Επιβλέπων Καθηγητής: Γεώργιος Σεργιάδης

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Διπλωματική Εργασία Δημήτρης Κολοβός Επιβλέπων Καθηγητής: Γεώργιος Σεργιάδης Θεσσαλονίκη, Ιούλιος 2015

2 i

3 Περίληψη Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η μέλετη του φωτισμού LED. Στο πρώτο μέρος γίνεται παρουσίαση των φωτομετρικών μεγεθών και των χαρακτηριστικών των πηγών φωτός, καθώς και μια παρουσίαση των χαρακτηριστικών και των χρήσεων των LEDs. Στο δεύτερο μέρος γίνεται παρουσίαση των χαρακτηριστικών, του προγραμματισμού, και των βιβλιοθηκών διασύνδεσης της πλακέτας Arduino Yun. Η εργασία ολοκληρώνεται την εφαρμογή του ασύρματου ελέγχου του χρώματος και της κατάστασης rgb LEDs, με την χρήση του Arduino Yun και της βιβλιοθήκης Adafruit_NeoPixel, μέσω wifi διασύνδεσης και html διεπιφάνειας χρήσης. ii

4 iii

5 Abstract The present thesis aims to further explore LED lighting. In the first part the photometric quantities and the features of light sources are presented. In addition, the features and uses of LEDs are discussed. In the second part, the features, programming and interface libraries of the Arduino Yun board are described. The thesis concludes with the application of wireless control of color and situation rgb LEDs, using Arduino Yun and the libray Adafruit_NeoPixel, through wifi interconnection and html user interface. iv

6 v

7 Περιεχόμενα Περίληψη Abstract Περιεχόμενα ii iv vi Κεφάλαιο 1 Βασικά Φωτοτεχνικά 1.1 Εισαγωγή Φωτοτεχνικά Το φως ως ακτινοβολία Φωτομετρία Φωτομετρικά μεγέθη Φωτεινή ένταση Ένταση φωτισμού Φωτεινότητα 1.5 Λευκό χρώμα / Χρωματικό διάγραμα Ελλείψεις MacAdam 1.6 Απόδοση Χρώματος Χαρακτηριστικά των πηγών φωτός 7 Κεφάλαιο 2 Εισαγωγή στα LEDs 2.1 Εισαγωγή LEDs Τεχνολογικά pn ένωση Δείκτης Διάθλαση Μεταβατικές επιστρώσεις Αποδοτικότητα και παράμετροι λειτουργίας Πτώση Αποδοτικότητας Διάρκεια ζωής και αποτυχία 2.3 Χρώματα και Υλικά Λευκό φως Συστήματα RGB Φωσφορούχα LEDs 2.4 Τύποι Μινιατούρες Μεσαίας Κατηγορίας Υψηλής ισχύος 2.5 Χρήση Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα vi

8 2.6 Εφαρμογές Δείκτες και Σήματα Φωτισμός Επικοινωνία δεδομένων Πηγές φωτός για τα συστήματα τεχνητής όραση Κεφάλαιο 3 Arduino Yun 3.1 Περιγραφή aurduino yun Περίληψη χαρακτηριστικών Ισχύς Είσοδοι / Έξοδοι Μνήμη 3.2 Επικοινωνία OpenWrt-Yun Web services Διαμόρφωση του wifi της πλακέτας 3.3 Λογισμικό Περιβάλλον ανάπτυξης του Arduino Sketches Βιβλιοθήκη γέφυρας Βιβλιοθήκη Adafruit_NeoPixel HTML JavaScript Κεφάλαιο 4 Εφαρμογή 4.1 Υλικό εφαρμογής LEDs Arduino Yun Συνδεσμολογία 4.2 Παρουσίαση εφαρμογής Περαιτέρω μελέτη Προγραμματισμός Arduino Sketch Html κώδικας JavaScript κώδικας Βιβλιογραφία...35 vii

9

10 ΜΕΡΟΣ 1 Βασικά Φωτοτεχνικά Εισαγωγή Στα LEDs

11 1.1 Εισαγωγή Φωτοτεχνικά Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα του οποίου το μήκος κύματος βρίσκεται στο ορατό φάσμα. Η ενέργεια του φωτός μετριέται σε watt. Το σύνολο των μεγεθών που χρησιμοποιούνται για το φυσικό χαρακτηρισμό του φωτός είναι η ραδιομετρία. Το πώς / πόσο γίνεται αντιληπτό το φως, για παράδειγμα, τι χρώμα ή πόσο έντονο είναι εξαρτάται από το ανθρώπινο μάτι και τον εγκέφαλο. Η ανθρώπινη όραση ανταποκρίνεται στα μήκη κύματος από 380 nm έως 780 nm περίπου. Το σύνολο των μεγεθών που χρησιμοποιούνται για το χαρακτηρισμό του πώς το φως γίνεται αντιληπτό από τον άνθρωπο είναι η φωτομετρία. Μία πηγή φωτός χαρακτηρίζεται από το φάσμα εκπομπής της. Οι μηχανικοί φωτισμού ενδιαφέρονται για την ποσότητα και το χρώμα του φωτός, όχι μόνο από την πηγή, αλλά και για την απορρόφηση και τις ανακλάσεις στις επιφάνειες που φωτίζονται. Σκοπός είναι να μελετηθεί το πώς ο τελικός χρήστης αντιλαμβάνεται το φως. Με βάση τα κριτήρια του σχεδιασμού τα σημαντικά μεγέθη μεταβάλλονται. Για τον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, συχνά μόνο τα lumens και η θερμοκρασία χρώματος έχουν σημασία. Για το σχεδιασμό ενδείξεων, η ένταση του φωτός είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας. Για το σχεδιασμό οθόνης, η φωτεινότητα είναι το πιο σημαντικό μέγεθος. 1.2 Το φως ως ακτινοβολία Η ενέργεια είναι ανάλογη προς τη συχνότητα του φωτός, μέσω της εξίσωσης Planck- Einstein, E = hf, όπου h είναι η σταθερά Planck και f η συχνότητα. Η ενέργεια που παράγεται από το φως μετράται σε joules. Η ενέργεια ανά δευτερόλεπτο είναι η ισχύς και δίνεται σε watt. 1

12 Το φως αναφέρεται κυρίως από το μήκος κύματος του. Η συχνότητα f, το μήκος κύματος λ και η ταχύτητα του φωτός c σχετίζονται με τη σχέση c=fλ, οπότε με βάση την εξίσωση που δόθηκε στην προηγούμενη παράγραφο έχουμε τελικά E = hc / λ. Για παράδειγμα, 475 nm είναι το μπλε φως και 650 nm είναι το κόκκινο φως. Ως εκ τούτου, το μικρότερου μήκους κύματος μπλε φως έχει υψηλότερη ενέργεια από το μεγαλύτερου μήκους κύματος κόκκινο φως. Το φως μίας και μόνο συχνότητας ονομάζεται μονοχρωματικό φως. Αυτό το φως συναντάται για παράδειγμα στο φως του λέιζερ ή ενός φίλτρου χρώματος. Ωστόσο, οι περισσότερες πηγές φωτός παράγουν ένα συνδυασμό χρωμάτων. Η ακτινοβολούμενη ισχύς ενός τέτοιου φωτός είναι το άθροισμα της ισχύος σε κάθε συχνότητα. Όταν αναφέρεται σε πηγές φωτός, ο όρος ισχύς ακτινοβολίας συχνά αντικαθίσταται από τον όρο ροή ακτινοβολίας. H ροή αναφέρεται στη συνολική ισχύ που ακτινοβολείται προς όλες τις κατευθύνσεις, ανεξάρτητα από το πόση περιοχή θα παρακολουθηθεί. 1.3 Φωτομετρία Το ανθρώπινο μάτι δεν είναι το ίδιο ευαίσθητο σε όλα τα μήκη κύματος του ορατού φωτός. Η φωτομετρία προσπαθεί αυτό το λογαριασμό ζυγίζοντας την μετρούμενη ισχύ σε κάθε Φωτομετρική καμπύλη μήκος κύματος μ ένα συντελεστή που αντιπροσωπεύει το πόσο ευαίσθητο είναι το μάτι σε αυτό τ ο μ ή κ ο ς κ ύ μ α τ ο ς. Τ ο τυποποιημένο μοντέλο της ανταπόκρισης του ματιού στο φως ως συνάρτηση του μήκους κ ύ μ α τ ο ς δ ί ν ε τ α ι α π ό τ η συνάρτηση φωτεινότητα. Όλες οι ποσότητες που σταθμίζονται από την ανταπόκριση των ματιών είναι οι φωτομετρικές ποσότητες. Για κάθε ραδιομετρικό μέτρο υ π ά ρ χ ε ι έ ν α ι σ ο δ ύ ν α μ ο φ ω τ ο μ ε τ ρ ι κ ό μ έ τ ρ ο. Ο ι φωτομετρικές ποσότητες μετρούνται σε lumens. Η λέξη φωτομετρικές αναφέρεται στο ορατό φάσμα του φωτός στο οποίο το ανθρώπινο μάτι ανταποκρίνεται. Οι φωτομετρικές ποσότητες σταθμίζονται από τη φωτοπική όραση ή όραση έντονου φωτός και από την σκοτοπική όραση ή νυχτερινή όραση. Η κορυφή της φωτοπικής όρασης είναι στα 555 nm (κίτρινο πράσινο). Τα ανθρώπινα μάτια είναι πιο ευαίσθητα σε αυτό το πράσινο χρώμα. Αυτός είναι ο λόγος που ένα πράσινο λέιζερ φαντάζει πολύ καλύτερο σε σύγκριση με μπλε ή κόκκινους δείκτες λέιζερ με την ίδια ισχύ. 2

