CN101471013A - 一种用于产生燃料燃烧时的真实火焰效果的火焰仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种用于产生燃料燃烧时的真实火焰效果的火焰仿真系统，该仿真系统采用单片机数字控制逻辑结构，控制发光二极管点阵，产生渐变跳动的动态光源。该点阵式的动态光源，通过不同的投射角度投射到一块半透明的显示屏上，部分光在该显示屏上直接生成闪烁跳动的火焰图象，一部分光透过显示屏投射到其后的反光屏上后，经反射后再次投射到显示屏上形成另一层跳动闪烁的火焰图象。由发光二极管点阵组成的动态光源隐藏在仿真半透明燃料内部。观察者在前面看到的是仿真燃料仿真燃烧时的局部亮度和颜色的变化，和在显示屏上所产生的立体火焰图象。

Description

一种用于产生燃料燃烧时的真实火焰效果的火焰仿真系统

技术领域

本发明涉及一种用于电壁炉中的火焰模拟装置技术领域。

背景技术

众所周知，随着全球变暖，人们对环境保护越来越重视，节能和使用清洁能源，也正成为大家追求的目标之一。仿真壁炉逐渐取代真实燃料燃烧取暖的壁炉由此也正成为一种趋势。且前仿真壁炉的取暖功能和火焰仿真效果也已接近真实火焰的效果。如加拿大专利2175442，2310367美国专利7236693。但纵观这些专利和其他相关专利的公开说明书中的描述，其产生火焰图象所采用的光源，均为发光效率极低、使用寿命不长的白炽热光源，并且都有电机带动的机械转动部分，这不但浪费能源，并带来需频繁更换灯泡的麻烦，更有机械转动所产生的噪声和光利用率低，火焰不够明亮也严重影响了仿真火焰的实际效果。同时也与节能要求不相适应，所以就必须要有一彻底克服以上重大缺陷的新型火焰仿真系统。

专利号为200520118914.4的中国专利“仿真壁炉，包括一带有空腔和视窗的壳体，以及设置在所述空腔内接近所述视窗一侧的固态光源，在所述固态光源的上方固定设有一火焰模拟装置，用于产生模拟火焰；所述固态光源为发光二极管组件。它固然采用了二极管作为光源，节省能源，延长使用寿命，但是，依然采用火焰孔板，造成火焰模拟效果不自然，不逼真，而且缺乏火焰层次的立体感。

综合上述，目前的火焰模拟装置技术需要进一步改进设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有背景技术而提供一种火焰具有多层次、立体感强、模拟效果更加逼真自然、结构合理实用的用于产生燃料燃烧时的真实火焰效果的火焰仿真系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于产生燃料燃烧时的真实火焰效果的火焰仿真系统，该火焰仿真系统包括有：

至少一组由发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板，用于产生火焰图象；

一块以单片机为核心的数字逻辑电路板，驱动发光二极管发光；

一套单片机软件，控制数字逻辑电路产生至少一组序列脉冲使发光二极管点阵产生渐变光或/和闪烁光，形成仿真火焰的动态光源；

一块由半透明材料制成的显示屏，显示火焰图象；

一块带反光表面的反光屏，将透过显示屏的部分动态光再反射至显示屏，形成二次火焰，同时在反光表面也产生部分火焰图象，形成仿真火焰的背景图象。

进一步改进，所述的发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板内置在一个中空的由不均匀半透明材料组成的仿真燃料块，一方面至少遮住发光二极管所组成的点阵电路板，同时又能透过发光二极管的部分光，投射到显示屏中去，以产生燃料燃烧时的闪烁，跳动效果。达到结构紧凑，减少安装体积，便于组装的目的。

作为进一步改进，所述的发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板，其发光二极管，发光亮度时而渐变，时而闪烁，渐变时间和闪烁频率是随机变化的，仿真燃烧火焰的跳动。

