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超高亮LED在装饰照明应用中的控制技术

   
    发布日期：2009-08-04         
阅读：110     
 
 
1.引言
　　近年来，随着新材料新工艺的不断发现和应用，发光二极管的发光强度有了很大的提高，从几十个毫烛光提高到了几千个毫烛光，发光效率也超过了白炽灯。
　　随着LED亮度的不断提高，特别是超高亮LED的出现，发光二极管得到了广泛的应用，从传统的仅作室内仪表信号指示，逐步发展到应用于交通信号灯、汽车信号灯、背光源、室内外大屏幕显示，并正在向照明领域深入。
作为照明领域的一部分装饰照明中，对照明亮度要求不高，但要求颜色丰富、变化活跃；而超高亮LED恰好以其颜色丰富、驱动和控制较霓虹灯简单、变化多样，且寿命长、功耗低等众多优势而受青睐。目前，在装饰照明领域中超高亮LED正被逐步推广，预计在不久的将来会单独形成一种产业。
　　本文将要讨论的是：在装饰照明应用中，用超高亮红（R）绿（G）蓝（B）LED作为光源，采用嵌入式微控制器，按占空比方式实现对若干个红、绿、蓝LED发光灰度实现独立的数字化控制，使其产生全彩动态变化效果的LED灯光控制技术。
　　2.LED的排列结构
　　在这里，我们引入了发光单元的概念，即将超高亮红、绿、蓝LED根据配色要求按一定比例构成发光单元，每个发光单元至少排列有一只红色LED、一只绿色LED、一只蓝色LED，再将若干个同种结构的发光单元按一定形状或图案排列起来，形成线状或面状光源。在同一个发光单元中LED应紧密排列，这样可使得各LED的光斑在观赏者眼中成像重叠;相邻发光单元中心距应相同，并且该中心距满足：D≥2*L*tan(θ/2)，式中D为相邻发光单元的最小中心距，L为正常使用时观看点与光源部位的垂直距离，θ为人眼最小分辨角。这样通过控制电路可使灯饰显示出丰富的色彩。例如，可独立控制每个发光单元中的三种发光二极管的灰度级别，亦即控制每个发光单元中的红、绿、蓝三种颜色所占的比例，就可使每个发光单元调配出多种不同的颜色，若在同一时间内控制不同的发光单元显示出不同的颜色，就可使装饰灯的整个发光部位呈现出色彩斑斓的效果。若将发光单元排列成一定的图案或文字形状，则可控制灯饰产生动态的图案、文字变化效果。
　　3.控制电路结构
　　如附图所示，整个电路分为两部分：1、嵌入式控制器电路；2、显示控制电路。显示控制电路分为三个模块：红色模块，绿色模块，蓝色模块。每个模块结构相同，各模块与嵌入式微控制器的连接方式也相同。每一个模块是由若干个LED驱动芯片级联组成，前一级LED驱动芯片通过数据线与下一级LED驱动芯片连接。嵌入式微控制器通过信号线与模块中各LED驱动芯片相连接。每一个LED驱动芯片有若干个输出端，每一个输出端可根据配色需要接一只或多只LED管，同一个模块中各输出端所接的发光二极管颜色相同 。红、绿、蓝三个模块内部各LED驱动芯片连接结构以及各模块与嵌入式微控制器连接结构完全相同。

　　4.控制原理
　　通过内置于微控制器中的控制程序，由微控制器向LED驱动芯片发送控制信号和数据，LED驱动芯片根据控制信号和数据的要求，产生相应的动作，从而对每一只红、绿、蓝LED实现单独的控制。若微控制器连续地向各LED驱动芯片不断发送控制信号和数据，使各LED受到连续的协调控制，可使整体灯饰产生各种颜色、多种变化的动态显示效果在附图中，（1）是嵌入式微控制器，（2）是LED驱动芯片，整个显示控制电路按照控制需要，分为红、绿、蓝三个控制模块，每一个模块结构和控制原理基本相同，下面具体分析其控制原理。
　　微控制器通过一条数据输出线向LED驱动芯片的串行数据输入脚发送串行数据，另一条数据输出线向LED驱动芯片的时钟信号输入脚发送时钟控制信号，在时钟控制信号的作用下，串行数据在LED驱动芯片内部移位寄存，当接收完数据后，微控制器向LED驱动芯片的数据锁存输入脚发出锁存信号，使LED驱动芯片锁存已存储的数据。接着微控制器向LED驱动芯片的输出允许控制脚发出输出使能信号，使LED驱动芯片根据所存储的数据驱动LED发光。由于LED驱动芯片存储的数据决定了LED驱动脚高低电平排列组合状态持续时间的长短，也就是LED每次点亮或熄灭时间的长短，因此只要通过程序令微控制器不断改变输出至LED驱动芯片的串行数据，并在时钟控制信号、数据锁存信号、输出使能信号的共同配合作用下，就能灵活控制LED的发光状态，例如控制LED以人眼分辨不出的闪烁频率快速亮灭，并且控制LED在每个亮灭周期内发光时间所占的比例，就能起到控制LED发光灰度的效果，通过对每只LED发光灰度的控制，可使每只LED产生256级灰度等级。将三个模块中的各红、绿、蓝LED同时控制，红、绿、蓝三基色LED按不同灰度等级任意组合，即可产生 256*256*256种（16777216种）颜色效果。若将红、绿、蓝三基色LED按一定比例和一定的结构排列起来，按这种控制方式，可显示出各种颜色、多种图案、文字以及其组合形成的任意动态显示效果。
　　5.控制电路特点
　　目前应用较为广泛的LED灯光控制电路，大多是采用将多个LED串联起来，通过对串联起来的一组LED整体灰度的控制，来实现颜色的变化。其缺点是：可显示颜色范围窄，变化模式单调。与这些控制电路相比，本控制电路有以下新的特点：1、本控制电路运用嵌入式控制技术对每只红、绿、蓝LED实现全数字的、独立的控制，每种单基色可产生 256级灰度。2、本控制电路可实现按占空比方式对各红、绿、蓝LED发光灰度协调控制，使三基色发光二极管按灰度等级混合后可以产生一千六百多万（2563）种颜色。3、由于能对每只红、绿、蓝LED管实现独立控制，这样本控制电路可以根据用户需求，全彩地显示各种图案、文字以及两者任意组合而产生的各种效果。
　　6.结束语
　　由于LED是一种寿命长、功耗低、无辐射的节能环保型光源，有专家预测21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后，随着发光二极管发光效率的提高，LED的发光强度会大幅度的提高，再结合相应控制技术的进步，相信在不久的将来，LED光源会逐步取代传统的照明光源，而掀起一次照明领域新的革命.
 

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