基于可見光通信的新型LED節日彩燈控制器設計

劉亞榮　謝曉蘭　李新　楊曉斐　劉雪梅

摘 要： 以STC12C5A60S2單片機為核心，結合無線遙控、音頻輸入、LED顯示等外圍電路，設計實現了一種基于單片機的無線遙控/手動雙重控制的多模顯示控制系統。系統具有普通照明、酷炫動畫及音樂頻譜三種應用模式，適應不同場合應用需求。采用LED作為顯示屏，可代替WLAN，WiFi或藍牙等，在一些不適合電磁傳輸的場所充當通信工具的角色，實現照明、裝飾及可見光通信的三重功能。

關鍵詞： 彩燈控制器； 可見光通信； LED 彩燈； 多模控制系統

中圖分類號： TN929.1?34； TN929 文獻標識碼： A 文章編號： 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的不斷改進，彩燈作為一種裝飾品已經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，更是一些大型活動現場的主要渲染工具。然而，傳統的彩燈控制器大多采用全硬件電路實現，模式較單一，不僅電路結構比較復雜，功耗較大，且其造型只能按照固定的模式展現，應用有所限制，造成資源浪費[1] 。因此，有必要設計一種新型的彩燈控制器，既能實現傳統彩燈的所有功能，又能根據不同場合需求情況設定酷炫圖案，展現動畫效果。最重要的是所設計彩燈不僅僅只是作為裝飾及普通燈光進行照明，在可見光通信技術發展迅速的當今，LED可充當通信工具，適用于電磁波受限的場所[2?4]，因此其可擴展性尤為值得人們關注，這使其不僅具有更廣闊的應用前景，且LED得到充分利用。

1 彩燈控制器設計原理

所設計LED彩燈控制器以STC12C5A60S2單片機為核心，采用5 V直流穩壓電源供電，通過驅動電路、晶振電路、音頻輸入電路、無線遙控電路、按鍵電路等外圍電路，共同實現了對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現光立方的立體掃描，展現出任意設定的適應不同場合所需的音樂頻譜、酷炫動畫等功能。同時系統采用LED作為彩燈顯示屏，在兼具普通照明的同時，可以設定可見光通信（VLC）模塊，實現LED的通信功能，具體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 單片機最小系統

STC12C5A60S2單片機具有運算速度快、功率損耗低、抗干擾能力強等優點。其內部不僅集成了MAX810專用的復位電路，且具有8路高速10位A/D轉換和2路PWM。因此本系統采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，不僅簡化了電路設計，且能適應電機控制及干擾性較強的場合[5]。

STC12C5A60S2單片機作為整個系統的核心電路，起到下位機的作用，它與外圍電路共同完成整個控制器電路及程序的執行，并與PC機上面的上位機進行通信，將指令通過擴展的I/O口傳給驅動電路，實現對LED彩燈顯示模塊的控制功能[6]，具體電路如圖2所示。

外圍設置無線遙控模塊和按鍵開關電路，實現對單片機的遙控和手動兩種方式的控制。其中按鍵開關電路設置3個獨立按鍵開關分別與單片機的P1.2，P1.3，P1.4管腳相連接，實現對LED彩燈顯示的三種模式手動控制。而無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的工作頻率，晶振的大小直接影響著程序的運行速度，考慮到電容容值過高會造成起振困難等因素，本設計采用22 pF電容，22 MHz的晶振。

2.2 驅動電路endprint

驅動電路分為層驅動及列驅動，共同完成了對LED彩燈顯示模塊的所有LED燈的控制功能。其中層驅動采用具有較強灌電流能力的ULN2803 模塊，實現電平轉換及每層64個共陰并聯的LED的控制功能。列驅動模塊采用8個規格完全相同的74HC573 鎖存器作為STC12C5A60S2單片機的I/O口的補充，實現對64列共陽極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，起著驗證控制器功能的作用。設計中，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、酷炫動畫及音樂頻譜三種模式的多種形式。同時，該模塊由于采用LED顯示，而LED可以被高速調制，兼具通信功能，具有不占用射頻資源、保密性好、壽命長等優點，因此可代替WLAN，WiFi或藍牙等，在一些不適合電磁傳輸的場所充當通信工具的角色，從而實現了照明、裝飾及通信的三重功能 [8?9]。

