CN104315453A - 高逼真火焰灯及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高逼真火焰灯及其实现方法。主要解决现有的火焰灯产生的火焰效果差且成本高的问题。高逼真火焰灯包括由多个LED灯珠组成的并均匀设于PCB板上的调光回路点阵阵列，所述点阵阵列的每列为由多颗LED灯珠相互串联组成的一个控制组，还包括控制每个控制组工作的中央控制模块；高逼真火焰灯由数帧静态火焰形态的画面通过快速扫描来产生动态火焰效果。本发明与现有技术相比，不仅仿真的动态火焰真实，成本低廉，并且在此基础上还可根据实际需要调整控制组组数和控制组的LED灯珠颗数，实现不同大小的仿真效果。

Description

高逼真火焰灯及其实现方法

技术领域

 本发明涉及结合电子学、美学、光学、软件及高速自动控制的高逼真火焰灯及其实现方法，属于LED照明装饰领域。

背景技术

火焰灯作为一种高逼真的火焰发光装置，因其没有实际可燃物产生的化学成分对人体产生危害和产生火灾危害，被广泛用于大型的宴会、街道、时尚家居等场所，因其设计巧妙，栩栩如生，“火焰”的跳动跟真的火一样，所以在诸多的场所作为装饰并受到大众的青睐，通过市场调查，目前市场上通用的火焰灯分为两种，一种为由灯座体、布带、照明灯、及风扇组成的火焰灯，由一个照明灯产生光源，光源上采用布带飘动的方式仿真火焰，这种火焰灯一般照明不能调光，所以产生的火焰效果不真实，光氛围效果差，并且因其构造复杂，必将使成本居高不下；另外还有一种是比较常见的不能动态显示的LED火焰灯，此种火焰灯所产生的火焰效果极差。

发明内容

本发明的目的在于提供高逼真火焰灯及其实现方法，主要解决现有的火焰灯产生的火焰效果差且成本高的问题。通过本发明可实现高逼真的各种燃烧体形态的火焰光，方便用于多种场合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

高逼真火焰灯，包括由多个LED灯珠组成的并均匀设于PCB板上的调光回路点阵阵列，所述点阵阵列的每列为由多颗LED灯珠相互串联组成的一个控制组，还包括控制每个控制组工作的中央控制模块。

具体地，所述中央控制模块包括中央控制器MCU，与MCU连接的用于控制每个控制组的LED灯珠电流的恒流驱动芯片，与MCU连接的译码器，与译码器连接的用于控制每个控制组电压通断的开关电路控制组。

为了使本发明能达到立体动态的仿真效果，所述每颗LED灯珠均匀排列在PCB板上并与PCB板呈45度。 

更进一步地，所述MCU采用Cortex-M3 STM32F103RE，恒流驱动芯片采用TLC5941，译码器采用74HC138。

再进一步地，所述控制组为16个，每个控制组由16颗LED灯珠相互串联组成，且PCB板采用4层设计，LED灯珠组成的火焰窗口分别排列于PCB板的正反两面且正反两面呈对称设置，所述属于同一控制组的LED灯珠相互串联由TLC5941的一输出引脚控制，设于PCB板正反两面并且处于同一位置的两个控制组相互并联由一组开关电路控制组控制。

另外，所述LED灯珠采用2700K色温，且每个LED灯珠均具有4096个亮度等级。

高逼真火焰灯的实现方法，由数帧静态火焰形态的画面通过快速扫描来产生动态火焰效果，其具体步骤为：

（a）每一帧静态火焰根据火焰外观形态设计出来并取模；

（b）每一帧静态火焰由多个控制组构成的LED点阵屏上进行显示；

（c）下一帧静态火焰在前一帧的静态火焰的基础上做微小变动，实现动态火焰的效果。

具体地，所述步骤（b）中，显示的每一帧静态火焰是由多个控制组的LED灯珠被循环点亮实现的，其具体步骤为：

（i1）恒流驱动芯片每次控制一个控制组的LED灯珠发光；

（i2）在限定的时间内，恒流驱动芯片控制下一个控制组的LED灯珠发光，同时控制上一个控制组的LED灯珠灭，实现在每一个控制组的LED灯珠被循环点亮，即实现一帧静态火焰画面；

所述恒流芯片每次还对一个控制组里的每一个LED灯珠进行亮度调节。

进一步地，所述火焰外观取模参考真实火焰的物理燃烧形态，将火焰由内到外，由上到下分为多亮度等级，从火焰飘动和火焰亮度分布两个方面来考虑每一帧静态火焰的取模。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明提供一种真正从光型和光强去仿真燃烧性质火焰，达到温馨浪漫效果，同时避免实际可燃物产生的化学成份对人体产生的危害和火灾的危险，安全、环保、极具科技感。

