摘 要
本文討論了一種在裝飾照明應(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，按占空比方式實現(xiàn)對若干個紅、綠、藍(lán)LED發(fā)光灰度實現(xiàn)獨立的數(shù)字化控制，使其產(chǎn)生全彩動態(tài)變化效果的LED燈光控制技術(shù)
This paper discusses an LED lighting control technology,with which an embedded home micro-controller is used to realize separated digital control of light emitting grey scale for RGB LEDs,using ultra high brightness RGB LED as light source,by the form of duty ratio in the application of architectural lighting and bring about full color lighting with a changeable dynamic effect.
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，從幾十個毫燭光提高到了幾千個毫燭光，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)儀表信號指示，逐步發(fā)展到應(yīng)用于交通信號燈、汽車信號燈、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)動和控制較霓虹燈簡單、變化多樣，且壽命長、功耗低等眾多優(yōu)勢而受青睞。目前，在裝飾照明領(lǐng)域中超高亮LED正被逐步推廣，預(yù)計在不久的將來會單獨形成一種產(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，按占空比方式實現(xiàn)對若干個紅、綠、藍(lán)LED發(fā)光灰度實現(xiàn)獨立的數(shù)字化控制，使其產(chǎn)生全彩動態(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為正常使用時觀看點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，可獨立控制每個發(fā)光單元中的三種發(fā)光二極管的灰度級別，亦即控制每個發(fā)光單元中的紅、綠、藍(lán)三種顏色所占的比例，就可使每個發(fā)光單元調(diào)配出多種不同的顏色，若在同一時間內(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模塊：紅色模塊，綠色模塊，藍(lán)色模塊。每個模塊結(jié)構(gòu)相同，各模塊與嵌入式微控制器的連接方式也相同。每一個模塊是由若干個LED驅(qū)動芯片級聯(lián)組成，前一級LED驅(qū)動芯片通過數(shù)據(jù)線與下一級LED驅(qū)動芯片連接。嵌入式微控制器通過信號線與模塊中各LED驅(qū)動芯片相連接。每一個LED驅(qū)動芯片有若干個輸出端，每一個輸出端可根據(jù)配色需要接一只或多只LED管，同一個模塊中各輸出端所接的發(fā)光二極管顏色相同 。紅、綠、藍(lán)三個模塊內(nèi)部各LED驅(qū)動芯片連接結(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)動芯片發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù)，LED驅(qū)動芯片根據(jù)控制信號和數(shù)據(jù)的要求，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，從而對每一只紅、綠、藍(lán)LED實現(xiàn)單獨的控制。若微控制器連續(xù)地向各LED驅(qū)動芯片不斷發(fā)送控制信號和數(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)動芯片，整個顯示控制電路按照控制需要，分為紅、綠、藍(lán)三個控制模塊，每一個模塊結(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)動芯片的時鐘信號輸入腳發(fā)送時鐘控制信號，在時鐘控制信號的作用下，串行數(shù)據(jù)在LED驅(qū)動芯片內(nèi)部移位寄存，當(dāng)接收完數(shù)據(jù)后，微控制器向LED驅(qū)動芯片的數(shù)據(jù)鎖存輸入腳發(fā)出鎖存信號，使LED驅(qū)動芯片鎖存已存儲的數(shù)據(jù)。接著微控制器向LED驅(qū)動芯片的輸出允許控制腳發(fā)出輸出使能信號，使LED驅(qū)動芯片根據(jù)所存儲的數(shù)據(jù)驅(qū)動LED發(fā)光。由于LED驅(qū)動芯片存儲的數(shù)據(jù)決定了LED驅(qū)動腳高低電平排列組合狀態(tài)持續(xù)時間的長短，也就是LED每次點亮或熄滅時間的長短，因此只要通過程序令微控制器不斷改變輸出至LED驅(qū)動芯片的串行數(shù)據(jù)，并在時鐘控制信號、數(shù)據(jù)鎖存信號、輸出使能信號的共同配合作用下，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在每個亮滅周期內(nèi)發(fā)光時間所占的比例，就能起到控制LED發(fā)光灰度的效果，通過對每只LED發(fā)光灰度的控制，可使每只LED產(chǎn)生256級灰度等級。將三個模塊中的各紅、綠、藍(lán)LED同時控制，紅、綠、藍(lán)三基色LED按不同灰度等級任意組合，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態(tài)顯示效果。
5.控制電路特點
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LED串聯(lián)起來，通過對串聯(lián)起來的一組LED整體灰度的控制，來實現(xiàn)顏色的變化。其缺點是：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：1、本控制電路運用嵌入式控制技術(shù)對每只紅、綠、藍(lán)LED實現(xiàn)全數(shù)字的、獨立的控制，每種單基色可產(chǎn)生 256級灰度。2、本控制電路可實現(xiàn)按占空比方式對各紅、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混合后可以產(chǎn)生一千六百多萬（2563）種顏色。3、由于能對每只紅、綠、藍(lán)LED管實現(xiàn)獨立控制，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.
中文版
