CN103152953A - 一种同步闪光的led产品 - Google Patents

Abstract

一种同步闪光的LED产品，尤其是在单片机的控制下能同步闪光的LED产品。工频正弦交流电经半波整流后再经一个阻值适当的电阻限流后，接在一个NPN型三极管的B极，三极管的E极接电源负极，电源负极与工频正弦交流电的另一端相连，三极管的C极经一个电阻接电源正极，在三极管的C极输出能被单片机中断脚准确识别的工频非理想方波信号，连接到单片机的中断输入脚或计数器输入脚，单片机在工频非理想方波信号的作用下按照程序控制LED的同步闪光。本发明适用于工频正弦交流电供电，不但可以通过改写程序实现任意改变LED的闪光效果，而且还可以通过同时上电实现同步闪光。

Description

一种同步闪光的LED产品

技术领域

本发明涉及一种LED产品，尤其是在单片机的控制下能同步闪光的LED产品。

背景技术

目前市场上有许多LED产品的发光是随时间发生变化的，包括LED的亮度变化和颜色变化，而且LED灯组的发光亮度和发光颜色都可能按照渐变方式或跳变方式进行变化，为了便于阐述，我们把LED灯组的所有各种发光变化总称为LED的“闪光”。为了得到各种所需的闪光效果，可以编写各种程序烧录（或者固化）在单片机里，让单片机按照程序的指令发出控制信号控制LED灯组有规则地闪光。根据控制电路与LED灯组之间的结构关系，可以把具有闪光功能的LED产品划分为内控工作模式和外控工作模式两大类型，下面分别说明。

内控模式是指控制电路与LED灯组一起内置在LED灯具里面的产品，也就是说每个灯具里都有一个独立的控制电路，所以内控的LED灯具是一个独立完整的产品，只需提供电源，即可自动闪光，安装布线非常方便；假如其中任何一个灯具坏了，不会影响到其它的灯具正常工作。内控产品的缺点是各个LED灯具之间闪光不同步，因为各个灯具里的单片机的内部时钟频率存在一定的误差，这种误差会在单片机连续工作的过程中累积，因此LED灯具之间闪光不同步的现象也会随着持续亮灯的时间而变得越来越明显，一段时间后会出现各个LED灯组闪光一片混乱的现象，这是人们所不希望看到的，这时只好把所有的LED灯具全部断电，之后再给它们同时上电。如果给每个单片机加接一个晶振稳频，可以缩小单片机之间时钟频率的误差，推迟看到LED灯组闪光不同步的现象，可是，一般在过了几个小时后，最终还是可以看到LED灯组闪光明显不同步的现象。

外控模式是将控制电路从LED灯具中分离出来，独立地作为一个专门负责送出控制信号的控制器，LED灯具里因此不再有控制电路，LED灯具统一接收来自控制器的控制信号，一个控制器可以控制许多个LED灯具闪光。因为所有的LED灯组都按照同一个单片机的控制指令进行闪光，所以各LED灯组闪光可以同步，如果把LED灯组连接成串进行控制，那么还能获得流动闪光的特殊效果，这是外控LED产品的优点。外控LED产品的缺点是：每个LED灯具不但要有供电线与电源相连接，还要有若干条信号线与控制器相连接，安装施工的布线较困难，产品后期的维护也较麻烦；如果其中一个LED灯具损坏了，可能会影响其它的LED灯具不能正常工作；距离控制器较远的LED灯具所接收到的控制信号较弱，因此需要在每一个LED灯具里增加一个信号放大集成电路，例如采用74245芯片，这使得灯具的生产成本增大；如果把一个控制器和受其控制的所有LED灯具总称为一套外控***，那么两套外控***之间也存在闪光不同步的问题。

综上所述，内控模式和外控模式的LED产品都有各自的优点和缺点，目前市场上LED产品的选用，在易于布线的场合一般选用外控模式的LED产品（例如建筑物外墙的LED景观亮化），在比较不方便实施复杂布线的场合（例如LED地埋灯、LED水底灯等）以及其它一些特殊场合，仍旧采用内控模式的LED产品。闪光不同步的问题已成为长期以来限制内控模式LED产品发展的一个技术瓶颈。