（2）本发明高仿动态火焰光，照明的火焰光可方便用于室内室外等场合，不受使用场所的限制。

（3）本发明与现有技术相比，不仅仿真的动态火焰真实，并且成本低廉，并且在此基础上还可根据实际需要调整控制组组数和控制组的LED灯珠颗数，实现不同大小的仿真效果。

附图说明

图1为本发明中央控制模块的系统框图。

图2为本发明恒流驱动芯片的驱动时序图一（输入）。

图3为本发明恒流驱动芯片的驱动时序图二（输出）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，高逼真火焰灯，包括由多个LED灯珠组成的调光回路点阵阵列，所述点阵阵列的每列为由16颗LED灯珠组成的一个控制组，因此在本发明中，灯珠的总数=N*16，N为可自由增减的LED阳极控制组。所有的控制组由中央控制模块控制。

在本实施例中，N为16，LED灯珠的总数为256颗，每颗LED灯珠排列在PCB板上并与PCB板呈45度，PCB板采用4层设计，256颗LED灯珠分为两组，两组LED灯珠组成的火焰窗口分别排列于PCB板的正反两面（即PCB板的顶部）且正反两面呈对称设置。LED灯珠采用2700K色温，且每个LED灯珠均具有4096个亮度等级。

在本发明中，中央控制模块包括中央控制器MCU，与MCU连接的用于控制每个控制组的LED灯珠电流的恒流驱动芯片，与MCU连接的译码器，与译码器连接的用于控制每个控制组电压通断的开关电路控制组，在本实施例中，由于有分为两组的256颗LED灯珠，并且这两组LED灯珠排列于PCB板的正反两面，所以，安装于PCB板正反两面的并且处于同一位置的两个控制组可由一组开关电路控制组控制，这样可起到节约成本，并且在PCB板的正反两面都能得到高逼真的火焰光。因此，本实施例，共有8组开关电路控制组、1块恒流驱动芯片，在本实施例中，MCU选用Cortex-M3 STM32F103RE，恒流驱动芯片采用TLC5941。

在本发明中，每个LED灯珠即为一个显示单元，属于同一控制组的LED灯珠相互串联由恒流驱动芯片的一输出引脚控制，设于PCB板正反两面的并且处于同一位置的两个控制组相互并联由一组开关电路控制组控制，恒流驱动芯片每个输出引脚均产生16路电流控制1个控制组里的16颗LED灯珠，由此组成行驱动电路，开关电路控制组控制每个控制组的电压通断，由此组成列驱动的电路，列驱动电路以固定的频率依次使位于各位于PCB正反两面的8列LED灯珠显示，列驱动电路与行驱动电路以同样的频率切换，改变16路显示单元的亮度值。

本发明的实现的功能包括：

1、Cortex-M3 STM32F103RE与TLC5941结合，Cortex-M3 STM32F103RE通过串行接口向TLC5941提供点校正和64级电流控制，每路最大电流可达80mA。

2、Cortex-M3 STM32F103RE与74HC138译码器结合，从而实现3路转8路开关控制。

3、74HC138与8个开关电路控制组结合，去控制16组LED。

本发明的实现方法如下：

火焰分为三层，外焰，内焰，焰心，对于光的外观型态的特点是外焰弱，内焰最亮，根据这个特点，本发明的软件实现过程为：它是由几百帧静态火焰形态的画面通过快速扫描来产生的动态火焰效果。每一帧静态火焰实现方式是先将火焰外观形态设计出来并取模，一帧静态火焰是在由8组LED灯珠（每组16颗）构成的LED点阵屏上显示的，TCL5941每次控制一组灯珠发光，通过快速扫描，在极短的时间内，8组灯珠被循环点亮，即实现一帧静态画面。下一帧画面是在前一帧的基础之上仅做微小变动，这样前后帧紧密联系，就实现了动态火焰的效果。

其中：火焰外观形态取模是参考真实火焰的物理燃烧形态，将火焰由内到外，由上到下分为多亮度等级，从火焰飘动和火焰亮度分布两个方面来考虑每一帧的取模。从而让火焰光更细腻更逼真。

一帧静态火焰是由8组（每组16颗）构成的 LED点阵屏显示，TCL5941每次对一组中的每一个LED灯珠实现亮度调节，其驱动时序如图2所示。通过MCU的定时器实现对每一组LED灯珠的点亮持续时间（3ms）的定时。当一组LED灯珠的定时时间到了之后，74HC138译码器就会选择下一组LED灯珠作为点亮对象，如此在极短的时间内按顺序循环点亮每一组LED灯珠 。由于人眼存在视觉停留，所以我们看不到8组LED灯珠在循环点亮，看到的而是8组LED灯珠同时点亮。

