便捷工具
LED控制器方案開(kāi)發(fā)
隨著Internet和科技的發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步，供人們娛樂(lè)休閑的工具越來(lái)越多，LED控制器實(shí)物可以制作成一種利用“視覺(jué)暫留效應(yīng)”工作的高科技電子玩具，由LED控制器制成的搖搖棒等產(chǎn)品就是其中一個(gè)熱點(diǎn)商品。其控制器是基于人類(lèi)視覺(jué)暫留原理而產(chǎn)生的感官效果。在搖動(dòng)LED控制器時(shí)，人的視覺(jué)暫留會(huì)在發(fā)光二極管搖動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)視覺(jué)平面，實(shí)現(xiàn)時(shí)控制器可以使上面的LED燈在劃過(guò)空中的適當(dāng)位置顯示文字和圖形，從而達(dá)到在該視覺(jué)平面上傳達(dá)信息的作用。這種控制器成品在各種文體活動(dòng)中出現(xiàn)的場(chǎng)合越來(lái)越普遍，增加活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)效果。
一、LED控制器設(shè)計(jì)原理
人的眼睛存在視覺(jué)暫留現(xiàn)象，正因?yàn)檠劬Ψ磻?yīng)遲鈍，才豐富了人的視覺(jué)感受，本系統(tǒng)就是基于這個(gè)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用最新專(zhuān)利電子技術(shù)研制而成的線陣LED運(yùn)動(dòng)成像的高科技產(chǎn)品。LED控制器在晃動(dòng)不同位置的時(shí)候，讓位于一條直線上的LED顯示二維圖像的不同列，利用人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)圖形掃描顯示。輸出信號(hào)頻率的控制通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，用32個(gè)發(fā)光二極管進(jìn)行不同頻率的亮滅刷新。當(dāng)進(jìn)行搖動(dòng)時(shí)，由于人的視覺(jué)暫留效應(yīng)，會(huì)在發(fā)光二極管搖動(dòng)區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)視覺(jué)平面，在視覺(jué)平面內(nèi)的二極管通過(guò)不同頻率的刷新，會(huì)在搖動(dòng)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生圖像，從而達(dá)到在該視覺(jué)平面上傳達(dá)信息的作用。從數(shù)據(jù)分析，即從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)所需的時(shí)間是0.1s，把0.1s分成64份，則每一列的圖形顯示時(shí)間為1562um。每一列對(duì)應(yīng)32個(gè)LED發(fā)光二極管，然后在這每一份的時(shí)間里顯示圖形的相應(yīng)一列，則可以得到完整的圖形顯示。
LED是發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)的簡(jiǎn)稱(chēng)，也被稱(chēng)作發(fā)光二極管，這種半導(dǎo)體組件一般是作為指示燈、顯示板，它不但能夠高效率地直接將電能轉(zhuǎn)化為光能，而且擁有最長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，并能省電等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用共陰極連接方式，當(dāng)5V的電壓加到LED的陽(yáng)極，LED就有電流通過(guò)，則LED發(fā)光。當(dāng)LED的兩端是高電平，雖然有小的電壓差，但是小的電壓差產(chǎn)生的電流是無(wú)法驅(qū)動(dòng)LED燈發(fā)光。一般LED燈的驅(qū)動(dòng)電壓為1.5V以上，電流要在200mA以上，不同的LED的驅(qū)動(dòng)電壓和電流是不同的。另外對(duì)于水銀開(kāi)關(guān)模塊，作為方式傳感器，因?yàn)橹亓Φ年P(guān)系，水銀水珠會(huì)隨容器中較低的地方流去，如果同時(shí)接觸到兩個(gè)電極的話，開(kāi)關(guān)便會(huì)將電路閉合，開(kāi)啟開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)圖像顯示。
二、LED控制器系統(tǒng)方案分析
