在城市景观照明领域，LED照明发挥了极其重要的作用。LED城市景观照明视觉艺术的提升，不仅提升了城市形象，令生活在这个城市里的人们能感受到更美的夜间环境，更具自豪感，同时，也为城市的发展带来了经济效益。
基于LED显著的节能效果以及其使用寿命超强的特点，结合目前市场热点话题3D感官视觉效果，我们构思出此款具有3D动态显示效果的灯光作品。作品通过阵列式分层查询控制方式实现对512盏LED灯光的立体控制，控制器采用高速、高性能的STC系列单片机通过串口与主板通讯实现控制，实现文字、符号、图片的静/动态显示。与普通LED显示屏相比该作品能够实现立体感官效果，并且通过简单的编程就能实现绚丽多姿动态的灯光。与传统的霓虹灯相比，其节能效果显著；与普通LED显示屏相比，其感官视觉效果突出能够实现普通LED显示屏无法实现的三维立体效果。
作品的控制方式采用阵列式控制，与集中式控制相比其能耗大大降低。根据比较测算，阵列式控制系统的系统损耗在“8%-10%”之间，较传统的集中式控制损耗在“30%-40%”中有了很大的提高。如：一块200平方米的3906点/平方米的规格的全彩显示屏，如采用20mA的驱动电流，理论最大亮度可以达到15000cd/平方米，如果要达到6000cd/平方米的最大实际亮度，采用集中式控制按照30%的系统损耗，则显示屏驱动电流为11.4mA/像素点，供电最大电流为607A；如果采用阵列式控制达到6000cd/平方米的最大实际亮度，按照10%的系统损耗，则显示屏驱动电流为8.89mA/像素点，最大电流为474A，节能幅度达到21.9%。
作品面向城市景观照明以及室外广告宣传领域，基于单片机控制技术，展示了3D立体LED技术在三维感官视觉呈现方面的优越性，可大大增强视觉美感，同时具有突出的节能效果，代表LED技术应用领域的发展方向。
关键词：LED、三维灯光、感官视觉

设计方案
本系统由512（8*8*8）个LED显示模块、LED底板、单片机控制器等三部分组成。LED底板上有8个透明锁存器74HC573，每一个573+2803驱动一个竖面（一共8个竖面）；采用STC12C5A60S2系列单片机作为核心控制器件，使用串口通讯协议方式进行并发式灯光控制。单片机控制器内部集成了预先显示的相关字符、图案等字库，经由高速的传输通道送至LED底板，在LED模块上显示预设的各种图案。由于人眼存在视觉停留，立体LED就会呈现出3D式的视觉感官效果，给人以多层次的美感。

图6 3D-LED景观照明控制系统结构图

1.1元件选择
1.1.1 LED的选取
选取额定驱动电压为2.7-3.8V，驱动电流为20mA的LED，其颜色可根据喜好任意选取。LED发光体的体积越小，整体的通透性就越好。如：选用草帽头LED的可视角度比普通窄体的LED要大。

图7 LED外形图
1.1.2.元器件的选择
①．采用高性能硅门COMS器件74HC573-八进制3态非反转透明锁存器。
当锁存使能端为高时，器件的锁存对于数据是透明的（即输出同步）；当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。其输入和标准COMS输出兼容，加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL输出兼容。74HC573功能有：高阻态-即输出既不是高电平也不是低电平，而是高阻抗的状态，在这种状态下可以多个芯片并联输出；数据锁存-当输入的数据消失时，在芯片的输出端，数据仍然保持。
74hC573包含八路d 型透明锁存器，每个锁存器具有独立的d 型输入，以及适用于面向总线的应用的三态输出。所有锁存器共用一个锁存使能（le）端和一个输出使能（oe）端。
　　当le为高时，数据从dn输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，也就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的d输入每次的变化而改变。当le为低时，锁存器将存储d输入上的信息一段就绪时间，直到le的下降沿来临。
　　当oe为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当oe为高时，输出进入高阻态。oe端的操作不会影响锁存器的状态。

图8 74HC573锁存器结构图
表4 74HC573功能列表
输入 输出
输出使能 锁存使能 D Q
L H H H
L H L L
L L X 不变
H X X Z
X=不用关心
Z=高阻抗
②．采用高电压大电流八路达林顿晶体管阵列——ULN2803晶体管实现对一束8个发光LED的控制。
八路NPN达林顿连接晶体管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804 最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。

