CN1816241A

CN1816241A - 串行总线连接的群组式led景观灯控制系统

Info

Publication number: CN1816241A
Application number: CN 200510122248
Authority: CN
Inventors: 张德民
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: CN100559909C

Abstract

一种串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统。本发明景观灯控制系统包括主控制器01、数据转换器02、驱动器03和LED光源板04、外部电源08、外部通信09等部分组成。主控制器01内部由微控制器11、通信接口12、复位电路13、串行总线接口14、电子盘15、电源接口16组成。本发明选用高亮度、高效率发光二极管作为光源，可节约电能；可延长灯具的使用寿命。依据三基色原理，将若干只红色LED、绿色LED、蓝色LED混合在一起，作为一个点光源，再在点光源的外部套上一个具有混光效果的乳白色灯罩。通过控制红、绿、蓝LED管的通断，即可实现红、绿、蓝三种颜色的叠加效果，这样可以混合出七色光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)，和白光。

Description

串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统

【技术领域】：本发明属于城市夜景灯光控制技术领域，特别是彩色LED景观灯的控制。

【背景技术】：目前在许多城市的广场、游乐场、街道、立交桥等场所，为增添城市夜晚美好的景色，安装和使用了大量的景观灯照明设施。这些景观灯基本上采用高亮度大功率灯芯作为光源，如节能灯、日光灯、白炽灯、氖灯等等。因为这些光源发出的光都是单一颜色的，为实现彩色景观灯的效果，需要在光源的外面安装不同颜色的灯罩做成不同颜色的彩灯，再将这些彩灯组装成事先设计好的图案，如树形、柱形、条形、环形、护栏形等等。

目前的城市景观灯设计方法明显存在如下缺陷：

1电能耗费大，在能源日益紧张的形势下，不符合经济的和社会的需要。

2灯芯寿命短，更换灯芯的工作受到安装场地、环境的限制，难度非常大。

3图案和颜色固定，长期使用，给市民或游客带来乏味。

除上述设计缺陷外，目前城市景观灯的控制方法也存在许多缺陷：

1控制方式单一，基本上是手动开关控制。

2同一组景观灯由一个开关控制，不能实现单只灯的控制。

3每只灯只能发出一种固定颜色，不能实现灯几种颜色之间的随时变换。

【发明内容】：本发明目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统。

本发明提供的串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统，包括：

——主控制器01：同时连接Y条串行总线07，这些串行总线编号为1号、2号…Y号串行总线；

每条串行总线07同时连接X个数据转换器02，这些数据转换器首尾相互连接，其编号为L_i1、L_i2…L_iX，字母X表示第X号数据转换器，L_iX表示第i号串行总线上的第X号数据转换器，其中字母i表示从第1号到第Y号串行总线；使本控制系统能够连接的光源总数目为Y*X盏，其中Y、X表示大于1的整数；

——数据转换器02：与驱动器03之间的连接关系05表示数据转换器02输出的颜色信号，包括红色信号RED、绿色信号GREEN、蓝色信号BLUE；

——驱动器03：与LED光源板04之间的连接关系06表示驱动器输出的LED管驱动电压，包括红色发光管电压RED_LED、绿色发光管电压GREEN_LED、蓝色发光管电压BLUE_LED和电源V2；

——LED光源板04：被控光源；

——外部电源08：与主控制器01连接，向本控制系统输入工作电源。

主控制器11同时还可以通过数据线连接外部通信09。

其中主控制器组成包括：

——微控制器11：一块8位或16位单片机，它内部含有数据存储器和程序存储器；

——复位电路13：与微控制器11之间通过控制线18连接，控制线18包括看门狗选通信号线XCS、时钟信号XSCK、串行数据输入信号XSI、串行数据输出信号XSO和复位信号线RST；

——串行总线接口14：内部与微控制器11之间通过数据线19连接，数据线19包括串行数据线、串行时钟线、数据锁存线；外部连接Y条串行总线07；

——电子盘15：与微控制器11之间通过数据总线20连接，数据总线20包括电子盘时钟信号CSCK和数据信号CSDA；

——电源接口16：内部与微控制器11之间通过电源线21连接，电源线21包括电源正线VCC和电源负线GND，外部与外部电源08之间连接；

主控制器11内部同时还包括通信接口12，该通信接口与微控制器11之间通过数据线17连接，数据线17包括接收信号线和发送信号线；通信接口12与外部通信09连接，外部计算机通过通信接口12将图案信息传输到主控制器中。

