手機(jī)控制的調(diào)光調(diào)色的LED燈的設(shè)計(jì)

【摘要】闡述一種通過手機(jī)藍(lán)牙遙控大功率的可調(diào)光調(diào)色照明LED的軟、硬件設(shè)計(jì)。手機(jī)藍(lán)牙作為客戶端，與單片機(jī)控制板的藍(lán)牙模塊HC-06通信，產(chǎn)生四路可調(diào)占空比的PWM信號(hào)，控制大功率LED驅(qū)動(dòng)電路。通過采用PWM調(diào)光技術(shù)，用一路PWM波調(diào)節(jié)白色LED燈實(shí)現(xiàn)調(diào)光，用三路PWM波調(diào)節(jié)大功率全彩RGBLED燈實(shí)現(xiàn)DIY調(diào)色。客戶端采用Eclipse開發(fā)環(huán)境，android編程，服務(wù)端采用單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)控制LED驅(qū)動(dòng)電路，雙方通過串口仿真協(xié)議進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單片機(jī)可以接收手機(jī)遙控信號(hào)并靈活地進(jìn)行0～100%的LED的亮度調(diào)節(jié)，調(diào)光亮度為100級(jí)和全色LED的DIY調(diào)色，調(diào)色有100萬種。

【關(guān)鍵詞】PWM調(diào)光；DIY調(diào)色；手機(jī)藍(lán)牙遙控；android編程；單片機(jī)

1.引言

隨著，2012年10月30日飛利浦在Apple Store出售最新的高科技Hue系列LED燈，并且只會(huì)交由蘋果出售。Hue系列將是完全可有自定義的，并且通過一個(gè)燈泡內(nèi)紅藍(lán)綠三原色的LED可以混合出1600萬種顏色的燈光。整個(gè)過程完全由iPhone上的App來進(jìn)行控制。從而引發(fā)了智能燈控發(fā)展的新思考，國內(nèi)相關(guān)人士也紛紛進(jìn)行研究。考慮到Hue是采用WiFi無線控制，而國內(nèi)WiFi并未普及，本研究采用更普遍的藍(lán)牙技術(shù)，采用手機(jī)藍(lán)牙與單片機(jī)通信產(chǎn)生可調(diào)占空比PWM波信號(hào)控制LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光和DIY調(diào)色。

2.脈沖寬制（PWM）調(diào)光技術(shù)

PWM調(diào)光是一種利用簡單的數(shù)字脈沖，反復(fù)開關(guān)LED驅(qū)動(dòng)器的調(diào)光技術(shù)。應(yīng)用者的系統(tǒng)只需要提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，即可簡單地實(shí)現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)LED的亮度。PWM調(diào)光的優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)光范圍大，只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼，PWM調(diào)光可以在精確控制LED的亮度的同時(shí)，也保證LED發(fā)光的色度。

2.1 脈沖寬制（PWM）調(diào)光原理

利用人眼睛視覺惰性，按固定頻率操作占空比實(shí)現(xiàn)LED亮度調(diào)節(jié)，只要調(diào)光比即PWM波頻率大于200Hz人眼就不會(huì)感覺到LED的閃爍。具體調(diào)光實(shí)現(xiàn)，通過控制LED的亮滅時(shí)間，從而控制LED亮度，從電力學(xué)來看就是控制一定周期內(nèi)電流的有效值。這種方法在改變電流有效值大小的同時(shí)不改變電壓和電流的大小，這樣就保證了LED的發(fā)光色度，這是模擬調(diào)光和可控硅調(diào)光無法實(shí)現(xiàn)的。

2.2 占空比

占空比是指高電平在一個(gè)周期之內(nèi)所占的時(shí)間比率。方波的占空比為50%，占空比為0.5，說明正電平所占時(shí)間為0.5個(gè)周期。

Ts為脈沖周期

Tw為脈沖寬度

占空比τ=Tw/Ts×100。

占空比的解釋可以歸納為如下幾種：

1）在一串理想的脈沖序列中（如方波），正脈沖的持續(xù)時(shí)間與脈沖總周期的比值。

2）在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間與總時(shí)間的比值。

3）在周期型的現(xiàn)象中，現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)間與總時(shí)間的比。

