CN109673077A - 一种led亮度调节的非线性校正系统及其校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED亮度调节的非线性校正系统及其校正方法，该校正系统包括单片机、光强度传感器、校正数据存储模块、串行转并行芯片和LED灯，校正数据模块中存储有不同LED灯对应的人眼线性感受对应单位时间的占空比的数据，单片机的控制端口与串行转并行芯片的输入端电连接，串行转并行芯片的输出端与LED灯相连，单片机用于根据采集环境光的强度大小将对应校正数据模块中的数据输出通过串行转并行芯片调整LED灯。本发明通过串口控制多个串行转并行芯片驱动多个LED灯，可以同时对任意LED进行亮度改变。将需要校正的数据存储在单片机中，对LED亮度进行校正，使人眼感受到LED线性变化。

Description

一种LED亮度调节的非线性校正系统及其校正方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种LED亮度调节的非线性校正系统及其校正方法。

背景技术

人眼对亮度具有本能的非线性感受，对于较低灰度的光亮变化感受更敏感。弱光时，亮度增加一倍，人眼感觉到的改变大于一倍；强光时，亮度增加一倍，人眼感觉到的改变小于一倍。在光源只有三分之一亮度的时候，人眼感觉大约是一半亮度。

LED作为新型照明美观光源，有着节能，低功耗，寿命长等优点。LED亮度调节一般使用PWM（脉冲宽度调制）数字调光方式。表现在LED灯上，当输出光通量随时间线性变化时，在低亮度时，人眼会感觉到亮度的跳跃；在高亮度时，人眼感觉到亮度变化不明显。在此方式中，人眼对LED亮度线性变化的感受是非线性的，所以必须要对这种非线性的感受进行校正，也就是要对光通量改变进行补偿。

LED光源特性曲线表现为通过电流和功率的关系。LED的功率与电流的P-I关系特性曲线基本上是一条近似的线性直线，但当电流过大时，曲线比较平坦，也就是功率增加不是线性的了，这是由于PN结发热产生饱和现象，使P-I曲线的斜率减小。这种现象导致在给LED线性电流改变时，LED光感受改变是非线性。

因此，亟需一种LED亮度调节的非线性校正系统及其校正方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种LED亮度调节的非线性校正系统及其校正方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种LED亮度调节的非线性校正系统，包括单片机、光强度传感器、校正数据存储模块、串行转并行芯片和LED灯，所述光强度传感器的输出端与单片机的输入端电连接用于采集环境光强度，所述校正数据模块内置于单片机中，所述校正数据模块中存储有不同LED灯对应的人眼线性感受对应单位时间的占空比的数据，所述单片机的控制端口与串行转并行芯片的输入端电连接，所述串行转并行芯片的输出端与LED灯相连，所述单片机用于根据采集环境光的强度大小将对应校正数据模块中的数据输出通过串行转并行芯片调整LED灯。

作为优选的方案，所述串行转并行芯片为一个ICN2026集成芯片、以及依次电连接的多个ICN2026集成芯片，所述ICN2026集成芯片的OUT0-OUT15管脚分别与LED灯电连接，上一个ICN2026集成芯片的OUT1＿IN2管脚与下一个ICN2026集成芯片的SIN口电连接。

作为优选的方案，本发明还提供一种LED亮度调节的非线性校正系统，包括以下步骤：

S1、根据实验得出每种LED灯对应的人眼线性感受对应单位时间的占空比，将上述的数据存储在单片机内存的校正数据模块中；

S2、光强度传感器感应环境光的强度并传送给单片机；

S3、单片机根据采集环境光的强度大小将对应校正数据模块中的数据输出通过串行转并行芯片调整LED灯的C1与C2，C1与C2符合以下公式：

C1=d/(100*f*A*X)；

C2=(1/f-d/(100*f))/(A*X)

