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超高亮LED在裝飾照明應(yīng)用中的控制技術(shù)
發(fā)布日期:2009-08-04
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1.引言
近年來,隨著新材料新工藝的不斷發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用,發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度有了很大的提高,從幾十個(gè)毫燭光提高到了幾千個(gè)毫燭光,發(fā)光效率也超過了白熾燈。
隨著LED亮度的不斷提高,特別是超高亮LED的出現(xiàn),發(fā)光二極管得到了廣泛的應(yīng)用,從傳統(tǒng)的僅作室內(nèi)儀表信號(hào)指示,逐步發(fā)展到應(yīng)用于交通信號(hào)燈、汽車信號(hào)燈、背光源、室內(nèi)外大屏幕顯示,并正在向照明領(lǐng)域深入。
作為照明領(lǐng)域的一部分裝飾照明中,對(duì)照明亮度要求不高,但要求顏色豐富、變化活躍;而超高亮LED恰好以其顏色豐富、驅(qū)動(dòng)和控制較霓虹燈簡(jiǎn)單、變化多樣,且壽命長、功耗低等眾多優(yōu)勢(shì)而受青睞。目前,在裝飾照明領(lǐng)域中超高亮LED正被逐步推廣,預(yù)計(jì)在不久的將來會(huì)單獨(dú)形成一種產(chǎn)業(yè)。
本文將要討論的是:在裝飾照明應(yīng)用中,用超高亮紅(R)綠(G)藍(lán)(B)LED作為光源,采用嵌入式微控制器,按占空比方式實(shí)現(xiàn)對(duì)若干個(gè)紅、綠、藍(lán)LED發(fā)光灰度實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的數(shù)字化控制,使其產(chǎn)生全彩動(dòng)態(tài)變化效果的LED燈光控制技術(shù)。
2.LED的排列結(jié)構(gòu)
在這里,我們引入了發(fā)光單元的概念,即將超高亮紅、綠、藍(lán)LED根據(jù)配色要求按一定比例構(gòu)成發(fā)光單元,每個(gè)發(fā)光單元至少排列有一只紅色LED、一只綠色LED、一只藍(lán)色LED,再將若干個(gè)同種結(jié)構(gòu)的發(fā)光單元按一定形狀或圖案排列起來,形成線狀或面狀光源。在同一個(gè)發(fā)光單元中LED應(yīng)緊密排列,這樣可使得各LED的光斑在觀賞者眼中成像重疊;相鄰發(fā)光單元中心距應(yīng)相同,并且該中心距滿足:D≥2*L*tan(θ/2),式中D為相鄰發(fā)光單元的最小中心距,L為正常使用時(shí)觀看點(diǎn)與光源部位的垂直距離,θ為人眼最小分辨角。這樣通過控制電路可使燈飾顯示出豐富的色彩。例如,可獨(dú)立控制每個(gè)發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級(jí)別,亦即控制每個(gè)發(fā)光單元中的紅、綠、藍(lán)三種顏色所占的比例,就可使每個(gè)發(fā)光單元調(diào)配出多種不同的顏色,若在同一時(shí)間內(nèi)控制不同的發(fā)光單元顯示出不同的顏色,就可使裝飾燈的整個(gè)發(fā)光部位呈現(xiàn)出色彩斑斕的效果。若將發(fā)光單元排列成一定的圖案或文字形狀,則可控制燈飾產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的圖案、文字變化效果。
3.控制電路結(jié)構(gòu)
如附圖所示,整個(gè)電路分為兩部分:1、嵌入式控制器電路;2、顯示控制電路。顯示控制電路分為三個(gè)模塊:紅色模塊,綠色模塊,藍(lán)色模塊。每個(gè)模塊結(jié)構(gòu)相同,各模塊與嵌入式微控制器的連接方式也相同。每一個(gè)模塊是由若干個(gè)LED驅(qū)動(dòng)芯片級(jí)聯(lián)組成,前一級(jí)LED驅(qū)動(dòng)芯片通過數(shù)據(jù)線與下一級(jí)LED驅(qū)動(dòng)芯片連接。嵌入式微控制器通過信號(hào)線與模塊中各LED驅(qū)動(dòng)芯片相連接。每一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)芯片有若干個(gè)輸出端,每一個(gè)輸出端可根據(jù)配色需要接一只或多只LED管,同一個(gè)模塊中各輸出端所接的發(fā)光二極管顏色相同 。紅、綠、藍(lán)三個(gè)模塊內(nèi)部各LED驅(qū)動(dòng)芯片連接結(jié)構(gòu)以及各模塊與嵌入式微控制器連接結(jié)構(gòu)完全相同。
4.控制原理
通過內(nèi)置于微控制器中的控制程序,由微控制器向LED驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù),LED驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的要求,產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作,從而對(duì)每一只紅、綠、藍(lán)LED實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的控制。若微控制器連續(xù)地向各LED驅(qū)動(dòng)芯片不斷發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù),使各LED受到連續(xù)的協(xié)調(diào)控制,可使整體燈飾產(chǎn)生各種顏色、多種變化的動(dòng)態(tài)顯示效果在附圖中,(1)是嵌入式微控制器,(2)是LED驅(qū)動(dòng)芯片,整個(gè)顯示控制電路按照控制需要,分為紅、綠、藍(lán)三個(gè)控制模塊,每一個(gè)模塊結(jié)構(gòu)和控制原理基本相同,下面具體分析其控制原理。