13 Η μετατροπή μεταξύ ροής ακτινοβολίας και φωτεινής ροής εξαρτάται από το φασματικό μήκος κύματος του φωτός. Στη φωτοπική όραση, αν πάρουμε ένα 1W πράσινο φως στην κορυφή της ανταπόκρισης των ματιών, δηλαδή στα 555 nm, τότε η φωτεινή ροή είναι 683 lm. Σε αυτή την κορυφή υπάρχει μετατροπή 100% των ακτινοβολούμενων watt σε lumens. Αυτή είναι η μέγιστη αποτελεσματικότητα καθώς 1W οποιουδήποτε άλλου μήκους κύματος ή χρώματος του φωτός θα μετατραπεί σε λιγότερα lumens. 1.4 Φωτομετρικά μεγέθη Φωτεινή ένταση Στερεά γωνία Η ποσότητα της φωτεινής έντασης (Ilum) προσθέτει κατευθυντικό στοιχείο στη φωτεινή ροή. Είναι η ποσότητα του φωτός που ακτινοβολείται σε μια ορισμένη γωνία δύο διαστάσεων, τη στερεά γωνία που μετράται σε στερακτίνια (SR). Η στερεά γωνία θ κορυφής Ο είναι εμβαδόν Α τμήματος σφαίρας ακτίνας R με κέντρο το Ο, το οποίο ισούται με θr 2. Δηλαδή, η στερεά γωνία έχει τύπο θ = Α/R 2. Στο SI η μονάδα μέτρησης της φωτεινής έντασης είναι το candela (cd). Ένα candela είναι ισοδύναμο με ένα lumen / sr. Ένα candela είναι περίπου η ένταση φωτός ενός κεριού. Για μια αυθαίρετη γωνία θ, η στερεά γωνία Ω μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο Ω = 2π (1 - cos (θ)) Ένταση φωτισμού Η ένταση φωτισμού είναι η πυκνότητα της φωτεινής ροής που δέχεται σημείο μιας επιφάνειας, κάθετα τοποθετημένης στη διεύθυνση διάδοσης του φωτός, και ορίζεται ως το πηλίκο της φωτεινής ροής ανά μονάδα επιφάνειας. Η μονάδα μέτρησης της έντασης φωτισμού είναι το Lux (1 Lux = Lm m -2 ). Σημειώνεται ότι το μέτρο Lux είναι μικρότερο από 100 και είναι ο ευκολότερος τρόπος για να μετρηθεί το φως. Ωστόσο, το μέτρο αυτό είναι αρκετά ευαίσθητο στην ακριβή απόσταση από την πηγή λόγω του νόμου του αντιστρόφου τετραγώνου. Φωτισμός 3

14 1.4.3 Φωτεινότητα Η φωτεινότητα είναι ένας συνδυασμός της φωτεινής έντασης και της έντασης φωτισμού. Αποτυπώνει το πόσο φως χτυπάει (ή βγαίνει από) μια επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας (όπως έντασης φωτισμού) ανά στερεά γωνία (όπως φωτεινή ένταση). Έτσι, η μονάδα της φωτεινότητας είναι το candela/m 2 (ονομάζεται επίσης και nit). Ουσιαστικά, η φωτεινότητα είναι ένα μέτρο του πόσο φωτεινή φαίνεται μία επιφάνεια σε ένα ανθρώπινο μάτι σε μία καθορισμένη γωνία προς την επιφάνεια. Η κύρια σημερινή της χρήση είναι να χαρακτηρίζει τον καθορισμό της φωτεινότητας των οθονών. Φωτεινότητα επιφάνειας Α 1.5 Λευκό χρώμα / Χρωματικό διάγραμμα Στις μονοχρωματικές πηγές φωτός, όπως τα λέιζερ, ή τις σχεδόν μονοχρωματικές, όπως τα έγχρωμα LEDs, το χρώμα του φώτος είναι μια προσδιορισμένη ποσότητα. Στα λευκά LEDs το φάσμα είναι σ υ ν ε χ έ ς, σ ύ ν θ ε σ η διαφορετικών χρωμάτων. Δ ρ α μ α τ ι κ ά δ ι α φ ο ρ ε τ ι κ ά φάσματα μπορούν όλα τους να θεωρούνται λευκό φως. Το φάσμα του μήκους κύματος μπορεί να απεικονιστεί ως ένα σημείο σε ένα χρωματικό χώρο που εκπροσωπεί το προκύπτον χρώμα, τα (x, y) ονομάζονται χρωματικές συντεταγμένες. Σε αυτόν τον RGB χρωματικό χώρο, ένα χρώμα απεικονίζεται ω ς μ ί ξ η α π ό δ ι ά φ ο ρ ε ς ποσότητες κόκκινου, πράσινου κ α ι μ π λ ε χ ρ ώ μ α τ ο ς. Τ α χρώματα σε αυτό το διάγραμμα είναι ιδιαίτερα κορεσμένα. Χρωματικό διάγραμμα, τόπος Planck 4

15 Στο κέντρο του χρωματικού χώρου υπάρχει μια περιοχή γενικά λευκού χρώματος, όπου το κόκκινο, το πράσινο και το μπλε προστίθενται εξίσου. Σημείο αναφοράς για το λευκό φως είναι ένα μέλαν σώμα. Το μέλαν σώμα θα εκπέμψει διαφορετικό χρώμα φωτός σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Τα χρώματα των θερμοκρασιών μεταξύ 2700 Κ και Κ είναι όλα αντιληπτά ως λευκό φως από το ανθρώπινο μάτι. Αυτό αποτελεί τον τόπο Planck και απεικονίζεται ως μια καμπύλη γραμμή στο κέντρο του χρωματικού χώρου. Οι θερμοκρασίες σε Kelvin αναφέρονται ως θερμοκρασία χρώματος. Για παράδειγμα, ο ήλιος το μεσημέρι στον Ισημερινό έχει θερμοκρασία χρώματος 6500 K. Κατά το δειλινό, η θερμοκρασία χρώματος θα είναι πολύ χαμηλότερη και έχει κοκκινωπό χρώμα. Ο λαμπτήρας πυρακτώσεως έχει θερμοκρασία χρώματος περίπου 2700 Κ, ενώ λαμπτήρας πυρακτώσεως αλογόνου έχει 3000 K. Οι πηγές φωτός των οποίων η φασματική κατανομή είναι διαφορετική από το μέλαν σώμα δεν ταυτίζονται με τον τόπο Planck. Μπορεί, ωστόσο, το χρώμα τους να ταιριάζει με μια παρόμοια θερμοκρασία χρώματος με τον τόπο Planck. Γ ι α τ ι ς π η γ έ ς α υ τ έ ς χρησιμοποιείται ο όρος της συσχετιζόμενης θερμοκρασίας χρώματος (correlated color temperature, CCT). Η CCT ακολουθεί τις ισοθερμικές Φάσμα ισχύος LED, για διαφορά CCT γραμμές (ίση θερμοκρασία χρώματος). Ο όρος θερμό λευκό έχει οριστεί ως τυποποίηση για να βοηθήσει τους καταναλωτές να έχουν καλύτερη εικόνα για το χρώμα του φωτός του λαμπτήρα και αναφέρεται για CCT στους 2700 K και 3000 K, ενώ ο όρος λευκό είναι για τους 3500 K, ο όρος ψυχρό λευκό είναι στους 4100 K και το φως ημέρας στους 5000 K και 6500 K Ελλείψεις MacAdam Ένα σημείο που αποτυπώνεται στο χρωματικό χώρο είναι ένα ισοδύναμο χρώμα όπως αυτό γίνεται αντιληπτό από έναν παρατηρητή. Η περιορισμένη ε υ α ι σ θ η σ ί α τ ο υ μ α τ ι ο ύ δημιουργεί μια ελλειψοειδή περιοχή στην οποία δεν μπορεί να γίνει αντιληπτή η διαφορά του χρώματος. Αυτές οι περιοχές ονομάζονται ελλείψεις MacAdam ( M a c A d a m ) κ α ι χρησιμοποιούνται ως βάση για τις δεξαμενές χρώματος των LEDs Ελλείψεις MacAdam, 7-βήματος και των λαμπτήρων φθορισμού. 5

16 Οι ελλείψεις MacAdam έχουν βήματα, τα οποία είναι οι τυπικές αποκλίσεις στο γενικό πληθυσμό. Η έλλειψη πρώτου-βήματος σημαίνει ότι η διαφορά χρώματος μεταξύ του κέντρου της έλλειψης και της άκρης της έλλειψης μπορεί να παρατηρηθεί μόνο από το 68% του πληθυσμού. Ένα άκρο της έλλειψης με το ακριβώς απέναντι σημείο είναι δύο τυπικές αποκλίσεις ή 96%. Μελέτες έχουν δείξει ότι η τρίτου-βήματος έλλειψη είναι η πιο αντιπροσωπευτική εκτίμηση της διάκρισης χρωμάτων. 1.6 Απόδοση Χρώματος Οι πηγές φωτός με διαφορετική θερμοκρασία χρώματος φαίνονται όλες λευκές, τα αντικείμενα που φωτίζονται όμως μπορεί να φαίνονται πολύ διαφορετικά. Όλες οι πηγές φωτός φαίνονται λευκές στο μάτι, επειδή ο εγκέφαλος τις ερμηνεύει με αυτόν τον τρόπο. Ακόμη και το περιορισμένο φάσμα του φωτός φθορισμού φαίνεται άσπρο, επειδή το μάτι είναι ουσιαστικά ένας αισθητήρας τριών φορέων. Το διακρινόμενο χρώμα του αντικειμένου που φωτίζεται εξαρτάται από τη φασματική κατανομή της φωτεινής πηγής. Το αντικείμενο μπορεί να αντανακλά μόνο τα χρώματα που υπάρχουν στην πηγή φωτός. O δείκτης χρωματικής απόδοσης (color rendering index, CRI) είναι ένα ποσοτικό μέτρο της ικανότητας μιας φωτεινής πηγής στην απόδοση του χρώματος των αντικειμένων σε σχέση με μια ιδανική ή φυσική πηγή φωτός. Η διεθνή επιτροπή φωτισμού CIE (1995) όρισε τα αρχικά δείγματα χρώματος δοκιμής. Χρώματα δοκιμής CRΙ, για διάφορες τιμές. Τα πρώτα οκτώ δείγματα είναι σχετικά χαμηλά κορεσμένα χρώματα και είναι ομοιόμορφα κατανεμημένα σε όλη την γκάμα των αποχρώσεων. Τα οκτώ αυτά δείγματα χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του γενικού δείκτη χρωματικής απόδοσης R_a. Τα τελευταία έξι δείγματα παρέχουν συμπληρωματικές πληροφορίες 6

