全色譜彩燈顯示系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

趙榮陽 梁家海

（欽州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣西 欽州 535000）

全色譜彩燈顯示系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

趙榮陽 梁家海

（欽州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，廣西 欽州 535000）

文章以51單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一種全色譜彩燈顯示系統(tǒng)。首先利用紅、綠、藍(lán)三色燈與色彩的三原色原理，將欲顯示的顏色分解為紅、綠、藍(lán)三種顏色分量，然后建立顏色分量與PWM信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，并利用單片機(jī)的軟件編程，生成各顏色分量的PWM信號(hào)，最后將PWM信號(hào)輸出到紅綠藍(lán)三色燈，從而達(dá)到三色LED燈顯示所有顏色的目的。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有安全可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在信號(hào)的大屏幕顯示、舞臺(tái)場(chǎng)景制作等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

全色譜彩燈；三色燈；PWM信號(hào)

（一）引言

近年來，隨著LED(Light Emitting Diode)技術(shù)的發(fā)展，LED已被越來越多的應(yīng)用于顯示屏、背光源、汽車車燈、室內(nèi)裝飾、景觀照明、通用照明、交通指示燈、道路指示和信號(hào)顯示等領(lǐng)域。目前，LED顯示屏憑借其高亮度、高可靠性、低使用成本、壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),在短短的時(shí)間內(nèi)，迅速成長(zhǎng)為平板顯示的主流產(chǎn)品,并且廣泛的應(yīng)用于車站、銀行、證券、醫(yī)院、體育場(chǎng)館、市政廣場(chǎng)、演唱會(huì)、車站、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所。與此同時(shí)，伴隨紅、綠、藍(lán)色三色發(fā)光管亮度的不斷提升，色譜彩屏正以一種前所未有的速度在普及和推廣。

（二）全色譜彩燈的設(shè)計(jì)原理

日常生活中，顏色的種類五花八門、變化萬千。但是， 幾乎所有的顏色都可以通過三基色混合的方法來得到，當(dāng)不同像素比例的三基色光，同時(shí)照射在一起時(shí)，就能夠產(chǎn)生另外一種新的色光。并且，隨著不同色彩混合量的增加，混色光的明度會(huì)逐漸提高。

將紅、綠、藍(lán)三色光分別按照適當(dāng)比例混合，可以得到其他不同的色光；反之，其他顏色的光線卻無法混出紅、綠、藍(lán)這三種顏色。因此，人們通常將紅、綠、藍(lán)三種顏色稱為色光的三基色。紅、綠、藍(lán)三色加色混合的效果是由人的視覺器官來完成的，它是一種視覺的混合。加色混合法的結(jié)果是色相的改變、明度的提高、而純度并不下降。

（三）全色譜彩燈的硬件設(shè)計(jì)

1.芯片簡(jiǎn)介

AT89C51單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的8位高性能單片機(jī)，它具有比MCS-51系列單片機(jī)更強(qiáng)大的功能，同時(shí)它也完全兼容MCS-51系列單片機(jī)的引腳和指令系統(tǒng)。它的全靜態(tài)工作范圍是0Hz～24MHz，在單片機(jī)內(nèi)部有4KB支持反復(fù)擦寫的程序存儲(chǔ)器，128 *8位內(nèi)部RAM，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4個(gè)并行 I/O口 P0～P4,32位雙向輸入輸出線，有一個(gè) UART異步串行口的通信方式為全雙工，工作方式可以是間歇模式或著掉電模式。

2.三色led的發(fā)光原理

Led 是由P型和N 型半導(dǎo)體組成的固態(tài)半導(dǎo)體器件，在Led的P-N結(jié)上加正向偏壓時(shí)可以直接將電能轉(zhuǎn)化為光能。通常可以采用紫外線等單色光，激發(fā)以稀土為主要元素的熒光粉發(fā)出不同顏色的光，混合各色光產(chǎn)生白光，也可以采用將幾種發(fā)不同色光的芯片封裝在一起，構(gòu)成發(fā)白光的LED，即多芯片型。本文應(yīng)用具有4引腳共陰極三色Led，其具有極低的耗電量，較低的工作電壓和極高的可靠性。

