变色电致发光器件的新型交通灯设计

2010-09-25张恺

单片机与嵌入式系统应用 2010年8期

张恺

(1.脉冲功率激光技术国家重点实验室,合肥 230037;2.解放军电子工程学院;3.中国科学院合肥物质研究院安徽光学精密仪器研究所)

引言

电致发光是一种使电能直接转变为光能的过程。与传统的阴极射线管(CRT)、等离子体显示(PDP)、液晶显示(LCD)相比,电致发光显示具有响应速度快、显示精度高、视角大(接近180°)等优点。电致发光器件结构简单,易实现商品化[1]。基于电致发光效应的器件目前以有机EL(有机聚合物电致发光器件)和LED(光发射二极管)为主,大有取代传统的广泛用于电信及PC领域的CCFL背光的趋势[2]。两者在激发和发光机制上没有本质的不同,都是在电激发下分别从2个电极注入的空穴和电子复合形成单重态激子,激子经过衰减后发光,只是制作器件的方法和材料的玻璃化温度有明显的差异[3]。

交通在人们的日常生活中占有重要的地位,交通信号灯的出现使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果[4]。近年来,随着技术的不断成熟和成本的不断下降,电致发光器件也广泛应用于交通灯的设计和制造。目前使用较多的是无机单色LED,需用红、黄、绿3种颜色的LED灯组才能完整地制造出交通灯。本文提出一种基于变色电致发光器件的新型交通灯设计方案,能有效地提高交通灯的效率和可靠性,降低制造和架设成本。

1 变色电致发光器件及工作原理

一般EL结构如图1所示。1990年,J.H.Burroughes等人以共轭高分子PPV聚合物为发光材料制成了第1个聚合物电致发光器件,之后大量的聚合物发展成为电致发光材料[5-6],例如以含铽络合物单体(Tb(acac)2(AA)phen)为发射层,芳香族二胺类衍生物TPD为空穴传输层(结构式如图2所示),ITO(铟2锡氧化物)导电玻璃为阳极,金属铝为阴极制作的电致发光器件(结构如图3所示)。聚合物用作电致发光材料有颜色可调,易通过旋涂、浸涂等制成大面积薄膜等优点[1]。

图1 电致发光器件的构造

图2 含铽单体及TPD的结构式

图3 聚合物电致发光器件

结构为ITO/TPD/Tb(acac)2(AA)phen/Al的有机薄膜电致发光器件具有变色电致发光的特征。以ITO接电源正极,Al接负极,加正向直流偏压时,随电压增加,开始时电流增加缓慢,近乎线性,此时器件不发光。电压增至6 V时,电流开始显著增大,此时器件发出微弱的光,在暗处才能观察到。随电压进一步加大,电流急剧上升,发出的光数米之外均清晰可见。而加反向偏压时,器件不发光。随着正向偏压的加大,EL器件发出的光颜色也跟着变化。电压为14 V时,观察到的是蓝紫光;当电压升高到20 V时,观察到的是蓝绿光;当电压最后达到23 V时,观察到的是绿光。通过测定不同电压下的电致发光谱,得知该器件变色发光是由于空穴传输层较厚,使得TPD和Tb(acac)2(AA)phen都出现电致发光。电压不同,它们发光的强度比发生变化,故可观察到电致发光颜色变化[1]。在此基础上,荷兰飞利浦公司提出了具有EL结构的LED的设计思想[7],Osram公司设计了一系列变色电致发光LED,其中LW_A6SG_Pb型为红黄蓝三色型,改变正向偏压即可实现红黄蓝三色的渐变。

2 新型交通灯设计

传统的交通灯使用普通单色 LED做光源,一般是1个灯箱里放置红、黄、绿3个灯组,每个灯组由1套线路供电,3套线路分别与单片机的不同I/O端口相连,再使用单片机对各个灯组进行控制,使其交替发光,实现交通管制的功能。使用新型的变色电致发光器件来做灯组,其优越性在于：交通灯灯箱多合一,体积小,重量轻;架设所需的用料减少,架设成本也相对降低;电路结构简化,原来分别控制3个LED灯组的线路现在只需1套线路就能实现,使交通灯电路规模大大缩减,有效地降低成本,方便制造与维护,提高交通灯的可靠性;同时体积减小,也降低了交通灯对驾驶员视线的影响。

本设计采用单片机ADμ C841为控制器件来设计交通灯电路,内部基本结构如图4所示。它是ADI公司推出的一款性能稳定的单片机,实用性强,操作简单,扩展性强,是一种低功耗、高性能的CMOS控制器,为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案,性能价格比较高。ADμ C841具有单指令周期20 MIPS 8052内核和8通道高速420 ksps、12位模拟/数字转换器,支持在线下载,同时由于集成了ADC,无需选择专门的模拟/数字转换芯片。控制器和ADC的集成缩短了开发时间,提高了系统的稳定性。

图4 ADμ C841内部基本结构

2.1 硬件设计

硬件设计如图5所示,电致发光器件灯组与1个调压模块相连,调压模块输入与单片机ADμ C841的I/O相连,单片机按照内部程序控制定时器来改变状态,状态改变时单片机通过改变I/O的输出改变调压模块的输入,从而改变调压模块的输出,使加载在电致发光器件灯组两端的电压发生改变,从而使交通灯变色,进入下一个交通管制状态。RS485接口实现单片机和PC间的通信,可以通过上位机修改单片机的程序,对交通灯进行维护和调整。

图5 新型交通灯硬件基本结构

2.2 软件设计

该新型交通灯根据其显示情况可以分为3个状态：第一,可以通过定时来控制每个状态的时间;第二,通过定时向变色电致发光器件每隔1 s送1个数,显示该状态剩余的时间[4];第三,如果一个状态的定时结束,则通过调压模块改变加载在变色电致发光器件两端的电压,以改变其颜色从而进入下一个定时的状态,3种颜色的电压循环改变。软件设计基本流程如图6所示。