一種LED智能控制模塊的設(shè)計(jì)

吳玉香，尚 俊，羅婉霞，文尚勝

(1.華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510640；3.華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

1 引言

如今，單一的白光LED照明已經(jīng)不能滿足人們的日常需求。人們?cè)絹?lái)越希望LED能夠?qū)崿F(xiàn)需要的亮度、顏色或色溫。此外，近年來(lái)，人們開始提出情景照明和情調(diào)照明。情景照明是指根據(jù)環(huán)境的需要，營(yíng)造一種舒適、愜意的光照環(huán)境，使人們感覺有場(chǎng)景的效果。情調(diào)照明和情景照明不同，是從人的角度來(lái)營(yíng)造一種意境般的光照環(huán)境，情調(diào)照明是動(dòng)態(tài)的。基于上述需求，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款LED智能控制模塊。該LED智能驅(qū)動(dòng)器通過硬件和軟件可實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)LED亮度、顏色和色溫的調(diào)節(jié)；(2)根據(jù)環(huán)境光照自動(dòng)調(diào)節(jié)LED。本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由全彩LED驅(qū)動(dòng)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線藍(lán)牙模塊以及GSM無(wú)線模塊構(gòu)成外圍電路。目前，智能手機(jī)越來(lái)越流行，人們可以用手機(jī)APP通過藍(lán)牙控制LED，也可以通過GSM無(wú)線模塊遠(yuǎn)程控制LED燈。

本系統(tǒng)有兩種無(wú)線控制方式，無(wú)線藍(lán)牙控制和GSM模塊控制。近距離控制時(shí)，人們可以使用帶有藍(lán)牙功能的手機(jī)控制LED智能驅(qū)動(dòng)器。遠(yuǎn)距離控制時(shí)，人們可以通過GSM模塊的短信功能來(lái)控制LED智能驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制LED。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是由單片機(jī)STC12C5412輸出三路PWM波控制全彩LED燈發(fā)出各種不同顏色、不同色溫和不同亮度的光。三路PWM的占空比可以通過無(wú)線藍(lán)牙模塊連接的上位機(jī)以及GSM模塊控制。LED驅(qū)動(dòng)電路由獨(dú)立的電源模塊，即使沒有單片機(jī)STC12C5412控制，LED燈也可以點(diǎn)亮，只是不能變化。系統(tǒng)硬件總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總框圖Fig.1 The diagram of the system hardware

2.1 單片機(jī)STC12C5412

STC12C5410單片機(jī)是單時(shí)鐘8051內(nèi)核單片機(jī)，為高速/低功耗的新一代單片機(jī)，具有全新的流水線/精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)。有四路PWM輸出和通用異步串行口(UART)。本設(shè)計(jì)用到了三個(gè)PWM口輸出PWM信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片的ENA、ENB、ENC。串口用于連接藍(lán)牙串口模塊和GSM模快。

由于只有一個(gè)串口，所以某一時(shí)刻藍(lán)牙和GSM只有一個(gè)可以和單片機(jī)通信，單片機(jī)通過此串口接收藍(lán)牙或者GSM的無(wú)線信號(hào)對(duì)LED進(jìn)行控制。

2.2 LED驅(qū)動(dòng)電路

DD313是一款專為L(zhǎng)ED應(yīng)用設(shè)計(jì)的恒流驅(qū)動(dòng)芯片。它集成了三通道的恒流輸出。恒定輸出的電流值可分別由三個(gè)外部電阻設(shè)置。三個(gè)使能引腳分別獨(dú)立控制三個(gè)輸出端。DD313快速的輸出電流響應(yīng)使它能適應(yīng)高分辨率調(diào)光和高刷新率速率應(yīng)用。內(nèi)置LED開路檢測(cè)、過溫、過電流保護(hù)功能，確保了系統(tǒng)的可靠性。LED驅(qū)動(dòng)電路的硬件電路圖如圖2所示。

圖2 DD313硬件電路圖Fig.2 The circuit diagram of DD313

在圖2中，ALARM引腳懸空，因?yàn)锳LARM引腳是用于LED開路報(bào)警和結(jié)溫過熱報(bào)警，而本次設(shè)計(jì)不需要，故預(yù)留ALARM引腳懸空。RESERVE引腳用于測(cè)試芯片，當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)懸空。

DD313每個(gè)輸出通道的恒流值都是由REXT(R,G,B)引腳與GND之間連接的一個(gè)外部電阻單獨(dú)設(shè)置的。改變電阻值，可以調(diào)整電流高達(dá)500mA。要注意的是，輸出電流會(huì)有小的增加或減少，直到該設(shè)備的溫度和環(huán)境溫度平衡。根據(jù)Datasheet上提供的公式，近似的輸出電流值可通過下面的公式計(jì)算：

IOUT=0.5(V)/REXT(R,G,B)

本次設(shè)計(jì)采用的RGB LED的最大電流值為IOUT=20mA，由上面的公式可算得R3=R4=R5=25(Ω)。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832。ADC0832是一種8位分辨率、雙通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。它與單片機(jī)的通訊方式是串行方式，ADC0832將模擬量轉(zhuǎn)換成8位的數(shù)字量，通過引腳DO傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。一般情況下，ADC0832與單片機(jī)換數(shù)據(jù)通過四個(gè)引腳，分別是CS、CLK、DO、DI。但是DO、DI在通信時(shí)并未同時(shí)使用，且與單片機(jī)的接口是雙向的，因此DO、DI可以共用一個(gè)單片機(jī)I/O端口。基于ADC0832的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