有益的是，所述的发光二极管的亮度渐变时间和闪烁频率，由单片机抽取的随机数据决定，所以是离散的不重复的。这样火焰图案会更加变化多端，克服呆板的弊端。

有益的是，所述的发光二极管点阵电路板其上的发光二极管的发光亮度和闪烁频率范围通过外部按键设定，予以调节，这样便于人工控制，满足人们使用要求。

有益的是，所述的发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板，其至少有一组发光二极管，与数字逻辑电路板的各自输出电路相连，每一个发光二极管与显示屏的角度均不一样，以在显示屏的不同区域产生不同形状的火焰。

有益的是，所述的二极管其相邻的发光二极管不属于同一组，用以仿真燃烧产生火焰的图象多样性。

进一步改进，所述的数字逻辑电路板至少包括有单片机和外围驱动电路，单片机的输入为按键，用以设定发光亮度和闪烁频率范围，单片机的一个输出端口连接控制一组发光二极管的驱动电路。简化电路结构，便于制造使用。

有益的是，所述的一组发光二极管的驱动电路用三极管作为电子开关，一组内的发光二极管是串联的。便于电路设计。

进一步改进，所述的单片机软件为单片机的控制程序模块，其包括初始化和内部时钟设定处理程序，按键输入采样处理程序，变光脉冲处理程序，闪烁频率处理程序，输出控制程序等模块。

其中，所述的初始化和内部时钟设定处理程序模块定义各输入输出通道，设定内部时钟源周期，并将所有标志状态和计数单元设定为初始值。

所述的按键输入采样处理程序模块，对按键输入通道进行采样，分别作为亮度范围控制和闪动频率范围控制的数据之一。

所述的变光脉冲处理程序模块通过改变驱动发光二极管点阵的脉冲占空比，来控制发光二极管点阵的发光强度，从零到根据按键设定的占空比是步进的，实现发光二极管由暗到亮的渐变，每一组的步长和步距都是不一样的，同一组的步长和步距也是周期变化的，一步的开始和结束设置相应标志。

所述的闪烁频率处理程序模块为一分频器，对按键设定的闪动频率范围数据和随机数据进行计算作为每一组发光二极管的分频比，对同一内部时钟源进行分频，得到每一组发光二极管点阵的时钟源。

所述的输出控制程序模块将根据变光脉冲处理程序设定的标志，控制各输出通道的输出状态。

进一步改进，所述的显示屏其表面为磨砂的表面，半透明，由发光点阵板上的发光二极管投射过来的光，一部分则直接在磨砂表面产生火焰图象，一部分则穿透显示屏，投射到后面的反光板上产生图象和反光。这样能使火焰图案层次化，立体效果更强。

有益的是，所述的反光屏在显示屏的后面，表面为光滑不透光的反光表面，其一方面产生由显示屏透射过来的部分光产生二次火焰图象，另一方面又将部分光二次反射到显示屏上产生火焰图象的背景光。

非常有益的是，所述的反光屏其表面印有砖块或石块堆砌的形状图案来仿真炉膛壁，透过半透明的显示屏可隐约看到仿真炉膛壁，产生燃料在炉膛内燃烧形成火焰的效果。

作为进一步改进，所述的仿真燃料块是由半透明材料制成，形状为燃烧一半的燃料块形状，中间的空腔放置数字逻辑电路板和发光二极管点阵电路板。

有益的是，所述的仿真燃料块其为中空的壳体，壳体的厚度是不均匀的，因而各部分有不均匀的透光度，材质为半透明塑料或玻璃钢，表面不均匀绘成黑灰色，部分透过发光二极管所发出的闪烁的光，仿真燃料燃烧时的跳动状态。使仿真燃料块更加自然逼真。

进一步改进，所述的仿真燃料块其放置在显示屏的前面，与显示屏之间有一缝隙，发光二极管点阵所发出的动态光通过这一缝隙投射到显示屏和反光屏上形成动态火焰图象。这样便于电路板的安装，同时，对燃料块的发光光源与火焰成像的光源采用同一光源，简化电源结构，降低成本，同时能使燃料块的发光光源与火焰成像的光源达到自然的同步，结构更加合理实用，使结构紧凑，减少安装体积。