LED控制模塊的實(shí)現(xiàn)是利用人眼的視覺(jué)暫留特性制作而成，LED發(fā)光管作為畫(huà)面每一列的顯示，左右搖晃起到了掃描的作用，人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象使得看到的是一幅完整的畫(huà)面。然而，它在LED顯示模塊中，如果LED燈的數(shù)量過(guò)少，在顯示時(shí)就會(huì)導(dǎo)致最終在顯示文字時(shí)分辨率降低，從而顯示的圖像等不夠細(xì)膩，所以本設(shè)計(jì)以32個(gè)LED發(fā)光二極管為例進(jìn)行說(shuō)明。
另外，控制器在搖晃的過(guò)程中，如果顯示的文字，圖像等信息左右不對(duì)稱(chēng)，在回掃的過(guò)程中如繼續(xù)顯示圖象信息時(shí)會(huì)出現(xiàn)反向重影的現(xiàn)象，導(dǎo)致圖象或信息顯示錯(cuò)誤，本設(shè)計(jì)采用水銀開(kāi)關(guān)或者慣性開(kāi)關(guān)解決這一問(wèn)題。控制器在晃動(dòng)時(shí)，通過(guò)水銀開(kāi)關(guān)自身的重力作用，只有在朝某一方向搖動(dòng)時(shí)電路才會(huì)接通，同時(shí)顯示圖形，文字等信息，而在反向回掃過(guò)程中開(kāi)關(guān)自動(dòng)關(guān)閉，LED發(fā)光二極管不顯示內(nèi)容，所以可以通過(guò)接一只水銀開(kāi)關(guān)來(lái)控制，使LED控制器從一個(gè)方向向另一方向晃動(dòng)時(shí)將內(nèi)容清晰的顯示出來(lái)，消除重影問(wèn)題。
三、LED控制器開(kāi)發(fā)方法
3.1硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件電路的電源VCC源于FPGA，系統(tǒng)中的32個(gè)I/O接口處以共陰的方式連接高亮度LED和上拉電阻，I/O口輸出高電平點(diǎn)亮小燈，用水銀開(kāi)關(guān)作為方向傳感器，向FPGA控制器傳送顯示狀態(tài)信號(hào)。系統(tǒng)硬件電路包括3部分：水銀開(kāi)關(guān)模塊、LED顯示模塊以及I/O接口模塊。硬件電路模塊。
其中，水銀開(kāi)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)方向傳感器對(duì)整個(gè)控制器搖晃方向的判斷功能，水銀開(kāi)關(guān)方向向上且稍微偏右，當(dāng)搖搖棒像右搖晃時(shí)，傳感器返回一個(gè)上升沿信號(hào)通過(guò)I/O接口實(shí)現(xiàn)與FPGA的信息聯(lián)接。當(dāng)FPGA接收到傳感器的上升沿信號(hào)后，便開(kāi)始執(zhí)行一個(gè)周期的顯示編碼通過(guò)I/O接口傳給LED顯示模塊。本設(shè)計(jì)FPGA實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板基于ALTERA公司的EP3C5E144為平臺(tái)進(jìn)行。
在一個(gè)周期的顯示時(shí)間中，F(xiàn)PGA自動(dòng)屏蔽此期間的傳感器返回值，當(dāng)顯示周期結(jié)束判定生效時(shí)，F(xiàn)PGA再次接收傳感器模塊的返回值。這樣便可以避免搖搖棒來(lái)回?fù)u晃時(shí)顯示內(nèi)容出現(xiàn)混亂，比如正反字模重影導(dǎo)致無(wú)法清晰準(zhǔn)確地顯示正確內(nèi)容。
3.2軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用基于FPGA的VHDL語(yǔ)言和原理圖的結(jié)合方式以自底向上的工程順序?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)。首先，底層部分由7個(gè)模塊組成，分別是：鎖相環(huán)，分頻器，傳感器信號(hào)一級(jí)判定器，傳感器信號(hào)二級(jí)判定器，反饋裝置，時(shí)序控制器以及輸出數(shù)據(jù)選擇兼譯碼器。
（1）分頻器和時(shí)序控制器模塊設(shè)計(jì)：分頻模塊通過(guò)CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行100分頻，該輸入信號(hào)為鎖相環(huán)輸出信號(hào)，輸出信號(hào)FREOUT作為時(shí)序控制器輸入，時(shí)序控制器接收分頻器輸出的1MHZ頻率信號(hào)，接收中心控制器輸出的時(shí)序控制器的使能信號(hào)，輸出時(shí)序執(zhí)行結(jié)束信號(hào)到中心控制器，輸出字型碼數(shù)據(jù)選擇信號(hào)到輸出數(shù)據(jù)選擇兼譯碼器，此模塊均利用VHDL語(yǔ)言編程生成。