17 σχετικά με τις ιδιότητες χρωματικής απόδοσης της πηγής φωτός. Τα τέσσερα πρώτα για τον υψηλό κορεσμό και τα δύο τελευταία ως εκπρόσωποι γνωστών αντικειμένων. Οι φωτεινές πηγές με υψηλό CRI είναι προτιμητέες σε εφαρμογές που το χρώμα έχει κρίσιμο παράγοντα. Η υψηλότερη δυνατή αριθμητική τιμή του CRI είναι 100, που αντιστοιχεί σε μια πηγή ταυτόσημη με το τυποποιημένο φως της ημέρας ή του μέλανος σώματος, ενώ λαμβάνει αρνητικές τιμές για ορισμένες πηγές φωτός. Οι πηγές φθορισμού κυμαίνονται από 50 για τους βασικούς τύπους μέχρι 90 για τους τύπους τρι-φωσφόρου. Τυπικές τιμές CRI των LEDs είναι περίπου Χαρακτηριστικά των πηγών φωτός Οι κύριοι παράμετροι χαρακτηρισμού των πηγών φωτός είναι: -ποιότητα φωτός : Τα δύο βασικά μέτρα είναι: η θερμοκρασία χρώματος (CCT) και ο δείκτης χρωματικής απόδοσης (CRI). Αυτά τα δύο δίνουν μια ευρεία επισκόπηση για την πηγή. -αποτελεσματικότητα : Το κύριο χαρακτηριστικό των πηγών φωτός είναι η αποτελεσματικότητά τους: το πόσο φως παράγουν σε σχέση με το πόση ενέργεια καταναλώνουν. - χρονισμός : Ο χρόνος που χρειάζεται για να λάβει πλήρη φωτεινότητα καθώς και οι μεταβατικές καταστάσεις (χρόνος τρεμοπαίγματος). - έλεγχος της έντασης : Η συμπεριφορά και η δυνατότητα των πηγών στην αυξομείωση της έντασής τους. - γήρανση : Η πτώση της απόδοσής τους με το χρόνο και η μέση διάρκεια ζωής τους. 7

18 2.1 Εισαγωγή LEDs Μια δίοδος φωτοεκπομπής LED (light emitting diode) είναι ένας διπλής οδήγησης ημιαγωγός πηγής φωτός. Είναι μια pn ένωση διόδου, η οποία εκπέμπει φως όταν είναι ενεργή. Καθώς η κατάλληλη τάση εφαρμοστεί στην οδήγηση, τα ηλεκτρόνια της διάταξης επανασυνδέονται με τις οπές, απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή φωτονίων. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ηλεκτροφωταύγεια (electroluminescence) και το χρώμα του φωτός καθορίζεται από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού. Ένα LED είναι συχνά μικρής έκτασης (λιγότερο από 1 mm^2) και ολοκληρωμένα οπτικά στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να διαμορφώσουν το διάγραμμα της ακτινοβολίας τους. Εμφανίζονται ως πρακτικά ηλεκτρονικά στοιχεία το Τα πρώτα LEDs εκπέμπουν χαμηλής έντασης υπέρυθρο φως. Υπέρυθρα LEDs εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται ως στοιχεία μετάδοσης σε κυκλώματα τηλεχειρισμού. Τα πρώτα LEDs ορατού φωτός ήταν επίσης χαμηλής έντασης και περιορίζονταν στο κόκκινο. Τα σύγχρονα LEDs είναι διαθέσιμα σε όλα τα ορατά, υπεριώδη και υπέρυθρα μήκη κύματος με πολύ υψηλή φωτεινότητα. Τα πρώιμα LEDs χρησιμοποιήθηκαν ως ενδείξεις για τις ηλεκτρονικές συσκευές, αντικαθιστώντας τις μικρές λάμπες πυρακτώσεως. Σύντομα συσκευάστηκαν για αριθμητικές ενδείξεις, με τη μορφή των οθονών επτά τμημάτων. Οι πρόσφατες εξελίξεις στα LEDs επέτρεψαν να χρησιμοποιούνται για τον κύριο φωτισμό. Τα LEDs έχουν πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις πηγές πυράκτωσης, όπως για παράδειγμα χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, καλύτερη φυσική ανθεκτικότητα, μικρότερο μέγεθος και ταχύτερη εναλλαγή. Τα LEDs χρησιμοποιούνται σήμερα σε διάφορες εφαρμογές, όπως στο φωτισμό των αερομεταφορών, στους προβολείς των αυτοκινήτων, στη διαφήμιση, στο γενικό φωτισμό, στα σήματα κυκλοφορίας και τα flash της κάμερας. Ωστόσο, τα αρκετά ισχυρά LEDs για το φωτισμό χώρων εξακολουθούν να είναι σχετικά ακριβά και απαιτούν ακριβέστερη διαχείριση ρεύματος και θερμότητας σε σύγκριση με τους συμπαγείς λαμπτήρες φθορισμού. 2.2 Τεχνολογικά pn ένωση Το LED αποτελείται από ένα τσιπ ημιαγωγού υλικού ενισχυμένο με προσμείξεις για να δημιουργηθεί μια επαφή pn. Όπως και σε άλλες διόδους, το ρεύμα ρέει εύκολα από την p-πλευρά ή άνοδο προς την n-πλευρά ή κάθοδο, αλλά όχι προς την αντίστροφη κατεύθυνση. Όταν ένα ηλεκτρόνιο συναντά μια οπή, πέφτει σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο απελευθερώνοντας την ενέργεια με τη μορφή ενός φωτονίου. Το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός, και κατά συνέπεια το χρώμα του, εξαρτάται από την ενέργεια του διακένου ζώνης των υλικών που αποτελούν τη σύνδεση pn. Σε διόδους πυριτίου ή γερμανίου τα ηλεκτρόνια και οι οπές συνήθως ανασυνδέονται με μια μη-ακτινοβολούσα μετάπτωση, η οποία δεν παράγει οπτική εκπομπή, διότι αυτά τα υλικά είναι έμμεσου ενεργειακού διάκενου. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για τα LEDs έχουν άμεσο ενεργειακό διάκενο, με ενέργειες που αντιστοιχούν σε φως υπέρυθρο, ορατό ή σχεδόν υπεριώδες. Η ανάπτυξη των LEDs ξεκίνησε με υπέρυθρα και κόκκινα στοιχεία που κατασκευάστηκαν από αρσενικούχο γάλλιο. Οι πρόοδοι στην επιστήμη των υλικών 8

19 έκαναν δυνατή την κατασκευή στοιχείων με ακόμα μικρότερα μήκη κύματος, εκπέμποντας φως σε ποικιλία χρωμάτων. Τα LEDs συνήθως είναι δομημένα σε ένα υπόστρωμα n-τύπου, με το στρώμα p-τύπου να αποτίθεται επί της επιφανείας του. Υποστρώματα p-τύπου, ενώ είναι λιγότερο συχνά, εμφανίζονται επίσης. Πολλά εμπορικά LEDs, ειδικά τ α GaN/InGaN, χ ρ η σ ι μ ο π ο ι ο ύ ν ε π ί σ η ς υπόστρωμα ζαφειριού. Τα περισσότερα υλικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή LEDs έχουν πολύ υ ψ η λ ο ύ ς δ ε ί κ τ ε ς διαθλάσεως. Αυτό σημαίνει ότι μεγάλο μέρος του φωτός θα ανακλάται πίσω μέσα στο υ λ ι κ ό σ τ η δ ι ε π ι φ ά ν ε ι α υ λ ι κ ο ύ / α έ ρ α. Έ τ σ ι, η διάθλαση του φωτός είναι μια σ η μ α ν τ ι κ ή π τ υ χ ή τ η ς pn ένωση παραγωγής των LEDs, που υπόκεινται σε μεγάλη έρευνα και ανάπτυξη Δείκτης Διάθλαση Οι γυμνοί μη επικαλυμμένοι ημιαγωγοί όπως αυτός του πυριτίου παρουσιάζουν έναν πολύ υψηλό δείκτη διάθλασης σε σχέση με τον αέρα, ο οποίος εμποδίζει το πέρασμα των φωτονίων που φθάνουν σε οξείες γωνίες στην επιφάνεια επαφής αέρα - ημιαγωγού. Αυτή η ιδιότητα επηρεάζει την αποτελεσματικότητα της εκπομπής φωτός των LEDs. Ο δείκτης διάθλασης του πυριτίου είναι 3,96 (590 nm), ενώ του αέρα είναι 1, Γενικά, μια μη επικαλυμμένη επίπεδη επιφάνεια ενός τσιπ ημιαγωγού LED θα εκπέμπει φως μόνο κάθετα προς την επιφάνεια του ημιαγωγού, καθώς και μερικές μοίρες προς την πλευρά αυτή σε σχήμα κώνου που αναφέρεται ως κώνος φωτός ή κώνος διαφυγής. Η μέγιστη γωνία πρόσπτωσης αναφέρεται ως κρίσιμη γωνία. Όταν ξεπεραστεί η γωνία αυτή, τα φωτόνια ανακλώνται εσωτερικά εντός του ημιαγωγού κρυστάλλου, σαν να ήταν ένας καθρέφτης.οι εσωτερικές ανακλάσεις μπορούν να ξεφύγουν από άλλες του κρυστάλλου, αν η γωνία πρόσπτωσης είναι αρκετά μικρή και ο κρύσταλλος είναι επαρκώς διαφανής ώστε να μην επαναπορροφά την εκπομπή των φωτονίων. Αλλά για ένα απλό τετράγωνο LED με 90 μοίρες γωνία επιφανείας σε όλες τις πλευρές, οι επιφάνειες όλες δρουν σε ίσες γωνίες ως καθρέφτες. Στην περίπτωση αυτή, το μεγαλύτερο μέρος του φωτός δεν μπορεί να ξεφύγει και χάνεται ως θερμότητα στον κρύσταλλο.το ιδανικό σχήμα ενός ημιαγωγού με μέγιστη απόδοση φωτός είναι το μικροσφαιρίδιο με την εκπομπή φωτονίων να συμβαίνει ακριβώς στο κέντρο, με ηλεκτρόδια που διαπερνούν το κέντρο και επικοινωνούν στο σημείο εκπομπής. Όλες οι ακτίνες φωτός που προέρχονται από το κέντρο θα είναι 9

