變色電致發(fā)光器件的新型交通燈設(shè)計

張愷

(1.脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室,合肥 230037;2.解放軍電子工程學(xué)院;3.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)研究院安徽光學(xué)精密儀器研究所)

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(yīng)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[1]。基于電致發(fā)光效應(yīng)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(lǐng)域的CCFL背光的趨勢[2]。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(fù)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[3]。

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(dǎo)交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果[4]。近年來,隨著技術(shù)的不斷成熟和成本的不斷下降,電致發(fā)光器件也廣泛應(yīng)用于交通燈的設(shè)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(shè)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(shè)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[5-6],例如以含鋱絡(luò)合物單體(Tb(acac)2(AA)phen)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),ITO(銦2錫氧化物)導(dǎo)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[1]。

圖1 電致發(fā)光器件的構(gòu)造

圖2 含鋱單體及TPD的結(jié)構(gòu)式

圖3 聚合物電致發(fā)光器件

結(jié)構(gòu)為ITO/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ITO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(dāng)電壓升高到20 V時,觀察到的是藍綠光;當(dāng)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[1]。在此基礎(chǔ)上,荷蘭飛利浦公司提出了具有EL結(jié)構(gòu)的LED的設(shè)計思想[7],Osram公司設(shè)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。

2 新型交通燈設(shè)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/O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(shè)所需的用料減少,架設(shè)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(shè)計采用單片機ADμ C841為控制器件來設(shè)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(yīng)用提供了非常靈活而又價格適宜的方案,性能價格比較高。ADμ C841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。控制器和ADC的集成縮短了開發(fā)時間,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 ADμ C841內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)

2.1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)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ADμ C841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/O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。

圖5 新型交通燈硬件基本結(jié)構(gòu)

2.2 軟件設(shè)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[4];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(shè)計基本流程如圖6所示。

圖6 新型交通燈軟件設(shè)計基本流程圖

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(shù)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(shè)計方便,體積小,重量輕,架設(shè)維護方便,可靠性高,制造和架設(shè)成本也相對降低。這種交通燈的設(shè)計思想將為交通管制設(shè)備的發(fā)展提供新的思路和方向。

[1]凌啟淡,范希智,陳君,等.含Tb(acac)2(AA)phen的變色電致發(fā)光器件[J].功能材料,2001(4).

[2]EL和LED將取代CCFL背光廣泛用于電信及PC領(lǐng)域[J].國際光電與顯示,2002(11).

[3]李文連.有機EL和LED與無機EL和LED發(fā)光機制的異同[J].液晶與顯示,2001(1).

[4]邱燁,葛亦斌,羅維,等.基于 AT89C51的交通燈設(shè)計研究[J].科技傳播,2009(3).

[5]張世花,邵祿玲,等.HPY-PPV電致發(fā)光二極管發(fā)光特性的研究[J].景德鎮(zhèn)高專學(xué)報,2006(2).

[6]李晨曦,尹春,黃文強,等.可溶性聚合物電致發(fā)光材料PDHPV的合成及單、雙層發(fā)光二極管器件的發(fā)光性能比較[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報,1995(11).

[7]伯特拉姆D,祖斯特爾 T.場致發(fā)光結(jié)構(gòu)和具有EL結(jié)構(gòu)的LED：CN1965614[P],2007-05-16.