中国现有一个专利号是201120134723.2名称是“一种LED同步显示装置”的实用新型专利技术，它是包括主控制端和至少一个从控制端的一种LED同步显示装置，主控制端通过无线的方式发送同步信号给至少一个从控制端，可实现从控制端LED灯组的同步显示。其优点是无需复杂的布线，即可实现从控制端LED灯组的同步显示。其缺点是：每一个灯具里都必需要有一个无线收发模块，使产品结构复杂，生产成本太高，只适用在少数特殊场合，而难以在更广泛的范围内得到应用；又因无线收发模块之间的有效传输距离非常有限，所以从控制端与主控制端之间的距离不能太远，否则从控制端接收不到无线同步信号，就不能同步工作了，而在实际应用中常见有成千上万个灯组同时闪光的情况，有些灯组之间相距十几公里甚至更远的距离（例如在公路两侧沿线分布的LED景观灯），在这种情况下就不适合采用无线模块传送同步信号。

综上所述，若要求内控LED产品之间既不用无线模块传送同步信号，也不用导线传送同步信号，实现同步闪光的一个正确思路就是设法在供电线中提取工频同步信号，工频是指工业上用的交流电力***的标称频率值，即市电的频率，单位赫兹，通常一个国家的电网频率是固定的，例如中国的工频为50Hz。为了准确表达词义，下文中所提到的工频正弦交流电，是指频率为50Hz波形为正弦波的交流电；下文中所提到的市电，是指电压有效值为220V的工频正弦交流电；下文中所提到的工频方波信号是指频率为50Hz的方波信号。

目前市场上有一种同步闪光集成电路，其实现LED灯组同步闪光的原理是直接利用工频正弦波交流电信号作为同步信号，采用这种集成电路制造的内控LED产品，适用于工频交流供电，通过同时上电，实现同步闪光功能。附图2所示的是同步闪光集成电路HL081提取工频同步信号部分的电路原理图，HL081可在电子市场容易买到，关于它的更详细介绍可以参考HL081的器件使用手册，这里不再赘述。采用HL081的内控LED产品，不足之处是：HL081不可编程，它只有少数几种很单一的LED闪光效果可供选择，如果人们想要得到更多其它种类的LED闪光效果还得使用单片机才能实现。可是单片机却不能像HL081那样直接利用正弦波信号作为同步信号，众所周知，只有升降沿足够陡的信号，才能被单片机的中断输入脚或计数器输入脚识别，由于正弦波信号变化太缓慢，所以单片机的中断脚或计数器输入脚根本无法识别。由于能被单片机中断脚识别的信号就能被单片机的计数器输入脚识别，为了用更简洁的语句进行阐述，下文中就用“单片机中断脚”替代“单片机的中断输入脚或计数器输入脚”的说法。

显然，只要把正弦波信号整形成为单片机能够识别的方波信号，就能实现利用工频信号实现单片机的同步工作。众所周知，边沿变化缓慢的正弦波可以通过施密特触发器或比较器整形转换为方波，在目前市场上，成本较低廉、结构较简单的一种实现方式是：利用555定时器构成的施密特触发器把工频正弦波交流电整形成为工频方波，其电路原理图如附图3所示，该电路目前在利用工频信号实现准确计时的电子钟里已得到广泛应用，其电路工作原理已众所周知，这里就不再赘述。

可是这种利用施密特触发器把工频正弦波信号整形成工频方波信号的整形电路，在LED行业，目前只在外控LED产品的控制器电路里有得到应用，而在内控LED产品里却极少得到应用，原因是：在附图3可以看到，该整形电路包含1个体积较大的有八只引脚的集成电路、3个电容、2个电阻和1个二极管，如果应用在内控LED产品的控制电路板中，就需要额外增加数量较多的电子元器件，还要扩大电路板的面积，使产品成本增大；另外，由于内控LED灯具里面用于容纳控制电路板的空间一般是非常窄小的，整个控制电路板的体积明显变大后就有可能放不进去了，就算勉强能够放进去，装配产品的操作也会因此变得困难，使产品生产的人工成本增大；施密特触发器整形电路的线路连接方式比较复杂，我们在附图3中为了避免让人看到线路交叉而特意调整了555集成电路的八只引脚的分布位置，但是在实际的产品制造中，一般要使用双面电路板制造才能避免线路发生交叉，而目前内控的LED产品里的控制电路板普遍采用较便宜的单面电路板，一旦采用施密特触发器整形电路，就要改用昂贵的双面电路板进行制造，这又使得产品成本进一步增大。内控LED产品在每次实际应用的工程项目中所需的数量一般都比较大，假如每单个产品的成本都增加一点，整个工程项目所有产品的总成本就会增加非常多。

