单片机霓虹灯设计.doc

单片机霓虹灯设计
作者：    来源：本站原创    点击数： 3605    更新时间：2007年06月12日   

【摘　要】　介绍了基于EM78P447SB单片机、自制光电耦合器制作的低成本高性能霓虹灯控制器的线路、工作原理、编程方法和使用经验。该控制器具有相当高的性价比。

1　引　言
　　霓虹灯控制器属于定制产品，很难工厂化批量生产。由于市场竞争日趋激烈，该产品的高利润时代已经结束，市场迫切需要低成本高性能的霓虹灯控制器制造技术。台湾义隆电子公司生产的EM78P447SB单片机是一次写录的芯片，内部有4K的ROM，振荡脉冲外围线路仅是一个电阻和一个电容，有三个口24位输出控制，性价比相当高，非常适合制作霓虹灯程序控制器。但用单片机制作的霓虹灯程序控制器一般都需要光电耦合器实现高低压隔离，防止程序跑飞死机。市场上光电耦合器价格一般都比较高。为了降低成本，在保证高低压隔离能力没有降低的前提下，本设计采用自制的光电耦合器。同时，为进一步降低成本，该霓虹灯控制器的花样变化速度调节及全亮维修功能均采用不增加硬件成本的方法，这样，进一步提高了性价比。
　霓虹灯是一种冷阴极辉光放电管，其幅射光谱具有极强的穿透大气的能力，色彩鲜艳绚丽、多姿，发光效率明显优于普通的白 炽灯，
它的线条结构表现力丰富，可以加工弯制成任何几何形状，满足设计要求，通过电子程序控制，可变幻色彩的图案和文字 受到人们的欢
迎。
　　霓虹灯的亮、美、动特点，是目前任何电光源所不能替代的，在各类新型光源不断涌现和竞争中独领风骚。
　　由于霓虹灯是冷阴极辉光放电，因此一支质量合格的霓虹灯其寿命可达20000--30000小时。
　　随着我国经济的飞速发展，霓虹灯的品种、规格也已基本系列化，可供各种用途的选择，其质量已逐步向国际水平靠拢，随着 我国
加入WTO与国际水平的差距将越来越小，在不久的将来必将赶超国际先进水平，但在目前市场竞争的条件下，也确有少数厂商 缺乏诚
信，在一些用户不懂霓虹灯的性能、质量的情况下，生产、制作低劣产品在市场上低价倾销，影响霓虹灯的声誉。 为了使大用户熟悉
霓虹灯，了解霓虹灯，我们在此简要介绍一些霓虹灯的品种、规格以及制作霓虹灯的主要器材，以帮助用户识别 “霓虹灯”的优劣。
　　霓虹灯的主要部件:
　　1、霓虹灯管：
　　（1）以规格分：有6、7、8、9、10、12、15、18、20毫米等粗细。
　　（2）以玻璃材质分：
　　①钠玻璃管（或称石灰料玻璃管）这种玻璃管稳定性差，受潮后极易变质、泛碱（风化），牢度差易爆裂。目前在我国使用此种
