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3C数码产品

LED控制器设计开发


随着Internet和科技的发展,社会的不断进步,供人们娱乐休闲的工具越来越多,LED控制器实物可以制作成一种利用“视觉暂留效应”工作的高科技电子玩具,由LED控制器制成的摇摇棒等产品就是其中一个热点商品。其控制器是基于人类视觉暂留原理而产生的感官效果。在摇动LED控制器时,人的视觉暂留会在发光二极管摇动区域产生一个视觉平面,实现时控制器可以使上面的LED灯在划过空中的适当位置显示文字和图形,从而达到在该视觉平面上传达信息的作用。这种控制器成品在各种文体活动中出现的场合越来越普遍,增加活动现场效果。

一、LED控制器设计原理

人的眼睛存在视觉暂留现象,正因为眼睛反应迟钝,才丰富了人的视觉感受,本系统就是基于这个原理进行设计,运用最新专利电子技术研制而成的线阵LED运动成像的高科技产品。LED控制器在晃动不同位置的时候,让位于一条直线上的LED显示二维图像的不同列,利用人眼的视觉暂留效应,实现图形扫描显示。输出信号频率的控制通过FPGA来实现,用32个发光二极管进行不同频率的亮灭刷新。当进行摇动时,由于人的视觉暂留效应,会在发光二极管摇动区域产生一个视觉平面,在视觉平面内的二极管通过不同频率的刷新,会在摇动区域内产生图像,从而达到在该视觉平面上传达信息的作用。从数据分析,即从一侧移动到另一侧所需的时间是0.1s,把0.1s分成64份,则每一列的图形显示时间为1562um。每一列对应32个LED发光二极管,然后在这每一份的时间里显示图形的相应一列,则可以得到完整的图形显示。

LED是发光二极管(Light Emitting Diode,LED)的简称,也被称作发光二极管,这种半导体组件一般是作为指示灯、显示板,它不但能够高效率地直接将电能转化为光能,而且拥有最长达数万小时的使用寿命,并能省电等优点。本设计采用共阴极连接方式,当5V的电压加到LED的阳极,LED就有电流通过,则LED发光。当LED的两端是高电平,虽然有小的电压差,但是小的电压差产生的电流是无法驱动LED灯发光。一般LED灯的驱动电压为1.5V以上,电流要在200mA以上,不同的LED的驱动电压和电流是不同的。另外对于水银开关模块,作为方式传感器,因为重力的关系,水银水珠会随容器中较低的地方流去,如果同时接触到两个电极的话,开关便会将电路闭合,开启开关,控制系统图像显示。

二、LED控制器系统方案分析

LED控制模块的实现是利用人眼的视觉暂留特性制作而成,LED发光管作为画面每一列的显示,左右摇晃起到了扫描的作用,人眼的视觉暂留现象使得看到的是一幅完整的画面。然而,它在LED显示模块中,如果LED灯的数量过少,在显示时就会导致最终在显示文字时分辨率降低,从而显示的图像等不够细腻,所以本设计以32个LED发光二极管为例进行说明。

另外,控制器在摇晃的过程中,如果显示的文字,图像等信息左右不对称,在回扫的过程中如继续显示图象信息时会出现反向重影的现象,导致图象或信息显示错误,本设计采用水银开关或者惯性开关解决这一问题。控制器在晃动时,通过水银开关自身的重力作用,只有在朝某一方向摇动时电路才会接通,同时显示图形,文字等信息,而在反向回扫过程中开关自动关闭,LED发光二极管不显示内容,所以可以通过接一只水银开关来控制,使LED控制器从一个方向向另一方向晃动时将内容清晰的显示出来,消除重影问题。

三、LED控制器开发方法

3.1硬件设计

本系统硬件电路的电源VCC源于FPGA,系统中的32个I/O接口处以共阴的方式连接高亮度LED和上拉电阻,I/O口输出高电平点亮小灯,用水银开关作为方向传感器,向FPGA控制器传送显示状态信号。系统硬件电路包括3部分:水银开关模块、LED显示模块以及I/O接口模块。硬件电路模块。

其中,水银开关模块实现方向传感器对整个控制器摇晃方向的判断功能,水银开关方向向上且稍微偏右,当摇摇棒像右摇晃时,传感器返回一个上升沿信号通过I/O接口实现与FPGA的信息联接。当FPGA接收到传感器的上升沿信号后,便开始执行一个周期的显示编码通过I/O接口传给LED显示模块。本设计FPGA实验开发板基于ALTERA公司的EP3C5E144为平台进行。