有益的是，所述的仿真燃料块其基色为橙红色，不规则的粗糙外表面仿真燃烧过的燃料形状。

最后，所述的发光二极管点阵电路板的垂直线与显示屏之间形成5-85度夹角，使火焰的光线斜向投射到燃料块上面的成像屏上，露出适当长度的火焰火苗，自然逼真。

与现有技术相比，本发明的优点在于：这种火焰模拟系统，充分利用发光二极管点阵，勾画和重叠出燃烧的火焰图案，充分利用数字电路的编程控制，使发光二极管的各组发光渐变时间、闪烁频率是随机的，产生火焰图案更加自然而无规律性，从而获得模拟效果也更加逼真自然，而且，结合成像显示屏、反光屏的叠合辉映，获得火焰图案的多层次效果，使火焰燃烧具有一定的立体效果，整个结构设计合理实用，无需燃料块的发光光源和图案成像的发光光源，减少了光源部件，降低了成本，也使结构更加紧凑，减少了安装体积，使机器趋于薄型化，无机械传动的躁声，宁静，容易实施制造，适合在电壁炉上推广使用。

附图说明

图1为采用本发明的优选应用实例的电壁炉的前视图；

图2为采用本发明的优选应用实例电壁炉的剖视图；

图3为本发明火焰仿真系统的发光二极管点阵电路板；

图4为本发明火焰仿真系统中的数字逻辑电路板；

图5为本发明火焰仿真系统中的反光屏；

图6为本发明火焰仿真系统中单片机软件的流程图；

图7为本发明火焰仿真系统中数字逻辑电路板和发光二极管点阵的电原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

装有本火焰仿真系统的电壁炉，一般如图1所示，在不工作时观察者正面看到的仅是装饰面框8和由电壁炉壳体7，显示屏2和仿真燃料组成燃烧炉膛，以及热风机出口9。工作时，则观察者看到显示屏上的动态火焰和正在燃烧的仿真木炭。工作时所需的电源，由电源线引入，图中未画出。

由图示2所示，本火焰仿真系统的各组成部分均装在壁炉装饰面框8和壳体7所组成的箱体内。仿真燃料块1置于由面框8和显示屏2所组成的下部。仿真燃料块为中空的壳体，壳体的厚度是不均匀的，因而各部分有不均匀的透光度，材质为半透明塑料或玻璃钢，其基色为橙红色，不规则的粗糙外表面仿真燃烧过的燃料形状，表面不均匀绘成黑灰色，数字逻辑电路板5和发光二极管点阵电路板4放在仿真燃料块1的空腔内。在仿真燃料块1的上部和显示屏2之间有一空隙缝隙10，使得由发光二极管点阵电路板上的各个发光二极管所发出的光都能直接投射到显示屏2上产生火焰图象，而且发光二极管点阵电路板的垂直线与显示屏构成5-85度夹角，本实施例子采用了5度夹角，便于投射成像，当然采用平行线这样布置，也是可以的。显示屏2的表面为磨砂的表面，半透明，投射来的光可以直接在磨砂表面产生火焰图象，另一部分则穿透过显示屏。反光屏3具有光滑不透光的反光表面，将投射来的光反射回来。反光屏3置于显示屏2的后侧。显示屏2和反光屏3由支架6固定到壁炉壳体7上。在工作时，发光二极管点阵电路板中的各发光二极管所发出的光，一部分光透过具有不均匀透光度外壳的仿真燃料块1形成各部分亮度不同的发光体，模拟燃料正在燃烧时的状态，随着发光二极管的发光强度的变化和闪烁，使得由仿真燃料块1所形状的发光体各部分的亮度也随之不规则的变化和闪烁，仿真燃料真实燃烧时的跳动状态。发光二极管点阵电路板中各发光二极管所发出的光，其主要部分则直接透过缝隙10投射到显示屏2上，在显示屏的磨砂表面产生一次火焰图象，由于显示屏2是半透明的，所以其中的一部分光会透过显示屏2投射到具有光滑表面的反光屏3上，产生二次火焰图象，同时，由于反光屏有一定的反光作用，因而又有一部分光再反射到显示屏2上，增加了显示屏2的整体亮度，并形成一模糊的三次火焰图象。观察者在显示屏2上所观察到的是一个复合火焰图象，增加了仿真火焰的层次感，并使火焰图象产生一种立体感，所以观察者在前面观察到的是由直接图象和反光屏上的图象叠加后的复合立体火焰图象。随着发光二极管点阵电路板中各发光二极管强度的变化和闪烁，使得显示屏2上所形成的复合火焰图象的各点火焰图象的亮度和形状均产生变化和闪烁。模拟出真实燃料燃烧时变化而跳动的火焰效果。

