拟仪器可以很方便的进行数据的采集, 传输,处理。当计算机外接不同功能的硬件,其定义的仪器性质与功能也发生相应 的变化,很方便用户的使用,而且基于计算机的这个强大的处理平台,可以实现更 形象生动地显示数据,更快速地处理数据。虚拟仪器主要是指这种方式。 - 5 - 第三章第三章 结温测量仪整体系统设计结温测量仪整体系统设计 3.1 结温测量仪的原
23、理结温测量仪的原理 LED 作为一种半导体期间,主要以热阻( JX R )表征其本身的热学特性,根 据文献 热阻的定义式为: H XJ JX P TT R (1) 式中 JX R 是待测器件 PN 结打到指定环境之间的热阻( wc/ ) ;T1 是测试条件稳定 时的待测器件的结温( c ) ;Tx 是指定温度的参考温度( c ) ;是待测器件的耗 H p 散功率W。因此,为了测定 LED 的热阻须确定式(1)右边的三个参数,而其中参 数之一的结温(T1)则是测量中的重点,结温的测量可以通过下式表示的方法进行 JJJ TTT 0 (2) TSPKTJ (3) 式中 0J T 是待测器件未施加加热
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