本文以AT89C51單片機(jī)為核心，其P1口的各個(gè)引腳分別接共陰極三色Led的紅、綠、藍(lán)三色的控制引腳；如P1.0接Led的紅色控制引腳，P1.1接Led的綠色控制引腳，P1.2接Led的藍(lán)色控制引腳。單片機(jī)輸出不同脈沖寬度的PWM控制信號(hào)到三色led的三色控制引腳，使得Led依據(jù)相應(yīng)的電壓值，變化紅、綠、藍(lán)三種顏色的亮度值，從而可以通過不同亮度的紅、綠、藍(lán)三種顏色的混合達(dá)到顯示多種顏色的目的。此外，三色LED的陰極接地。全彩燈的硬件電路圖，如圖1所示。

圖1 全彩燈硬件原理框圖

（四）全色譜彩燈的軟件設(shè)計(jì)

1.數(shù)學(xué)模型

PWM脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的技術(shù)，即是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，其具有無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，就可以將控制信號(hào)從處理器輸出到被控對(duì)象的優(yōu)點(diǎn)。

通常在單色光激發(fā)熒光粉的狀態(tài)下，以窄帶寬激發(fā)紅粉和綠粉，寬帶寬激發(fā)藍(lán)粉。由于 LED的工作電壓較低，一般不會(huì)超過5V，所以紅、綠、藍(lán)三種顏色都可以通過較低的電壓激發(fā)。因此，三色 LED的亮度值可以近似看做是線性變化如圖2所示。

圖2 三色LED亮度與電壓關(guān)系數(shù)學(xué)模型圖

設(shè)Va和Vb為亮度線性區(qū)域的下限電壓與上限電壓；Vx為亮度線性區(qū)域上的任意電壓x%為亮度值的百分比；Vx為亮度線性區(qū)域上的任意電壓；Kx為PWM的占空比。亮度任意值Vx、占空比以及閥值電壓Va和Vb之間的關(guān)系如公式1所示。

2.軟件實(shí)現(xiàn)原理

本系統(tǒng)是以軟件編程來控制 AT89C51單片機(jī)輸出信號(hào)的脈沖寬度， 通過響應(yīng)中斷程序，選擇點(diǎn)亮一盞三色LED燈或者全部，調(diào)用 PWM調(diào)制程序，輸出紅、綠、藍(lán)三色的激發(fā)電壓到三色 LED，完成 LED的全彩色點(diǎn)亮，軟件流程圖如圖 3所示

圖3 軟件流程圖

（五）結(jié)果及討論

文章以 AT89C51單片機(jī)為主控核心，利用紅綠藍(lán)三色燈和色彩的三原色原理，設(shè)計(jì)一種全色譜彩燈控制系統(tǒng)。

從設(shè)計(jì)的容易實(shí)施角度出發(fā)，本系統(tǒng)的顏色變化是從預(yù)設(shè)值開始到單片機(jī)的最大輸出范圍。本系統(tǒng)還可以通過連接鍵盤等方式，輸入顏色分量的起始值，設(shè)定顏色的顯示時(shí)間。因此，本系統(tǒng)的功能還有很大的提高空間。

（六）結(jié)束語

本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的研究性，并且面向應(yīng)用，具有良好的實(shí)用性。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。適合廣泛的應(yīng)用于車站、證券、體育場(chǎng)館、演唱會(huì)、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所，為各場(chǎng)所提供照明及各種燈光效果。

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TN873

A

1008-1151(2011)04-0016-02

2011-02-04

趙榮陽（1982－）,男，黑龍江哈爾濱人，欽州學(xué)院數(shù)學(xué)與計(jì)算科學(xué)學(xué)院教師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。