20 κάθετες σε ολόκληρη την επιφάνεια της σφαίρας, με αποτέλεσμα να μην παρατηρείται καμία εσωτερική ανάκλαση. Ένα ημισφαιρικό ημιαγωγών θα μπορούσε να λειτουργήσει και με την επίπεδη πίσω επιφάνεια να χρησιμεύει ως καθρέφτης Μεταβατικές επιστρώσεις Μετά το ντόπινγκ του πλακιδίου, αυτό τεμαχίζεται σε επιμέρους μήτρες. Κάθε μήτρα συνήθως ονομάζεται τσιπ (chip). Πολλά τσιπ ημιαγωγών LED ενθυλακώνονται ή ευρίσκονται εντός θήκης μορφοποιημένου πλαστικού κελύφους, το οποίο είναι διαφανές ή χρωματιστό. Το πλαστικό αυτό περίβλημα εξυπηρετεί τρεις σκοπούς: 1. Είναι πιο εύκολο να επιτευχθεί η τοποθέτηση του τσιπ ημιαγωγού σε συσκευές. 2. Η μικροσκοπική εύθραυστη ηλεκτρική καλωδίωση υποστηρίζεται και προστατεύεται από φθορές. 3. Το πλαστικό δρα ως μεσάζων μεταξύ του ημιαγωγού με σχετικά υψηλό δείκτη διάθλασης και του χαμηλού δείκτη στον αέρα. Το τρίτο χαρακτηριστικό βοηθά στην ενίσχυση της εκπομπή φωτός από τον ημιαγωγό, ενεργώντας ως φακός διάχυσης, επιτρέποντας στο φως να εκπέμπεται σε μια πολύ μεγαλύτερη γωνία πρόσπτωσης από τον κώνο φωτός που το χωρίς κάλυψη τσιπ είναι σε θέση να εκπέμπει Αποδοτικότητα και παράμετροι λειτουργίας Τα τυπικά LEDs ένδειξης έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν όχι με περισσότερο από milliwatts (mw) ηλεκτρική ενέργεια. Γύρω στο 1999, η Philips Lumileds εισήγαγε τα LEDs ισχύος με ικανότητα συνεχούς χρήσης στο ένα Watt. Αυτά τα LEDs χρησιμοποιούν πολύ μεγαλύτερα μεγέθη ημιαγωγού για να χειριστούν τη μεγάλη ενέργεια εισόδου. Επίσης, οι ημιαγωγοί τοποθετήθηκαν επάνω σε κομμάτι μετάλλου για να επιτρέψει την απομάκρυνση της θερμότητας από το LED.Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των LEDs βασικών πηγών φωτισμού είναι η υψηλή απόδοση φωτός. Τα λευκά LEDs γρήγορα προσπέρασαν την αποτελεσματικότητα των τυποποιημένων συστημάτων φωτισμού πυρακτώσεως. Το 2002 η Lumileds προσφέρει μια απόδοση φωτός των lumens ανά watt (lm / W) για LEDs των πέντε watts. Για σύγκριση, ένας συμβατικός λαμπτήρας πυρακτώσεως των 60 watts εκπέμπει περίπου 15 lm / W και οι πρότυποι λαμπτήρες φθορισμού εκπέμπουν έως 100 lm / W. Χρώμα Εύρος μήκους κύματος (nm) Τυπική απόδοση (lm/w) Κόκκινο 620<λ< Πορτοκαλί 610<λ< Πράσινο 520<λ< Κυανό 490<λ< Μπλέ 460<λ< Από το 2012 εκδίδεται ο κατάλογος Lumiled που ακολουθεί την καλύτερη αποτελεσματικότητα για κάθε χρώμα. Αυτές οι αποδόσεις είναι για ένα μόνο τσιπ LED που παρατηρήθηκαν σε χαμηλή θερμοκρασία σε εργαστήριο. Ο φωτισμός λειτουργεί 10

21 σε υψηλότερη θερμοκρασία και με απώλειες του κυκλώματος οδήγησης και έτσι οι αποδόσεις είναι πολύ χαμηλότερες Πτώση Αποδοτικότητας Η πτώση αποδοτικότητας είναι η μείωση (έως και 20%) στην απόδοση φωτός των LEDs, καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα αυξάνει πάνω από δεκάδες milliamps (ma). Εκτός του ότι είναι λιγότερο αποτελεσματικά, η λειτουργία των LEDs σε υψηλότερα ηλεκτρικά ρεύματα δημιουργεί υψηλότερα επίπεδα θερμότητας που μειώνουν την διάρκεια ζωής του LED. Λόγω αυτής της αύξησης της θερμότητας σε υψηλότερα ρεύματα, τα LEDs υψηλής φωτεινότητας έχουν βιομηχανικό πρότυπο λειτουργίας στα 350 ma, το οποίο είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ του φωτός εξόδου, της αποτελεσματικότητας, και τη μακροζωίας Διάρκεια ζωής και η αποτυχία Τα στερεάς κατάστασης στοιχεία όπως τα LEDs υπόκεινται σε πολύ περιορισμένη φθορά, εάν λειτουργούν σε χαμηλά ρεύματα και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Πολλά από τα LEDs που έχουν παραχθεί στη δεκαετία του 1970 και του 1980 είναι ακόμα σε λειτουργία στις αρχές του 21ου αιώνα. Τυπικοί χρόνοι ζωής που αναφέρονται είναι από έως ώρες, αλλά οι μεταβολές στην θερμότητα και στο ρεύμα μπορούν να παρατείνουν ή να μειώσουν σημαντικά το διάστημα αυτό. Το πιο κοινό σύμπτωμα αποτυχίας των LEDs είναι η σταδιακή μείωση του φωτός και η μείωση της αποτελεσματικότητάς τους. Ξαφνική αποτυχία, αν και σπάνια, μπορεί επίσης να συμβεί. Στα πρόωρα κόκκινα LEDs ήταν αξιοσημείωτη η σύντομη διάρκεια ζωής τους. Με την ανάπτυξη των LEDs υψηλής ισχύος οι συσκευές αυτές υποβάλλονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες και υψηλότερα ρεύματα από τα παραδοσιακά στοιχεία, γεγονός που προκαλεί πίεση στο υλικό και μπορεί να προκαλέσει πρώιμη υποβάθμιση του φωτός εξόδου. Για να ταξινομηθεί ποσοτικά η ωφέλιμη διάρκεια ζωής με τυποποιημένο τρόπο έχει προταθεί να χρησιμοποιούνται οι όροι L70 και L50, οι οποίοι είναι ο χρόνος που θα χρειαστεί ένα συγκεκριμένο LED για να φτάσει το 70% και 50% φωτός εξόδου αντίστοιχα. Η απόδοση των LEDs εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Οι περισσότεροι κατασκευαστές των LEDs συστήνουν ως θερμοκρασία λειτουργίας τους 25 C. Το φως εξόδου των LEDs αυξάνει σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και σταθεροποιείται, ανάλογα με τον τύπο, περίπου στους -30 C. 2.3 Χρώματα και Υλικά Τα σύνηθη LEDs κατασκευάζονται από μια ποικιλία ανόργανων ημιαγωγών. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τα διαθέσιμα χρώματα με βάση το εύρος μήκους κύματος, την πτώση τάσης και το υλικό: 11

