基本信息
- 项目名称：
- 用于城市建筑照明的智能RGB像素灯设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- ：本作品采用上位机与下位机共同控制，根据RGB调色技术，采用PWM波调节RGB发光二极管，通过256个梯度高精度连续调节，产生全色光，产生任意色调、亮度光谱。体积小亮度高，以地面向墙体投射的形式照亮建筑物表面。避免墙体安装以及安装建筑物表面引起的光、电、热对墙体的破坏。产品控制方式多样，简单方便，可计算机控制或手持控制，并实现实时控制。产品成本低廉，工艺简单，安装、使用、维护简单易，节能环保特性。
- 详细介绍：
- 用于城市建筑照明的智能RGB像素灯设计 目录 摘要 2 1 技术背景 2 1.1 研究背景和研究意义 2 1.2 发展现状 2 1.3 市场对优质光源要求 3 （1）灯光源发出的光为全色光 3 （2）灯光光谱成分中应没有紫外光和红外光 3 （3）光的色温应贴近自然光 3 （4）灯光为无频闪光 3 2 智能RGB像素灯硬件电路设计 4 2.1 RGB调色原理与方式 4 2.1.1 RGB调色原理 4 2.1.2 RGB调色方式 5 2.2 RGB像素灯设计思路和系统原理框图 7 3 智能RGB像素灯上位机及软件设计 11 3.1软件功能 11 3.2软件编程的难点 11 4 智能RGB像素灯实物及功能、特性 12 4.2 智能RGB像素灯的主要功能 12 4.3 智能RGB像素灯的特性 13 4.4 智能RGB像素灯的优势 14 5 控制界面，程序设计和实现方法 16 6 总结 17 摘 要：本作品采用上位机与下位机共同控制，根据RGB调色技术，采用PWM波调节RGB发光二极管，通过256个梯度高精度连续调节，产生全色光，产生任意色调、亮度光谱。体积小亮度高，以地面向墙体投射的形式照亮建筑物表面。避免墙体安装以及安装建筑物表面引起的光、电、热对墙体的破坏。产品不仅控制方式多样，且简单方便，可计算机控制或手持控制，并实现实时控制。产品生产成本低廉，工艺简单，安装、使用、维护简单易捷，并具有使用成本低节能环保特性。性能稳定，安全环保可靠。 关键词：RGB像素灯，城市亮化，智能控制 1 技术背景 1.1 研究背景和研究意义 城市夜景照明是随着城市的发展、经济的繁荣、社会的进步和人们对提高生活质量的要求，而成为城市管理工作中的一项重工作。它再塑和美化了城市形象，为城市注入了新的生机和活力，呈现出强烈的时代气息，展示城市丰厚的文化底蕴，也充分体现出城市的建设成就和管理水平。随着社会的发展，物质文明的提升，人们对生活质量要求提高，对生活环境是否健康和优雅也更加关注。所以对城市夜空灯光的健康水平，色彩要求也越来越高。基于此我们研究了用于城市建筑照明的智能RGB像素灯的设计。它可以实现优美绚丽，健康夺目，舒适宜人的城市夜景照明。不仅会使我们的城市更加美丽宜人，也会让我们的生活更加轻松和舒适。 1.2 发展现状 LED照明设施已经广泛应用于城市照明，建筑物照明，公园景观照明中。虽然丰富了我们的生活，美化了我们的城市，但也产生了一些类问题。现在市场上大多采用的是小功率大规模点亮的，安装在建筑物表明的高亮LED，且光色单一，一次安装则很难改变形状，图案，颜色，及样式。且由于大规模点亮而引起高耗能，光污染，影响人身体健康，影响植被生长。维修维护困难。 1.3 市场对优质光源要求 （1）灯光源发出的光为全色光 所谓全色光，即光谱连续分布在人眼可见范围内，视觉不易疲劳。 （2）灯光光谱成分中应没有紫外光和红外光 因为长期过多接受紫外线，不仅容易引起角膜炎，还会对晶状体、视网膜、脉络膜等造成绿色照明伤害。红外线极易被水吸收，过多的红外线经过人眼晶状体聚集时即被大量吸收，久而久之晶状体会发生变性，导致白障。 （3）光的色温应贴近自然光 色温是用温度表示光的颜色的一种量化指标，因为人们长期在自然光下生活，人眼对自然光适应性强，视觉效果好。试验证明：自然光条件下的视觉对比灵敏度高于人工光5％—20％以上。 （4）灯光为无频闪光 频闪光是发光时出现一定频率的亮暗交替变化。