材料的约占80%左右。
　　②铅玻璃管（又称红丹料玻璃管）其热性能、机械性能、电性能、化学稳定性能、真空性能和光学性能优于钠玻璃，其耐候性、
使用寿命大大超过钠玻璃，目前国际上通用大都是这种铅玻璃管，我国目前使用量已达20－30%左右，凡是追求质量好的制作厂家，
用户都选用铅管制作霓虹灯。铅玻璃又以含铅量多少分为：重铅玻璃、中铅玻璃和轻铅玻璃。
　　③ 彩色玻璃管，这种玻璃管，在拉制玻璃管时已充入染料，生产出的玻璃管已呈彩色玻璃管。
　　（3）以霓虹灯管内涂荧光粉材料分：
　　①目前使用的多数霓虹灯管喷涂的是“普通荧光粉”，这种粉价格比较便宜，一般也能满足各种色彩的要求。
　　②“三基色”荧光粉，（也称稀土荧光粉）与普通荧光粉比较，其亮度、色度、鲜度更佳。
　　（4）喷涂荧光粉的工艺又分水涂和胶涂二种。
　　①水涂即用醇，酮溶济混合荧光粉喷涂在灯管内壁，让其自然干燥。 ②胶涂即用胶液混合荧光粉喷涂，再用烘箱烘干，其粘
度、牢度大大优于水涂粉管。 目前先进国家大都有采用三基色胶涂含铅玻璃管制作霓虹灯，我国目前已有部分厂商使用这种霓虹
灯管。
　　2、霓虹灯变压器
　　（1）霓虹灯漏磁变压器，（又称电感变压器、铁芯变压器）其特点是：可靠性好，负载灯管亮度高，光色一致，寿命长，
缺点是比较 笨重，目前国外及上海的户外霓虹灯大多数采用这种变压器。 电感变压器的规格有：3KV、6KV、9KV、12KV、
15KV、18KV。
　　（2）电子变压器（也称高频冷启动管形放电灯（霓虹灯）电子转换器或霓虹灯电源）其优点是：重量轻、制造方便、节约金属材
料，目前国内生产电子变压器质量稳定，有一定规模，其中有的企业还批量出口。但有不少单位生产的电子变压器亮度达不到应有亮度，
在 室外使用就有点相形见拙。 电子变压器又分直流和交流二种，直流电子变压器由于单向导通往往会产生灯管一头亮一头暗的情况。
又因电子变压器输出频率会受到 负载灯管长度的影响，在同幅霓虹灯中，由于每笔灯管长短不一也会产生灯色不匀等现象。有些生产厂
家为了降低成本，不愿采用高质 量高 品质的电器元件，而且加工工艺简陋，故可靠性差，寿命短。 电子变压器的规格有：40W、60W、
80W、100W等规格，也有称4米机、6米机8米机、10米机、12米机等。 要真正生产符合霓虹灯使用要求的电子变压器也是可以做到的，
但其价格就会接近电感变压器的价格，为了低价竞销，获取市场份额， 一些厂商牺牲霓虹灯的亮度、可靠性、寿命来获得市场利润。
　　3、程序控制器分：
　　（1）普通式电子程序控制器：
　　（2）渐变式电子程序控制器：