其中，d为LED灯的占空比，f为LED灯的PWM频率， A为单片机串口传输速度，X为要控制的LED灯的个数，C1为串行转并行芯片需要连续发出数据位为1的次数，C2为串行转并行芯片需要连续发出数据位为0的次数。

具体地，所述步骤S3中的C1和C2的计算具体包括以下步骤：

串行转并行芯片用于将每个字节数据一位一位地依次输出，每个字节是8个位，则这个数据可以通过0和1的改变来控制八个LED；

当单片机串口传输速度为A，一个字节的传输速度B=(8*A)；

若需要控制的LED灯的个数为X，则需要传输的字节数为Y=(X/8)个；

这样可以得出传输控制X个LED灯数据的最少时间为t=B*Y，即t=A*X；

当控制LED灯的数据对应位为1时，LED灯亮；当对应位为0时，LED灭；

需要通过改变LED灯关断时间来控制LED灯的亮灭，也就是需要改变控制LED灯的PWM；

由上面可以得出控制LED灯亮灭变化，也就是0和1变化的最快时间为t；

若LED灯的PWM频率为f，PWM的周期则为T=1/f，LED灯亮的时间则为T1=T*(d/100)，灭的时间为T2=T-T1；

可以得出在一个PWM周期内单片机需要发出数据表示LED当前位的亮的次数为C1=T1/t;灭的次数为C2=T2/t；

那么要给LED的PWM频率为f,占空比为d，则串行转并行芯片需要连续发出数据位为1的次数C1=d/(100*f*A*X)；串行转并行芯片需要连续发出数据位为0的次数为C2=(1/f-d/(100*f))/(A*X)；

输出光通量随时间线性变化时，人眼的感受却不是线性的，在LED微亮区，灯具很小的光通量改变也让人眼感到光强变化很大，而在光通量比较大的区域，很大的光通量跳跃，人眼感觉到的光强变化也不大；

而人眼对亮度的感受 ＝ 光通量^(1/2.2)；

以F表示人眼对亮度的感受，φ 表示光通量，F＝φ^(1/2.2)；其中，φ∝D，D为PWM调节信号的占空比；

线性的亮度感受需要非线性变化的φ，由于φ与Ｄ 严格线性，故线性变化的亮度感受需要遵从某种规律的非线性变化的φ，这种规律就是线性调节对应的非线性变化φ，也就是人眼亮度感受的反非线性特性；

在控制PWM的占空比时，φ 值按照D＝λ^2.2 的规律，在校正数据模块预先存储按反特性计算好的φ 值，达到校正目的。

本发明具有以下有益效果：本发明在控制多个LED灯的情况下对LED光强改变进行线性校正，当使用控制器为单片机时，要使用定时器产生占空比，通过改变占空比大小来改变LED的亮度。本发明采用8位单片机，通过串口控制多个串行转并行芯片驱动多个LED灯，可以同时对任意LED进行亮度改变。将需要校正的数据存储在单片机中，对LED亮度进行校正，使人眼感受到LED线性变化。

具体实施方式

下面详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，在本发明的其中一种实施方式中提供一种LED亮度调节的非线性校正系统，包括单片机、光强度传感器、校正数据存储模块、串行转并行芯片和LED灯，所述光强度传感器的输出端与单片机的输入端电连接用于采集环境光强度，所述校正数据模块内置于单片机中，所述校正数据模块中存储有不同LED灯对应的人眼线性感受对应单位时间的占空比的数据，所述单片机的控制端口与串行转并行芯片的输入端电连接，所述串行转并行芯片的输出端与LED灯相连，所述单片机用于根据采集环境光的强度大小将对应校正数据模块中的数据输出通过串行转并行芯片调整LED灯。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，所述串行转并行芯片为一个ICN2026集成芯片、以及依次电连接的多个ICN2026集成芯片，所述ICN2026集成芯片的OUT0-OUT15管脚分别与LED灯电连接，上一个ICN2026集成芯片的OUT1＿IN2管脚与下一个ICN2026集成芯片的SIN口电连接。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在本发明的另一种实施方式中，在前述内容的基础上，本发明还提供一种LED亮度调节的非线性校正系统，包括以下步骤：