综上所述，目前还没有充分解决内控LED产品闪光不同步的技术瓶颈，例如目前市场上大部分内控模式的LED水底灯、LED地埋灯以及其它LED点光源产品里仍旧只用晶振给单片机稳频，这类内控LED产品依旧存在闪光不同步的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：以HL081为代表的同步闪光集成电路的可供选择的LED闪光效果非常有限，而且以HL081为代表的同步闪光集成电路不可编程，不能给人们提供所需要的更多的其它闪光效果，采用单片机控制的内控LED产品存在闪光不同步的问题，如果用无线模块传送同步信号的方法实现同步闪光，就会造成产品结构复杂、成本太高而且无线传送距离非常有限，如果在内控LED产品中应用施密特触发器整形电路的方法实现同步闪光，就会造成每个内控LED产品的成本明显增大。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种方案，既能确保LED同步闪光，又能保持内控LED产品结构简单、成本低廉、容易装配的特点，而且LED灯具之间没有距离限制，还可以通过改写程序的方法任意改变LED的闪光效果。

本发明所采用的技术方案是：工频正弦交流电经半波整流后再经一个阻值适当的电阻限流后，连接到一个NPN型小功率三极管的B极，三极管的E极接电源负极，电源负极与工频正弦交流电的另一端相连，三极管的C极经一个电阻接电源正极，三极管在工频正弦交流电信号的作用下反复导通和截止，在三极管的C极就可以得到能被单片机中断脚准确识别的工频非理想方波信号，连接到单片机的中断输入脚或计数器输入脚，单片机在工频非理想方波信号的作用下按照程序控制LED同步闪光。

其中的工频正弦交流电信号可以直接在市电中提取，也可以把市电经变压器升压或降压之后再提取，下面先以市电中提取工频信号为例详细说明技术方案，在后面的具体实施方式中再举一个市电经变压器降压后再提取工频信号的例子。

本发明的技术方案中的的一个关键点是把市电转换成方波信号的整形电路中要合理选取三极管基极限流电阻的阻值。下面参照附图1，且以Q1采用型号为8050的三极管为例详细说明选取R1最佳阻值的方法。

首先根据电学理论粗略估算R1的极限取值范围，估算方法如下：R1的最大极限值应在市电峰值（311伏）时恰好让Q1饱和导通，我们判断三极管处于饱和导通的标准是三极管的C、E两极间的压降小于0.1V，由于当8050三极管基极电流大于0.1毫安的时候其C、E两极间的压降小于0.1V，所以根据欧姆定律可计算出R1的最大极限值：311伏/0.1毫安＝3.11兆欧。根据电学理论，R1的阻值越小其耗电功率就越大，假设电阻R1的额定功率是六分之一瓦，那么R1的最小极限值就是当R1的平均功耗等于六分之一瓦时的阻值，计算公式（算式最后还要除以2是因为市电经过半波整流）：*220伏*220伏*6/2＝145.2千欧。因此，可以粗略估算出R1的取值应在150千欧至3兆欧之间。

这里先定义“误传信号”和“漏传信号”这两个概念：因为整形电路的功能是要把正弦波信号整形成方波信号再传送给单片机的中断脚识别，所以一个精准的整形电路，应保证每输入一个正弦波信号就输出一个方波信号，并确保单片机能够准确地识别到一个信号。假如输入1个正弦波信号之后单片机识别出0个方波信号，就说明整形电路发生漏传信号的现象；假如输入1个正弦波信号之后单片机识别出2个以上的方波信号，就说明整形电路发生误传信号的现象。如果测试一个工频整形电路连续传送1亿个以上数量的工频信号的过程中没有发生误传信号和漏传信号的现象，那么我们认为这个工频整形电路的性能是可靠的。

众所周知，市电的电网中随时可能出现各种不规则的噪音干扰信号，这类噪音信号如果被Q1放大到能被单片机中断脚识别的程度，整形电路就可能出现误传信号的现象，显然，R1的阻值越大，就越有利于削弱来自市电电网的噪音干扰信号；另一方面，R1的阻值越大，在Q1的C极得到的非理想方波的占空比就越小，波形的升降沿就越缓，就越不利于单片机中断脚识别，整形电路发生漏传信号的可能性就越大；再一方面，R1阻值越小，其功耗就越大，就越有可能出现电阻发热的电气安全问题。

