变色电致发光器件的新型交通灯设计

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。

图6 新型交通灯软件设计基本流程图

3 结 论

目前,电致发光器件的飞速发展为交通灯的更新换代提供了有力的技术支持,以变色电致发光器件为核心部件、以单片机为控制器的新型交通灯结构简单,设计方便,体积小,重量轻,架设维护方便,可靠性高,制造和架设成本也相对降低。这种交通灯的设计思想将为交通管制设备的发展提供新的思路和方向。

[1]凌启淡,范希智,陈君,等.含Tb(acac)2(AA)phen的变色电致发光器件[J].功能材料,2001(4).

[2]EL和LED将取代CCFL背光广泛用于电信及PC领域[J].国际光电与显示,2002(11).

[3]李文连.有机EL和LED与无机EL和LED发光机制的异同[J].液晶与显示,2001(1).

[4]邱烨,葛亦斌,罗维,等.基于 AT89C51的交通灯设计研究[J].科技传播,2009(3).

[5]张世花,邵禄玲,等.HPY-PPV电致发光二极管发光特性的研究[J].景德镇高专学报,2006(2).

[6]李晨曦,尹春,黄文强,等.可溶性聚合物电致发光材料PDHPV的合成及单、双层发光二极管器件的发光性能比较[J].高等学校化学学报,1995(11).

[7]伯特拉姆D,祖斯特尔 T.场致发光结构和具有EL结构的LED：CN1965614[P],2007-05-16.