图9 ULN2803结构图
每一个573+2803驱动一个竖面，一个2803引脚接一束8个LED的阴极，一共八个竖面。573数据口连接在一起，用P0口送数据，P2口控制锁存器工作状态。这就通过P0、P2口实现了竖面的控制（详见电路图）。
③．采用STC12C5A60S2系列单片机作为核心控制器件，使用串口通讯协议方式进行灯光控制。
控制芯片采用STC12C5A60S2，它是1个时钟／机器周期的单片机，速度比普通的8051单片机快8～12倍，有20个引脚且为小巧封装。该单片机具有超强抗干扰，抗静电的特点，能轻松通过4 kV快速脉冲干扰，其功耗超低，正常工作模式下的典型功耗为2．7～7 mA。芯片自带硬件看门狗，具有高速SPI通信端口，8通道8位A／D转换，2路PWM输出，4 KB容量的FLASH存储器，256 B容量的SRAM，4个定时器，1个全双工串行通信口。

图10 STC单片机外形图
由于单片机内部的资源丰富，性价比高，能够满足该设计的要求，而且减少了硬件电路的设计，提高了工作效率。其速度越快，用于控制灯光闪烁动作越流畅，视觉效果越动感。

图11 STC单片机控制板原理图
1.2元件制作
1.2.1 LED焊接
利用LED自身管脚搭接成为一立方体，这样形成了结构上的立体感，能够实现灯光的整体通透性。搭接步骤如下：
（1）将管脚水平折弯，注意区分LED的阴阳极，折弯处为正极。为保持焊接的整齐性，折弯时应尽量保持角度的统一；
（2）垂直折弯，目的是让阴极摆出发光体一部分，使其可以与其上下的LED进行搭接；

图12 将管脚水平折弯 图13 将管脚垂直折弯
（3）将每个LED管脚准备好之后，将其焊接在同一列上。为保证焊接的整体性与美观性可采用自制模具板在板上固定位置上打洞，将LED头插入将其阳极搭接在一起并以确保每个LED之间的尺寸距离，形成一条条LED列，每列八盏LED灯；
（4）将焊接好的LED列平躺在平面上，实现束方向阴极的焊接，每一个面有八列LED条组成，形成64盏LED灯的四方形面；

图14 焊接LED条 图15 焊接LEN面
（5）将搭接好的LED面的负极依次连接至ULN2803用于控制，并将露出的阳极引脚横向折弯90°，使其可以与其前后同一高度（相同一层）的阳极进行焊接，从而实现每个面的层之间共阳极。
（6） 制作一底板，将573及ULN2803焊接于底板处并将引脚统一留出于面板一端用于
将64个阴极引脚对接从而完成立体形状焊接。

图16 实际组装图
1.2.2底板电路制作
由于控制器件可选用多种类型的普通单片机采用串口通讯方式即可实现控制，因此将逻辑器件与控制器件分别独立。这样能够方便控制器件的选择使用。
（1）绘制逻辑器件原理图：
图17 共阳极驱动
共阳极驱动电路由8个PNP三极管SS8550组成的放大驱动电路组成，用于驱动8层LED，实现LED亮灭控制。

图18 共阴极束驱动（共64束）
共阴极束驱动电路由74HC573芯片和ULN2803芯片组成。每一个573+2803驱动一个竖面，一个2803引脚接一束8个LED的阴极，一共八个竖面。573数据口连接在一起，用P0口送数据，P2口控制锁存器工作状态。这就通过P0、P2口实现了竖面的控制。
（2）制作底板电路，由于端口数量多，需保留引脚与LED管脚相连。因此采用硬质塑材将此底座制作成为PCB板，并留出引脚方便拨接。

图19 LED底板实物图
1.2.3 控制板制作
该作品采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，其外围控制线路简单。只需提供供电电源、时钟晶振以及串口通讯引脚进行数据传输即可进行控制。进行数据下载时采用MAX232完成两路TTL/RS-232的电平转换。
绘制控制控制器件原理图
（1） 下载电路原理图