本发明的优点和积极效果：1、本发明选用高亮度、高效率发光二极管(即LED)作为光源，可节约电能。2、可延长灯具的使用寿命。3、依据三基色(红、绿、蓝)原理，将若干只红色LED、绿色LED、蓝色LED混合在一起，作为一个点光源，再在点光源的外部套上一个具有混光效果的乳白色灯罩。通过控制红、绿、蓝LED管的通断，即可实现红、绿、蓝三种颜色的叠加效果，这样可以混合出七色光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)，和白光。4、通过数字量信号分别控制光源中的红、绿、蓝LED管的通断，即可实现单个光源颜色的随时变换。5、将上述光源组合在一起，形成一组基本图案，如树形、柱形、条形、环形、护栏形，那么这些图案的颜色将会是可以控制的，即达到动态效果，如滚动、跑马灯等。6、采用单片机作为核心控制器，辅助以其它集成电路，构成景观灯智能控制器，存储事先设计好的彩色图案，可以完成对光源颜色的动态控制。7、采用“串行”与“星形”组合形式作为景观灯控制的基本方式。其中，“串行”是指连接每个光源驱动器的串行总线，它是一条全数字高速串行总线，理论上，这条总线上连接的光源驱动器数量有无限多个。另外，“星形”是指多只光源的驱动器(如树形景观灯中的某层光源)集中在一起构成一块光源驱动板，再以星形方式“一对一”连接光源。8、本发明所设计的串行总线由三个信号线构成，分别是串行数据、串行时钟、数据锁存。9、本发明所设计的景观灯智能控制器可以完成一组LED景观灯的控制。同时，本控制器带有RS488通信接口，多台控制器可以组成分布式景观灯控制网络，计算机可以作为一个节点连接景观灯网络，通过计算机程序可以动态修改景观灯的图案颜色或样式。这种方案非常适用于大型广场或游乐场的灯光夜景控制。10、本发明的景观灯智能控制器连接的驱动器输出数字量信号，不仅可以用于LED光源的驱动控制，而且稍加改动就可以实现其它开关式光源的驱动控制。

【附图说明】：

图1是控制系统总体框图；

图2是主控制器内部框图；

图3是主控制器原理图；

图4是串行总线与数据转换器驱动器原理图；

图5是光源板原理图。

【具体实施方式】：

实施例1、

本发明景观灯控制系统(参见图1)：

包括主控制器01、数据转换器02、驱动器03和LED光源板04、外部电源08、外部通信09等部分组成。

为达到同时控制多组LED光源的目的，同时保证数据传输的可靠性，主控制器01同时连接多条串行总线07，这些串行总线编号为1号、2号。。。Y号串行总线。

每条串行总线07同时连接多个数据转换器02，这些数据转换器首尾相互连接，其编号为LY1、LY2。。。LYX，其中字母Y表示第Y号串行总线，字母X表示第X号数据转换器，组合后LYX表示第Y号串行总线上的第X号数据转换器。本控制系统能够连接的光源总数目是Y*X盏。其中Y、X为大于1的整数。串行总线与LED光源之间的对应关系如下表，即光源排列矩阵表：

光源排列矩阵表		光源号
		光源号				1	2	。。。	X
		总线号	1号总线	L11	L12	1	2	。。。	X	。。。	L1X
2号总线	L21		1号总线	L11	L12	L22	。。。	L2X		。。。	L1X
2号总线	L21		。。。	。。。	。。。	L22	。。。	L2X	。。。	。。。
Y号总线	LY1		。。。	。。。	。。。	LY2	。。。	LYX	。。。	。。。

每个光源的颜色信息在电子盘中占一个字节空间，如上表所示的彩灯系统占用X*Y个字节空间。实际中，每个光源的颜色信息由3位控制，只占用了一个字节中的3位。

主控制器组成(参见图2)：

主控制器01内部由微控制器11、通信接口12、复位电路13、串行总线接口14、电子盘15、电源接口16组成。

主控制器功能：

(1)控制器接收外部通信09发送来的彩灯图案信息，存储在电子盘15中。

(2)产生串行时钟信号SCK，作为串行总线上数据转换器02的同步和移位信号。

(3)读取电子盘15中的图案信息，转换成串行数据，输出到串行数据线SDA上。

主控制器原理图设计(图3)：

按照主控制器01结构图的要求，本发明设计了主控制器原理图，具体设计如下：

微控制器11的标号为U1，选用单片机8751。

通信接口12的标号为U4，选用全双工收发器MAX488，U4与U1之间通过信号线RXD和TXD连接，同时U4经过接口J2连接外部计算机。

复位电路13的标号为U3，选用看门狗复位监控电路X25045，U3与U1之间通过信号线XCS、XSI、XSO、XSCK连接。

电子盘15的标号为U2，选用串行EEPROM存储器AT24C256，U2与U1之间通过CSDA、CSCK连接。

电源接口16的标号为U1，由外部输入工作电源VCC、GND。

串行总线接口14的标号为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16，共计16条串行总线输出接口。

