基于可见光通信的新型LED节日彩灯控制器设计
刘亚荣 谢晓兰 李新 杨晓斐 刘雪梅
摘 要： 以STC12C5A60S2单片机为核心，结合无线遥控、音频输入、LED显示等外围电路，设计实现了一种基于单片机的无线遥控/手动双重控制的多模显示控制系统。系统具有普通照明、酷炫动画及音乐频谱三种应用模式，适应不同场合应用需求。采用LED作为显示屏，可代替WLAN，WiFi或蓝牙等，在一些不适合电磁传输的场所充当通信工具的角色，实现照明、装饰及可见光通信的三重功能。
关键词： 彩灯控制器； 可见光通信； LED 彩灯； 多模控制系统
中图分类号： TN929.1?34； TN929 文献标识码： A 文章编号： 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
随着人们生活水平的提高及电子工艺技术的不断改进，彩灯作为一种装饰品已经渗透到人们生活的方方面面。它不仅可以作为一种城市街道及建筑物的装饰品，更是一些大型活动现场的主要渲染工具。然而，传统的彩灯控制器大多采用全硬件电路实现，模式较单一，不仅电路结构比较复杂，功耗较大，且其造型只能按照固定的模式展现，应用有所限制，造成资源浪费[1] 。因此，有必要设计一种新型的彩灯控制器，既能实现传统彩灯的所有功能，又能根据不同场合需求情况设定酷炫图案，展现动画效果。最重要的是所设计彩灯不仅仅只是作为装饰及普通灯光进行照明，在可见光通信技术发展迅速的当今，LED可充当通信工具，适用于电磁波受限的场所[2?4]，因此其可扩展性尤为值得人们关注，这使其不仅具有更广阔的应用前景，且LED得到充分利用。
1 彩灯控制器设计原理
所设计LED彩灯控制器以STC12C5A60S2单片机为核心，采用5 V直流稳压电源供电，通过驱动电路、晶振电路、音频输入电路、无线遥控电路、按键电路等外围电路，共同实现了对LED三维立体光立方彩灯显示模块的控制功能。从而使LED彩灯显示模块可以实现光立方的立体扫描，展现出任意设定的适应不同场合所需的音乐频谱、酷炫动画等功能。同时系统采用LED作为彩灯显示屏，在兼具普通照明的同时，可以设定可见光通信（VLC）模块，实现LED的通信功能，具体框图如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 单片机最小系统
STC12C5A60S2单片机具有运算速度快、功率损耗低、抗干扰能力强等优点。其内部不仅集成了MAX810专用的复位电路，且具有8路高速10位A/D转换和2路PWM。因此本系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器，不仅简化了电路设计，且能适应电机控制及干扰性较强的场合[5]。
STC12C5A60S2单片机作为整个系统的核心电路，起到下位机的作用，它与外围电路共同完成整个控制器电路及程序的执行，并与PC机上面的上位机进行通信，将指令通过扩展的I/O口传给驱动电路，实现对LED彩灯显示模块的控制功能[6]，具体电路如图2所示。
外围设置无线遥控模块和按键开关电路，实现对单片机的遥控和手动两种方式的控制。其中按键开关电路设置3个独立按键开关分别与单片机的P1.2，P1.3，P1.4管脚相连接，实现对LED彩灯显示的三种模式手动控制。而无线遥控模块采用编码解码芯片PT2262/2272M4集成电路制作而成。
此外晶振电路决定着单片机的工作频率，晶振的大小直接影响着程序的运行速度，考虑到电容容值过高会造成起振困难等因素，本设计采用22 pF电容，22 MHz的晶振。
2.2 驱动电路
驱动电路分为层驱动及列驱动，共同完成了对LED彩灯显示模块的所有LED灯的控制功能。其中层驱动采用具有较强灌电流能力的ULN2803 模块，实现电平转换及每层64个共阴并联的LED的控制功能。列驱动模块采用8个规格完全相同的74HC573 锁存器作为STC12C5A60S2单片机的I/O口的补充，实现对64列共阳极LED的并行输入和并行输出控制[7]。
2.3 LED彩灯显示模块
LED彩灯显示模块作为控制器的终端，起着验证控制器功能的作用。设计中，采用间距为2 cm的8×8×8 LED光立方作为立体显示屏，可以显示普通照明、酷炫动画及音乐频谱三种模式的多种形式。同时，该模块由于采用LED显示，而LED可以被高速调制，兼具通信功能，具有不占用射频资源、保密性好、寿命长等优点，因此可代替WLAN，WiFi或蓝牙等，在一些不适合电磁传输的场所充当通信工具的角色，从而实现了照明、装饰及通信的三重功能 [8?9]。
2.4 音频接入模块
音频接入模块负责对输入的音频信号进行采样，经过A/D转换，然后采用快速傅里叶算法（Fast Fourier Transform，FFT）计算音频频谱值。为了提高显示器的刷新频率，系统每隔10 ms读取16次A/D转换值，得到16点实数序列，紧接着完成16点FFT运算得到16点复数序列，然后取某些频率项的幅值，量化显示，驱动LED光立方，点亮相应的LED灯。