（2）傳感器信號(hào)判定器模塊設(shè)計(jì)：傳感器信號(hào)判定器有兩級(jí)，一級(jí)判定器實(shí)現(xiàn)對(duì)水銀開(kāi)關(guān)返回值的初步判斷，為二級(jí)判定器對(duì)上升沿的判斷作必要的準(zhǔn)備，其中還集成了3個(gè)智能判斷單元’，包括兩個(gè)高電平定時(shí)智能判斷和一個(gè)低電平定時(shí)智能判斷。高電平智能判斷分別生成2秒和4秒的定時(shí)觸發(fā)信號(hào)，低電平智能判斷實(shí)現(xiàn)2秒的定時(shí)復(fù)位信號(hào)的發(fā)生。傳感器信號(hào)二級(jí)判定器嚴(yán)格判定一級(jí)信號(hào)的上升沿，若為上升沿，則集成反饋的中心控制器使能允許，并接收反饋清零信號(hào)作為判斷條件之一。
（3）集成反饋的中心控制器模塊設(shè)計(jì)：該模塊接收時(shí)序控制器的結(jié)束信號(hào)和第二判定器輸出的中心控制器的使能信號(hào)，輸出時(shí)序控制器的使能信號(hào)和反饋清零信號(hào)到第二判定器。該控制器接收來(lái)自時(shí)序控制器的周期顯示結(jié)束信號(hào)，經(jīng)處理輸出顯示清零信號(hào)，使LED控制器在移動(dòng)時(shí)單方向顯示有效，另一方向顯示無(wú)效。
（4）軟件頂層設(shè)計(jì)：七個(gè)模塊均由7個(gè)獨(dú)立的VHDL程序編寫(xiě)成功后并生成原理圖元件。其次，頂層部分基于原理圖設(shè)計(jì)，將底層的VHDL元件件按照相應(yīng)原理加人輸入和輸出端口后連接為完整電路，共有兩個(gè)輸入和32個(gè)輸出，分別是：FPGA的20MHZ輸入，水銀開(kāi)關(guān)返回值輸入，32個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極輸出。
四、智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)理念
現(xiàn)在市場(chǎng)上的燈具種類(lèi)繁多，平常臺(tái)燈均采取220V交流電源來(lái)供電，日光燈管、白熾燈膽為光源，手動(dòng)開(kāi)關(guān)或觸摸感應(yīng)式開(kāi)關(guān)來(lái)控制。
現(xiàn)在臺(tái)燈幾乎是平常家庭的生活必需品了，有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式的臺(tái)燈?，F(xiàn)代社會(huì)的人們由于常常忘記關(guān)燈而造成能源耗費(fèi)。作為一個(gè)必需品，就必須對(duì)人們的生活產(chǎn)生有益的影響，他可以讓你不在擔(dān)心黑暗中開(kāi)不了燈，而且可以改正人們的坐姿。通過(guò)紅外傳感器感應(yīng)人手紅外光的強(qiáng)弱來(lái)控制單片機(jī)，單片機(jī)控制LED驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制LED燈的亮度，又可以通過(guò)紅外傳感器感應(yīng)系統(tǒng)配合計(jì)時(shí)系統(tǒng)可以計(jì)算看書(shū)的學(xué)習(xí)時(shí)間，超過(guò)定時(shí)器上的時(shí)間單片機(jī)就會(huì)發(fā)出報(bào)警并降低LED燈的亮度，提醒學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)時(shí)間及保護(hù)眼睛，停電時(shí)又可以通過(guò)5V可充電鋰電池為L(zhǎng)ED燈供電。
（1）功能性原則：在設(shè)計(jì)臺(tái)燈中必須符合照明要求，按照不一樣的空間、不一樣的場(chǎng)所、不一樣的工具選擇不一樣的照明方法和燈具，而且要保持照度和亮度。比方：讀寫(xiě)臺(tái)燈光照明設(shè)計(jì)應(yīng)采取垂直式照明，讓亮度散布平均，防止出現(xiàn)眩光；很多商場(chǎng)的櫥窗和商品擺設(shè)，為了能夠吸引大量顧客的眼球，一般都會(huì)使用強(qiáng)光進(jìn)行有重點(diǎn)的突出照明，它的亮度比平常照明亮度要超出大約到3～5倍，也有很多商家為了使商品的立體感、質(zhì)感和廣告效應(yīng)更好，也經(jīng)常使用方向性強(qiáng)的照明燈具和使用色光來(lái)讓商品更具有藝術(shù)感染力。