这16串行总线均含有相同的串行时钟信号SCK、数据锁存信号LD。

这16串行总线均含有串行数据信号SDA，但是，不同的串行总线SDA标号不同，具体对应关系为：S1串行总线对应SDA1，S2串行总线对应SDA2，依次类推，S16串行总线对应SDA16，。

单片机U1的P0端口的8条数据线经过U5驱动器74LS45分别连接串行总线S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8的SDA；

单片机U1的P2端口的8条数据线经过U6驱动器74LS45分别连接串行总线S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16的SDA；

单片机U1的P1端口的P17数据线经过U7驱动器74LS245连接16条串行总线的时钟线SCK；

单片机U1的P1端口的P16数据线经过U7驱动器74LS245连接16条串行总线的数据锁存线LD；

串行总线与数据转换器原理图设计(参见图4)：

本发明为解决多个LED光源驱动器的连接问题，专门设计了一种串行总线。这种串行总线包括3个信号：串行数据信号SDA、串行时钟信号SCK、数据锁存信号LD。具体定义为：

串行数据信号SDA：由主控制器发出，以1或0表示，代表LED发光管的亮或暗。

串行时钟信号SCK：由主控制器发出，一定周期T的方波信号，作为串行总线上的同步信号和数据移位信号。

数据锁存信号LD：由主控制器发出，是一个数字量信号，逻辑1代表数据锁存，逻辑0代表移位。

串行总线上能够连接N个数据转换器02，同一条串行总线上的数据转换器首尾相互连接，同时每个数据转换器连接一个光源驱动器03。

数据转换器02输入端与串行总线SBUS-IN连接，它的作用是接收串行时钟信号SCK，通过移位寄存器CD4094，将串行数据SDA转换为并行数据D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8，存储在CD4094内部缓冲区中。

数据转换器02接收到数据锁存信号LD后，将CD4094内部缓冲区的数据输出到端口Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8，再输入到光源驱动器。

光源驱动器原理图设计(参见图4)：

LED光源中的发光管是靠电流驱动才发光的，发光强度与电流以及导通电压之间的关系不同厂家型号的LED管各不相同，通过调节限流电阻R的大小可以调节LED电流的大小，即而调节发光强度。

本发明设计的LED光源驱动器03主要由达林顿驱动电路ULN2003或者ULN2803构成，它的特点是驱动能力强，可以保证LED管的发光强度。

每个LED光源需要一个光源驱动器。

LED光源板原理图设计(图5)：

根据三基色混光原理，每盏LED光源中必须含有红色、绿色、蓝色LED发光管。因为中同样数量的红色、绿色、蓝色LED发光管发出的光的强度不相同，为达到一定的混光效果，光源中的红色、绿色、蓝色LED发光管的数量可能不相等。在光源板04中，相同颜色的LED管在串或并联后汇集在一个控制点，这样每盏光源需要红RED-LED、绿GREEN-LED、蓝BLUE-LED三个控制点。

Claims

1、一种串行总线连接的群组式LED景观灯控制系统，其特征是该系统包括：

——主控制器01：同时连接Y条串行总线07，这些串行总线编号为1号、2号···Y号串行总线；

每条串行总线07同时连接X个数据转换器02，这些数据转换器首尾相互连接，其编号为L_i1、L_i2···L_iX，字母X表示第X号数据转换器，L_iX表示第i号串行总线上的第X号数据转换器，其中字母i表示从第1号到第Y号串行总线；使本控制系统能够连接的光源总数目为Y*X盏，其中Y、X表示大于1的整数；

——LED光源板04：被控光源；

2、根据权利要求1所述的LED景观灯控制系统，其特征是主控制器组成包括：

——电源接口16：内部与微控制器11之间通过电源线21连接，电源线21包括电源正线VCC和电源负线GND，外部与外部电源08之间连接。

3、根据权利要求1所述的LED景观灯控制系统，其特征是主控制器11同时通过数据线连接外部通信09。

4、根据权利要求3所述的LED景观灯控制系统，其特征是主控制器11内部同时包括通信接口12，该通信接口与微控制器11之间通过数据线17连接，数据线17包括接收信号线和发送信号线；通信接口12与外部通信09连接，外部计算机通过通信接口12将图案信息传输到主控制器中。