3 系统软件设计
本设计要实现光立方的三种模式，需要判断上电显示是否与预定相同，可采用Keil C51及取模软件对其进行仿真验证。程序流程图如图3所示。
程序开始以后，初始化函数，然后再按鍵扫描，没有按键的时候进行呼吸灯模式，有按键按下要识别是哪个按键按下并进入该按键所控制的模式。其中，A代表音频显示模式，N代表动画显示模式，L代表夜光灯显示模式。
在Keil C51环境下编程，采用3D8光立方取模软件实现对光立方各种动画模式的仿真，如图4所示。
4 测试结果
经过焊接调试，最终所设计彩灯控制器可以实现夜灯照明、音乐频谱及酷炫动画三种基本功能。
图5～图7为控制器实物图、部分动画展示效果及音乐频谱图。
5 结 论
本设计制作的双模彩灯控制器在多次测试修改后，最终实现了512个彩灯的全面控制，不仅具有普通照明的夜灯模式，并具有音乐频谱、酷炫动画等多种展现形式，3D效果明显，视觉冲击震撼，起到了良好的装饰照明作用，具有一定的实际应用价值。此外，所设计控制器具有一定的扩展性，将所设计8×8×8光立方增大到16×16×16，可以具有汉字显示功能。本设计采用LED灯实现，因此可对LED进行调制，使其具备通信功能，适用于不适合电磁波传播的场合，成为WLAN，WiFi等技术的补充[10?11]。
参考文献
[1] 郭水保，高艳霞，王道洪.基于AT89C51单片机的LED彩灯控制器设计[J].现代电子技术，2005，28（6）：119?122.
[2] 宋其岩，赵阳，刘福有，等.基于大功率白光LED的可见光通信[J].现代电子技术，2015，38（13）：39?41.
[3] 严丰，陈学英.基于FPGA的红外遥控彩灯控制器的设计[J].现代电子技术，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] 侯龙，刘海顺，刘庆玲，等.基于STC12C5A60S2单片机的3D显示屏设计[J].微型机与应用，2015，34（2）：91?93.
[6] 虞沧.基于单片机的光立方系统设计[J].电子测试，2015（6）：28?30.
[7] 张心心，糜山.LED彩灯硬件控制系统设计与实现[J].考试周刊，2013（40）：129?130.
[8] 王虹，蔡喜平.基于LED阵列的可视信道室内可见光通信系统设计[J].量子电子学报，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] 吴贵才，陈逸铭，杨彤.可见光通信在室外LED路灯上的实现[J].照明工程学报，2013，24（4）：71?74.
[11] 骆宏图，陈长缨，傅倩，等.白光LED室内可见光通信的关键技术[J].光通信技术，2011（2）：56?59.
摘 要： 以STC12C5A60S2单片机为核心，结合无线遥控、音频输入、LED显示等外围电路，设计实现了一种基于单片机的无线遥控/手动双重控制的多模显示控制系统。系统具有普通照明、酷炫动画及音乐频谱三种应用模式，适应不同场合应用需求。采用LED作为显示屏，可代替WLAN，WiFi或蓝牙等，在一些不适合电磁传输的场所充当通信工具的角色，实现照明、装饰及可见光通信的三重功能。
关键词： 彩灯控制器； 可见光通信； LED 彩灯； 多模控制系统
中图分类号： TN929.1?34； TN929 文献标识码： A 文章编号： 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
随着人们生活水平的提高及电子工艺技术的不断改进，彩灯作为一种装饰品已经渗透到人们生活的方方面面。它不仅可以作为一种城市街道及建筑物的装饰品，更是一些大型活动现场的主要渲染工具。然而，传统的彩灯控制器大多采用全硬件电路实现，模式较单一，不仅电路结构比较复杂，功耗较大，且其造型只能按照固定的模式展现，应用有所限制，造成资源浪费[1] 。因此，有必要设计一种新型的彩灯控制器，既能实现传统彩灯的所有功能，又能根据不同场合需求情况设定酷炫图案，展现动画效果。最重要的是所设计彩灯不仅仅只是作为装饰及普通灯光进行照明，在可见光通信技术发展迅速的当今，LED可充当通信工具，适用于电磁波受限的场所[2?4]，因此其可扩展性尤为值得人们关注，这使其不仅具有更广阔的应用前景，且LED得到充分利用。
1 彩灯控制器设计原理
所设计LED彩灯控制器以STC12C5A60S2单片机为核心，采用5 V直流稳压电源供电，通过驱动电路、晶振电路、音频输入电路、无线遥控电路、按键电路等外围电路，共同实现了对LED三维立体光立方彩灯显示模块的控制功能。从而使LED彩灯显示模块可以实现光立方的立体扫描，展现出任意设定的适应不同场合所需的音乐频谱、酷炫动画等功能。同时系统采用LED作为彩灯显示屏，在兼具普通照明的同时，可以设定可见光通信（VLC）模块，实现LED的通信功能，具体框图如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 单片机最小系统
