全色谱彩灯显示系统的研究与设计_PWM信号

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论文导读::全色谱彩灯的设计原理。利用红绿蓝三色灯和色彩的三原色原理。全色谱彩灯显示系统的研究与设计

论文导读::全色谱彩灯的设计原理。利用红绿蓝三色灯和色彩的三原色原理。全色谱彩灯显示系统的研究与设计。
论文关键词:全色谱彩灯,三色灯,PWM信号

0 引言

近年来,随着LED(Light Emitting Diode)技术的发展,LED已被越来越多的应用于显示屏、背光源、汽车车灯、室内装饰、景观照明、通用照明、交通指示灯、道路指示和信号显示等领域。目前,LED显示屏凭借其高亮度、高可靠性、低使用成本、寿命长、环境适应能力强等特点,在短短的时间内,迅速成长为平板显示的主流产品,并且广泛的应用于车站、银行、证券、医院 、体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。与此同时,伴随红、绿、蓝色三色发光管亮度的不断提升,色谱彩屏正以一种前所未有的速度在普及和推广。

1 全色谱彩灯的设计原理

日常生活中,颜色的种类五花八门、变化万千。但是,几乎所有的颜色都可以通过三基色混合的方法来得到,当不同像素比例的三基色光,同时照射在一起时,就能够产生另外一种新的色光。并且,随着不同色彩混合量的增加,混色光的明度会逐渐提高。

将红、绿、蓝三色光分别按照适当比例混合,可以得到其他不同的色光;反之,其他颜色的光线却无法混出红、绿、蓝这三种颜色。因此,人们通常将红、绿、蓝三种颜色称为色光的三基色。红、绿、蓝三色加色混合的效果是由人的视觉器官来完成的PWM信号,它是一种视觉的混合。加色混合法的结果是色相的改变、明度的提高、而纯度并不下降。

2 全色谱彩灯的硬件设计

2.1 芯片简介

AT89C51单片机是ATMEL公司生产的8位高性能单片机,它具有比MCS-51系列单片机更强大的功能,同时它也完全兼容MCS-51系列单片机的引脚和指令系统。它的全静态工作范围是0Hz~24MHz,在单片机内部有4KB支持反复擦写的程序存储器,128*8位内部RAM,两个16位定时/计数器,4个并行 I/O口 P0~P4, 32位双向输入输出线,有一个UART异步串行口的通信方式为全双工,工作方式可以是间歇模式或着掉电模式。

2.2三色led的发光原理:

Led 是由P型和N 型半导体组成的固态半导体器件,在Led的P-N结上加正向偏压时可以直接将电能转化为光能。通常可以采用紫外线等单色光,激发以稀土为主要元素的荧光粉发出不同颜色的光,混合各色光产生白光,也可以采用将几种发不同色光的芯片封装在一起,构成发白光的LED,即多芯片型。本文应用具有4引脚共阴极三色Led,其具有极低的耗电量,较低的工作电压和极高的可靠性。

本文以AT89C51单片机为核心,其P1口的各个引脚分别接共阴极三色Led的红、绿、蓝三色的控制引脚;如P1.0接Led的红色控制引脚,P1.1接Led的绿色控制引脚,P1.2接Led的蓝色控制引脚中国论文下载中心。单片机输出不同脉冲宽度的PWM控制信号到三色led的三色控制引脚,使得Led依据相应的电压值,变化红、绿、蓝三种颜色的亮度值,从而可以通过不同亮度的红、绿、蓝三种颜色的混合达到显示多种颜色的目的。此外,三色LED的阴极接地。全彩灯的硬件电路图,如图1所示。

图1 全彩灯硬件原理框图

3全色谱彩灯的软件设计

3.1数学模型

PWM脉宽调制,是利用微处理器的数字输出实现对模拟电路进行控制的技术,即是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法,其具有无需进行数模转换,就可以将控制信号从处理器输出到被控对象的优点。

通常在单色光激发荧光粉的状态下,以窄带宽激发红粉和绿粉,宽带宽激发蓝粉。由于LED的工作电压较低,一般不会超过5VPWM信号,所以红、绿、蓝三种颜色都可以通过较低的电压激发。因此,三色LED的亮度值可以近似看做是线性变化如图2所示。


图2 三色LED亮度与电压关系数学模型图

设Va和Vb为亮度线性区域的下限电压与上限电压;Vx为亮度线性区域上的任意电压x%为亮度值的百分比;Vx为亮度线性区域上的任意电压;Kx为PWM的占空比。亮度任意值Vx、占空比以及阀值电压Va和Vb之间的关系如公式1所示。

公式1

3.2软件实现原理

本系统是以软件编程来控制AT89C51单片机输出信号的脉冲宽度, 通过响应中断程序,选择点亮一盏三色LED灯或者全部,调用PWM调制程序,输出红、绿、蓝三色的激发电压到三色LED,完成LED的全彩色点亮,软件流程图如图3所示

PWM信号图3 软件流程图

4结果及讨论

文章以AT89C51单片机为主控核心,利用红绿蓝三色灯和色彩的三原色原理,设计一种全色谱彩灯控制系统。

从设计的容易实施角度出发,本系统的颜色变化是从预设值开始到单片机的最大输出范围。本系统还可以通过连接键盘等方式,输入颜色分量的起始值,设定颜色的显示时间。因此,本系统的功能还有很大的提高空间。

5 结束语

本系统具有较强的研究性,并且面向应用,具有良好的实用性。经多次实验验证,该系统具有结构简单、成本低、系统可靠性高等优点。适合广泛的应用于车站、证券、体育场馆、演唱会、机场等场所,为各场所提供照明及各种灯光效果。


参考文献
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