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在城市景觀照明領(lǐng)域，LED照明發(fā)揮了極其重要的作用。LED城市景觀照明視覺藝術(shù)的提升，不僅提升了城市形象，令生活在這個(gè)城市里的人們能感受到更美的夜間環(huán)境，更具自豪感，同時(shí)，也為城市的發(fā)展帶來了經(jīng)濟(jì)效益。
基于LED顯著的節(jié)能效果以及其使用壽命超強(qiáng)的特點(diǎn)，結(jié)合目前市場熱點(diǎn)話題3D感官視覺效果，我們構(gòu)思出此款具有3D動態(tài)顯示效果的燈光作品。作品通過陣列式分層查詢控制方式實(shí)現(xiàn)對512盞LED燈光的立體控制，控制器采用高速、高性能的STC系列單片機(jī)通過串口與主板通訊實(shí)現(xiàn)控制，實(shí)現(xiàn)文字、符號、圖片的靜/動態(tài)顯示。與普通LED顯示屏相比該作品能夠?qū)崿F(xiàn)立體感官效果，并且通過簡單的編程就能實(shí)現(xiàn)絢麗多姿動態(tài)的燈光。與傳統(tǒng)的霓虹燈相比，其節(jié)能效果顯著；與普通LED顯示屏相比，其感官視覺效果突出能夠?qū)崿F(xiàn)普通LED顯示屏無法實(shí)現(xiàn)的三維立體效果。
作品的控制方式采用陣列式控制，與集中式控制相比其能耗大大降低。根據(jù)比較測算，陣列式控制系統(tǒng)的系統(tǒng)損耗在“8%-10%”之間，較傳統(tǒng)的集中式控制損耗在“30%-40%”中有了很大的提高。如：一塊200平方米的3906點(diǎn)/平方米的規(guī)格的全彩顯示屏，如采用20mA的驅(qū)動電流，理論最大亮度可以達(dá)到15000cd/平方米，如果要達(dá)到6000cd/平方米的最大實(shí)際亮度，采用集中式控制按照30%的系統(tǒng)損耗，則顯示屏驅(qū)動電流為11.4mA/像素點(diǎn)，供電最大電流為607A；如果采用陣列式控制達(dá)到6000cd/平方米的最大實(shí)際亮度，按照10%的系統(tǒng)損耗，則顯示屏驅(qū)動電流為8.89mA/像素點(diǎn)，最大電流為474A，節(jié)能幅度達(dá)到21.9%。
作品面向城市景觀照明以及室外廣告宣傳領(lǐng)域，基于單片機(jī)控制技術(shù)，展示了3D立體LED技術(shù)在三維感官視覺呈現(xiàn)方面的優(yōu)越性，可大大增強(qiáng)視覺美感，同時(shí)具有突出的節(jié)能效果，代表LED技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：LED、三維燈光、感官視覺

設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)由512（8*8*8）個(gè)LED顯示模塊、LED底板、單片機(jī)控制器等三部分組成。LED底板上有8個(gè)透明鎖存器74HC573，每一個(gè)573+2803驅(qū)動一個(gè)豎面（一共8個(gè)豎面）；采用STC12C5A60S2系列單片機(jī)作為核心控制器件，使用串口通訊協(xié)議方式進(jìn)行并發(fā)式燈光控制。單片機(jī)控制器內(nèi)部集成了預(yù)先顯示的相關(guān)字符、圖案等字庫，經(jīng)由高速的傳輸通道送至LED底板，在LED模塊上顯示預(yù)設(shè)的各種圖案。由于人眼存在視覺停留，立體LED就會呈現(xiàn)出3D式的視覺感官效果，給人以多層次的美感。

圖6 3D-LED景觀照明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1元件選擇
1.1.1 LED的選取
選取額定驅(qū)動電壓為2.7-3.8V，驅(qū)動電流為20mA的LED，其顏色可根據(jù)喜好任意選取。LED發(fā)光體的體積越小，整體的通透性就越好。如：選用草帽頭LED的可視角度比普通窄體的LED要大。