图20 232串口通信原理图
（2） 单片机控制电路原理图

图21 控制板原理图
（3） 焊接元器件

图22 控制板实物图
1.3指令系统
1.3.1 通讯协议设置
该作品通讯协议设置为：波特率：115200；校验位：无；数据位：8。每次命令由2个字节构成，先发送高八位（H7-H0），再发送低八位（L7-L0）。考虑到系统运行效率要求，以及编程的简易性，不设置校验位，合计三种代码格式，使用三种开始码与之对应、不设结束码。因没有设置结束码，所以必须保证每条代码发送的完整性。
表5 通信协议列表
功能 开始码 字节数 格式 示例
全局赋值 0XF0 2 0XF0+Data 发送“0XF0 0X00”,则将所有束的值设置为0X00，实现清屏操作；
单束赋值 0XF1 3 0XF1+Column+Data 发送“0XF1 0X02 0XFF”,则将第二束的值设为0XFF，即第二束全亮；
批量赋值 0XF2 65 0XF2+Data[0]+Data[1]+…+Data[63] 发送“0XF2 0X3F 0X3E 0X3D …0X01 0X00”即将0X3F赋值给第0束，将0X3E赋值给第一束，0X3D赋值给第二束…0X00赋值给第一束。

1.3.2 坐标系的建立
按照右手坐标系建立坐标系统，定义该作品中任意一个光点（LED）的坐标为（x、y、z）。因此，可以得到x、y、z的值域（取值范围）皆为[0-7]的整数域，即（0、1、2、3、4、5、6、7）。

图22 坐标系示意图
结合底板硬件电路结构，可定义该作品的灯光坐标值。束坐标（Column，简称C）其值C=y*8+x，由此可见C的值域为[0-63]；并且还能够得出x=C%8，y=C/8。（y的值为0-7，“%”为取余运算，“/”为整除运算）。束坐标选定之后，可根据控制要求选定束坐标上的显示状态。Z坐标值用于控制束坐标显示状态，其取值范围为0-7。因此使用每一字节（byte）的八个位能够定义每一束的显示状态。例如：如果要求某束只有Z=0的点（第0层，即最底层）亮起，则可将Data值设置为0X01（0000 0001B二进制数）；若要求某束只有Z=6点（第六层，由上往下第二层）亮起，则Data=0X40(0100 0000B)；若要求Z=0，Z=6点同时亮起，则Data=0X41（0100 0001B）。


图23 系统演示实物图
2. 创新点及意义
（1）3D感官视觉冲击力强、效果完美
采用立体式结构实现感官立体视觉效果，将512个LED灯焊接成为一8*8*8的立方体。采用坐标算法及逻辑器件的组合形式实现对立体LED中每一个光点的控制；运行动态控制时，采用对每一个坐标点的控制时间差从而形成该作品的三维动态闪光效果。
（2） 系统节能效果突出
LED光源的重大优势是节能，是一种绿色固态光源，而霓虹灯含水银会产生环境污染，因此LED光源发展是符合国家产业政策的。按本设计书表3的测算，面积为6平方米的景观装饰区域，采用LED照明装饰方案，一年内将比霓虹灯装饰方案降低6,893.76元的电费，节能达70.6%以上。如果采用3D立体LED装饰技术，虽然增加了LED元器件，但由于LED灯成本很低（增加500个费用仅500*0.1=50元），可采用本设计中的阵列式控制技术，在达到6000cd/平方米的最大实际亮度时，按照10%的系统损耗，则显示驱动电流为8.89mA/像素点，最大电流为474A，节能幅度达到21.9%。即：采用阵列式控制方式，在相同LED灯光数量下能够节约超过20%的电量，节能效果非常明显。
（3）应用范围广阔
3D立体LED技术给城市景观照明视觉以艺术的提升，不仅提升了城市形象，令生活在这个城市里的人们能感受到更美的夜间环境，更具自豪感，同时，也为城市的发展带来了经济效益。同时大中型城市拥有众多的生活圈，生活圈里分布着众多公共场合。有如：商场、超市、公园、广场、酒店等等。目前，公共场所采用的都为普通平面LED显示屏以及传统霓虹灯进行广告宣传，如采用该作品，将突破上述两种宣传方式的局限性，并且利用该作品的优越性能将会取得更加突出的宣传效果。

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