全彩LED装饰照明系统及应用

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一、引言
近几年来，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，发光效率也超过了白炽灯，随着LED亮度的不断提高，特别是超高亮度的LED的出现，使得其应用领域得到进一步的拓宽，从传统的用作仪表信号指示，发展到广泛应用于交通信号灯、汽车灯、室内外装饰照明、手机背光源、显示屏等领域，并正向通用照明领域深入。作为半导体照明领域的一部分，城市景观照明及室内外装饰照明的霓虹灯具必将逐步被具有节能、环保、寿命长、可靠性高及可实现全彩变化的LED灯具所取代。目前，在装饰照明领域中用LED制作的各类灯具由正被逐步推广，预计在不久的将来会单独形成一种产业。
二、全彩LED装饰照明系统构架
一个大型的广场、舞台、标志性建筑物或大型室内全彩LED装饰照明系统一般是由一台微型计算机集中控制，通过微型计算机将控制信号传递给多个全彩LED装饰照明标准子系统（一个标准子系统由单片机控制/驱动模块及多只全彩LED灯具组成），通过子系统单片机的控制/驱动模块驱动各组LED灯具。通过在微型计算机上用软件进行不同的设定，就可以使整个装饰照明系统达到所预期的灯光效果或显示不同的文字或图案。大型全彩LED装饰照明系统结构示意图如下图1所示。
1、标准子系统的结构
一个标准的全彩LED装饰照明子系统的构架如图1中虚线框所示。它是由标准的控制/驱动模块与其所驱动的多只可实现全彩变化的LED灯具组成，其既可单独作为一个小型的装饰照明系统，用于小型的装饰照明场所，也可用多个标准子系统组合并通过中央控制器的控制，组成适用于不同场所、显示预期图形或文字并可实现全彩变化的大型装饰照明光源系统。全彩LED装饰照明标准子系统的结构框图如下图2所示。
由此可见，它主要由以下几部分组成：
（1）CPU控制模块
主要由CPU微处理器、与上位机的标准通信接口、与显示驱动模块的标准通信接口及环境光强检测模块组成一个标准的控制模块硬件结构，通过编制不同的软件，即可用于不同的场所。
CPU微处理器：可采用51系列单片机作微控制器，微控制器既可通过标准通信接口与上位机相连，接收并处理上位机所发送的控制信号与数据，也可利用本微控制器内所贮存的控制程序与数据，通过数据输出线向LED灯具驱动模块发送控制信号及数据。
环境光强检测模块：该模块主要将检测到的环境光强的数据传输给微控制器，微控制根据环境光强的不同，自动调节灯具的发光强度。
与上位机（微型计算机）及与显示驱动模块的接口：可采用标准的RS232、RS422AK或RS485通信接口。
（2）显示驱动模块
显示驱动模块组是由多只结构相同的标准LED全彩灯具驱动模块组成，每一个标准驱动模块驱动一只全彩LED灯具。根据子系统不同的使用场合所需LED灯具的数量来确定所需的驱动模块的数量。每一个标准驱动模块通过标准接口接收微控制器所发送的控制信号及R/G/B色彩变化信号，经处理后通过标准接口（可做成标准的四芯接口，包括三根G/G/B驱动线及一根公共电源线）驱动全彩LED灯具显示设定的状态和颜色。
（3）AC/DC电源转换模块
主要为整个控制子系统提供工作电源及为驱动多只全彩LED灯具提供工作电源。该模块可以像开关电源一样做成不同功率大小的标准模块。该模块需有较高的电源转换效率，以确保达到较好的节能效果。
（4）由R/G/B三基色LED组成的可实现全彩变化的LED灯具。
每一只全彩LED灯具通过标准接口及连接线与驱动模块相连。LED灯具由若干组发光单元构成，每个发光单元包含有一只红色LED、一绿色LED、一只蓝色LED，通过对发光单元合理进行排布，就可实现全彩变化。根据不同的使用场合，可选择不同数量及不同结构的LED灯具。2、工作原理
通过内置于微控制器中的控制程序，由微控制器向全彩LED灯具驱动模块发送控制信号和数据，驱动模块根据控制信号和数据的要求，产生相应的动作，从而对每一只由R、G、B三基色LED组成的全彩LED灯具实现单独的控制。若微控制器连续地向各LED显示驱动模块不断发送控制信号和数据，使各LED灯具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。
一个大型的城市亮化、室内外装饰照明及景观照明工程或大型广告显示系统可采用多个标准的全彩LED装饰照明子系统组合，每个标准子系统通过标准通信接口与上位机（微型计算机）连接，组合成一个大的系统，在微型计算机上利用相关软件编辑好不同的显示程序，并通过信号线传输给各子系统，就可使各子系统按规定的程序工作，从而使整个大型系统显示预定的图型、文字及色彩。
三、全彩LED装饰照明系统的应用前景
随着我国经济的持续发展和人民物质生活质量的提高，人们对于居住的城市的环境要求越来越高，“白天需要绿常色。晚上需要灯光”。尤其是城市夜晚的景观灯光，已成为一个重要的部分。城市夜晚的灯光，已从早期的简单照明正在演变为城市夜晚的景观照明。这就是说，城市灯光正在从照明向着多姿多彩的动态效果演变，灯光的亮丽与否，已成为城市夜晚一道靓丽风景线。
城市景观灯光这一时代特征，极大地刺激着照明工业，人们在不遗余力寻找高效节能，长寿命低维护，环保型无污染，多色彩的新颖光源，来取代传统的白炽灯和充气光源。这就给LED光源带来机遇，LED作为半导体固体“冷”光源，具有节能、环保、寿命长、可靠性高及易于控制等特点点，正好符合上述要求。用LED制作的各类照明灯具现已进入装饰照明领域并逐步取代现有的荧光灯及白炽灯。本系统正是利用了LED的易于控制及可实现全彩变化的特点，设想通过将照明光源、灯具及控制系统各部件形成标准化、系列化产品，并根据所使用的场合不同而方便地将各标准组件时行组合，形成所需的全彩LED装饰照明系统。该系统可广泛应用于城市亮化及景观照明系统工程、大型广告显示系统、室内外装饰照明及大型舞台的灯光系统等领域，因此具有广阔的市场前景。随着LED技术的不断进步与发展，其产品成本将变得越来越低，价格也越来越具有竞争力，LED装饰照明光源及灯具必将最终取代现有的传统装饰照明灯具，并形成一个独立的产业。
四、结论
通过以上分析我们得知，一个大型的全彩LED装饰照明系统可由若干个标准的全彩LED子系统组成，而每个子系统又可由标准CPU控制模块、标准化/系列化的全彩LED灯具驱动模块、AC/DC电源转换模块及若干各种结构/形式的全彩LED灯具组成，并且各模块或部件之间可通过标准接口相连，因此易于实现标准化并降低成本，且可用各种标准部件方便地组成适用于不同场所，显示不同文字或图形的大型全彩LED装饰照明系统，因此，具有广阔的市场前景。