STC12C5A60S2单片机具有运算速度快、功率损耗低、抗干扰能力强等优点。其内部不仅集成了MAX810专用的复位电路，且具有8路高速10位A/D转换和2路PWM。因此本系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器，不仅简化了电路设计，且能适应电机控制及干扰性较强的场合[5]。
STC12C5A60S2单片机作为整个系统的核心电路，起到下位机的作用，它与外围电路共同完成整个控制器电路及程序的执行，并与PC机上面的上位机进行通信，将指令通过扩展的I/O口传给驱动电路，实现对LED彩灯显示模块的控制功能[6]，具体电路如图2所示。
外围设置无线遥控模块和按键开关电路，实现对单片机的遥控和手动两种方式的控制。其中按键开关电路设置3个独立按键开关分别与单片机的P1.2，P1.3，P1.4管脚相连接，实现对LED彩灯显示的三种模式手动控制。而无线遥控模块采用编码解码芯片PT2262/2272M4集成电路制作而成。
此外晶振电路决定着单片机的工作频率，晶振的大小直接影响着程序的运行速度，考虑到电容容值过高会造成起振困难等因素，本设计采用22 pF电容，22 MHz的晶振。
2.2 驱动电路
驱动电路分为层驱动及列驱动，共同完成了对LED彩灯显示模块的所有LED灯的控制功能。其中层驱动采用具有较强灌电流能力的ULN2803 模块，实现电平转换及每层64个共阴并联的LED的控制功能。列驱动模块采用8个规格完全相同的74HC573 锁存器作为STC12C5A60S2单片机的I/O口的补充，实现对64列共阳极LED的并行输入和并行输出控制[7]。
2.3 LED彩灯显示模块
LED彩灯显示模块作为控制器的终端，起着验证控制器功能的作用。设计中，采用间距为2 cm的8×8×8 LED光立方作为立体显示屏，可以显示普通照明、酷炫动画及音乐频谱三种模式的多种形式。同时，该模块由于采用LED显示，而LED可以被高速调制，兼具通信功能，具有不占用射频资源、保密性好、寿命长等优点，因此可代替WLAN，WiFi或蓝牙等，在一些不适合电磁传输的场所充当通信工具的角色，从而实现了照明、装饰及通信的三重功能 [8?9]。
2.4 音频接入模块
音频接入模块负责对输入的音频信号进行采样，经过A/D转换，然后采用快速傅里叶算法（Fast Fourier Transform，FFT）计算音频频谱值。为了提高显示器的刷新频率，系统每隔10 ms读取16次A/D转换值，得到16点实数序列，紧接着完成16点FFT运算得到16点复数序列，然后取某些频率项的幅值，量化显示，驱动LED光立方，点亮相应的LED灯。
3 系统软件设计
本设计要实现光立方的三种模式，需要判断上电显示是否与预定相同，可采用Keil C51及取模软件对其进行仿真验证。程序流程图如图3所示。
程序开始以后，初始化函数，然后再按鍵扫描，没有按键的时候进行呼吸灯模式，有按键按下要识别是哪个按键按下并进入该按键所控制的模式。其中，A代表音频显示模式，N代表动画显示模式，L代表夜光灯显示模式。
在Keil C51环境下编程，采用3D8光立方取模软件实现对光立方各种动画模式的仿真，如图4所示。
4 测试结果
经过焊接调试，最终所设计彩灯控制器可以实现夜灯照明、音乐频谱及酷炫动画三种基本功能。
图5～图7为控制器实物图、部分动画展示效果及音乐频谱图。
5 结 论
本设计制作的双模彩灯控制器在多次测试修改后，最终实现了512个彩灯的全面控制，不仅具有普通照明的夜灯模式，并具有音乐频谱、酷炫动画等多种展现形式，3D效果明显，视觉冲击震撼，起到了良好的装饰照明作用，具有一定的实际应用价值。此外，所设计控制器具有一定的扩展性，将所设计8×8×8光立方增大到16×16×16，可以具有汉字显示功能。本设计采用LED灯实现，因此可对LED进行调制，使其具备通信功能，适用于不适合电磁波传播的场合，成为WLAN，WiFi等技术的补充[10?11]。
参考文献
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[6] 虞沧.基于单片机的光立方系统设计[J].电子测试，2015（6）：28?30.
[7] 张心心，糜山.LED彩灯硬件控制系统设计与实现[J].考试周刊，2013（40）：129?130.
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[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] 吴贵才，陈逸铭，杨彤.可见光通信在室外LED路灯上的实现[J].照明工程学报，2013，24（4）：71?74.
[11] 骆宏图，陈长缨，傅倩，等.白光LED室内可见光通信的关键技术[J].光通信技术，2011（2）：56?59.