在一个周期的显示时间中,FPGA自动屏蔽此期间的传感器返回值,当显示周期结束判定生效时,FPGA再次接收传感器模块的返回值。这样便可以避免摇摇棒来回摇晃时显示内容出现混乱,比如正反字模重影导致无法清晰准确地显示正确内容。

3.2软件设计

本设计采用基于FPGA的VHDL语言和原理图的结合方式以自底向上的工程顺序实现设计。首先,底层部分由7个模块组成,分别是:锁相环,分频器,传感器信号一级判定器,传感器信号二级判定器,反馈装置,时序控制器以及输出数据选择兼译码器。

(1)分频器和时序控制器模块设计:分频模块通过CLK时钟信号输入,对输入信号进行100分频,该输入信号为锁相环输出信号,输出信号FREOUT作为时序控制器输入,时序控制器接收分频器输出的1MHZ频率信号,接收中心控制器输出的时序控制器的使能信号,输出时序执行结束信号到中心控制器,输出字型码数据选择信号到输出数据选择兼译码器,此模块均利用VHDL语言编程生成。

(2)传感器信号判定器模块设计:传感器信号判定器有两级,一级判定器实现对水银开关返回值的初步判断,为二级判定器对上升沿的判断作必要的准备,其中还集成了3个智能判断单元’,包括两个高电平定时智能判断和一个低电平定时智能判断。高电平智能判断分别生成2秒和4秒的定时触发信号,低电平智能判断实现2秒的定时复位信号的发生。传感器信号二级判定器严格判定一级信号的上升沿,若为上升沿,则集成反馈的中心控制器使能允许,并接收反馈清零信号作为判断条件之一。

(3)集成反馈的中心控制器模块设计:该模块接收时序控制器的结束信号和第二判定器输出的中心控制器的使能信号,输出时序控制器的使能信号和反馈清零信号到第二判定器。该控制器接收来自时序控制器的周期显示结束信号,经处理输出显示清零信号,使LED控制器在移动时单方向显示有效,另一方向显示无效。

(4)软件顶层设计:七个模块均由7个独立的VHDL程序编写成功后并生成原理图元件。其次,顶层部分基于原理图设计,将底层的VHDL元件件按照相应原理加人输入和输出端口后连接为完整电路,共有两个输入和32个输出,分别是:FPGA的20MHZ输入,水银开关返回值输入,32个发光二极管的阳极输出。

四、智能LED台灯的设计理念

现在市场上的灯具种类繁多,平常台灯均采取220V交流电源来供电,日光灯管、白炽灯胆为光源,手动开关或触摸感应式开关来控制。

现在台灯几乎是平常家庭的生活必需品了,有手动和自动两种模式的台灯。现代社会的人们由于常常忘记关灯而造成能源耗费。作为一个必需品,就必须对人们的生活产生有益的影响,他可以让你不在担心黑暗中开不了灯,而且可以改正人们的坐姿。通过红外传感器感应人手红外光的强弱来控制单片机,单片机控制LED驱动电路来控制LED灯的亮度,又可以通过红外传感器感应系统配合计时系统可以计算看书的学习时间,超过定时器上的时间单片机就会发出报警并降低LED灯的亮度,提醒学习者的学习时间及保护眼睛,停电时又可以通过5V可充电锂电池为LED灯供电。

(1)功能性原则:在设计台灯中必须符合照明要求,按照不一样的空间、不一样的场所、不一样的工具选择不一样的照明方法和灯具,而且要保持照度和亮度。比方:读写台灯光照明设计应采取垂直式照明,让亮度散布平均,防止出现眩光;很多商场的橱窗和商品摆设,为了能够吸引大量顾客的眼球,一般都会使用强光进行有重点的突出照明,它的亮度比平常照明亮度要超出大约到3~5倍,也有很多商家为了使商品的立体感、质感和广告效应更好,也经常使用方向性强的照明灯具和使用色光来让商品更具有艺术感染力。

(2)经济性原则:在设计灯光照明时,不可以只是想着以多为好,关键是要科学实际,合理运用。灯光照明设计主要是为了满足人们的视觉享受和审美,使室内空间最大限度展现出美丽,是利用功效和审美功效的统一。社会上有些灯饰不但不能够增美,反而弄巧成拙,产生电力耗损,造成经济上的损失,极有可能还会造成光环境污染而损害身体。根据现代社会的灯光照明的标准,因为用处和分辩的清晰度的各不相同,所以选用的尺度也各不相同。

(3)安全性原则:灯光照明设计不可随意发挥,随意设计,一定要注重安全性能。因为灯具是使用电源,电对人体的伤害可想而知,所以必需采取的防触电、防断路等相关的安全措施,尽量去防止意外事故的产生,将意外事故发生率降到最低。