2.4 音頻接入模塊

音頻接入模塊負責對輸入的音頻信號進行采樣，經過A/D轉換，然后采用快速傅里葉算法（Fast Fourier Transform，FFT）計算音頻頻譜值。為了提高顯示器的刷新頻率，系統每隔10 ms讀取16次A/D轉換值，得到16點實數序列，緊接著完成16點FFT運算得到16點復數序列，然后取某些頻率項的幅值，量化顯示，驅動LED光立方，點亮相應的LED燈。

3 系統軟件設計

本設計要實現光立方的三種模式，需要判斷上電顯示是否與預定相同，可采用Keil C51及取模軟件對其進行仿真驗證。程序流程圖如圖3所示。

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

在Keil C51環境下編程，采用3D8光立方取模軟件實現對光立方各種動畫模式的仿真，如圖4所示。

4 測試結果

經過焊接調試，最終所設計彩燈控制器可以實現夜燈照明、音樂頻譜及酷炫動畫三種基本功能。

圖5～圖7為控制器實物圖、部分動畫展示效果及音樂頻譜圖。

5 結 論

本設計制作的雙模彩燈控制器在多次測試修改后，最終實現了512個彩燈的全面控制，不僅具有普通照明的夜燈模式，并具有音樂頻譜、酷炫動畫等多種展現形式，3D效果明顯，視覺沖擊震撼，起到了良好的裝飾照明作用，具有一定的實際應用價值。此外，所設計控制器具有一定的擴展性，將所設計8×8×8光立方增大到16×16×16，可以具有漢字顯示功能。本設計采用LED燈實現，因此可對LED進行調制，使其具備通信功能，適用于不適合電磁波傳播的場合，成為WLAN，WiFi等技術的補充[10?11]。

參考文獻

[1] 郭水保，高艷霞，王道洪.基于AT89C51單片機的LED彩燈控制器設計[J].現代電子技術，2005，28（6）：119?122.

[2] 宋其巖，趙陽，劉福有，等.基于大功率白光LED的可見光通信[J].現代電子技術，2015，38（13）：39?41.

[3] 嚴豐，陳學英.基于FPGA的紅外遙控彩燈控制器的設計[J].現代電子技術，2015，38（19）：40?42.

[4] WANG Hong， CAI Xiping. Research progresses of visible light communication based on white LED [J]. Semiconductor optoelectronics， 2014， 35（1）： 1?5.

[5] 侯龍，劉海順，劉慶玲，等.基于STC12C5A60S2單片機的3D顯示屏設計[J].微型機與應用，2015，34（2）：91?93.

[6] 虞滄.基于單片機的光立方系統設計[J].電子測試，2015（6）：28?30.

[7] 張心心，糜山.LED彩燈硬件控制系統設計與實現[J].考試周刊，2013（40）：129?130.

[8] 王虹，蔡喜平.基于LED陣列的可視信道室內可見光通信系統設計[J].量子電子學報，2015，32（4）：507?511.

[9] NGUYEN Huy Quang， CHOI Joon?Ho， KANG Tae?Gyu. Effect of LED emission cross?section in indoor visible light communication systems [J]. EURASIP journal on wireless communications and Networking， 2012， 286（1）： 1?4.

[10] 吳貴才，陳逸銘，楊彤.可見光通信在室外LED路燈上的實現[J].照明工程學報，2013，24（4）：71?74.

[11] 駱宏圖，陳長纓，傅倩，等.白光LED室內可見光通信的關鍵技術[J].光通信技術，2011（2）：56?59.endprint