微控制器通過一條數(shù)據(jù)輸出線向LED驅(qū)動(dòng)芯片的串行數(shù)據(jù)輸入腳發(fā)送串行數(shù)據(jù),另一條數(shù)據(jù)輸出線向LED驅(qū)動(dòng)芯片的時(shí)鐘信號(hào)輸入腳發(fā)送時(shí)鐘控制信號(hào),在時(shí)鐘控制信號(hào)的作用下,串行數(shù)據(jù)在LED驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部移位寄存,當(dāng)接收完數(shù)據(jù)后,微控制器向LED驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)鎖存輸入腳發(fā)出鎖存信號(hào),使LED驅(qū)動(dòng)芯片鎖存已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。接著微控制器向LED驅(qū)動(dòng)芯片的輸出允許控制腳發(fā)出輸出使能信號(hào),使LED驅(qū)動(dòng)芯片根據(jù)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光。由于LED驅(qū)動(dòng)芯片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)決定了LED驅(qū)動(dòng)腳高低電平排列組合狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的長短,也就是LED每次點(diǎn)亮或熄滅時(shí)間的長短,因此只要通過程序令微控制器不斷改變輸出至LED驅(qū)動(dòng)芯片的串行數(shù)據(jù),并在時(shí)鐘控制信號(hào)、數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)、輸出使能信號(hào)的共同配合作用下,就能靈活控制LED的發(fā)光狀態(tài),例如控制LED以人眼分辨不出的閃爍頻率快速亮滅,并且控制LED在每個(gè)亮滅周期內(nèi)發(fā)光時(shí)間所占的比例,就能起到控制LED發(fā)光灰度的效果,通過對(duì)每只LED發(fā)光灰度的控制,可使每只LED產(chǎn)生256級(jí)灰度等級(jí)。將三個(gè)模塊中的各紅、綠、藍(lán)LED同時(shí)控制,紅、綠、藍(lán)三基色LED按不同灰度等級(jí)任意組合,即可產(chǎn)生 256*256*256種(16777216種)顏色效果。若將紅、綠、藍(lán)三基色LED按一定比例和一定的結(jié)構(gòu)排列起來,按這種控制方式,可顯示出各種顏色、多種圖案、文字以及其組合形成的任意動(dòng)態(tài)顯示效果。
5.控制電路特點(diǎn)
目前應(yīng)用較為廣泛的LED燈光控制電路,大多是采用將多個(gè)LED串聯(lián)起來,通過對(duì)串聯(lián)起來的一組LED整體灰度的控制,來實(shí)現(xiàn)顏色的變化。其缺點(diǎn)是:可顯示顏色范圍窄,變化模式單調(diào)。與這些控制電路相比,本控制電路有以下新的特點(diǎn):1、本控制電路運(yùn)用嵌入式控制技術(shù)對(duì)每只紅、綠、藍(lán)LED實(shí)現(xiàn)全數(shù)字的、獨(dú)立的控制,每種單基色可產(chǎn)生 256級(jí)灰度。2、本控制電路可實(shí)現(xiàn)按占空比方式對(duì)各紅、綠、藍(lán)LED發(fā)光灰度協(xié)調(diào)控制,使三基色發(fā)光二極管按灰度等級(jí)混合后可以產(chǎn)生一千六百多萬(2563)種顏色。3、由于能對(duì)每只紅、綠、藍(lán)LED管實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制,這樣本控制電路可以根據(jù)用戶需求,全彩地顯示各種圖案、文字以及兩者任意組合而產(chǎn)生的各種效果。
6.結(jié)束語
由于LED是一種壽命長、功耗低、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源,有專家預(yù)測(cè)21世紀(jì)將是以固體發(fā)光材料為核心的,即以LED為代表的新型光源、綠色照明的世紀(jì)。今后,隨著發(fā)光二極管發(fā)光效率的提高,LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)大幅度的提高,再結(jié)合相應(yīng)控制技術(shù)的進(jìn)步,相信在不久的將來,LED光源會(huì)逐步取代傳統(tǒng)的照明光源,而掀起一次照明領(lǐng)域新的革命.
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