　　4、霓虹灯高压线分：
　　（1）普通高压线，即塑料高压线，这种高压线价格便宜，但塑料容易老化，室外使用不久塑料就要老化引起拉火等，安全性较差。
　　（2）硅橡胶绝缘高压线，是目前较理想的霓虹灯连接线，安全性强，可靠性好。

　　以上介绍的是组成霓虹灯的主要另部件，从上可以知道，霓虹灯与其他商品一样，品种、规格、质量优劣区别很大。 用户在选择
霓虹灯制作单位时，也要了解他们的制作实力，加工工艺和售后服务是否到位，凡是较大的霓虹灯工程，都应要制作单位 详细报价，
进行核实，如有条件，应按行业标准进行验收，不要只看总价便宜，更要看他们提供给用户的是什么样的质量和服务。 霓虹灯是一种
冷阴极辉光放电管，其幅射光谱具有极强的穿透大气的能力，色彩鲜艳绚丽、多姿，发光效率明显优于普通的白 炽灯，它的线条结构
表现力丰富，可以加工弯制成任何几何形状，满足设计要求，通过电子程序控制，可变幻色彩的图案和文字 受到人们的欢迎。
　　霓虹灯的亮、美、动特点是目前任何电光源所不能替代的，在各类新型光源不断涌现和竞争中独领风骚。
　　由于霓虹灯是冷阴极辉光放电，因此一支质量合格的霓虹灯其寿命可达20000--30000小时。
　　随着我国经济的飞速发展，霓虹灯的品种、规格也已基本系列化，可供各种用途的选择，其质量已逐步向国际水平靠拢，随着 我
国加入WTO与国际水平的差距将越来越小，在不久的将来必将赶超国际先进水平，但在目前市场竞争的条件下，也确有少数厂商 缺乏
诚信，在一些用户不懂霓虹灯的性能、质量的情况下，生产、制作低劣产品在市场上低价倾销，影响霓虹灯的声誉。 为了使大用户熟
悉霓虹灯，了解霓虹灯，我们在此简要介绍一些霓虹灯的品种、规格以及制作霓虹灯的主要器材，以帮助用户识别 “霓虹灯”的优劣。
　　霓虹灯的主要部件:
　　1、霓虹灯管：
　　（1）以规格分：有6、7、8、9、10、12、15、18、20毫米等粗细。
　　（2）以玻璃材质分：
　　①钠玻璃管（或称石灰料玻璃管）这种玻璃管稳定性差，受潮后极易变质、泛碱（风化），牢度差易爆裂。目前在我国使用此种材料的
约占80%左右。
　　②铅玻璃管（又称红丹料玻璃管）其热性能、机械性能、电性能、化学稳定性能、真空性能和光学性能优于钠玻璃，其耐候性、使 用
寿命大大超过钠玻璃，目前国际上通用大都是这种铅玻璃管，我国目前使用量已达20－30%左右，凡是追求质量好的制作厂家， 用户都选
用铅管制作霓虹灯。铅玻璃又以含铅量多少分为：重铅玻璃、中铅玻璃和轻铅玻璃。
　　③ 彩色玻璃管，这种玻璃管，在拉制玻璃管时已充入染料，生产出的玻璃管已呈彩色玻璃管。
　　（3）以霓虹灯管内涂荧光粉材料分：
　　①目前使用的多数霓虹灯管喷涂的是“普通荧光粉”，这种粉价格比较便宜，一般也能满足各种色彩的要求。
　　②“三基色”荧光粉，（也称稀土荧光粉）与普通荧光粉比较，其亮度、色度、鲜度更佳。
　　（4）喷涂荧光粉的工艺又分水涂和胶涂二种。
　　①水涂即用醇，酮溶济混合荧光粉喷涂在灯管内壁，让其自然干燥。 ②胶涂即用胶液混合荧光粉喷涂，再用烘箱烘干，其粘度、牢度
大大优于水涂粉管。 目前先进国家大都有采用三基色胶涂含铅玻璃管制作霓虹灯，我国目前已有部分厂商使用这种霓虹灯管。
　　2、霓虹灯变压器
　　（1）霓虹灯漏磁变压器，（又称电感变压器、铁芯变压器）其特点是：可靠性好，负载灯管亮度高，光色一致，寿命长，缺点是比较
笨重，目前国外及上海的户外霓虹灯大多数采用这种变压器。 电感变压器的规格有：3KV、6KV、9KV、12KV、15KV、18KV。
　　（2）电子变压器（也称高频冷启动管形放电灯（霓虹灯）电子转换器或霓虹灯电源）其优点是：重量轻、制造方便、节约金属材料，
目前国内生产电子变压器质量稳定有一定规模，其中有的企业还批量出口。但有不少单位生产的电子变压器亮度达不到应有亮度，在
室外使用就有点相形见拙。 电子变压器又分直流和交流二种，直流电子变压器由于单向导通往往会产生灯管一头亮一头暗的情况。又因电
子变压器输出频率会受到 负载灯管长度的影响，在同幅霓虹灯中，由于每笔灯管长短不一也会产生灯色不匀等现象。有些生产厂家为了降
低成本，不愿采用高质 量高 品质的电器元件，而且加工工艺简陋，故可靠性差，寿命短。 电子变压器的规格有：40W、60W、80W、
100W等规格，也有称4米机、6米机、8米机、10米机、12米机等。 要真正生产符合霓虹灯使用要求的电子变压器也是可以做到的，但其价
格就会接近电感变压器的价格，为了低价竞销，获取市场份额， 一些厂商牺牲霓虹灯的亮度、可靠性、寿命来获得市场利润。
　　3、程序控制器分：
　　（1）普通式电子程序控制器：
　　（2）渐变式电子程序控制器：
　　4、霓虹灯高压线分：
　　（1）普通高压线，即塑料高压线，这种高压线价格便宜，但塑料容易老化，室外使用不久塑料就要老化引起拉火等，安全性较差。
　　（2）硅橡胶绝缘高压线，是目前较理想的霓虹灯连接线，安全性强，可靠性好。