22 Χρώμα Εύρος Μήκους Κύματος (nm) Πτώση Τάσης (ΔV) Υλικό Ημιαγωγού Υπερυθρές λ>760 ΔV<1.63 αρσενικούχο γάλλιο (GaAs) αρσενικούχο γαλλίου αλουμίνιου (AlGaAs) Κόκκινο 610<λ< <ΔV<2.03 αρσενικούχο γαλλίου αλουμίνιου (AlGaAs) αρσενικούχο γάλλιο φωσφόρου (GaAsP) φωσφιδίο αλουμινίου γαλλίου ινδίου (AlGaInP) φωσφίδιο γαλλίου (ΙΙΙ) (GAP) Πορτοκαλί 590<λ< <ΔV<2.10 αρσενικούχο γάλλιο φωσφόρου (GaAsP) φωσφιδίο αλουμινίου γαλλίου ινδίου (AlGaInP) φωσφίδιο γαλλίου (ΙΙΙ) (GAP) Κίτρινο 570<λ< <ΔV<2.18 αρσενικούχο γάλλιο φωσφόρου (GaAsP) φωσφιδίο αλουμινίου γαλλίου ινδίου (AlGaInP) φωσφίδιο γαλλίου (ΙΙΙ) (GAP) Πράσινο 500<λ< <ΔV<4.0 φωσφιδίο αλουμινίου γαλλίου ινδίου (AlGaInP) φωσφίδιο γαλλίου (ΙΙΙ) (GAP) φωσφιδίο αλουμινίου γαλλίου (AlGaP) νιτρίδιο γαλλίου (III)(GaN) Μπλε 450<λ< <ΔV<3.7 σεληνιούχος ψευδάργυρος (ZnSe) νιτρίδιο ινδίου του γαλλίου (InGaN) Μωβ 400<λ< <ΔV<4.0 νιτρίδιο ινδίου του γαλλίου (InGaN) Υπεριώδες λ< <ΔV<4.4 νιτρίδιο του βορίου νιτρίδιο αργιλίου (ΑΙΝ) Λευκός ευρύ φάσμα ΔV=3.5 μπλε / UV δίοδος σε συνδυασμό με φωσφορούχα Λευκό φως Δύο είναι οι βασικοί τρόποι για την παραγωγή λευκού φωτός από διόδους εκπομπής (WLEDs). Ο ένας είναι να χρησιμοποιηθούν ξεχωριστά LEDs που θα εκπέμπουν τα τρία βασικά χρώματα -κόκκινο, πράσινο και μπλε- και από την μίξη των χρωμάτων σχηματίζεται λευκό φως. Ο άλλος είναι η χρήση ενός φωσφορούχου υλικού για την μετατροπή του μονοχρωματικό φωτός ενός μπλε ή UV LED σε ευρέος φάσματος λευκό φως, κατά τον ίδιο τρόπο που λειτουργεί ένας λαμπτήρας φθορισμού. 12

23 2.3.2 Συστήματα RGB Τα RGB LEDs αποτελούνται από τρία LEDs. Κάθε LED αποτελείται από ένα κόκκινου, ένα πράσινου και ένα μπλε φωτός LED. Αυτά τα τρία χρωματιστά LED είναι ικανά να παράγουν οποιοδήποτε χρώμα και το λευκό. Επειδή η λειτουργία έχει ανάγκη ηλεκτρονικά κυκλώματα για να ελέγχουν την ανάμιξη και τη διάχυση των διαφορετικών χρωμάτων, και επειδή το κάθε ξεχωριστού χρώματος LED έχει συνήθως ελαφρώς διαφορετικό πρότυπο εκπομπής (που οδηγεί σε μεταβολή του χρώματος ανάλογα με την κατεύθυνση), ακόμα και εάν είναι κατασκευασμένα ως ενιαία μονάδα, τα RGB LEDs σπάνια χρησιμοποιούνται για την παραγωγή λευκού φωτισμού. RGB LED Παρ' όλα αυτά, η μέθοδος αυτή είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα σε πολλές χρήσεις λόγω της ευελιξίας στην ανάμειξη διαφορετικών χρωμάτων, και κυρίως γιατί ο μηχανισμός αυτός έχει υψηλότερη κβαντική απόδοση στην παραγωγή του λευκού φωτός. Υπάρχουν διάφοροι τύποι των λευκών πολυ-χρωματικών LEDs: δι-χρωματικά, τρι-χρωματικά και τετρα-χρωματικά LEDs. Πολλοί βασικοί παράγοντες συνυπολογίζονται μεταξύ αυτών των διαφορετικών μεθόδων, όπως η σταθερότητα χρώματος, η δυνατότητα απόδοσης των χρωμάτων και η φωτεινή απόδοση. Συχνά, υψηλότερη απόδοση σημαίνει χαμηλότερη χρωματική α π ό δ ο σ η, ο δ η γ ώ ν τ α ς σ ε μ ι α εξισορρόπηση μεταξύ της φωτεινής απόδοσης και της απόδοσης χρωμάτων. Για παράδειγμα, τα δι-χρωματικά λευκά LEDs έχουν την καλύτερη φωτεινή απόδοση (120 lm / W) αλλά τη χαμηλότερη ικανότητα απόδοσης χρωμάτων. Τα τετρα-χρωματικά έχουν εξαιρετική χρωματική απόδοση αλλά κακή φωτεινή απόδοση. Τα τριχρωματικά λευκά LEDs βρίσκονται στο Φάσμα Ισχύος ενδιάμεσο μεταξύ καλής φωτεινής απόδοσης (> 70 lm / W) και ικανοποιητικής χρωματικής απόδοσης. Τα πολυ-χρωματικά LED δεν προσφέρουν μόνο το σχηματισμό λευκού φωτός, αλλά είναι ένα μέσο για το σχηματισμό διαφόρων χρωμάτων φωτός. Τα περισσότερα αντιληπτά χρώματα μπορούν να σχηματιστούν με την ανάμιξη διαφορετικών ποσοτήτων των τριών βασικών χρωμάτων. 13

24 2.3.3 LEDs επικάλυψης φωσφόρου Αυτή η μέθοδος αποτελείται από ένα μονοχρωματικό LED (συνήθως μπλε LEDs από InGaN) σε συνδυασμό με διάφορα χρώματα φωσφόρου για το σχηματισμό λευκού φωτός. Αυτά τα LEDs ονομάζεται φωσφορούχα ή μετατροπής φωσφόρου λευκά LED. Ένα μέρος του προκύπτοντος μπλε φωτός η μετατόπιση του Stokes το μετασχηματίζει από τα χαμηλότερα μήκη κύματος σε υψηλότερα. Ανάλογα με το αρχικό χρώμα του LED μπορούν να χρησιμοποιηθούν φωσφορούχα διαφορετικών χρωμάτων. Αν εφαρμοστούν πολλά στρώματα φωσφορούχων διαφορετικών χρωμάτων, το φάσμα εκπομπής διευρύνεται, με αποτελεσματικά να αυξάνεται ο δείκτης χρωματικής απόδοσης (CRI). Οι απώλειες απόδοσης των LEDs με βάση το φώσφορο οφείλονται στην απώλεια θερμότητας από τη μετατόπιση του Stokes και σε άλλα θέματα που αφορούν την υποβάθμιση του φωσφορούχου. Η φωτεινή τους απόδοση σε σύγκριση με τα κανονικά LEDs εξαρτάται από τη φασματική κατανομή του προκύπτοντος φωτός και το αρχικό μήκος κύματος του LED. Για παράδειγμα, η φωτεινή αποτελεσματικότητα ενός τυπικού λευκού, κίτρινου φωσφόρου LED κυμαίνεται από 3 έως 5 φορές πάνω από τη φωτεινή αποτελεσματικότητα του αρχικού μπλε LED, λόγω της μεγαλύτερης ευαισθησίας του ανθρώπινου ματιού στο κίτρινο από μπλε. Η απλότητα κατασκευής της μεθόδου φωσφορούχου την καθιστά την πιο δημοφιλή μέθοδο για την παραγωγή υψηλής έντασης λευκού χρώματος LED. 2.4 Τύποι Μινιατούρες Οι μινιατούρες είναι κυρίως μονοκόμματα LEDs που χρησιμοποιούνται ως δείκτες και παράγονται σε διάφορα μεγέθη από 2 έως 8 mm, σε συσκευασίες με οπές ή με επιφάνειες τοποθέτησης. Συνήθως δεν χρησιμοποιούν ξεχωριστή ψύκτρα. Οι τυπικές τιμές του ρεύματος κυμαίνονται από 1 ma έως πάνω από 20 ma. Το μικρό τους μέγεθος καθορίζει ένα φυσικό άνω όριο στην κατανάλωση ενέργειας λόγω της θερμότητας που παράγεται από την υψηλή πυκνότητα ρεύματος και τη δημιουργία ανάγκης για ψύκτρα. Τα συνήθη σχήματα των συσκευασιών είναι στρογγυλά, με θολωτή ή επίπεδη κορυφή, ή ορθογώνια με επίπεδη κορυφή (χρησιμοποιούνται σε οθόνες). Η κάψουλα εγκλεισμού μπορεί επίσης να είναι διαφανής ή έγχρωμη. Μικροσκοπικά LEDs 14

25 Υπάρχουν τρεις κύριες κατηγορίες των μικροσκοπικών LEDs ενιαίου καλουπιού: -Χαμηλού ρεύματος: συνήθης ονομαστική τιμή 2 ma με περίπου 2 V (κατανάλωση περίπου 4 mw). -Τυπικό: 20 ma LED (που κυμαίνεται από περίπου 40 mw έως 90 mw) με περίπου: V για το κόκκινο, πορτοκαλί και κίτρινο, 3,0-3,4 V για το πράσινο και το μπλε, V για μοβ, ροζ, μοβ και λευκό. -Εξαιρετικά υψηλής απόδοσης: 20 ma LED με περίπου 2 V ή 4-5 V, σχεδιασμένο για την ορατότητα με άμεσο ηλιακό φως. -LED των 5 V και 12 V είναι συνηθισμένα σε μικροσκοπικά LED που περιλαμβάνουν κατάλληλη αντίσταση σε σειρά για άμεση σύνδεση με την παροχή Μεσαίας Κατηγορίας Τα LEDs μέσης ισχύος συνήθως τοποθετούνται μέσω οπών και χρησιμοποιούνται όταν η επιθυμητή έξοδος είναι δεκάδες lumens. Μερικές φορές στη δίοδο τοποθετούνται τέσσερις αγωγοί (δύο καθόδου, δύο ανόδου) για καλύτερη θερμική αγωγιμότητα και για να φέρουν ολοκληρωμένο φακό. Αυτά τα LEDs χρησιμοποιούνται πιο συχνά στα πάνελ, σε συστήματα φωτισμού έκτακτης ανάγκης και στην αυτοκινητοβιομηχανία στα πίσω φανάρια. Λόγω της μεγαλύτερης ποσότητας μετάλλου στο LED, μπορούν να χειριστούν υψηλότερα ρεύματα (περίπου 100 ma) Υψηλής ισχύος Τα υψηλής ισχύος (HPLED) ή υψηλής απόδοσης (HOLEDs) μπορούν να οδηγήσουν ρεύματα από εκατοντάδες ma μέχρι περισσότερα από ένα αμπέρ, σε σύγκριση με τις δεκάδες ma των άλλων τύπων LED. Μερικά μπορούν να εκπέμπουν πάνω από χίλια lumens, ενώ έχουν επιτευχθεί πυκνότητες ισχύος μέχρι 300 W / cm2. Καθώς η υπερθέρμανση είναι καταστροφική, τα HPLEDs πρέπει να τοποθετούνται πάνω σε ψύκτρα για να καταστεί δυνατή η απαγωγή της θερμότητας. Εάν δεν έχει αφαιρεθεί η θερμότητα HP LEDs από ένα HPLED, η συσκευή θα αποτύχει σε δευτερόλεπτα. Κάποια HPLED μπορούν να αντικαθιστούν τους λαμπτήρες πυρακτώσεως σε φακό ή να τοποθετηθούν σε σειρά για να σχηματίσουν ένα ισχυρό λαμπτήρα LED. Τέλος, υπάρχει ο νόμος του Haitz που προβλέπει την εκθετική αύξηση της φωτεινότητας και της αποδοτικότητας των LEDs με το χρόνο. 15