动态火焰效果就是将多帧静态火焰连续放映，由于实际的物理燃烧是线性的，所以我们在火焰外观形态取模时前后帧画面跨度极小。对于每一帧画面的点亮持续时间（30ms），同样是采用MCU的定时器来定时。

如图2和图3所示，TCL5941的驱动时序说明：每到一个SCLK的上升沿，则从SIN管脚琐存一个数据到输入串行移位寄存器，当所有数据都输入完了，XLAT的高电平把所有输进来的数据导入到内部寄存器中。串行输入的数据是96位还是192位是由MODE来控制的，当MODE=1时，则是进入DC模式，即需要输入6*16=96个bits，当MODE=0时，则是进入GS模式，即需要输入12*16=192个bits。图2-串行数据输入时序图灰度级PWM循环开始于BLANK的下降沿。当计数器计到4097时，则产生一个中断信号，使BLANK信号产生一个脉冲信号。其中DC的值控制恒流源恒流的值，即图2中16个LED out通道的高电平的值（电流大小），DC为6位的，所以I(out)={I(max)*DCn}/63，DCn为0~63，n=0 to 15；而GS控制输出恒流时间的占空比，即在4096个时钟中，输出恒流的时间占GS数据个时钟，就可把亮度分为4096个灰度级。用公式Brightness in %=（GSn/4095）*100，其中GSn为0~4095，n表示16个通道，取值为0~15。SCLK和GSCLK的最大频率为30MHz，SCLK上升沿采样。在GS模式下，当XLAT为高电平，则数据从输入移位寄存器琐存到GS寄存器中，在DC模式下，当XLAT为高电平，则数据从输入移位寄存器琐存到DC寄存器中。当XLAT为低电平，则在GS或者DC寄存器中的数据保持不变。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.高逼真火焰灯，其特征在于，包括由多个LED灯珠组成的并均匀设于PCB板上的调光回路点阵阵列，所述点阵阵列的每列为由多颗LED灯珠相互串联组成的一个控制组，还包括控制每个控制组工作的中央控制模块。

2.根据权利要求1所述的高逼真火焰灯，其特征在于，所述中央控制模块包括中央控制器MCU，与MCU连接的用于控制每个控制组的LED灯珠电流的恒流驱动芯片，与MCU连接的译码器，与译码器连接的用于控制每个控制组电压通断的开关电路控制组。

3.根据权利要求2所述的高逼真火焰灯，其特征在于，所述每颗LED灯珠均匀排列在PCB板上并与PCB板呈45度。

4.根据权利要求3所述的高逼真火焰灯，其特征在于，所述MCU采用Cortex-M3 STM32F103RE，恒流驱动芯片采用TLC5941，译码器采用74HC138。

5.根据权利要求4所述的高逼真火焰灯，其特征在于，所述控制组为16个，每个控制组由16颗LED灯珠相互串联组成，且PCB板采用4层设计，LED灯珠组成的火焰窗口分别排列于PCB板的正反两面且正反两面呈对称设置，所述属于同一控制组的LED灯珠相互串联由TLC5941的一输出引脚控制，设于PCB板正反两面并且处于同一位置的两个控制组相互并联由一组开关电路控制组控制。

6.根据权利要求5所述的高逼真火焰灯，其特征在于，所述LED灯珠采用2700K色温，且每个LED灯珠均具有4096个亮度等级。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的高逼真火焰灯的实现方法，其特征在于，由数帧静态火焰形态的画面通过快速扫描来产生动态火焰效果，其具体步骤为：

（a）每一帧静态火焰根据火焰外观形态设计出来并取模；

（b）每一帧静态火焰由多个控制组构成的LED点阵屏上进行显示；

（c）下一帧静态火焰在前一帧的静态火焰的基础上做微小变动，实现动态火焰的效果。

8.根据权利要求7所述的高逼真火焰灯的实现方法，其特征在于，所述步骤（b）中，显示的每一帧静态火焰是由多个控制组的LED灯珠被循环点亮实现的，其具体步骤为：

（i1）恒流驱动芯片每次控制一个控制组的LED灯珠发光；

（i2）在限定的时间内，恒流驱动芯片控制下一个控制组的LED灯珠发光，同时控制上一个控制组的LED灯珠灭，实现在每一个控制组的LED灯珠被循环点亮，即实现一帧静态火焰画面；

所述恒流芯片每次还对一个控制组里的每一个LED灯珠进行亮度调节。

9.根据权利要求8所述的高逼真火焰灯的实现方法，其特征在于，所述火焰外观取模参考真实火焰的物理燃烧形态，将火焰由内到外，由上到下分为多亮度等级，从火焰飘动和火焰亮度分布两个方面来考虑每一帧静态火焰的取模。