也就是電路釋放能量的有效時(shí)間與總釋放時(shí)間的比。

2.3 調(diào)光比

調(diào)光比則是按下面的方法計(jì)算：

Foper=工作頻率

Fpwm=調(diào)光頻率

調(diào)光比率=Foper/Fpwm

其實(shí)也就是調(diào)光的最低有效占空比，比如Foper=100khz；Fpwm=200Hz，則調(diào)光比為：100k/200=500。

3.藍(lán)牙模塊組成

3.1 藍(lán)牙技術(shù)基礎(chǔ)

藍(lán)牙的創(chuàng)始人是瑞典愛立信公司，藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。手機(jī)之間通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享已成為常理，將手機(jī)變身為遙控器為人們的生活帶來無限方便。[1]

藍(lán)牙技術(shù)由三部分組成，包括藍(lán)牙無線電技術(shù)、藍(lán)牙協(xié)議棧和藍(lán)牙互操作性。

3.1.1 藍(lán)牙無線電技術(shù)

藍(lán)牙無線電工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，支持全雙工傳輸，使用IEEE802.15協(xié)議。藍(lán)牙設(shè)備即連即用，抗干擾能力強(qiáng)、使用方便[2]

3.1.2 藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙協(xié)議棧包含一個(gè)軟件棧和一個(gè)硬件棧。藍(lán)牙硬件協(xié)議棧由藍(lán)牙硬件提供，藍(lán)牙軟件協(xié)議棧由軟件實(shí)現(xiàn)。藍(lán)牙軟件協(xié)議棧提供Java藍(lán)牙API給程序開放人員使用。

3.1.3 藍(lán)牙互操作性

藍(lán)牙互操作性包括三方面內(nèi)容：①通用訪問Profile定義了設(shè)備管理功能性；②服務(wù)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用Profiles定義了服務(wù)發(fā)現(xiàn)方面的內(nèi)容；③串口Profiles定義了互操作設(shè)備和模擬串口電纜的能力

3.2 HC-O6藍(lán)牙模塊

BC04外置8M Flash，帶EDR模塊HC-06為民用級(jí)，兼容HC-04工業(yè)級(jí)。其中，HC-06模塊的TX管腳跟STC15F204EA單片機(jī)的P3.0管腳相接，RX管腳跟P3.1接。HC-06模塊接收手機(jī)端發(fā)來的數(shù)據(jù)，然后在通過串口TR，TX管腳與單片機(jī)通信。

藍(lán)牙2.0帶EDR，2Mbps-3Mbps調(diào)制度，內(nèi)置2.4GHz天線，外置8Mbit FLASH，低電壓3.3V工作（3.1V～4.2V）配對(duì)時(shí)30～40MA波動(dòng)，配對(duì)完畢通信8MA，可選PIO控制標(biāo)準(zhǔn)HCI端口（UART or USB），數(shù)字2.4GHz無線收發(fā)射，CSR BC04藍(lán)牙芯片技術(shù)，自適應(yīng)跳頻技術(shù)，藍(lán)牙Class 2功率級(jí)別，工作溫度為-25至+75，協(xié)波干擾為2.4MHz，發(fā)射功率3dBm，有效控制距離為10m。

4.手機(jī)APP設(shè)計(jì)

4.1 藍(lán)牙連接相關(guān)程序設(shè)計(jì)

首先，初始化本地藍(lán)牙設(shè)備，建立Local Device類，包括取得本地設(shè)備實(shí)例、藍(lán)牙名稱、設(shè)置發(fā)現(xiàn)模式、獲得發(fā)現(xiàn)代理。創(chuàng)建public int BTS_Init（）類函數(shù)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙初始化判斷，尋找默認(rèn)藍(lán)牙設(shè)備，打開藍(lán)牙。

啟動(dòng)藍(lán)牙設(shè)備搜索，創(chuàng)建public void BTS_StartScan（）類函數(shù)，開始尋找從機(jī)藍(lán)牙設(shè)備，注冊(cè)搜尋函數(shù)，創(chuàng)建public int BTS_ConnectToDevice（String DeviceAddress）類函數(shù)，實(shí)現(xiàn)連接到一個(gè)指定的藍(lán)牙設(shè)備。創(chuàng)建public int BTS_SendDates（String buffer）類函數(shù)實(shí)現(xiàn)字符串發(fā)送到已連接好的藍(lán)牙設(shè)備上，創(chuàng)建public int BTS_Finish（）類函數(shù)結(jié)束藍(lán)牙通信，最后創(chuàng)建接收ACTION_FOUND廣播的BroadcastReceiver private final BroadcastReceiver mReceiver=new BroadcastReceiver（）。