普通日光灯的供电频率为50赫兹，表示发光时每秒亮暗100次，属于低频率的频闪光，会使人眼的调节器官，如睫状肌、瞳孔括约肌等处于紧张的调节状态，导致视觉疲劳，从而加速青少年近视。如果发光时的供电频率提高到数百赫兹以上，或成直流供电，人眼即不会有频闪感觉，也不会造成视力伤害，这种光称为无频闪光。 必须同时具备以上四方面要求的光，才算是优质光源。目前市场上众多灯光源均存在不同程度的不足。如白炽灯，因红外光谱超过发光总光谱60％以上，全色光平衡不理想，色温较低，既造成电能的大量浪费，对人眼也不利。普通日光灯因紫外光成分较多，又居于低频率的频闪光，故光源质量不甚理想。市场上较多的电子整流的节能荧光灯，有一部分光源为无频闪光，又为全色光，色温也较接近自然光，不足之处是有紫外光。基于此我们设计了智能RGB像素灯，这种灯可以同时满足以上四方面要求。相对于现在常用的那种高压的灯更加节约能源。 LED像素灯是通过LED像素点混色来达到由点到面的动态效果，像素灯接收专用控制器发出的信号和命令，通过计算机对花样和场景进行编辑和设计，也可以实时传输数据，可根据用户需求实现各种变化效果。LED像素灯由RGB三色LED光源组成，是一种新型高级装饰灯具。既有日光灯的柔和，又有霓虹灯的动感，广泛应用于花园、舞台、立交桥护栏、大楼轮廓、广场道路、灯光广告牌、酒店、景观照明等场所，以及城市亮化工程装饰等。 2 智能RGB像素灯硬件电路设计 2.1 RGB调色原理与方式 2.1.1 RGB调色原理 根据物理光学试验中得出的：红、绿、蓝三种色光是其他色光所混合不出来的。而这三种色光以不同比例的混合几乎可以得出自然界所有的颜色这一结论进行色彩搭配设计。如红光与不同比例的绿光混合可以得出橙、黄、黄绿等色；红光与不同比例的蓝紫光混合可以得出品红、红紫、紫红蓝；紫光与不同比例的绿光混合可以得出绿蓝、青、青绿。如果蓝紫、绿、红三种光按不同比例混合可以得出更多的颜色，一切颜色都可通过加色混合得出。如图1所示。 图1 RGB三基色混色 并且一种颜色的数值一般用这种颜色的RGB值来表示。RGB值指某种颜色中的红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)成分，理论上讲红绿蓝三种基色按照不同的比例混合可以调配出任何一种颜色来。比如我们调一种桔红色，图2是Photoshop颜色面板中的显示。 图2 Photoshop颜色面板中颜色的显示 颜色中的RGB成分数值范围均为（0~255），用十六进制表示即（0x00~0xFF），这个范围正好占用一个字节（8位）。因此一种颜色含RGB三种成分占用三个字节（24位），这就是24位真彩色的由来了。 2.1.2 RGB调色方式 方式一：PWM Dimming (脉宽调制) 调光方式——这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关 LED驱动器的调光技术。系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节发光LED 的亮度。PWM 调光的优点在于能够提供高质量的光源，以及应用简单，效率高！且能满足从0到100%调节光的亮度的高要求。相对于 PWM 调光，如果能够改变 RS 的电阻值，同样能够改变流过白光 LED 的电流，从而变化 LED 的光亮度。我们称这种技术为模拟调光。 模拟调光最大的优势是它避免了由于调光时所产生的噪声。在采用模拟调光的技术时，LED的正向导通压降会随着 LED 电流的减小而降低，使得发光 LED 的能耗也有所降低。但是区别于 PWM 调光技术，在模拟调光时白光 LED 驱动器始终处于工作模式，并且驱动器的电能转换效率随着输出电流减小而急速下降。所以，采用模拟调光技术往往会增大整个系统的能耗。模拟调光技术还有个缺点在于发光质量。由于它直接改变光源 LED 的电流，使得发光 LED的发光质量也发生了变化！所以我们不用。 方式二：信号放大原理 我们采用RT8453作为信号放大部分，RT单纯BUCK架构的HB LED高质量驱动IC-RT8453，相较于目前市面上的磁滞电流控制IC，最大的差别在于该款芯片采用定频电电流控制的方式，使电流精确度能达到±5%，降低了在生产上因LED 串联颗数不同，所造成电流不够精准的问题。