（2）經(jīng)濟(jì)性原則：在設(shè)計(jì)燈光照明時(shí)，不可以只是想著以多為好，關(guān)鍵是要科學(xué)實(shí)際，合理運(yùn)用。燈光照明設(shè)計(jì)主要是為了滿(mǎn)足人們的視覺(jué)享受和審美，使室內(nèi)空間最大限度展現(xiàn)出美麗，是利用功效和審美功效的統(tǒng)一。社會(huì)上有些燈飾不但不能夠增美，反而弄巧成拙，產(chǎn)生電力耗損，造成經(jīng)濟(jì)上的損失，極有可能還會(huì)造成光環(huán)境污染而損害身體。根據(jù)現(xiàn)代社會(huì)的燈光照明的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橛锰幒头洲q的清晰度的各不相同，所以選用的尺度也各不相同。
（3）安全性原則：燈光照明設(shè)計(jì)不可隨意發(fā)揮，隨意設(shè)計(jì)，一定要注重安全性能。因?yàn)闊艟呤鞘褂秒娫?，電?duì)人體的傷害可想而知，所以必需采取的防觸電、防斷路等相關(guān)的安全措施，盡量去防止意外事故的產(chǎn)生，將意外事故發(fā)生率降到最低。
五、LED臺(tái)燈方案的組件設(shè)計(jì)
（1）驅(qū)動(dòng)電路：LED驅(qū)動(dòng)器：為滿(mǎn)足不同的輸入電壓、輸出電流及不同的的LED數(shù)目等請(qǐng)求，半導(dǎo)體器件公司都開(kāi)發(fā)出各類(lèi)白光LED驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器除可驅(qū)動(dòng)白光LED外，也可驅(qū)動(dòng)藍(lán)光LED或其他色彩的LED。另外驅(qū)動(dòng)器具備不變輸出或可編程恒流輸出的特特性，故可用驅(qū)動(dòng)器作為穩(wěn)壓電源或可編程恒流源。
（2）LED驅(qū)動(dòng)器的要求：LED不僅用于LCD背光照明，而且近年來(lái)慢慢用作照明燈、閃光燈及頻閃裝備。白光LED也從小功率發(fā)展到中功率及大功率(電流達(dá)lO00mA)。燈光的閃光燈使用大功率白光LED，在夜空中產(chǎn)生耀眼的光芒，廣告效果明顯。驅(qū)動(dòng)器可以看做是向LED供電的特殊電源。它可驅(qū)動(dòng)正向壓降為3.0～4.3V的白光LED，并可根據(jù)需要驅(qū)動(dòng)串聯(lián)、并聯(lián)或串/并聯(lián)的多個(gè)白光LED，滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)電流的要求。
（3）常用的LED電源驅(qū)動(dòng)方案：LED電源驅(qū)動(dòng)有多種方案，在LED電源變換器的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有不一樣的方案。按照供電電壓的高低，可以將LED電源驅(qū)動(dòng)器分成低壓驅(qū)動(dòng)(供電電壓為0.8～1.65V)、過(guò)渡電壓驅(qū)動(dòng)(供電電壓為4V)、高壓驅(qū)動(dòng)(供電電壓大于5V)和市電供電等4類(lèi)。
六、智能LED臺(tái)燈電路的調(diào)試及解決辦法
6.1臺(tái)燈LED發(fā)光角度的問(wèn)題
很多的LED透鏡封裝不一樣即便是統(tǒng)一發(fā)光角度(標(biāo)稱(chēng)角度)，結(jié)果也不一樣，使得聚光罩的拔取難上加難，仍至不可以通用。
本設(shè)計(jì)如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的光直射，那肯定是不均勻的，并且LED之間的間隔也有影響。LED的發(fā)光角內(nèi)的光并非均勻的，而是中間強(qiáng)周?chē)鸩较魅醯?。這便是為何LED燈產(chǎn)物都會(huì)用LENS或反光杯之類(lèi)的進(jìn)行光的處置。
6.2臺(tái)燈LED效率偏低(發(fā)光率)
本設(shè)計(jì)LED的發(fā)光效率實(shí)在分為兩大塊：內(nèi)量子力和外量子效力，對(duì)內(nèi)量子效力普通講也便是電子躍遷發(fā)生光子的效力。下降非輻射躍遷一一削減非輻射的復(fù)合中心(主如果晶體缺陷)構(gòu)成不變的必要的能級(jí)差一一
(1)有效摻雜；
(2)降低結(jié)溫。
6.3臺(tái)燈LED亮度不足
本設(shè)計(jì)利用不同等級(jí)檔次的芯片封裝出來(lái)亮度不一樣，而且LED可以通過(guò)加大電流來(lái)使其更亮。電路低時(shí)，亮度也就比較暗。
6.4出現(xiàn)死燈現(xiàn)象
本設(shè)計(jì)LED死燈現(xiàn)象主要有以下兩種情況：開(kāi)路死燈和短路死燈。
開(kāi)路死燈的原因有：
(1)LED內(nèi)的焊點(diǎn)不可靠；芯片焊點(diǎn)受到污染；支架電渡層不符合標(biāo)準(zhǔn)，線太細(xì)也致使焊點(diǎn)拉力不夠；沒(méi)有完全固定好產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致焊點(diǎn)的松脫等；