五、LED台灯方案的组件设计

(1)驱动电路:LED驱动器:为满足不同的输入电压、输出电流及不同的的LED数目等请求,半导体器件公司都开发出各类白光LED驱动器。驱动器除可驱动白光LED外,也可驱动蓝光LED或其他色彩的LED。另外驱动器具备不变输出或可编程恒流输出的特特性,故可用驱动器作为稳压电源或可编程恒流源。

(2)LED驱动器的要求:LED不仅用于LCD背光照明,而且近年来慢慢用作照明灯、闪光灯及频闪装备。白光LED也从小功率发展到中功率及大功率(电流达lO00mA)。灯光的闪光灯使用大功率白光LED,在夜空中产生耀眼的光芒,广告效果明显。驱动器可以看做是向LED供电的特殊电源。它可驱动正向压降为3.0~4.3V的白光LED,并可根据需要驱动串联、并联或串/并联的多个白光LED,满足驱动电流的要求。

(3)常用的LED电源驱动方案:LED电源驱动有多种方案,在LED电源变换器的技术实现上有不一样的方案。按照供电电压的高低,可以将LED电源驱动器分成低压驱动(供电电压为0.8~1.65V)、过渡电压驱动(供电电压为4V)、高压驱动(供电电压大于5V)和市电供电等4类。

六、智能LED台灯电路的调试及解决办法

6.1台灯LED发光角度的问题

很多的LED透镜封装不一样即便是统一发光角度(标称角度),结果也不一样,使得聚光罩的拔取难上加难,仍至不可以通用。

本设计如果没有经过处理的光直射,那肯定是不均匀的,并且LED之间的间隔也有影响。LED的发光角内的光并非均匀的,而是中间强周围逐步削弱的。这便是为何LED灯产物都会用LENS或反光杯之类的进行光的处置。

6.2台灯LED效率偏低(发光率)

本设计LED的发光效率实在分为两大块:内量子力和外量子效力,对内量子效力普通讲也便是电子跃迁发生光子的效力。下降非辐射跃迁一一削减非辐射的复合中心(主如果晶体缺陷)构成不变的必要的能级差一一(1)有效掺杂;(2)降低结温。

6.3台灯LED亮度不足

本设计利用不同等级档次的芯片封装出来亮度不一样,而且LED可以通过加大电流来使其更亮。电路低时,亮度也就比较暗。

6.4出现死灯现象

本设计LED死灯现象主要有以下两种情况:开路死灯和短路死灯。

开路死灯的原因有:(1)LED内的焊点不可靠;芯片焊点受到污染;支架电渡层不符合标准,线太细也致使焊点拉力不够;没有完全固定好产生的内应力导致焊点的松脱等;(2)LED与PCB焊接过程当中的虚焊引发。

短路死灯的原因有:(1)LED芯片的抗静电(ESD)较差,直接模式耐压不到300v;(2)因为电源的可靠性不敷或不匹配引发LED过流、过压致使。

在调试的时候,LED内的焊点不稳引起的开路死灯是LED生产过程中材料及工艺的原因,是LED存在的质量问题,我在选材检验的时候通过温度试验、冷热冲击实验、高温高湿老化实验来筛选出焊点可靠的。本设计LED与PCB焊接过程中的虚焊引起死灯是在使用LED加工产品时的工艺引起的,所以要从以下几方面解决问题:(1)焊接温度保持在260摄氏度左右,时间控制在3S一5S以内;(2)在焊接温度回到正常之前,一定要防止LED产生任何抖动或者其他外力;(3)焊接点离胶体底部在2.5mm以上;(4)LED在弯脚或折脚时应注重与胶体连结2mm以上的间隔,以防LED胶体内里支架与金线离散。

在设计的过程中电源的可靠性不够或不匹配会产生LED过流、过压导致LED损坏的情况,所以在选用时,一定要讲究LED电源的可靠性和与LED匹配:(1)在电压匹配方面,LED约2—3伏的低电压驱动,必须要设计复杂的变换电路,不同用途的LED灯要配备不同的电源适配器。所以本设计在应用方面非常小心;(2)在电流匹配方面,LED的正常工作电流在15mA一18mA,供电电流小于15mA时,LED的发光强度不够,而大于20mA时,发光了强度也会减弱,同时发热大增,老化加快、寿命缩短,经过试验当超过40mA时会很快损坏。

总结

本文利用高亮度LED发光二极管以及水银开关设计基于FPGA的LED控制器模型,该控制器不仅可以照亮,闪烁图案,更可用做商业产品。通过分时刷新分别连接32个发光二极管的输出端口的高低电平来实现文字、图案等信息的显示,大幅度缩短了开发周期,提高了系统工作稳定性,改善了系统升级和扩展条件等。

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