综合考虑上述三个方面的情况，在150千欧至3兆欧的阻值之间，本案选用1兆欧作为R1电阻的最佳取值，理由如下：一方面，当R1的阻值为1兆欧时，可用电学公式计算出其平均功耗大约0.024瓦，这么微小的功耗不会有电阻发热的问题，所以非常安全；另一方面，当R1阻值为1兆欧时，用示波器测试三极管C极的波形，可以看到非理想方波的占空比接近二分之一，其升降沿也比较陡，实验也已证实这种波形的非理想方波可以被单片机的中断脚准确识别；再一方面，在确保整形电路输出的非理想方波能被单片机中断脚准确识别的前提下，选择阻值相对较大的1兆欧电阻，比较有利于削弱来自市电电网的噪音信号对整形电路的干扰。

接下来我们用单片机程序验证本案所述工频整形电路性能的可靠性。先按附图1连接好电路，其中用一个发光二极管DS代表内控LED产品里被单片机控制的LED灯组，U1的P1.0脚输出高电平的时候DS亮起，输出低电平的时候DS熄灭。然后编写一个程序，经编译后烧录到单片机U1，该程序的功能是：在上电后就让DS亮起，同时通过中断脚输入脚开始对方波信号的下降沿计数，在计数达到1亿零8百万个（1800*60000）的时候让DS熄灭。因为连续1亿零8百万个工频正弦波信号的总时长等于25天的时间，所以可在某天上午的北京时间8点整给电路上电，看到DS亮起，等到25天后的上午北京时间8点整，再查看DS是否准时熄灭，如果DS提前熄灭，则说明整形电路有出现误传信号现象；如果DS延迟熄灭，则说明整形电路有出现漏传信号现象；如果DS准时熄灭，则说明整形电路的性能是可靠的。下面列出所述程序的源程序部分内容（因为该程序非常简单且源程序容易让人看明白，所以这里不再赘述该程序的流程结构）：

先在函数头定义一个输出脚和声明两个全局变量：sbit led=P1^0;int k=0;n=0;

接下来是主函数：{IE=0x84; TCON=0x04;while(1){if(n<1800)led=1;else led=0;}} 

再接下来是中断函数：{if(k<59999)k++;else{k=0;n++;}}。

按照上述方法进行实验，结果可以证明，在R1选取1兆欧阻值的情况下，本发明所采用的工频正弦波整形电路的性能是可靠的。

本发明的有益效果是：本发明中的工频正弦波整形电路只用1个小功率三极管、1个二极管、1个瓷片电容和2个电阻组建，所用电子元器件数量很少，电路总体积很小，电路成本很低，线路结构很简单，所以按照本发明所述方案生产的内控LED产品跟以往的内控LED产品相比，其控制电路板的面积可以基本不变，控制电路板可以继续使用价钱便宜的单面电路板制造且能确保线路不会交叉，控制电路中可以不用再给单片机接晶振稳频，又节省了一个晶振的材料成本，因此产品总的材料成本基本不变；因为控制电路板体积基本不变，所以生产装配操作跟以往的内控LED产品一样容易；本发明所述的LED产品，可以从市电供电线路中提取工频信号来实现单片机的同步工作，只需采用市电供电，电路接线非常简单，所有的LED灯具之间没有距离限制，只要同时上电，就能实现所有的LED灯组同步闪光；本发明所述的LED产品还能够通过改变程序而随意得到各种所需的LED闪光效果。本发明解决了长期以来阻碍内控LED产品发展的技术瓶颈，有利于促使内控LED产品今后在更大的范围内得到推广应用，从而产生积极的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明的电路原理图。

图2是现有技术中的集成电路HL081提取工频信号部分电路的原理图。

图3是现有技术中的一种用555定时器构成施密特触发器的整形电路原理图。

图中的A和B两个端口与工频正弦交流电的两端相连接。

图1中，D1是整流二极管，R1是限流电阻， R2是阻值10千欧的电阻，R3是470欧的电阻， Q1是三极管，C1是规格为104的瓷片电容， U1是单片机，DS是发光二极管，这里只画出单片机的与本案相关的4只引脚，单片机的其它引脚和***电路在图中给予忽略。来自A、B端口的工频交流电经D1整流和经R1限流后驱动Q1导通或截止，在R2的上拉作用下，Q1的C极输出非理想工频方波，经C1滤去噪音信号之后，输入U1的中断输入脚INT1脚，U1的P1.0脚输出控制信号控制DS的亮灭，R3为DS提供合适的驱动电流。