　　以上介绍的是组成霓虹灯的主要另部件，从上可以知道，霓虹灯与其他商品一样，品种、规格、质量优劣区别很大。 用户在选择霓
虹灯制作单位时，也要了解他们的制作实力，加工工艺和售后服务是否到位，凡是较大的霓虹灯工程，都应要制作单位 详细报价，进行
核实，如有条件，应按行业标准进行验收，不要只看总价便宜，更要看他们提供给用户的是什么样的质量和服务。
2　电路及工作原理

为降低成本，该控制器硬件线路相当简单。电原理图如图1所示。
　　图1中，B是9V1A电源变压器，D1、D2是IN4007整流二极管，IC1用的是LM7805，构成典型的＋5V1A直流稳压电源。A是限流保险丝，VR是470V压敏电阻，保护SCR（Silicon Controlled Rectifier，可控硅）。
　　IC2（EM78P447SB）及R1、C3构成典型的EM78P447SB单片机RC振荡最小应用系统，可以看出，该线路非常简单。R1最好用一个电阻与一个电位器串联使用，P5、P6、P7这三个口全部设定为输出口。
　　由于该芯片灌电流相当大，可以直接驱动发光二极管，这样，驱动线路非常简单实用，三个输出口直接与自制光电耦合器（发光二极管LED＋光敏电阻LDR）相连，LDR的阻值随LED的亮与不亮大幅变化，使得双向可控硅SCR导通与关闭，达到控制霓虹灯变压器、控制花样变化的目的。
3　编　程
　　EM78P447SB单片机的指令比较简洁，仅有58条，采用RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）指令结构，执行速度快。霓虹灯编程无非是对各个口输数，当然，输数方法有许多种，最简单的就是取表送数。下面是24路霓虹灯控制器取表送数一个花样的例子，其它花样可以参照此程序编写。注意，所有的程序必须存档，以便将来维修时使用。
4　结束语
4．1　霓虹灯的速度调节与维修功能
　　霓虹灯控制器花样变化速度可以用软件很方便地修改调节，但现场操作很困难。一般的霓虹灯控制器均采用电位器调节的方法。
　　在该控制器中，用电位器取代EM78P447SB振荡电阻，可以很方便地通过控制主频来调节现场花样变化速度。同时，当电位器阻值相当小时，霓虹灯变化速度非常快，使其看上去常亮，这样还可省掉维修常亮按键，进一步降低了成本。
4．2　光电耦合器的制作
　　市场上销售的光电耦合器价格较高。经过试验发现，霓虹灯控制器中的光电耦合器完全可以自制。自制的光电耦合器由高亮度的发光二极管和光敏电阻组成（光敏电阻选用MG－45型），外套深色热缩套管自加工而成。
4．3　控制器的使用环境
　　一般情况下，控制器使用环境相当恶劣，要认真考虑防潮、散热等因素。同时，可控硅的参数选择相当重要，电流指标要有3倍以上的余量，计算电流时要考虑功率因素，还要考虑加散热片。
4．4　现场维修
　　现场维修时，只要不是控制器中EM78P447SB单片机集成块损坏（一般也不易损坏，可控硅及其限流器件损坏的可能性最大），可以把控制器上的EM78P447SB单片机集成块从集成块座上拔下来，插在新带来的控制器相应插座上，换下损坏的控制器即可，非常方便。