IC-RT8453并未因其它功能的分离而降低质量和性能，IC-RT8453仍然继承了RT84系列优秀的质量，输入宽电压范围 4.5~40V，输出支持到40V/1A，采用定频电电流控制，使小体积和小感量的电感可以满足设计需求，并使用特有的CCM模式和电流斜率补偿技术，使得驱动HB LED的数量在输入电压的最大允许范围内可任意变动，输出电流基本则保持稳定不变，仍支持PWM和ANALOG调光的应用。驱动IC- RT8453针对输入电压稳定，单纯需要降压的LED驱动场合，高精度恒流和高可靠性，可允许LED在工作范围内，输入或负载电源任意变化，而不需要针对不同的灯具，反复调整或重新设计外围器件参数。 2.2 RGB像素灯设计思路和系统原理框图 本系统设计思路：上位机使用VB控件控制，用mscomm（直接控制串口）来进行串口数据的发送与接收 ，主要是发送 控制据接收下位机回传的指令，下位机会回传 RGB来确认上位机所发的数据来调节上位机的数据发送。下位机收到上位机发送的数据后将其转化成三色的PWM波 ，也就是三路的PWM波 ，这三路波每一路控制一个灯的颜色全数字化的调光，利用人眼的视觉暂留形成各种各样的颜色。系统原理框图如图3所示。 图3 系统原理框图 2.3 RGB像素灯控制器设计 设计简易、可靠、高性能、低成本的下位机操作系统，用于接受上位机信号，产生三路相互独立的PWM波，用于调节RGB三色点管管亮度。 图4 RGB像素灯下位机原理图 2.4 大功率LED驱动电路设计 RGB光源采用1W的红、蓝、绿三色LED，其驱动电路如图5所示。将上位机产生小信号PWM波用专业高质量，高精度LED驱动模块进行不失真放大处理。产生我们所需要的大功率信号，驱动大功率LED发光和关断。驱动电路的PCB板图及光源板图分别如图6~9所示。 图5 大功率LED驱动电路图 图6 大功率LED驱动电路PCB板图——顶层 图7 大功率LED驱动电路PCB板图——底层 图8 大功率LED驱动电路PCB板图——器件放置层 图9 大功率LED构成RGB像素灯的光源板图 3 智能RGB像素灯上位机及软件设计 3.1 上位机设计 作品在计算机上使用的上微机操作界面和系统，如图10所示。用于发送三路PWM波参数，和截止帧，并自动生成返回值，形成RGB参数值。实现人机操作。 图10 上微机操作界面 3.2 系统软件设计 3.1软件功能 上位机用来将用户输入的十进制RGB像素值，转换成串口数据，发往下位机，下位机接收上位机数据转换成相应的PWM波，经放大电路点亮三色LED，并返回RGB数值。上位机自动发送也可连续发送数据之下位机，并返回RGB值。 3.2软件编程的难点 编辑上位机串口数据发送软件，下位机接收上位机数据转换成PWM数据并返回数据 4 智能RGB像素灯实物及功能、特性 4.1 智能RGB像素灯实物及测试 设计并制作可手持现场可操控的智能、简易、多功能的上位机位机操作系统。用于实现现场灵活调节。 图11 智能RGB像素灯实物图 注：（因亮太度高，拍照时灯口内放置了约三公分厚白色海绵） 4.2 智能RGB像素灯的主要功能 全色光调节RGB。三色RGB每种光可实现256个梯度的亮度调节。本设计主要用于夜间照明，可智能调节得到场合适合的颜色。夜间照明泛指除体育场、工地和室外安全照明外的室外活动空间或景观的夜间景观照明。照明的对象有建筑或构筑物，广场、道路和桥梁，机场、车站和码头，名胜古迹，园林绿地，江河水面，商业街和广告标志以及城市市政设施等的景观照明，其目的就是利用灯光将上述照明对象的景观加以重塑，并有机地组合成一个和谐协调，优美壮观和富有特色的夜景图画，以此来表现一个城市或地区的夜间形象 。 