图2中，D2是整流二极管，R4和R5是分压电阻，C2是瓷片电容，U2是集成电路HL081，来自A、B端口的工频交流电经D2整流和经R4、R5分压后直接送入U2的第1脚，U2的第2脚接+5V电源正极，第6脚接电源负极，第3、4、5脚分别是蓝、绿、红三种颜色的LED灯组的控制信号输出脚，第7、8脚是闪光效果选择设置脚。

图3中， D3是整流二极管，R6和R7分压电阻，C3、C4和C5是瓷片电容， U3是555集成电路，我们为了避免让人看到线路的交叉而在图中特意调整了U3的八只引脚的分布位置，U3的第2、6脚相连，作为施密特触发器输入端， U3的第3脚是施密特触发器输出端，U4是单片机，这里只画出单片机的4只引脚，单片机的其余引脚和***电路给予省略。来自A、B端口的工频交流电经D3整流和经R5、R6分压后，输入施密特触发器的输入端，在施密特触发器的输出端输出工频方波信号，经C5滤去噪音信号之后，输入U4的中断脚INT1，U4的P1.0脚是控制信号输出脚。

具体实施方式

先用变压器把市电降压成为有效值为12V的工频正弦交流电，然后经过桥式整流、滤波以及稳压之后得到5伏电压的直流电源，用来给附图1中的单片机电路和整形电路供电。把12V的工频正弦交流电的任一端接在附图1中的A端，再把B端悬空，同时去掉D1（由于前面已有一个桥式整流电路，所以这里可以把整流二极管D1去掉，并且把B端悬空），Q1选用型号为8050的小功率三极管，R1选用56千欧阻值的电阻（为了保持三极管基极电流不变，根据欧姆定律，R1的阻值应与A、B两端电压的有效值成正比，所以输入的工频交流电压12V的时候可计算出R1的最佳阻值应该是：1兆欧*12伏/220伏=54.5千欧，因为目前市场上不存在阻值为54.5千欧的标准电阻，所以选用阻值最近的56千欧），其余按附图1连接好电路。然后编写一个程序，经编译后烧录到单片机U1，程序的功能是要让DS亮起一秒时间后熄灭，经一秒时间后再亮起，又一秒时间后再熄灭，如此反复。下面列出该程序的源程序部分内容（因为该程序非常简单且源程序容易让人看明白，所以这里不再赘述该程序的流程结构）：先在函数头定义一个输出脚和声明一个全局变量：

sbit led=P1^0;int n=0;

接下来是主函数：

{ IE=0x84; TCON=0x04;while(1){n=0;while(n<50)led=1;n=0;while(n<50)led=0;} 

再接下来是中断函数：{n++;}。

最后补充说明一点：如果Q1选用除8050型号以外的其它型号的三极管，应根据所用三极管饱和导通时的最小基极电流值，按照发明内容部分所讲述的方法，重新合理选取限流电阻R1的最佳阻值。

Claims (4)

1. 一种同步闪光的LED产品，可以通过编写各种程序烧录在单片机里或者固化在单片机里，让单片机按照程序的指令发出控制信号控制LED闪光，从而得到各种所需的闪光效果，其特征是：工频正弦交流电经半波整流后再经一个阻值适当的电阻限流后，连接到一个NPN型三极管的B极，三极管的E极接电源负极，电源负极与工频正弦交流电的另一端相连，三极管的C极经一个电阻接电源正极，三极管的C极输出能被单片机的中断脚准确识别的工频非理想方波信号，连接到单片机的中断输入脚或计数器输入脚，单片机在工频非理想方波信号的作用下按照程序控制LED同步闪光。

2.根据权利要求1所述的一种同步闪光的LED产品，其特征是：在三极管的C极与电源负极之间接一个瓷片电容。

3.根据权利要求1所述的一种同步闪光的LED产品，其特征是：工频正弦交流电是市电。

4.根据权利要求3所述的一种同步闪光的LED产品，其特征是：三极管的型号选择8050，三极管基极限流电阻的阻值选取1兆欧。

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