超高亮LED在装饰照明应用中的控制技术

Control Technology of Ultra High Brightness LEDs in the Application of Architectual Lighting
佛山市光电器材公司/作者：董刚 林达儒 指导：余彬海 博士

摘　　要
　　本文讨论了一种在装饰照明应用中，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
　　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.