4.3 智能RGB像素灯的特性 图12 图13 产品型号 FP01-H003F00 产品名称 RGB全彩像素灯3X1W 安装尺寸 90mm，两孔螺钉安装 灯体尺寸 100X81X55（不含电线、安装结构） 安装方式 安装面/安装板面 安装 主体件材质 铝压铸灯体 灯罩材质 光学级磨砂钢化玻璃 表面处理方式 灯体喷涂成银灰色 防护等级 IP65 灯具Lm输出 ≥100lm 灯具使用温度 -20℃~+45℃ 验证测试 高压测试 接地电阻测试 绝缘测试 包装测试 IP测试 电器规格 电器品牌 自制 输入 DC 24V 输出 3X1W 使用环境温度 -20℃~+45℃ 适用功率 3W（3X1W单路控制） 功率因数 0.9 光源型号 1W平面大功率LED 光色 R/G/B全彩 显色性 光效 图14 1灯体引出两根导线中带防水接插头端的为输入端带防水接头母的为输出端 2本灯具输入为24V直流电，可单灯使用，也可组合使用，每灯最大功耗5W，组合使用最多灯具数根据恒压电源的功率确定 3在外接控制器时，本灯应用电源线及防水插头 4通过防水插头将外部电源线输出端与灯具引出线输入端相连接 5通过防水接插头将外部电源线输出与灯具引出线输入端相连 6通过防水接插头封闭每串灯具最后一只灯具引出的输出端 4.4 智能RGB像素灯的优势 （一）控制简单方便：只需要用户用个人计算机或是我们设计的上位机发送十进制形式的RGB亮度数值参数即可实现控制。 （二）便于时时控制，自动化管理 （三）多种调节方式：控制部分为上位机下位机共同控制。 首先下位机采用51系列单片机向外发送三路PWM波，每路PWM波分256级全光可调光线强度。 1、个人计算机调节：上位机可直接用个人计算机装上串口驱动用串口发送四位十进制数（包括RGB数值和一位截止帧）调节三色光亮强度。 2、上位机与下位机之间只需一根普通MP3或是MP4数据线即可实现通信。使用51系列单片机的优点在于价格低廉，且能达到技术要求 （四）调节精度高：三路PWM都为256个梯度全像素可调LED. （五）电源部分简单：电源部分采用24V工业标准电源，方便大规模工业生产，与组装，便于维修。 （六）易于商品化生产：通过我们的调查，现在市场上的彩色电光源多为在点点亮，光源向外发散，直接进入人眼，而我们的产品，以像素灯的形式，将调制好的彩光光源直接投射到建筑物表面，照亮建筑物，然后进入人眼。相比之下，省去安装过程及设备人力，有效防止光源发热引起的墙体过热，和安装对墙体的破坏。以投射形式将光源直接投射到墙体节省了大量材料，与光源的使用量。节省大量设备经费，进而节省了用电量，缩减使用费用，达到节能节省效果。 （七）易于市场化推广：现在市场上所成现的产品价格昂贵，动辄上百万；而且多为单色闪动效果，光源亮度不可调，色泽更难保障；一次安装，则永久使用，难以随季节变化，节日变化，时间变化而改变。而我们的用于城市建筑照明的智能RGB像素灯设计则很好的解决了此项问题，我们的像素灯设计简单，高效节能，实时人工在线可调，与智能自动控制相结合。能实现各种颜色变化，亮度可调，时时可调。色泽组成为全色光普，可实现任何颜色的调节，任何亮度调节。 （八）大功率，高利用率：如今市场上大规模采用的是小功率二极管大规模点亮，实现亮化效果，此举浪费资源且耗电量大，我们采用的大功率高效率发光二极管，可以避免此问题。设计可以实现每1.2至1.5米间距至于地表向上投射至十三四米高空，照亮墙体。 5 控制界面，程序设计和实现方法 详细介绍一下界面使用方法 上位机界面简单如图15 在设置参数栏中选择串口号，确定后进入主页面如图16，在发送内容里键入RGB值和截止帧（两位任意十进制数）四个数，中间用空格隔开。点击开始接收（此为接受返回值），点击手动发送即可。 发送数据也可以一位一位的发送，也可以多位一起发送，上位机自己会将数据按四位一段自动排列出RGB和截止帧发送并接收显示返回值。 图15 图16 6 总结 国家在去年已经启动“十城万盏”LED节能计划，目前已经有42个城市列入该计划。不过，除了装饰用的LED照明已经逐步普及化外，至今绝大部分的LED通用照明应用还局限于政府示范工程。市场推广难的主要原因是LED照明产品价格过高。由于芯片在LED产品成本中占30%甚至更高，而我国照明级高端LED芯片主要依靠进口，价格较为昂贵，造成同等光照亮度的LED照明产品的价格居高不下，对普通的消费者没有较大吸引力。中国LED行业企业数量众多，整体已取得较大进步，但企业规模普遍偏小，缺乏龙头企业。随着大部分LED厂家将产品前期研发和主要模块生产交与方案商，LED准入门槛降低，市场竞争激烈。