變色電致發(fā)光器件的新型交通燈設計

摘要：介紹了一種基于變色電致發(fā)光器件的新型交通燈設計。目前交通燈大多采用紅黃綠三色LED燈組來實現(xiàn)交通管制功能，本設計采用能夠伴隨其正向偏壓改變顏色的電致發(fā)光器件做交通燈燈組，且使用單片機控制，其結(jié)構(gòu)相對簡單，能有效降低制造成本，方便架設與維護。
關鍵詞：變色；電致發(fā)光器件；LED；交通燈；單片機

引言
    電致發(fā)光是一種使電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿倪^程。與傳統(tǒng)的陰極射線管(CRT)、等離子體顯示(PDP)、液晶顯示(LCD)相比，電致發(fā)光顯示具有響應速度快、顯示精度高、視角大(接近180°)等優(yōu)點。電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)商品化。基于電致發(fā)光效應的器件目前以有機EL(有機聚合物電致發(fā)光器件)和LED(光發(fā)射二極管)為主，大有取代傳統(tǒng)的廣泛用于電信及PC領域的CCFL背光的趨勢。兩者在激發(fā)和發(fā)光機制上沒有本質(zhì)的不同，都是在電激發(fā)下分別從2個電極注入的空穴和電子復合形成單重態(tài)激子，激子經(jīng)過衰減后發(fā)光，只是制作器件的方法和材料的玻璃化溫度有明顯的差異。
    交通在人們的日常生活中占有重要的地位，交通信號燈的出現(xiàn)使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果。近年來，隨著技術的不斷成熟和成本的不斷下降，電致發(fā)光器件也廣泛應用于交通燈的設計和制造。目前使用較多的是無機單色LED，需用紅、黃、綠3種顏色的LED燈組才能完整地制造出交通燈。本文提出一種基于變色電致發(fā)光器件的新型交通燈設計方案，能有效地提高交通燈的效率和可靠性，降低制造和架設成本。

1 變色電致發(fā)光器件及工作原理
    一般EL結(jié)構(gòu)如圖1所示。1990年，J．H．Burroughes等人以共軛高分子PPV聚合物為發(fā)光材料制成了第1個聚合物電致發(fā)光器件，之后大量的聚合物發(fā)展成為電致發(fā)光材料，例如以含鋱絡合物單體(Tb(acac)2(AA)pllen)為發(fā)射層，芳香族二胺類衍生物TPD為空穴傳輸層(結(jié)構(gòu)式如圖2所示)，IT0(銦2錫氧化物)導電玻璃為陽極，金屬鋁為陰極制作的電致發(fā)光器件(結(jié)構(gòu)如圖3所示)。聚合物用作電致發(fā)光材料有顏色可調(diào)，易通過旋涂、浸涂等制成大面積薄膜等優(yōu)點。

    結(jié)構(gòu)為IT0／TPD／Tb(acac)2(AA)phen／Al的有機薄膜電致發(fā)光器件具有變色電致發(fā)光的特征。以IT0接電源正極，Al接負極，加正向直流偏壓時，隨電壓增加，開始時電流增加緩慢，近乎線性，此時器件不發(fā)光。電壓增至6 V時，電流開始顯著增大，此時器件發(fā)出微弱的光，在暗處才能觀察到。隨電壓進一步加大，電流急劇上升，發(fā)出的光數(shù)米之外均清晰可見。而加反向偏壓時，器件不發(fā)光。隨著正向偏壓的加大，EL器件發(fā)出的光顏色也跟著變化。電壓為14 V時，觀察到的是藍紫光；當電壓升高到20 V時，觀察到的是藍綠光；當電壓最后達到23 V時，觀察到的是綠光。通過測定不同電壓下的電致發(fā)光譜，得知該器件變色發(fā)光是由于空穴傳輸層較厚，使得TPD和Tb(acac)2(AA)phen都出現(xiàn)電致發(fā)光。電壓不同，它們發(fā)光的強度比發(fā)生變化，故可觀察到電致發(fā)光顏色變化。在此基礎上，荷蘭飛利浦公司提出了具有EL結(jié)構(gòu)的LED的設計思想，Osram公司設計了一系列變色電致發(fā)光LED，其中LW_A6SG_Pb型為紅黃藍三色型，改變正向偏壓即可實現(xiàn)紅黃藍三色的漸變。[!--empirenews.page--]

2 新型交通燈設計
    傳統(tǒng)的交通燈使用普通單色LED做光源，一般是1個燈箱里放置紅、黃、綠3個燈組，每個燈組由1套線路供電，3套線路分別與單片機的不同I／0端口相連，再使用單片機對各個燈組進行控制，使其交替發(fā)光，實現(xiàn)交通管制的功能。使用新型的變色電致發(fā)光器件來做燈組，其優(yōu)越性在于：交通燈燈箱多合一，體積小，重量輕；架設所需的用料減少，架設成本也相對降低；電路結(jié)構(gòu)簡化，原來分別控制3個LED燈組的線路現(xiàn)在只需1套線路就能實現(xiàn)，使交通燈電路規(guī)模大大縮減，有效地降低成本，方便制造與維護，提高交通燈的可靠性；同時體積減小，也降低了交通燈對駕駛員視線的影響。

    本設計采用單片機ADμC841為控制器件來設計交通燈電路，內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。它是ADI公司推出的一款性能穩(wěn)定的單片機，實用性強，操作簡單，擴展性強，是一種低功耗、高性能的CMOS控制器，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又價格適宜的方案，性能價格比較高。ADμC841具有單指令周期20 MIPS 8052內(nèi)核和8通道高速420 ksps、12位模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器，支持在線下載，同時由于集成了ADC，無需選擇專門的模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片?？刂破骱虯DC的集成縮短了開發(fā)時間，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。[!--empirenews.page--]
2．1 硬件設計
    硬件設計如圖5所示，電致發(fā)光器件燈組與1個調(diào)壓模塊相連，調(diào)壓模塊輸入與單片機ADμC841的I／O相連，單片機按照內(nèi)部程序控制定時器來改變狀態(tài)，狀態(tài)改變時單片機通過改變I／0的輸出改變調(diào)壓模塊的輸入，從而改變調(diào)壓模塊的輸出，使加載在電致發(fā)光器件燈組兩端的電壓發(fā)生改變，從而使交通燈變色，進入下一個交通管制狀態(tài)。RS485接口實現(xiàn)單片機和PC間的通信，可以通過上位機修改單片機的程序，對交通燈進行維護和調(diào)整。

2．2 軟件設計
    該新型交通燈根據(jù)其顯示情況可以分為3個狀態(tài)：第一，可以通過定時來控制每個狀態(tài)的時間；第二，通過定時向變色電致發(fā)光器件每隔1 s送1個數(shù)，顯示該狀態(tài)剩余的時間；第三，如果一個狀態(tài)的定時結(jié)束，則通過調(diào)壓模塊改變加載在變色電致發(fā)光器件兩端的電壓，以改變其顏色從而進入下一個定時的狀態(tài)，3種顏色的電壓循環(huán)改變。軟件設計基本流程如圖6所示。

3 結(jié)論
    目前，電致發(fā)光器件的飛速發(fā)展為交通燈的更新?lián)Q代提供了有力的技術支持，以變色電致發(fā)光器件為核心部件、以單片機為控制器的新型交通燈結(jié)構(gòu)簡單，設計方便，體積小，重量輕，架設維護方便，可靠性高，制造和架設成本也相對降低。這種交通燈的設計思想將為交通管制設備的發(fā)展提供新的思路和方向。