基于可見光通信的新型LED節(jié)日彩燈控制器設(shè)計(jì)

劉亞榮　謝曉蘭　李新　楊曉斐　劉雪梅

摘 要： 以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，結(jié)合無(wú)線遙控、音頻輸入、LED顯示等外圍電路，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的無(wú)線遙控/手動(dòng)雙重控制的多模顯示控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有普通照明、酷炫動(dòng)畫及音樂頻譜三種應(yīng)用模式，適應(yīng)不同場(chǎng)合應(yīng)用需求。采用LED作為顯示屏，可代替WLAN，WiFi或藍(lán)牙等，在一些不適合電磁傳輸?shù)膱?chǎng)所充當(dāng)通信工具的角色，實(shí)現(xiàn)照明、裝飾及可見光通信的三重功能。

關(guān)鍵詞： 彩燈控制器； 可見光通信； LED 彩燈； 多模控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TN929.1?34； TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）16?0069?03

Abstract： A multi?mode display control system based on single chip STC12C5A60S2 was designed， in which the single chip STC12C5A60S2 is taken as its control core， and the peripheral circuits such as the wireless remote control circuit， audio input circuit and LED display circuit are used. The system has two control modes： the wireless remote control and manual control， and also has three application modes： general lighting， cool moving painting and music spectrum. These characteristics make the system adapt to application requirements of different occasions. In addition， the LED is adopted as display screen of the system. The LED can act as the role of communication tools instead of the WLAN， WiFi or Bluetooth in some places that are not suitable for electromagnetic transmission. The system can realize three functions： lighting， decoration and visible light communication.

Keywords： lampion controller； visible light communication； LED lampion； multi?mode control system

0 引 言

隨著人們生活水平的提高及電子工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，彩燈作為一種裝飾品已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面。它不僅可以作為一種城市街道及建筑物的裝飾品，更是一些大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的主要渲染工具。然而，傳統(tǒng)的彩燈控制器大多采用全硬件電路實(shí)現(xiàn)，模式較單一，不僅電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功耗較大，且其造型只能按照固定的模式展現(xiàn)，應(yīng)用有所限制，造成資源浪費(fèi)[1] 。因此，有必要設(shè)計(jì)一種新型的彩燈控制器，既能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)彩燈的所有功能，又能根據(jù)不同場(chǎng)合需求情況設(shè)定酷炫圖案，展現(xiàn)動(dòng)畫效果。最重要的是所設(shè)計(jì)彩燈不僅僅只是作為裝飾及普通燈光進(jìn)行照明，在可見光通信技術(shù)發(fā)展迅速的當(dāng)今，LED可充當(dāng)通信工具，適用于電磁波受限的場(chǎng)所[2?4]，因此其可擴(kuò)展性尤為值得人們關(guān)注，這使其不僅具有更廣闊的應(yīng)用前景，且LED得到充分利用。

1 彩燈控制器設(shè)計(jì)原理

所設(shè)計(jì)LED彩燈控制器以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心，采用5 V直流穩(wěn)壓電源供電，通過驅(qū)動(dòng)電路、晶振電路、音頻輸入電路、無(wú)線遙控電路、按鍵電路等外圍電路，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED三維立體光立方彩燈顯示模塊的控制功能。從而使LED彩燈顯示模塊可以實(shí)現(xiàn)光立方的立體掃描，展現(xiàn)出任意設(shè)定的適應(yīng)不同場(chǎng)合所需的音樂頻譜、酷炫動(dòng)畫等功能。同時(shí)系統(tǒng)采用LED作為彩燈顯示屏，在兼具普通照明的同時(shí)，可以設(shè)定可見光通信（VLC）模塊，實(shí)現(xiàn)LED的通信功能，具體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STC12C5A60S2單片機(jī)具有運(yùn)算速度快、功率損耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其內(nèi)部不僅集成了MAX810專用的復(fù)位電路，且具有8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換和2路PWM。因此本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，不僅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，且能適應(yīng)電機(jī)控制及干擾性較強(qiáng)的場(chǎng)合[5]。

STC12C5A60S2單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心電路，起到下位機(jī)的作用，它與外圍電路共同完成整個(gè)控制器電路及程序的執(zhí)行，并與PC機(jī)上面的上位機(jī)進(jìn)行通信，將指令通過擴(kuò)展的I/O口傳給驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED彩燈顯示模塊的控制功能[6]，具體電路如圖2所示。