目前国内有1950家LED封装企业，而企业推出的各类LED应用新产品数量不足530件；LED路灯企业超过300家，产品基本处于互相抄袭模仿的阶段。同质化竞争造成价格战硝烟四起，缺少标杆性的品牌，企业规模难以壮大，行业缺乏公信力。培植龙头企业，加快自主品牌建设已迫在眉睫。而我们的作品正好弥补了此项空缺，我们的作品《用于城市建筑照明的智能RGB像素灯设计》作品所设计的像素灯，大大功率，低成本，高效率，健康环保无污染，操作方便，控制简单，性能稳定，易于大规模生产和普遍使用的城市景观照明器具。 参考文献 [1] 方伟新，吴森，宗杨．超级电容与蓄电池并联使用对混合动力公交车的改进．客车技术与研究．2005(5)：11-14 [2] 陈永真、王亚君、宁武、孟丽囡，通用集成电路应用、选型与代换，中国电路出版社，2006年11月 [3] 韦巍，何衍.智能控制基础（全国高等学校自动化专业系列教材）清华大学出版社2008年11月 [4] 王晓明. 电动机的单片机控制（第2版）北京航空航天大学出版社 2007年08月 申报者 谢乃方 2011年5月26日
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本课题设计思路:上位机使用VB控件控制，用mscomm（直接控制串口）来进行串口数据的发送与接收，下位机电路将收到的数据转化成三色PWM波，进而控制一个灯的颜色实现全数字化的调光。且可实现多种调节控制模式。 创新点：系统控制简单方便；全色高精度RGB调节，色彩鲜艳、美观、理想；便于时时控制，自动化管理；多种调节方式；使用工业标准电源；易于商品化生产；易于市场化推广，上位机多种控制模式，维护维修简单便宜。
科学性、先进性
- 本作品与现有安装在建筑物上大规模使用的高亮LED照明相比特点在于采用24V标准工业供电，电源简单，能实现单一控制的无限级联，能够实现时时操控，更改色彩、亮度。且操作简单，易于控制。每种颜色256个梯度调节，三色混合能调节出任意一种颜色。地面投射式，不需建筑物表面安装以避免光、电、热和施工对建筑物的破坏。且具有低成本，低能耗，高精度，健康，环保，安可靠，安静，不闪，维护维修简单方便 ，可以无限级联。
获奖情况及鉴定结果
- 荣获北华航天工业学院第十二届“挑战杯”二等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 尚未考虑
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本设计可在计算机上使用的上微机操作界面和系统，发送设定三路PWM波参数，和截止帧，并自动生成返回值，形成RGB参数值，也可实现手持现场可操控的智能、简易、多功能的上位机操作系统去控制简易、可靠、高性能、低成本的下位机操作系统，产生三路相互独立的PWM波，调节RGB三色点管管亮度。以地面向上投射方式，大功率高效节能。 本产品可用于室外长时间使用，可大规模级联。其成本比较低，且为高效率发光灯头。照明的对象有建筑或构筑物，广场、道路和桥梁，机场、车站和码头，名胜古迹，园林绿地，江河水面，商业街和广告标志以及城市市政设施等的景观照明。所以市场前景非常乐观。
同类课题研究水平概述
- 城市夜景照明是随着城市的发展、经济的繁荣、社会的进步和人们对提高生活质量的要求，而成为城市管理工作中的一项重工作。随着社会的发展，物质文明的提升，人们对生活质量要求提高，对生活环境是否健康和优雅也更加关注。所以对城市夜空灯光的健康水平，色彩要求也越来越高。 改革开放以来，我国城市夜景照明，发展十分迅速。技术水平得到了提高，但同时出现了许多问题。夜景照明采用单一的泛光照明方式，建筑物虽然被照的很亮但是缺少层次，立体感，照明效果比较差。此外耗电量较大，光污染问题突出，不能达到夜景照明美化建筑夜景目的。目前已经有了大功率的应用于生产园林照明亮化LED灯具，这种产品功率较大，耗电量较大。 作品“用于城市建筑照明的智能RGB像素灯设计”结构简单，高效节能，实时人工在线可调，与智能自动控制相结合。能实现各种颜色变化，亮度可调，且时时可调。色泽组成为全色光谱，可实现任何颜色的调节，任何亮度调节。