(2)LED與PCB焊接過(guò)程當(dāng)中的虛焊引發(fā)。
短路死燈的原因有：
(1)LED芯片的抗靜電(ESD)較差，直接模式耐壓不到300v；
(2)因?yàn)殡娫吹目煽啃圆环蠡虿黄ヅ湟l(fā)LED過(guò)流、過(guò)壓致使。
在調(diào)試的時(shí)候，LED內(nèi)的焊點(diǎn)不穩(wěn)引起的開(kāi)路死燈是LED生產(chǎn)過(guò)程中材料及工藝的原因，是LED存在的質(zhì)量問(wèn)題，我在選材檢驗(yàn)的時(shí)候通過(guò)溫度試驗(yàn)、冷熱沖擊實(shí)驗(yàn)、高溫高濕老化實(shí)驗(yàn)來(lái)篩選出焊點(diǎn)可靠的。本設(shè)計(jì)LED與PCB焊接過(guò)程中的虛焊引起死燈是在使用LED加工產(chǎn)品時(shí)的工藝引起的，所以要從以下幾方面解決問(wèn)題：
(1)焊接溫度保持在260攝氏度左右，時(shí)間控制在3S一5S以?xún)?nèi)；
(2)在焊接溫度回到正常之前，一定要防止LED產(chǎn)生任何抖動(dòng)或者其他外力；
(3)焊接點(diǎn)離膠體底部在2.5mm以上；
(4)LED在彎腳或折腳時(shí)應(yīng)注重與膠體連結(jié)2mm以上的間隔，以防LED膠體內(nèi)里支架與金線離散。
在設(shè)計(jì)的過(guò)程中電源的可靠性不夠或不匹配會(huì)產(chǎn)生LED過(guò)流、過(guò)壓導(dǎo)致LED損壞的情況，所以在選用時(shí)，一定要講究LED電源的可靠性和與LED匹配：
(1)在電壓匹配方面，LED約2—3伏的低電壓驅(qū)動(dòng)，必須要設(shè)計(jì)復(fù)雜的變換電路，不同用途的LED燈要配備不同的電源適配器。所以本設(shè)計(jì)在應(yīng)用方面非常小心；
(2)在電流匹配方面，LED的正常工作電流在15mA一18mA，供電電流小于15mA時(shí)，LED的發(fā)光強(qiáng)度不夠，而大于20mA時(shí)，發(fā)光了強(qiáng)度也會(huì)減弱，同時(shí)發(fā)熱大增，老化加快、壽命縮短，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)當(dāng)超過(guò)40mA時(shí)會(huì)很快損壞。
總結(jié)
本文利用高亮度LED發(fā)光二極管以及水銀開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)基于FPGA的LED控制器模型，該控制器不僅可以照亮，閃爍圖案，更可用做商業(yè)產(chǎn)品。通過(guò)分時(shí)刷新分別連接32個(gè)發(fā)光二極管的輸出端口的高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)文字、圖案等信息的顯示，大幅度縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，改善了系統(tǒng)升級(jí)和擴(kuò)展條件等。
以上就是我們深圳市組創(chuàng)微電子有限公司為您介紹的LED控制器方案詳情。如果您有LED燈的電子功能開(kāi)發(fā)需求，可以放心交給我們，我們有豐富的電子產(chǎn)品定制開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，可以盡快評(píng)估開(kāi)發(fā)周期與IC價(jià)格，也可以核算PCBA報(bào)價(jià)。我們是多家國(guó)內(nèi)外芯片代理商：松翰、應(yīng)廣、杰理、安凱、全志、realtek，有MCU、語(yǔ)音IC、藍(lán)牙IC與模塊、wifi模塊。我們的開(kāi)發(fā)能力涵蓋了PCB設(shè)計(jì)、單片機(jī)開(kāi)發(fā)、藍(lán)牙技術(shù)開(kāi)發(fā)、軟件定制開(kāi)發(fā)、APP定制開(kāi)發(fā)、微信公眾號(hào)開(kāi)發(fā)等軟硬件設(shè)計(jì)。還可以承接智能電子產(chǎn)品研發(fā)、家用電器方案設(shè)計(jì)、美容儀器開(kāi)發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、智能家居方案設(shè)計(jì)、TWS耳機(jī)開(kāi)發(fā)、藍(lán)牙耳機(jī)音箱開(kāi)發(fā)、兒童玩具方案開(kāi)發(fā)、電子教育產(chǎn)品研發(fā)。
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