26 2.5 Χρήση Πλεονεκτήματα -Αποδοτικότητα: Τα LEDs εκπέμπουν περισσότερα lumens ανά watt από ότι οι λαμπτήρες πυρακτώσεως. Η απόδοση των LEDs δεν εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού. -Χρώμα: Τα LEDs μπορούν να εκπέμπουν το επιθυμητό χρώμα φωτός χωρίς τη χρήση φίλτρων χρώματος, που με τις παραδοσιακές μεθόδους φωτισμού είναι απαραίτητα, μειώνοντας έτσι το κόστος. -Μέγεθος: Τα LEDs μπορούν να είναι πολύ μικρά και να συνδέονται εύκολα με πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων. -On / Off time: Τα LED ανάβουν πολύ γρήγορα. Ένα τυπικό κόκκινο LED ένδειξης επιτυγχάνει την πλήρη φωτεινότητα σε λιγότερο από ένα μικροδευτερόλεπτο. -Εναλλάγη: Τα LEDs είναι ιδανικά για χρήσεις που υπόκεινται σε συχνές on-off εναλλαγές, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως ή φθορισμού οι οποίοι αποτυγχάνουν γρήγορα όταν εναλλάσσονται συχνά. -Dimming: Στα LEDs μπορεί πολύ εύκολα να ρυθμιστεί η ένταση τους, είτε με διαμόρφωση πλάτους παλμού, είτε με μείωση του ρεύματος ορθής φοράς. -Ψυχρό φως: Σε αντίθεση με τις περισσότερες πηγές φωτός, τα LEDs εκπέμπουν πολύ λίγη θερμότητα υπό τη μορφή IR συχνοτήτων που μπορεί να προκαλέσει φθορά σε ευαίσθητα αντικείμενα. Η χαμένη ενέργεια διαχέεται ως θερμότητα μέσω της βάσης του LED. -Αργή αποτυχία: Τα LEDs ως επί το πλείστον αποτυγχάνουν με την εξασθένιση από την πάροδο του χρόνου, παρά με απότομη αποτυχία όπως οι λαμπτήρες πυρακτώσεως. -Διάρκεια ζωής: Τα LEDs μπορούν να έχουν μια μακρά διάρκεια ζωής. Κάποιες εκθέσεις εκτιμούν από έως ώρες την ωφέλιμη ζωή τους, αν και ο χρόνος για να ολοκληρωθεί η αποτυχία μπορεί να είναι μεγαλύτερος. Στους σωλήνες φθορισμού τυπικά έχει εκτιμηθεί από έως ώρες ζωής, ενώ στους λαμπτήρες πυρακτώσεως από έως ώρες. -Μηχανική αντοχή: Τα LEDs είναι στερεάς κατάστασης, με αποτέλεσμα να έχουν μεγάλη αντοχή σε εξωτερικούς κραδασμούς, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες φθορισμού και πυρακτώσεως, οι οποίοι είναι εύθραυστοι. -Εστίαση: Η συσκευασία των LEDs μπορεί να σχεδιαστεί για να εστιάσει το φως που παράγεται με τη χρήση φακών. Οι πηγές πυρακτώσεως και φθορισμού συχνά απαιτούν ένα εξωτερικό ανακλαστήρα για να συλλέγει το φως και να το ανακατευθύνει Μειονεκτήματα -Εξάρτηση Θερμοκρασία: Η απόδοση των LEDs εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος λειτουργίας. Η υπεροδήγηση των LEDs σε υψηλές θερμοκρασίες περιβάλλοντος μπορεί να οδηγήσει σε υπερθέρμανση του τεμαχίου LED, και τελικά σε καταστροφή της συσκευής. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τις χρήσεις στην αυτοκινητοβιομηχανία, στην ιατρική και στο στρατό, όπου οι συσκευές 16

27 πρέπει να λειτουργούν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών και οι οποίες απαιτούν χαμηλά ποσοστά αποτυχίας. -Ευαισθησία Τάσης: Τα LEDs πρέπει να εφαρμόζουν τάση πάνω από το ένα όριο και ένα ρεύμα κάτω από μία τιμή. Το ρεύμα και η διάρκεια ζωής αλλάζει σε μεγάλο βαθμό με μικρή αλλαγή της εφαρμοζόμενης τάσης. -Ποιότητα φώτος: Τα λευκά LEDs έχουν φάσματα που διαφέρουν σημαντικά από ένα μέλαν σώμα, όπως ο ήλιος ή το φως πυρακτώσεως, με αποτέλεσμα να υπάρχει διαφοροποίηση στο αντιληπτό χρώμα των αντικειμένων. -Υψηλό κόστος: Τα LEDs είναι σήμερα πιο ακριβά σε τιμή ανά lumen από ό,τι οι πιο συμβατικές τεχνολογίες φωτισμού. -Εκπομπή πηγής φωτός: Τα μεμονωμένα LEDs δεν προσεγγίζουν μια σημειακή πηγή φωτός με σφαιρική κατανομή του φωτός, αλλά μάλλον μια Lambertian κατανομή. -Ηλεκτρική πολικότητα: Σε αντίθεση με τους λαμπτήρες πυράκτωσης, που φωτίζουν ανεξάρτητα από την ηλεκτρική πολικότητα, τα LEDs ανάβουν μόνο με την κατάλληλη ηλεκτρική πολικότητα. -Πτώση αποδοτικότητας: Η φωτεινή απόδοση των LEDs μειώνεται καθώς το ηλεκτρικό ρεύμα αυξάνεται. Η θέρμανση αυξάνεται με υψηλά ρεύματα και θέτει σε κίνδυνο τη διάρκεια ζωής των LEDs. Αυτές οι εξαρτήσεις θέτουν πρακτικά όρια στην ένταση του ρεύματος ενός LED σε εφαρμογές υψηλής ισχύος. 2.6 Εφαρμογές Οι χρήσεις των LEDs ταξινομούνται σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: -Τα οπτικά σήματα όπου το φως κατευθύνεται περισσότερο ή λιγότερο άμεσα από την πηγή στο ανθρώπινο μάτι, για να μεταφερθεί ένα μήνυμα. -Φωτισμός, όπου το φως αντανακλάται από τα αντικείμενα για να δώσει οπτική απόκριση των αντικειμένων. -Μέτρηση ή αλληλεπίδραση με διεργασίες που δεν περιλαμβάνονται στο φάσμα συχνοτήτων της ανθρώπινης όρασης. -Στενής ζώνης αισθητήρες φωτός όπου τα LED λειτουργούν σε κατάσταση ανάστροφης πόλωσης και αποκρίνονται σε προσπίπτον φως, αντί να εκπέμπουν φως Δείκτες και Σήματα Η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, η χαμηλή ανάγκη συντήρησης και το μικρό μέγεθος των LEDs, έχει οδηγήσει στη χρήση τους ως δεικτών κατάστασης και έτσι εμφανίζονται σε μια ποικιλία εξοπλισμού και εγκαταστάσεων. Λεπτές, ελαφριές οθόνες μηνυμάτων χρησιμοποιούνται στα αεροδρόμια, τους σταθμούς και τις στάσεις ως οθόνες προορισμός. Μονοχρωματικά LEDs χρησιμοποιούνται σε φανάρια, σήματα, σημεία ένδειξης εξόδου, φωτισμό οχημάτων έκτακτης ανάγκης, φώτα πλοήγησης πλοίων και ως χριστουγεννιάτικα λαμπιόνια. 17

28 Χρήση LED ως φωτεινή ένδειξη, οθόνη πληροφοριών, φώτα αυτοκινήτου Λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής τους, τους γρήγορους χρόνους μεταγωγής, και την ικανότητά τους να είναι ορατά στο φως της ημέρας, λόγω της υψηλής έντασης και εστίασης τους, τα LEDs χρησιμοποιούνται στα φώτα των φρένων των αυτοκινήτων, ενώ πολλά οχήματα χρησιμοποιούν τώρα LED για τα πίσω φωτιστικά σώματα τους. Η χρήση στα φρένα βελτιώνει την ασφάλεια, λόγω της μεγάλης μείωσης του χρόνου που απαιτείται για να ανάψει πλήρως, και την αύξηση του χρόνου απόκρισης μέχρι 0,5 δευτερόλεπτα από ό, τι ένας λαμπτήρας πυρακτώσεως Φωτισμός Με την ανάπτυξη των υψηλής απόδοσης και υψηλής ισχύος LEDs έχει καταστεί δυνατή η χρήση τους για κύριο φωτισμό. Λαμπτήρες αντικατάστασης έχουν δημιουργηθεί, καθώς και ειδικά φωτιστικά και λαμπτήρες. Τα LEDs λόγω της μεγάλης διάρκειας ζωής και της μηχανικής αντοχής τους χρησιμοποιούνται ως φώτα δρόμου. Μεγάλες είναι οι δυνατότητες χρήσης των LEDs στον αρχιτεκτονικό φωτισμό κυρίως λόγω της εύκολης και ταχείας αλλαγής του χρώματος αλλά και του μικρού μεγέθους τους Λαμπτήρες Φωτιστικά Σώματα Αρχιτεκτονικός Φωτισμός 18