发光二极管点阵电路板4中，各发光二极管的发光强度的变化和跳动是由数字逻辑电路板5中硬件和软件相结合进行控制的。硬件上每一组发光二极管，与数字逻辑电路板的各自输出电路相连，每一个发光二极管与显示屏的角度均不一样，以在显示屏的不同区域产生不同形状的火焰。相邻的发光二极管不属于同一组，用以仿真燃烧产生火焰的图象多样性。通过软件，发光二极管点阵电路板的发光二极管，发光亮度时而渐变，时而闪烁，渐变时间和闪烁频率是随机变化的，仿真燃烧火焰的跳动。发光二极管的亮度渐变时间和闪烁频率，由单片机抽取的随机数据决定，是离散的不重复的。但是发光二极管的发光亮度和闪烁频率范围通过外部按键设定，予以调节。

暖风机11所产生的暖风，通过出风口9吹出，模拟燃料燃烧时所产生的热量，达到取暖效果。

图4所示为数字逻辑电路板5和发光二极管点阵电路板4的综合电原理图。53为电源输入，输入电源为直接市电，经变压器52降压至交流15V，经电源处理部分57处理后，一路直接作发光二极管点阵电路板4的供电电源，一路作为数字逻辑电路板5的供电电源。56为单片机电路，55为设定按键输入电路，用于通过人工设定改变火焰的燃烧速度和程度，54为由三极管和电阻网络组成的发光二极管点阵驱动电路。控制发光二极管的亮和灭。41为发光二极管点阵，发光二极管点阵分成组，每组由一路通道控制，每组由5个发光二极管组成，每组所串联的发光二极管数量由发光二极管点阵电路板的供电电压和每个发光二极管的导通电压决定。因该实施例中供电电压为15伏，每个发光二极管的导通电压为2.5伏，通过限流电阻限流，所以串联5个发光二极管。

图7所示为数字逻辑电路板5的实际电路，56是该电路的控制核心单片机电路。55是作为设定输入的两个按键的按键电路，可对火焰图象的亮度范围和变化快慢范围及闪烁频率范围根据各人的喜好进行实时设定、调整。57为低压电源部分的电源处理部分，对由市电输入端子53输入的高压电源经变压器52降压后经整流、滤波后给单片机电路56和发光二极管点阵板驱动电路54分别供电。驱动电路54由三极晶体管和电阻网路构成，通过输出端子51给发光二极管点阵电路板中各发光二极管提供定时变化的所需脉冲电流。

图3是发光二极管点阵电路4，发光二极管41以不同角度朝向显示屏2，全部发光二极管点阵中的发光二极管所发出的投射光在显示屏2上形成一不均匀的火焰图象区域。通过各发光二极管发光亮度的不规则变化，在显示屏2上形成跳动变化的实际火焰效果。