圖7 LED外形圖
1.1.2.元器件的選擇
①．采用高性能硅門COMS器件74HC573-八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器。
當(dāng)鎖存使能端為高時(shí)，器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的（即輸出同步）；當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會被鎖存。其輸入和標(biāo)準(zhǔn)COMS輸出兼容，加上拉電阻，他們能和LS/ALSTTL輸出兼容。74HC573功能有：高阻態(tài)-即輸出既不是高電平也不是低電平，而是高阻抗的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下可以多個(gè)芯片并聯(lián)輸出；數(shù)據(jù)鎖存-當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)消失時(shí)，在芯片的輸出端，數(shù)據(jù)仍然保持。
74hC573包含八路d 型透明鎖存器，每個(gè)鎖存器具有獨(dú)立的d 型輸入，以及適用于面向總線的應(yīng)用的三態(tài)輸出。所有鎖存器共用一個(gè)鎖存使能（le）端和一個(gè)輸出使能（oe）端。
　　當(dāng)le為高時(shí)，數(shù)據(jù)從dn輸入到鎖存器，在此條件下，鎖存器進(jìn)入透明模式，也就是說，鎖存器的輸出狀態(tài)將會隨著對應(yīng)的d輸入每次的變化而改變。當(dāng)le為低時(shí)，鎖存器將存儲d輸入上的信息一段就緒時(shí)間，直到le的下降沿來臨。
　　當(dāng)oe為低時(shí)，8個(gè)鎖存器的內(nèi)容可被正常輸出；當(dāng)oe為高時(shí)，輸出進(jìn)入高阻態(tài)。oe端的操作不會影響鎖存器的狀態(tài)。

圖8 74HC573鎖存器結(jié)構(gòu)圖
表4 74HC573功能列表
輸入 輸出
輸出使能 鎖存使能 D Q
L H H H
L H L L
L L X 不變
H X X Z
X=不用關(guān)心
Z=高阻抗
②．采用高電壓大電流八路達(dá)林頓晶體管陣列——ULN2803晶體管實(shí)現(xiàn)對一束8個(gè)發(fā)光LED的控制。
八路NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路（諸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，工業(yè)用和消費(fèi)類產(chǎn)品中的燈、繼電器、打印錘或其它類似負(fù)載中。所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容，而ULN2804 最適于6至15伏高電平CMOS或PMOS。

圖9 ULN2803結(jié)構(gòu)圖
每一個(gè)573+2803驅(qū)動一個(gè)豎面，一個(gè)2803引腳接一束8個(gè)LED的陰極，一共八個(gè)豎面。573數(shù)據(jù)口連接在一起，用P0口送數(shù)據(jù)，P2口控制鎖存器工作狀態(tài)。這就通過P0、P2口實(shí)現(xiàn)了豎面的控制（詳見電路圖）。
③．采用STC12C5A60S2系列單片機(jī)作為核心控制器件，使用串口通訊協(xié)議方式進(jìn)行燈光控制。
控制芯片采用STC12C5A60S2，它是1個(gè)時(shí)鐘／機(jī)器周期的單片機(jī)，速度比普通的8051單片機(jī)快8～12倍，有20個(gè)引腳且為小巧封裝。該單片機(jī)具有超強(qiáng)抗干擾，抗靜電的特點(diǎn)，能輕松通過4 kV快速脈沖干擾，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗為2．7～7 mA。芯片自帶硬件看門狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A／D轉(zhuǎn)換，2路PWM輸出，4 KB容量的FLASH存儲器，256 B容量的SRAM，4個(gè)定時(shí)器，1個(gè)全雙工串行通信口。

圖10 STC單片機(jī)外形圖
由于單片機(jī)內(nèi)部的資源豐富，性價(jià)比高，能夠滿足該設(shè)計(jì)的要求，而且減少了硬件電路的設(shè)計(jì)，提高了工作效率。其速度越快，用于控制燈光閃爍動作越流暢，視覺效果越動感。

圖11 STC單片機(jī)控制板原理圖
1.2元件制作
1.2.1 LED焊接
利用LED自身管腳搭接成為一立方體，這樣形成了結(jié)構(gòu)上的立體感，能夠?qū)崿F(xiàn)燈光的整體通透性。搭接步驟如下：
（1）將管腳水平折彎，注意區(qū)分LED的陰陽極，折彎處為正極。為保持焊接的整齊性，折彎時(shí)應(yīng)盡量保持角度的統(tǒng)一；
（2）垂直折彎，目的是讓陰極擺出發(fā)光體一部分，使其可以與其上下的LED進(jìn)行搭接；