外圍設(shè)置無(wú)線遙控模塊和按鍵開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的遙控和手動(dòng)兩種方式的控制。其中按鍵開關(guān)電路設(shè)置3個(gè)獨(dú)立按鍵開關(guān)分別與單片機(jī)的P1.2，P1.3，P1.4管腳相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED彩燈顯示的三種模式手動(dòng)控制。而無(wú)線遙控模塊采用編碼解碼芯片PT2262/2272M4集成電路制作而成。

此外晶振電路決定著單片機(jī)的工作頻率，晶振的大小直接影響著程序的運(yùn)行速度，考慮到電容容值過高會(huì)造成起振困難等因素，本設(shè)計(jì)采用22 pF電容，22 MHz的晶振。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路endprint

驅(qū)動(dòng)電路分為層驅(qū)動(dòng)及列驅(qū)動(dòng)，共同完成了對(duì)LED彩燈顯示模塊的所有LED燈的控制功能。其中層驅(qū)動(dòng)采用具有較強(qiáng)灌電流能力的ULN2803 模塊，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及每層64個(gè)共陰并聯(lián)的LED的控制功能。列驅(qū)動(dòng)模塊采用8個(gè)規(guī)格完全相同的74HC573 鎖存器作為STC12C5A60S2單片機(jī)的I/O口的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對(duì)64列共陽(yáng)極LED的并行輸入和并行輸出控制[7]。

2.3 LED彩燈顯示模塊

LED彩燈顯示模塊作為控制器的終端，起著驗(yàn)證控制器功能的作用。設(shè)計(jì)中，采用間距為2 cm的8×8×8 LED光立方作為立體顯示屏，可以顯示普通照明、酷炫動(dòng)畫及音樂頻譜三種模式的多種形式。同時(shí)，該模塊由于采用LED顯示，而LED可以被高速調(diào)制，兼具通信功能，具有不占用射頻資源、保密性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此可代替WLAN，WiFi或藍(lán)牙等，在一些不適合電磁傳輸?shù)膱?chǎng)所充當(dāng)通信工具的角色，從而實(shí)現(xiàn)了照明、裝飾及通信的三重功能 [8?9]。

2.4 音頻接入模塊

音頻接入模塊負(fù)責(zé)對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，然后采用快速傅里葉算法（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）計(jì)算音頻頻譜值。為了提高顯示器的刷新頻率，系統(tǒng)每隔10 ms讀取16次A/D轉(zhuǎn)換值，得到16點(diǎn)實(shí)數(shù)序列，緊接著完成16點(diǎn)FFT運(yùn)算得到16點(diǎn)復(fù)數(shù)序列，然后取某些頻率項(xiàng)的幅值，量化顯示，驅(qū)動(dòng)LED光立方，點(diǎn)亮相應(yīng)的LED燈。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)光立方的三種模式，需要判斷上電顯示是否與預(yù)定相同，可采用Keil C51及取模軟件對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。程序流程圖如圖3所示。

程序開始以后，初始化函數(shù)，然后再按鍵掃描，沒有按鍵的時(shí)候進(jìn)行呼吸燈模式，有按鍵按下要識(shí)別是哪個(gè)按鍵按下并進(jìn)入該按鍵所控制的模式。其中，A代表音頻顯示模式，N代表動(dòng)畫顯示模式，L代表夜光燈顯示模式。

在Keil C51環(huán)境下編程，采用3D8光立方取模軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)光立方各種動(dòng)畫模式的仿真，如圖4所示。

4 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過焊接調(diào)試，最終所設(shè)計(jì)彩燈控制器可以實(shí)現(xiàn)夜燈照明、音樂頻譜及酷炫動(dòng)畫三種基本功能。

圖5～圖7為控制器實(shí)物圖、部分動(dòng)畫展示效果及音樂頻譜圖。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)制作的雙模彩燈控制器在多次測(cè)試修改后，最終實(shí)現(xiàn)了512個(gè)彩燈的全面控制，不僅具有普通照明的夜燈模式，并具有音樂頻譜、酷炫動(dòng)畫等多種展現(xiàn)形式，3D效果明顯，視覺沖擊震撼，起到了良好的裝飾照明作用，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此外，所設(shè)計(jì)控制器具有一定的擴(kuò)展性，將所設(shè)計(jì)8×8×8光立方增大到16×16×16，可以具有漢字顯示功能。本設(shè)計(jì)采用LED燈實(shí)現(xiàn)，因此可對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，使其具備通信功能，適用于不適合電磁波傳播的場(chǎng)合，成為WLAN，WiFi等技術(shù)的補(bǔ)充[10?11]。

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