图6所示为单片机软件的流程图。单片机软件为单片机的控制程序，其包括初始化和内部时钟设定处理程序，按键输入采样处理程序，变光脉冲处理程序，闪烁频率处理程序，输出控制程序等模块。其中，初始化和内部时钟设定处理程序定义各输入输出通道，设定内部时钟源周期，并将所有标志状态和计数单元设定为初始值。按键输入采样处理程序，对按键输入通道进行采样，分别作为亮度范围控制和闪动频率范围控制的数据之一。变光脉冲处理程序通过改变驱动发光二极管点阵的脉冲占空比，来控制发光二极管点阵的发光强度，从零到根据按键设定的占空比是步进的，实现发光二极管由暗到亮的渐变，每一组的步长和步距都是不一样的，同一组的步长和步距也是周期变化的，一步的开始和结束设置相应标志。闪烁频率处理程序为一分频器，对按键设定的闪动频率范围数据和随机数据进行计算作为每一组发光二极管的分频比，对同一内部时钟源进行分频，得到每一组发光二极管点阵的时钟源。输出控制程序将根据变光脉冲处理程序设顶的标志，控制各输出通道的输出状态。接通电源后，单片机既开始工作，首先对单片机的各工作单元经行初始化，定义输入输出通道，并议定初始状态标志，同时设定单片机内部时钟周期，作为所有定时输入输出的时钟源。接着，根据初始设定的标志，进行通道输出控制，断开或合上，驱动电路上的电子开关给发光二极管提供所需电流。再接着扫描按键输入通道，看有否有按键输入，如有，则识别是哪一按键，对相应按键进行循环记数并记录。作为定时时钟分频器和亮度控制信号的计数数据。再接着，根据按键设定的数据和随机数据计算出各通道的分频比，对实时时钟进行计时。根据计时结果确定本通道的一次循环是否结束。如果本次循环已经结束，则重新设定下一循环并开启本通道的开标志，返回到输出通道控制程序对通道进行控制后继续执行。若本次循环尚未结束，则查询本次循环内的步循环是否结束。若步循环已经结束，则设定下步开始，和开本通道标志后返回输出控制程序继续执行。若步循环尚未结束，则查询本步有否结束，如果本步尚未结束，则直接返回执行，若本步已经结束，则设定步结束标志和关闭通道标志后返回。如此循环，使得单片机的每个输出通道连续输出定时变化的电压脉冲群，经发光二极管点阵驱动电路变换成连续输出的实时变化的电流脉冲群，使发光二极管亮度变化并闪烁，在显示屏上形成动态火焰图象。

图5所示反光屏3的一种实样，在反光屏3的表面印刷有砖块图样31，也可以印刷成石块等其他形状，透过半透明的显示屏，隐约可见此图案的炉膛壁形成燃料在炉膛壁前燃烧产生火焰的更为逼真的效果。

Claims (23)

1、一种用于产生燃料燃烧时的真实火焰效果的火焰仿真系统，该火焰仿真系统包括有：

至少一组由发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板，用于产生火焰图象；

一块以单片机为核心的数字逻辑电路板，驱动发光二极管发光；

一套单片机软件，控制数字逻辑电路产生至少一组序列脉冲使发光二极管点阵产生渐变光或/和闪烁光，形成仿真火焰的动态光源；

一块由半透明材料制成的显示屏，显示火焰图象；

一块带反光表面的反光屏，将透过显示屏的部分动态光再反射至显示屏，形成二次火焰，同时在反光表面也产生部分火焰图象，形成仿真火焰的背景图象。

2、根据权利要求1所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板内置在一个中空的由不均匀半透明材料组成的仿真燃料块，一方面至少遮住发光二极管所组成的点阵电路板，同时又能透过发光二极管的部分光，投射到显示屏中去，以产生燃料燃烧时的闪烁，跳动效果。

3、根据权利要求2所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板，其发光二极管，发光亮度时而渐变，时而闪烁，渐变时间和闪烁频率是随机变化的，仿真燃烧火焰的跳动。

4、根据权利要求3所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的发光二极管的亮度渐变时间和闪烁频率，由单片机抽取的随机数据决定，所以是离散的不重复的。

5、根据权利要求4所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的发光二极管点阵电路板其上的发光二极管的发光亮度和闪烁频率范围通过外部按键设定，予以调节。