圖12 將管腳水平折彎 圖13 將管腳垂直折彎
（3）將每個(gè)LED管腳準(zhǔn)備好之后，將其焊接在同一列上。為保證焊接的整體性與美觀性可采用自制模具板在板上固定位置上打洞，將LED頭插入將其陽極搭接在一起并以確保每個(gè)LED之間的尺寸距離，形成一條條LED列，每列八盞LED燈；
（4）將焊接好的LED列平躺在平面上，實(shí)現(xiàn)束方向陰極的焊接，每一個(gè)面有八列LED條組成，形成64盞LED燈的四方形面；

圖14 焊接LED條 圖15 焊接LEN面
（5）將搭接好的LED面的負(fù)極依次連接至ULN2803用于控制，并將露出的陽極引腳橫向折彎90°，使其可以與其前后同一高度（相同一層）的陽極進(jìn)行焊接，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)面的層之間共陽極。
（6） 制作一底板，將573及ULN2803焊接于底板處并將引腳統(tǒng)一留出于面板一端用于
將64個(gè)陰極引腳對接從而完成立體形狀焊接。

圖16 實(shí)際組裝圖
1.2.2底板電路制作
由于控制器件可選用多種類型的普通單片機(jī)采用串口通訊方式即可實(shí)現(xiàn)控制，因此將邏輯器件與控制器件分別獨(dú)立。這樣能夠方便控制器件的選擇使用。
（1）繪制邏輯器件原理圖：
圖17 共陽極驅(qū)動
共陽極驅(qū)動電路由8個(gè)PNP三極管SS8550組成的放大驅(qū)動電路組成，用于驅(qū)動8層LED，實(shí)現(xiàn)LED亮滅控制。

圖18 共陰極束驅(qū)動（共64束）
共陰極束驅(qū)動電路由74HC573芯片和ULN2803芯片組成。每一個(gè)573+2803驅(qū)動一個(gè)豎面，一個(gè)2803引腳接一束8個(gè)LED的陰極，一共八個(gè)豎面。573數(shù)據(jù)口連接在一起，用P0口送數(shù)據(jù)，P2口控制鎖存器工作狀態(tài)。這就通過P0、P2口實(shí)現(xiàn)了豎面的控制。
（2）制作底板電路，由于端口數(shù)量多，需保留引腳與LED管腳相連。因此采用硬質(zhì)塑材將此底座制作成為PCB板，并留出引腳方便撥接。

圖19 LED底板實(shí)物圖
1.2.3 控制板制作
該作品采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心，其外圍控制線路簡單。只需提供供電電源、時(shí)鐘晶振以及串口通訊引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸即可進(jìn)行控制。進(jìn)行數(shù)據(jù)下載時(shí)采用MAX232完成兩路TTL/RS-232的電平轉(zhuǎn)換。
繪制控制控制器件原理圖
（1） 下載電路原理圖

圖20 232串口通信原理圖
（2） 單片機(jī)控制電路原理圖

圖21 控制板原理圖
（3） 焊接元器件

圖22 控制板實(shí)物圖
1.3指令系統(tǒng)
1.3.1 通訊協(xié)議設(shè)置
該作品通訊協(xié)議設(shè)置為：波特率：115200；校驗(yàn)位：無；數(shù)據(jù)位：8。每次命令由2個(gè)字節(jié)構(gòu)成，先發(fā)送高八位（H7-H0），再發(fā)送低八位（L7-L0）?？紤]到系統(tǒng)運(yùn)行效率要求，以及編程的簡易性，不設(shè)置校驗(yàn)位，合計(jì)三種代碼格式，使用三種開始碼與之對應(yīng)、不設(shè)結(jié)束碼。因沒有設(shè)置結(jié)束碼，所以必須保證每條代碼發(fā)送的完整性。
表5 通信協(xié)議列表
功能 開始碼 字節(jié)數(shù) 格式 示例
全局賦值 0XF0 2 0XF0+Data 發(fā)送“0XF0 0X00”,則將所有束的值設(shè)置為0X00，實(shí)現(xiàn)清屏操作；
單束賦值 0XF1 3 0XF1+Column+Data 發(fā)送“0XF1 0X02 0XFF”,則將第二束的值設(shè)為0XFF，即第二束全亮；
批量賦值 0XF2 65 0XF2+Data[0]+Data[1]+…+Data[63] 發(fā)送“0XF2 0X3F 0X3E 0X3D …0X01 0X00”即將0X3F賦值給第0束，將0X3E賦值給第一束，0X3D賦值給第二束…0X00賦值給第一束。