29 2.6.3 Επικοινωνία δεδομένων Το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση δεδομένων και αναλογικών σημάτων. Οι βοηθητικές συσκευές ακρόασης/μετάφρασης σε σκηνές και σε παρόμοιους χώρους χρησιμοποιούν υπέρυθρα LEDs για να στέλνεται ήχος στους δέκτες των ακροατών. Δίοδοι Εκπομπής Φωτός (καθώς και λέιζερ) χρησιμοποιούνται για την αποστολή δεδομένων σε πολλούς τύπους οπτικών ινών, συνδέσεις που αποτελούν τη ραχοκοκαλιά του διαδικτύου. Εδώ και αρκετά χρόνια, οι υπολογιστές και οι φορητές συσκευές είναι συνήθως εξοπλισμένοι με IrDA διασύνδεση, η οποία τους επιτρέπει να στέλνουν και να λαμβάνουν δεδομένα σε κοντινές συσκευές μέσω υπέρυθρων. Επειδή τα LEDs μπορείτε να μεταβαίνουν κατάσταση εκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο, μπορεί να επιτευχθεί πολύ μεγάλο εύρος ζώνης δεδομένων Πηγές φωτός για τα συστήματα τεχνητής όραση Τα συστήματα τεχνικής όρασης συχνά απαιτούν φωτεινό και ομοιογενή φωτισμό, έτσι ώστε τα χαρακτηριστικά των σημείων ενδιαφέροντος να είναι πιο εύκολο να επεξεργαστούν. Τα LEDs χρησιμοποιούνται συχνά για το σκοπό αυτό, με αυτή να είναι μία από τις κύριες χρήσεις τους. Οι σαρωτές barcode είναι το πιο κοινό παράδειγμα της τεχνητής όρασης, και οι χαμηλού κόστους χρησιμοποιούν κόκκινα LEDs αντί για λέιζερ. Τα οπτικά ποντίκια υπολογιστών είναι επίσης μια άλλη εφαρμογή των LEDs σε τεχνητή όραση, όπου χρησιμοποιούνται για να παρέχεται μια πηγή φωτός στην Σαρωτής Οπτικό ποντίκι επιφάνεια για την κάμερα μινιατούρα μέσα στο ποντίκι. Τα LEDs αποτελούν μια σχεδόν ιδανική πηγή φωτός για τα συστήματα τεχνητής όραση για διάφορους λόγους: -Το μέγεθος της περιοχής που πρέπει να φωτιστεί είναι συνήθως σχετικά μικρό για τα συστήματα τεχνητής όρασης. -Έχουν μικρό μέγεθος, μεγάλη διάρκεια ζωής και με τη χρήση φακών είναι δυνατόν να υπάρχει μεγάλος έλεγχος της κατεύθυνσης του φωτός. 19

30 ΜΕΡΟΣ 2 Arduino Yun Εφαρμογή

31 3.1 Περιγραφή aurduino yun Ο Arduino Yun είναι μια πλακέτα μικροελεγκτή που βασίζεται στον ATmega32u4 και τον Atheros AR9331. Ο επεξεργαστής Atheros υποστηρίζει μια διανομή Linux βασισμένη στην OpenWrt, που ονομαζεταί OpenWrt-Yun. H πλακέτα έχει ενσωματωμένο Ethernet και WiFi υποστήριξη, μια θύρα USB-A, υποδοχή κάρτας microsd, καρφίτσες 20 ψηφιακής εισόδου / εξόδου, εκ των οποίων οι 7 μπορούν να χρησιμοποιηθεί ως PWM έξοδοι (Pulse Width Modulation) και οι 12 ως αναλογικές εισόδοι), 16 MHz κρυσταλλικό ταλαντωτή, μια micro-usb σύνδεση, και 3 κουμπία επαναφοράς. Arduino Yun Το Yun ξεχωρίζει από τις άλλες πλακέτες Arduino, γιατί μπορεί να επικοινωνήσει με τη Linux διανομή επί της πλακέτας, προσφέροντας ένα ισχυρό δίκτυο υπολογιστών με την ευκολία του Arduino. Εκτός από Linux εντολές, όπως curl, μπορούν να γραφτούν Python scripts για αξιόπιστη αλληλεπίδραση. Ο Yun είναι παρόμοιος με το Leonardo, καθώς ο ATmega32u4 έχει ενσωματωμένη USB επικοινωνία, καταργεί την ανάγκη για ένα δευτερεύων επεξεργαστή. Αυτό επιτρέπει το Yun να εμφανιστεί σε έναν συνδεδεμένο υπολογιστή σαν ένα ποντίκι ή ένα πληκτρολόγιο. Η βιβλιοθήκη γέφυρας (Bridge) διευκολύνει την επικοινωνία μεταξύ των δύο επεξεργαστών, δίνοντας στα sketches του Arduino τη δυνατότητα να τρέξουν scripts, να επικοινωνούν με διασυνδέσεις δικτύου, και να λαμβάνουν πληροφορίες από τον επεξεργαστή AR9331. Η USB υποδοχή, οι διασυνδέσεις δικτύου και η SD 21

32 κάρτα δεν συνδέονται με τον 32U4, αλλά τον AR9331, και η βιβλιοθήκη γέφυρα επιτρέπει στον Arduino την διασύνδεση με αυτά τα περιφερειακά. Γέφυρα Περίληψη χαρακτηριστικών AVR Arduino μικροελεγκτής Μικροελεγκτής ATmega32u4 Τάση λειτουργίας 5V Τάση εισόδου 5V Ψηφιακά I/O Pins 20 PWM κανάλια 7 Αναλογικά κανάλια εισόδου 12 DC ρεύμα ανά I/O Pin 40 ma DC για το 3.3V Pin 50 ma Flash Memory 32 KB SRAM 2.5 KB EEPROM 1 KB Ταχύτητα ρολογιού 16 MHz Linux μικροεπεξεργαστής Επεξεργαστής Atheros AR9331 Αρχιτεκτονική Τάση λειτουργίας 3.3V Ethernet IEEE /100Mbit/s WiFi IEEE b/g/n 22

33 USB Type-A Card Reader RAM Flash Memory 2.0 Host Micro-SD only 64 MB DDR2 16 MB Ισχύς Η τροφοδοσία της πλακέτας γίνεται μέσω της microusb σύνδεσης με 5VDC. Η τροφοδοσία μπορεί να γίνει και από τον ακροδέκτη Vin, δίνοντας 5VDC ρυθμιζόμενη τάση. Οι ακροδέκτες ισχύος είναι οι εξής: -VIN. Η τάση εισόδου για την πλακέτα Arduino. -5V. Η τροφοδοσία που χρησιμοποιείται για να δώσει ο μικροελεγκτής ισχύς σε άλλα μέρη του συστήματος. Αυτή μπορεί να προέρχεται είτε από την VIN, είτε μέσω της USB τροφοδοσίας. -3V3. Μια 3,3V τροφοδοσία παράγεται από ρυθμιστή επί της πλακέτας. Η μέγιστη κατανάλωση ρεύματος είναι 50 ma. -GND. Ακροδέκτες γείωσης. -IOREF. Η τάση στην οποία οποία λειτουργούν οι ακροδέκτες I/O της πλακέτας. Αυτή στην Yun είναι 5V Είσοδοι / Έξοδοι Δεν είναι δυνατή η πρόσβαση στους ακροδέκτες I/O από την Atheros AR9331. Όλες οι I/O γραμμές συνδέονται με την 32U4. Κάθε μία από τους 20 ψηφιακούς I/O ακροδέκτες του Yun μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος ή ως έξοδος, με χρήση των pinmode (), digitalwrite (), και digitalread() εντολών. Λειτουργούν στα 5 volt και κάθε ακροδέκτης μπορεί να λάβει ή να παρέχει μέγιστο 40 ma και έχει εσωτερική αντίσταση kohms. Μερικοί ακροδέκτες έχουν εξειδικευμένες λειτουργίες Μνήμη Η ATmega32u4 έχει 32 KB (με τα 4KB να χρησιμοποιούνται για την φορτωσή εκκίνησης). Επίσης έχει 2.5KB SRAM και 1KB EEPROM (η οποία μπορεί να διαβαστεί και να γραφτεί με χρήση της βιβλιοθήκη EEPROM). Η μνήμη του AR9331 δεν είναι ενσωματωμένη στο εσωτερικό του επεξεργαστή. Η μνήμη RAM και τη μνήμη αποθήκευσης είναι εξωτερικά συνδεδεμένες. Το Yun έχει 64 MB DDR2 RAM και 16 MB μνήμης flash. Η μνήμη flash έχει εργοστασιακά προεγκατεστημένη την διανομή Linux που βασίζεται στην OpenWrt. Μπορεί να αλλάξει το περιεχόμενο της εργοστασιακής εικόνας με την εγκατάσταση ενός προγράμματος ή με την αλλαγή ενός αρχείου ρυθμίσεων. Η εγκατάσταση της OpenWrt-Yun καταλαμβάνει περίπου 9 MB από τα 16 MB διαθέσιμης εσωτερικής μνήμης flash. Μπορείτε να χρησιμοποιηθεί μια Micro SD κάρτα, αν χρειάζεται περισσότερος χώρος την εγκατάσταση εφαρμογών. 23