S1、根据实验得出每种LED灯对应的人眼线性感受对应单位时间的占空比，将上述的数据存储在单片机内存的校正数据模块中；

S2、光强度传感器感应环境光的强度并传送给单片机；

S3、单片机根据采集环境光的强度大小将对应校正数据模块中的数据输出通过串行转并行芯片调整LED灯的C1与C2，C1与C2符合以下公式：

C1=d/(100*f*A*X)；

C2=(1/f-d/(100*f))/(A*X)

其中，d为LED灯的占空比，f为LED灯的PWM频率， A为单片机串口传输速度，X为要控制的LED灯的个数，C1为串行转并行芯片需要连续发出数据位为1的次数，C2为串行转并行芯片需要连续发出数据位为0的次数。

具体地，所述步骤S3中的C1和C2的计算具体包括以下步骤：

串行转并行芯片用于将每个字节数据一位一位地依次输出，每个字节是8个位，则这个数据可以通过0和1的改变来控制八个LED；

当单片机串口传输速度为A，一个字节的传输速度B=(8*A)；

若需要控制的LED灯的个数为X，则需要传输的字节数为Y=(X/8)个；

这样可以得出传输控制X个LED灯数据的最少时间为t=B*Y，即t=A*X；

当控制LED灯的数据对应位为1时，LED灯亮；当对应位为0时，LED灭；

需要通过改变LED灯关断时间来控制LED灯的亮灭，也就是需要改变控制LED灯的PWM；

由上面可以得出控制LED灯亮灭变化，也就是0和1变化的最快时间为t；

若LED灯的PWM频率为f，PWM的周期则为T=1/f，LED灯亮的时间则为T1=T*(d/100)，灭的时间为T2=T-T1；

可以得出在一个PWM周期内单片机需要发出数据表示LED当前位的亮的次数为C1=T1/t;灭的次数为C2=T2/t；

那么要给LED的PWM频率为f,占空比为d，则串行转并行芯片需要连续发出数据位为1的次数C1=d/(100*f*A*X)；串行转并行芯片需要连续发出数据位为0的次数为C2=(1/f-d/(100*f))/(A*X)；

输出光通量随时间线性变化时，人眼的感受却不是线性的，在LED微亮区，灯具很小的光通量改变也让人眼感到光强变化很大，而在光通量比较大的区域，很大的光通量跳跃，人眼感觉到的光强变化也不大；

而人眼对亮度的感受 ＝ 光通量^(1/2.2)；

以F表示人眼对亮度的感受，φ 表示光通量，F＝φ^(1/2.2)；其中，φ∝D，D为PWM调节信号的占空比；

线性的亮度感受需要非线性变化的φ，由于φ与Ｄ 严格线性，故线性变化的亮度感受需要遵从某种规律的非线性变化的φ，这种规律就是线性调节对应的非线性变化φ，也就是人眼亮度感受的反非线性特性；

在控制PWM的占空比时，φ 值按照D＝λ^2.2 的规律，在校正数据模块预先存储按反特性计算好的φ 值，达到校正目的。

由上面可以知道控制PWM占空比D，就是控制C1和C2。当PWM周期确定，也就是C1+C2的总数值固定时，在LED微亮时，单片机给定C1数值小;在LED光通量较大的区域，C1数值大。不同型号LED特性会有所不同，根据实验得出人眼线性感受对应单位时间的占空比，把这些数据存储在单片机中，根据这些数据来改变C1与C2。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种LED亮度调节的非线性校正系统，其特征在于，包括单片机、光强度传感器、校正数据存储模块、串行转并行芯片和LED灯，所述光强度传感器的输出端与单片机的输入端电连接用于采集环境光强度，所述校正数据模块内置于单片机中，所述校正数据模块中存储有不同LED灯对应的人眼线性感受对应单位时间的占空比的数据，所述单片机的控制端口与串行转并行芯片的输入端电连接，所述串行转并行芯片的输出端与LED灯相连，所述单片机用于根据采集环境光的强度大小将对应校正数据模块中的数据输出通过串行转并行芯片调整LED灯。