4.2 控制信號(hào)相關(guān)程序設(shè)計(jì)

首先創(chuàng)建一個(gè)用于控制信號(hào)的類public class PwmcontrolActivity extends Activity {}，里面包含創(chuàng)建界面的類函數(shù)public void onCreate（BundlesavedIn stan ceState）{}，發(fā)送控制信號(hào)類函數(shù)public void onStop Trac kingTouch（SeekBar seekBar）{}。

創(chuàng)建類class InitThread extends Thread {}，實(shí)現(xiàn)資源加載線程，里面創(chuàng)建用于四路信號(hào)之間轉(zhuǎn)換的public InitThread（PwmcontrolAc tivity act）{}類函數(shù)，實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙程序接口的public void run（）線程體，

用于軟件退出的類函數(shù)public boolean onKeyDown（int keyCo de，KeyEvent event）。

5.單片機(jī)控制信號(hào)設(shè)計(jì)

5.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示，本硬件電路采用STC15F204EA單片機(jī)為主控器，CH-06藍(lán)牙模塊的TXD與單片機(jī)11管腳P3.0連接，RXD與P3.1相連，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙串口通信連接，從P1.0，P1.1，P1.2，P1.3四個(gè)口輸出四路可調(diào)占空比的PWM信號(hào)，采用一個(gè)L298芯片將單片機(jī)控制信號(hào)和LED電源驅(qū)動(dòng)隔離，避免了單片機(jī)帶負(fù)載能力弱的缺點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)大功率LED。

5.2 程序設(shè)計(jì)

主函數(shù)流程圖如圖2所示，定義完相關(guān)變量和相關(guān)函數(shù)聲明后，設(shè)計(jì)串口通信函數(shù)，設(shè)置定時(shí)器1中斷，中斷函數(shù)為占空比控制函數(shù)，然后設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接收函數(shù)，當(dāng)串口服務(wù)函數(shù)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收函數(shù)，然后將接受到的字符數(shù)據(jù)通過字符轉(zhuǎn)型函數(shù)進(jìn)行字符的轉(zhuǎn)型，然后通過標(biāo)志iCommdType判斷控制哪一路信號(hào)，當(dāng)無標(biāo)志信號(hào)來時(shí)，一直循環(huán)檢查，檢查到相應(yīng)的標(biāo)志信號(hào)，然后執(zhí)行占空比調(diào)節(jié)函數(shù)藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間的通信使用模擬串口實(shí)現(xiàn)的，串口為標(biāo)準(zhǔn)配置：波特率9600，編寫一個(gè)串口初始化函數(shù)void UART_INIT（），初始化相關(guān)標(biāo)志，和寄存器，然后編寫中斷接收函數(shù)void tm0（）interrupt 1 using 1，接收串口發(fā)來的數(shù)據(jù)。設(shè)定定時(shí)器1中斷并編寫中斷服務(wù)函數(shù)void tm1（）interrupt 3 using 1，實(shí)現(xiàn)PWM的占空比控制。編寫數(shù)據(jù)接收函數(shù)char GetUartData（），將中斷接收函數(shù)里接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送這里，等待接收數(shù)據(jù)函數(shù)void WaitForChars（unsigned char iCount，char *Dest）通過調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)char GetUartData（），將手機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)裝載到定義好的變量數(shù)組，然后通過字符轉(zhuǎn)型函數(shù)unsigned int GetCmdType（char *Commd），將字符型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成數(shù)字，通過標(biāo)志判斷，要控制哪一路PWM波，然后將相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳到控制占空比的中斷服務(wù)函數(shù)，改變其占空比的輸出。

6.結(jié)果展示

6.1 手機(jī)端界面

參考文獻(xiàn)

[1]金純，林金朝等.藍(lán)牙協(xié)議及其源代碼分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006（06）.

[2]劉斌.Java ME使用詳解——用Eclipse進(jìn)行移動(dòng)開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007（02）：503-538.

[3]符強(qiáng)，任風(fēng)華.基于手機(jī)藍(lán)牙的遙控小車的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2011（12）：77-79.

本文系北京市大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：3ZD10）。

作者簡介：楊遠(yuǎn)強(qiáng)（1992—），男，廣東梅州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于北京信息科技大學(xué)，研究方向：智能科學(xué)與技術(shù)。