34 3.2 Επικοινωνία Ο Yun έχει έναν αριθμό από παροχές για την επικοινωνία με υπολογιστή, με άλλο Arduino, ή με άλλους μικροελεγκτές. Η ATmega32U4 παρέχει εξειδικευμένη UART TTL (5V) σειριακή επικοινωνία. Η 32U4 επιτρέπει σειριακή επικοινωνία μέσω USB και εμφανίζεται ως μια εικονική θύρα COM για το λογισμικό του υπολογιστή. Το τσιπ λειτουργεί έτσι ως συσκευή πλήρης ταχύτητας USB 2.0, με τη χρήση των τυποποιημένων USB COM οδηγών. Το λογισμικό Arduino περιλαμβάνει μια σειριακή οθόνη που επιτρέπει τα απλά δεδομένα κειμένου να αποστέλλονται προς και από την πλακέτα. Τα LED RX και TX στην πλακέτα αναβοσβήνουν όταν γίνεται μετάδοση δεδομένων μέσω της USB σύνδεσης από τον υπολογιστή. Οι ψηφιακοί ακροδέκτες 0 και 1 χρησιμοποιούνται για την σειριακή επικοινωνία μεταξύ του 32U4 και του AR9331. Η επικοινωνία μεταξύ των επεξεργαστών γίνεται με την βιβλιοθήκη γεφυράς. Η Ethernet και η WiFi διασύνδεση συνδέετε απευθείας με τον επεξεργαστή AR9331. Για την αποστολή και λήψη δεδομένων μέσω αυτών, χρησιμοποιείται η βιβλιοθήκης γέφυρας OpenWrt-Yun Το Yun τρέχει μια διανομή του Linux που ονομάζεται OpenWrt-Yun, βασίζεται στην OpenWrt. Ενώ είναι δυνατόν να ρυθμιστεί το σύστημα από τη γραμμή εντολών, υπάρχει μια ιστοσελίδα που επιτρέπει να ρυθμιστούν πολλές από τις διαφορετικές επιλογές που είναι διαθέσιμες. Η διεπαφή (ονομάζεται Luci) δίνει πρόσβαση στις περισσότερες από τις ρυθμίσεις που θα χρειάζονται για τη διατήρηση της WiFi διασύνδεσης. Κατά την διασύνδεση με το σύστημα OpenWrt-Yun, θα πρέπει να χρησιμοποιείται περιβάλλον γραμμής εντολών, είτε έχοντας πρόσβαση μέσα από τη βιβλιοθήκη γέφυρας του Arduino, είτε μέσω SSH. Python Μια εγκατάσταση της Python 2.7 συμπεριλαμβάνεται στο OpenWrt-Yun, με την οποία μπορούν να γράφτούν εφαρμογές ή scripts Web services Το OpenWrt-Yun χρησιμοποιεί το REST για πελάτες και διακομιστές. Το REST είναι ένα αρκτικόλεξο για το "αντιπροσωπευτικό μέλος μεταφοράς. Είναι μια αρχιτεκτονική λογισμικού που εκθέτει τα διάφορα μέρη του υλικού του Arduino μέσω URLs. Από προεπιλογή, η πρόσβαση του REST API είναι προστατευμένη με κωδικό πρόσβασης. Είναι δυνατόν να αλλάξει αυτή η επιλογή για να υπάρχει πρόσβαση στις υπηρεσίες χωρίς κωδικό. Υπάρχουν δύο REST τελικά σημεία που αναγνωρίζονται από το Yun: -/arduino -/data -/mailbox Το "/ Arduino" δεν έχει καμία προ-ρύθμιση. Οτιδήποτε προστίθεται στο URL μετά το τελικό σημείο περνάει από τον server στο Sketch για τον 32U4. 24

35 3.2.3 Διαμόρφωση του wifi της πλακέτας Ο Yun έχει την ικανότητα να ενεργεί ως σημείο πρόσβασης, αλλά μπορεί επίσης να συνδεθείτε σε ένα υπάρχον δίκτυο. Το Yun μπορεί να συνδεθεί με μη κρυπτογραφημένα δίκτυα, καθώς και τα δίκτυα που υποστήριζουν WEP, WPA, WPA2 κρυπτογράφηση. Όταν δίνεται για πρώτη τροφοδοσία στο Yun, δημιουργείτε ένα δίκτυο WiFi που ονομάζεται ArduinoYun-XXXXXXXXXXXX. Συνδέοντας τον υπολογιστή σε αυτό το δίκτυο, και ανοίγοντας ένα πρόγραμμα περιήγησης στο Web στην διεύθυνση http: //arduino.local έχουμε πρόσβαση στην ιστοσελίδα ελέγχου. Εισάγεται το wifi δίκτυο που επιθυμούμε να συνδεθεί. 3.3 Λογισμικό Περιβάλλον ανάπτυξης του Arduino Το περιβάλλον ανάπτυξης του Arduino περιλαμβάνει ένα πρόγραμμα επεξεργασίας κειμένου για τη σύνταξη κώδικα, μια περιοχή μηνυμάτων, μια κονσόλα κειμένου, μια γραμμή εργαλείων με κουμπιά για κοινές λειτουργίες, και μια σειρά μενού. Συνδέεται με τον Arduino για να φορτώσει τα προγράμματα και να επικοινωνεί μαζί του. 25

36 3.3.2 Sketches Το λογισμικό γραμμένο σε Arduino καλείται Sketch. Tα Sketches γράφονται στον επεξεργαστή κειμένου. Τα Sketches αποθηκεύονται με την.ino επέκταση αρχείου. Η περιοχή μήνυμα δίνει ανατροφοδότηση κατά την αποθήκευση και την εξαγωγή και συνεπώς, εμφανίζει τα σφάλματα. Η κονσόλα εμφανίζει εξόδους κειμένου από το περιβάλλον Arduino, συμπεριλαμβανομένης τα πλήρη μηνύματα σφάλματος και άλλες πληροφορίες. Η κάτω δεξιά γωνία του παραθύρου εμφανίζει την τρέχουσα πλακέτα και σειριακή θύρα. Τα κουμπιά της γραμμής εργαλείων σας επιτρέπουν να ελέγχει και να φορτώσετε τα προγράμματα, να δημιουργήσουν, να ανοίξετε και να αποθηκεύσετε σκίτσα, και ανοίξτε το Serial Monitor Βιβλιοθήκη γέφυρας Το Arduino Yun έχει δύο επεξεργαστές επί της πλακέτας. Είναι δυνατόν να καλεστούν προγράμματα ή προσαρμοσμένα scripts για το σύστημα Linux μέσω του Arduino με συνδεσή σε διάφορες υπηρεσίες Internet. Η Βιβλιοθήκη Γεφύρας απλοποιεί την επικοινωνία μεταξύ του ATmega32U4 και του AR9331. Είναι 26

37 κληρονομία από το Stream, και πολλές από τις μεθόδους είναι παρόμοιες με την σειριακή και άλλα παράγωγά του Stream. Οι εντολές της Γέφυρας από την 32U4 ερμηνεύονται από την Python στο AR9331. Ο ρόλος της είναι να εκτελέσει προγράμματα στην GNU / Linux πλεύρα όταν κλήθει από τον Arduino, παρέχει ένα κοινό χώρο αποθήκευσης για την ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ του Arduino και του Διαδικτύου όπως αναγνώσεις αισθητήρων και να λαμβάνει εντολές από το Internet και περνώντας αυτές απ 'ευθείας στο Arduino. Κλάση Bridge H Bridge είναι η βασική κλάση για όλες τις κλήσεις που βασίζονται στην Bridge. Αυτό καλείται άμεσα, αλλά επικαλείται κάθε φορά που χρησιμοποιείτε μια συνάρτηση που βασίζεται επάνω της. Η εκκίνηση της Bridge, διευκολύνοντας την επικοινωνία μεταξύ του AVR και του Linux επεξεργαστή. Θα πρέπει να κληθεί μία φορά στην setup() Η συνάρτηση begin() είναι αποκλεισμένη. Μόλις καλεστεί η Bridge.begin (), τίποτα άλλο δεν θα συμβεί στο Sketch μέχρι να ολοκληρωθεί. Η διαδικασία αυτή διαρκεί περίπου τρία δευτερόλεπτα. Κλάση YunClient H YunClient είναι η βασική κλάση για όλες τις κλήσεις που βασίζονται στον πελάτη της Γιουν. Αυτό δεν λέγεται άμεσα, αλλά επικαλείται κάθε φορά που χρησιμοποιείτε μια συνάρτηση που βασίζεται επάνω της. Η αποσύνδεση από τον server γίνεται με την συνάρτηση client.stop(). Kλάση YunServer H YunServer είναι η βασική κλάση για όλες τις κλήσεις διακομιστή που βασίζονται σε τον διακομιστή της Yun. Δεν καλείται άμεσα, αλλά επικαλείται κάθε φορά που χρησιμοποιείτε μια συνάρτηση που βασίζεται επάνω της. Η συνάρτηση server.begin() λέει στον διακομιστή να αρχίζει να ακούει τις εισερχόμενες συνδέσεις. Ο διακομιστής της Γέφυρας επικοινωνεί στη θύρα 5555 του localhost. Η συνάρτηση ListenOnLocalhost() λέει στον διακομιστή να αρχίζει να ακούει τις εισερχόμενες συνδέσεις. Ο διακομιστής της Γέφυρας επικοινωνεί στη θύρα 5555 του localhost. Η συνάρτηση nolistenonlocalhost() λέει στον διακομιστή να αρχίζει να ακούει τις εισερχόμενες συνδέσεις. Ο διακομιστής της Γέφυρας επικοινωνεί στη θύρα 5555 σε μια συγκεκριμένη διεθύνση. 27