2.根据权利要求1所述的LED亮度调节的非线性校正系统，其特征在于，所述串行转并行芯片为一个ICN2026集成芯片、以及依次电连接的多个ICN2026集成芯片，所述ICN2026集成芯片的OUT0-OUT15管脚分别与LED灯电连接，上一个ICN2026集成芯片的OUT1＿IN2管脚与下一个ICN2026集成芯片的SIN口电连接。

3.一种LED亮度调节的非线性校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据实验得出每种LED灯对应的人眼线性感受对应单位时间的占空比，将上述的数据存储在单片机内存的校正数据模块中；

S2、光强度传感器感应环境光的强度并传送给单片机；

S3、单片机根据采集环境光的强度大小将对应校正数据模块中的数据输出通过串行转并行芯片调整LED灯的C1与C2，C1与C2符合以下公式：

C1=d/(100*f*A*X)；

C2=(1/f-d/(100*f))/(A*X)

其中，d为LED灯的占空比，f为LED灯的PWM频率， A为单片机串口传输速度，X为要控制的LED灯的个数，C1为串行转并行芯片需要连续发出数据位为1的次数，C2为串行转并行芯片需要连续发出数据位为0的次数。

4.根据权利要求3所述的LED亮度调节的非线性校正方法，其特征在于，所述步骤S3中的C1和C2的计算具体包括以下步骤：

串行转并行芯片用于将每个字节数据一位一位地依次输出，每个字节是8个位，则这个数据可以通过0和1的改变来控制八个LED；

当单片机串口传输速度为A，一个字节的传输速度B=(8*A)；

若需要控制的LED灯的个数为X，则需要传输的字节数为Y=(X/8)个；

这样可以得出传输控制X个LED灯数据的最少时间为t=B*Y，即t=A*X；

当控制LED灯的数据对应位为1时，LED灯亮；当对应位为0时，LED灭；

需要通过改变LED灯关断时间来控制LED灯的亮灭，也就是需要改变控制LED灯的PWM；

由上面可以得出控制LED灯亮灭变化，也就是0和1变化的最快时间为t；

若LED灯的PWM频率为f，PWM的周期则为T=1/f，LED灯亮的时间则为T1=T*(d/100)，灭的时间为T2=T-T1；

可以得出在一个PWM周期内单片机需要发出数据表示LED当前位的亮的次数为C1=T1/t;灭的次数为C2=T2/t；

那么要给LED的PWM频率为f,占空比为d，则串行转并行芯片需要连续发出数据位为1的次数C1=d/(100*f*A*X)；串行转并行芯片需要连续发出数据位为0的次数为C2=(1/f-d/(100*f))/(A*X)；

输出光通量随时间线性变化时，人眼的感受却不是线性的，在LED微亮区，灯具很小的光通量改变也让人眼感到光强变化很大，而在光通量比较大的区域，很大的光通量跳跃，人眼感觉到的光强变化也不大；

而人眼对亮度的感受 ＝ 光通量^(1/2.2)；

以F表示人眼对亮度的感受，φ 表示光通量，F＝φ^(1/2.2)；其中，φ∝D，D为PWM调节信号的占空比；

线性的亮度感受需要非线性变化的φ，由于φ与Ｄ 严格线性，故线性变化的亮度感受需要遵从某种规律的非线性变化的φ，这种规律就是线性调节对应的非线性变化φ，也就是人眼亮度感受的反非线性特性；

在控制PWM的占空比时，φ 值按照D＝λ^2.2 的规律，在校正数据模块预先存储按反特性计算好的φ 值，达到校正目的。