在圖3中，當(dāng)光敏電阻R6接收到不同光強(qiáng)時(shí)，其阻值會(huì)發(fā)生改變。光敏電阻R6與電阻R7串聯(lián)，當(dāng)光敏電阻R6的阻值改變時(shí)，電阻R7的壓降就會(huì)改變，引腳CH0檢測(cè)到模擬電壓量，ADC0832將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過D0傳輸給單片機(jī)。

圖3 ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.3 The circuit of ADC0832 analog-to-digital conversion

2.4 無(wú)線藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離無(wú)線通信技術(shù)(一般10m內(nèi))。能在移動(dòng)電話、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等帶藍(lán)牙功能的多種設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡(jiǎn)化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓展道路。藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。本設(shè)計(jì)中采用無(wú)線藍(lán)牙串口模塊與單片機(jī)串口連接。無(wú)線藍(lán)牙串口模塊的引腳分別為VCC、GND、RX、TX。藍(lán)牙串口模塊地線GND與單片機(jī)地線GND相連，無(wú)線藍(lán)牙串口模塊引腳RX_232與單片機(jī)引腳TxD相連，無(wú)線藍(lán)牙串口模塊引腳TX_232與單片機(jī)引腳RxD相連。無(wú)線藍(lán)牙串口模塊原理圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線藍(lán)牙串口模塊原理圖Fig.4 The schematic diagram of the wireless Bluetooth serial module

2.5 GSM模塊

TC35模塊是西門子公司生產(chǎn)的新一代無(wú)線通信GSM模塊，可以快速安全地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的語(yǔ)音傳輸、數(shù)據(jù)、傳真和短消息服務(wù)。模塊的正常工作電壓為3.3～5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個(gè)頻段，它們所在頻段的功耗分別為2W(900M)和1W(1800M)。模塊具有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息，以及2.4K，4.8K，9.6K的非透明模式。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測(cè)功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)及控制信號(hào)的雙向傳輸。通過ZIF連接器及50Ω天線連接器，可分別連接SIM卡和天線。

TC35模塊主要由GSM基帶處理器、供電模塊(ASIC)、GSM射頻模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。作為TC35 的核心，基帶處理器主要處理GSM終端內(nèi)的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的數(shù)字和模擬功能。在不需要額外硬件電路的前提下，可支持FR、HR和EFR語(yǔ)音信道編碼。

GSM模塊與單片機(jī)模塊主要通過3個(gè)引腳相連，分別為GND、RXD0、TXD0。GSM模塊與單片機(jī)模塊首先要共地，即GSM模塊的地線GND與單片機(jī)模塊的地線GND相連。GSM模塊的引腳RXD0與單片機(jī)模塊的引腳TxD相連，GSM模塊的引腳TXD0與單片機(jī)模塊的引腳RxD相連。TC35模塊的電路原理圖如圖5所示。

圖5 TC35模塊的電路原理圖Fig.5 The schematic diagram of the TC35 module

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序主要完成控制系統(tǒng)各部件的初始化和實(shí)現(xiàn)各功能子模塊程序的調(diào)用。本設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖6所示。

主程序開始運(yùn)行時(shí)，先對(duì)單片機(jī)和各模塊初始化，然后將3個(gè)PWM模塊的占空比設(shè)置為0，表示開機(jī)以后燈的默認(rèn)狀態(tài)為關(guān)閉。然后AD模塊將采集的數(shù)據(jù)給單片機(jī)，單片機(jī)接受數(shù)據(jù)后輸出PWM給驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光，這說明初始化后系統(tǒng)工作于自動(dòng)調(diào)光模式，然后主程序開總中斷和串口中斷。我們?cè)谥鞒绦蛑信袛啻谥袛鄻?biāo)志位是否被置位，如果被置位則執(zhí)行響應(yīng)的程序，如果未被置位則仍然工作于自動(dòng)調(diào)光模式。

GSM模塊和藍(lán)牙串口模塊都是通過串口實(shí)現(xiàn)和單片的通信，由于藍(lán)牙串口模塊和GSM模塊共用一個(gè)串口，而且是共用一個(gè)串口中斷程序，為了能對(duì)藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行甄別，采用幀的方式傳輸，在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)定藍(lán)牙數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度為固定長(zhǎng)度5個(gè)字節(jié)，幀頭為0xFA，幀尾為0xFB，中間三個(gè)數(shù)據(jù)分別為red、green、blue的數(shù)值。在中斷子程序中首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，檢測(cè)是否為藍(lán)牙串口模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。若是，則將藍(lán)牙標(biāo)識(shí)符置1，如果不是則對(duì)TC35標(biāo)識(shí)符置1。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 The flow chart of the system program

在主程序中對(duì)標(biāo)識(shí)符進(jìn)行判斷，判斷是否有標(biāo)識(shí)符被置1，并且判斷是藍(lán)牙標(biāo)識(shí)位被置1還是GSM標(biāo)識(shí)位被置1，然后執(zhí)行相應(yīng)控制程序并輸出PWM給驅(qū)動(dòng)電路。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種LED智能控制模塊，該模塊集成了藍(lán)牙串口模塊和GSM模塊，用戶可以通過帶有藍(lán)牙功能的PC或者移動(dòng)設(shè)備對(duì)LED進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括亮度、顏色和色溫等的調(diào)節(jié)。另外，還可以通過GSM模塊，經(jīng)短信息方式對(duì)LED實(shí)現(xiàn)調(diào)控。當(dāng)用戶不對(duì)LED進(jìn)行無(wú)線控制時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)AD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制。此LED智能控制模塊還可通過編程實(shí)現(xiàn)包括情景模式和情調(diào)模式以及各種模式之間的切換等多種調(diào)控功能。

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