6、根据权利要求2所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的发光二极管所组成的发光二极管点阵电路板，其至少有一组发光二极管，与数字逻辑电路板的各自输出电路相连，每一个发光二极管与显示屏的角度均不一样，以在显示屏的不同区域产生不同形状的火焰。

7、根据权利要求6所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的发光二极管其相邻的发光二极管不属于同一组，用以仿真燃烧产生火焰的图象多样性。

8、根据权利要求2所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的数字逻辑电路板至少包括有单片机和外围驱动电路，单片机的输入为按键，用以设定发光亮度和闪烁频率范围，单片机的一个输出端口连接控制一组发光二极管的驱动电路。

9、根据权利要求8所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的一组发光二极管的驱动电路用三极管作为电子开关，一组内的发光二极管是串联的。

10、根据权利要求2所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的单片机软件为单片机的控制程序，其包括初始化和内部时钟设定处理程序，按键输入采样处理程序，变光脉冲处理程序，闪烁频率处理程序，输出控制程序模块。

11、根据权利要求10所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的初始化和内部时钟设定处理程序模块定义各输入输出通道，设定内部时钟源周期，并将所有标志状态和计数单元设定为初始值。

12、根据权利要求10所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的按键输入采样处理程序模块，对按键输入通道进行采样，分别作为亮度范围控制和闪动频率范围控制的数据之一。

13、根据权利要求10所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的变光脉冲处理程序模块通过改变驱动发光二极管点阵的脉冲占空比，来控制发光二极管点阵的发光强度，从零到根据按键设定的占空比是步进的，实现发光二极管由暗到亮的渐变，每一组的步长和步距都是不一样的，同一组的步长和步距也是周期变化的，一步的开始和结束设置相应标志。

14、根据权利要求10所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的闪烁频率处理程序模块为一分频器，对按键设定的闪动频率范围数据和随机数据进行计算作为每一组发光二极管的分频比，对同一内部时钟源进行分频，得到每一组发光二极管点阵的时钟源。

15、根据权利要求10所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的输出控制程序模块将根据变光脉冲处理程序设定的标志，控制各输出通道的输出状态。

16、根据权利要求2所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的显示屏其表面为磨砂的表面，半透明，由发光点阵板上的发光二极管投射过来的光，一部分则直接在磨砂表面产生火焰图象，一部分则穿透显示屏，投射到后面的反光板上产生图象和反光。

17、根据权利要求2所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的反光屏在显示屏的后面，表面为光滑不透光的反光表面，其一方面产生由显示屏透射过来的部分光产生二次火焰图象，另一方面又将部分光二次反射到显示屏上产生火焰图象的背景光。

18、根据权利要求17所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的反光屏其表面印有砖块或石块堆砌的形状图案来仿真炉膛壁，透过半透明的显示屏可隐约看到仿真炉膛壁，产生燃料在炉膛内燃烧形成火焰的效果。

19、根据权利要求2所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的仿真燃料块是由半透明材料制成，形状为燃烧一半的燃料块形状，中间的空腔放置数字逻辑电路板和发光二极管点阵电路板。

20、根据权利要求19所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的仿真燃料块其为中空的壳体，壳体的厚度是不均匀的，因而各部分有不均匀的透光度，材质为半诱明塑料或玻璃钢，表面不均匀绘成黑灰色，部分透过发光二极管所发出的闪烁的光，仿真燃料燃烧时的跳动状态。

21、根据权利要求20所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的仿真燃料块其放置在显示屏的前面，与显示屏之间有一缝隙，发光二极管点阵所发出的动态光通过这一间隙投射到显示屏和反光屏上形成动态火焰图象。

22、根据权利要求21所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的仿真燃料块其基色为橙红色，不规则的粗糙外表面仿真燃烧过的燃料形状。

23、根据权利要求1至22所述任意一项权利要求所述的火焰仿真系统，其特征在于所述的发光二极管点阵电路板的垂直线与显示屏之间形成5-85度夹角。

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