1.3.2 坐標(biāo)系的建立
按照右手坐標(biāo)系建立坐標(biāo)系統(tǒng)，定義該作品中任意一個(gè)光點(diǎn)（LED）的坐標(biāo)為（x、y、z）。因此，可以得到x、y、z的值域（取值范圍）皆為[0-7]的整數(shù)域，即（0、1、2、3、4、5、6、7）。

圖22 坐標(biāo)系示意圖
結(jié)合底板硬件電路結(jié)構(gòu)，可定義該作品的燈光坐標(biāo)值。束坐標(biāo)（Column，簡稱C）其值C=y*8+x，由此可見C的值域?yàn)閇0-63]；并且還能夠得出x=C%8，y=C/8。（y的值為0-7，“%”為取余運(yùn)算，“/”為整除運(yùn)算）。束坐標(biāo)選定之后，可根據(jù)控制要求選定束坐標(biāo)上的顯示狀態(tài)。Z坐標(biāo)值用于控制束坐標(biāo)顯示狀態(tài)，其取值范圍為0-7。因此使用每一字節(jié)（byte）的八個(gè)位能夠定義每一束的顯示狀態(tài)。例如：如果要求某束只有Z=0的點(diǎn)（第0層，即最底層）亮起，則可將Data值設(shè)置為0X01（0000 0001B二進(jìn)制數(shù)）；若要求某束只有Z=6點(diǎn)（第六層，由上往下第二層）亮起，則Data=0X40(0100 0000B)；若要求Z=0，Z=6點(diǎn)同時(shí)亮起，則Data=0X41（0100 0001B）。


圖23 系統(tǒng)演示實(shí)物圖
2. 創(chuàng)新點(diǎn)及意義
（1）3D感官視覺沖擊力強(qiáng)、效果完美
采用立體式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)感官立體視覺效果，將512個(gè)LED燈焊接成為一8*8*8的立方體。采用坐標(biāo)算法及邏輯器件的組合形式實(shí)現(xiàn)對立體LED中每一個(gè)光點(diǎn)的控制；運(yùn)行動態(tài)控制時(shí)，采用對每一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的控制時(shí)間差從而形成該作品的三維動態(tài)閃光效果。
（2） 系統(tǒng)節(jié)能效果突出
LED光源的重大優(yōu)勢是節(jié)能，是一種綠色固態(tài)光源，而霓虹燈含水銀會產(chǎn)生環(huán)境污染，因此LED光源發(fā)展是符合國家產(chǎn)業(yè)政策的。按本設(shè)計(jì)書表3的測算，面積為6平方米的景觀裝飾區(qū)域，采用LED照明裝飾方案，一年內(nèi)將比霓虹燈裝飾方案降低6,893.76元的電費(fèi)，節(jié)能達(dá)70.6%以上。如果采用3D立體LED裝飾技術(shù)，雖然增加了LED元器件，但由于LED燈成本很低（增加500個(gè)費(fèi)用僅500*0.1=50元），可采用本設(shè)計(jì)中的陣列式控制技術(shù)，在達(dá)到6000cd/平方米的最大實(shí)際亮度時(shí)，按照10%的系統(tǒng)損耗，則顯示驅(qū)動電流為8.89mA/像素點(diǎn)，最大電流為474A，節(jié)能幅度達(dá)到21.9%。即：采用陣列式控制方式，在相同LED燈光數(shù)量下能夠節(jié)約超過20%的電量，節(jié)能效果非常明顯。
（3）應(yīng)用范圍廣闊
3D立體LED技術(shù)給城市景觀照明視覺以藝術(shù)的提升，不僅提升了城市形象，令生活在這個(gè)城市里的人們能感受到更美的夜間環(huán)境，更具自豪感，同時(shí)，也為城市的發(fā)展帶來了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)大中型城市擁有眾多的生活圈，生活圈里分布著眾多公共場合。有如：商場、超市、公園、廣場、酒店等等。目前，公共場所采用的都為普通平面LED顯示屏以及傳統(tǒng)霓虹燈進(jìn)行廣告宣傳，如采用該作品，將突破上述兩種宣傳方式的局限性，并且利用該作品的優(yōu)越性能將會取得更加突出的宣傳效果。

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