三基色智能調光系統設計＊

方舟

（南京工業大學，江蘇 南京 211816）

現代照明控制系統涵蓋了無線通訊數據傳輸、擴頻電力載波通訊技術、計算機智能化信息處理及網絡型嵌入式燈控等技術，通過有線/無線網絡連接到控制系統，利用控制軟件和嵌入式燈控節點對LED（Light-Emitting Diode）燈具進行無線控制，實現對照明設備的遠程分布式控制[1]，具有燈光亮度的調節、燈光不同顏色的調控、在不同時間進行定時控制等功能，并達到了安全、便利、舒適的特點。在了解和分析國內外照明控制技術和實際應用中的技術指標基礎上，設計了一種基于Wi-Fi 的調光控制系統，采用了IEEE 802.11 標準的無線局域網通訊技術，簡化系統的硬件設計。使用脈寬調制技術（PWM）完成對LED 的調色調光，利用APP 軟件實現遠程操控。將熱釋電紅外傳感器和光敏電阻模塊作為測光模塊，能夠測出外界環境光的強度，自適應地調整光源的亮度。

1 系統設計

1.1 總體設計

目前，解決照明控制通信有有線和無線2 種方式。有線方式是通過導線的傳統照明控制方式，無線方式采用無線局域網IEEE 802.11 協議。目前大部分家庭都采用的是普通開關，很少用到無線紅外遙控等技術。當前市場主流的無線傳輸標準主要有Zigbee、藍牙及Wi-Fi 等。其中，Wi-Fi 通信速率高、門檻較低，并且國內各大通訊公司均擴大無線局域網的覆蓋范圍，因此Wi-Fi 更具有研究和使用價值[2]。

LED 智能調光控制系統中傳統的TRIAC 調光方案將逐步被脈寬調制技術（PWM）、無線網絡技術（Wi-Fi）和Zigbee 無線調光技術等取代[3]，因此，本系統設計采用無線局域網協議和脈寬調制方案。

1.1.1 無線通信

ESP8266 是一款UART-WiFi 透傳模塊，它的功率消耗非常低，已經具備了非常完善的封裝尺寸和低能耗技術，它的問世已經為移動客戶端設備和物聯網的應用設計奠定了堅實的基礎，用戶可將自己身邊的物理設備連接到Wi-Fi 無線網絡上，進行網上通信，實現聯網功能[4-5]。系統采用ESP8266 的Wi-Fi 模塊設計相應的接口電路和通信軟件。

1.1.2 基于STM32C8T6 主控系統的硬件設計

依據控制系統的要求、所需要的功能和成本，核心主控單元采用的是STM32C8T6，其引腳有48 個，具有較高的性價比[6]。它提供了一個完整的32 位產品系列，在結合了高性能、低功耗和低電壓特性的同時保持了高度的集成性能和簡易的開發特性，完全符合系統設計的性能要求。

1.1.3 PWM 技術實現調光原理的研究

PWM 調光技術廣泛應用在直流調節速度、調節光源系統中。因為要涉及到控制LED 的三基色，所以需用三路PWM 占空比時間參數來同時改變LED 的RGB三基色的亮度，利用光源的3 種基色合成方案原理，改變3 種基色光中基色的強度，這樣就可以產生無限多種R、G、B 的組合，就可以改變LED 的亮度顏色，從而做到360°自然過渡[7]。

本系統設計中采用STM32C8T6 為核心控制芯片，利用Wi-Fi 模塊無線模塊傳輸數據，實現無線LED 調光控制，系統主要由供熱釋電紅外傳感器模塊、STM32核心板模塊、電源模塊、三色LED 及測光等模塊組成。系統總體設計結構如圖1 所示。

圖1 總體設計結構框圖

1.2 MCU 接口電路設計

控制系統的核心部分以STM32F103C8T6 芯片為主控芯片，主要負責實現各個模塊的輸出控制和傳感器模塊的輸入檢測，ESP8266 無線模塊的指令傳輸通過與外圍各個模塊的電氣連接，最終實現調光所需功能和指標。

STM32C8T6 核心板最小系統包括晶振電路、電源電路、時鐘和復位電路，核心MCU 部分硬件接口電路如圖2 所示。

圖2 STM32F103C8T6 接口電路

STM32F103C8T6 芯片的電壓特性如下：VDD 的外部供電電壓最大值為3.6 V，VIN 在5 V 的引腳上輸入電壓最大達5 V；然而對于其他模塊，ESP8266 無線模塊的輸入電壓在3.3 V 是可以使用的，光敏電阻的測光模塊也是3.3 V 可以使用，但對于熱釋電紅外傳感器模塊需要輸入的電壓為5 V。所以系統需要提供3.3 V的輸出電壓來給無線模塊、光敏電阻測光模塊等，它還需要有5 V 的電壓給熱釋電紅外傳感器等模塊供電。

目前有多種電源芯片供選擇，其中最常用的是LM2576 與AMS1117。本次設計選擇的是AMS1117芯片，它是一個正向低壓降穩壓器，主要的作用是將5 V 的輸入電壓降到3.3 V。保護電路內部集成了過熱保護和限流電路。電源接口電路如圖3 所示。

圖3 電源接口電路

主控芯片內部集成了8 MHz 的RC 振蕩器，由于需要燈控節點完成準確度極高且穩定性高的PWM 脈寬調制輸出，可直接使用系統內部的時鐘電路，根據手冊說明，芯片的PC14、PC15、PD0、PD1 分別默認OSC_IN1、OSC_OUT1、OSC_IN2、OSC_OUT2 功能腳。時鐘電路如圖4 所示。

圖4 時鐘電路

32.768 kHz 低速外部晶體可以通過程序來選擇驅動RTC（RTCCLK），1 kHz 低速內部RC，可以用來驅動獨立看門狗和選擇RTC 驅動。

對于STM32F103 系列的芯片，其復位形式可分為3 種，即系統復位、上電復位和備份區域復位。產生系統復位的方式有NRST 管腳上的低電平、看門狗的計數停止、程序軟件使其復位及功耗變低管理復位。復位電路如圖5 所示。

圖5 復位電路

1.3 外圍接口電路設計

ESP8266 擁有3 種天線接口方式，即板載PCB 天線、IPEX 接口和郵票孔接口，板子載有PCB 天線和IPEX 接口2 種接口方式，使用者可直接使用，不需要額外加載附加電路。ESP8266 通過串口與主控芯片相連，其TXD 和RXD 分別連STM32F103C8T6 芯片的RXD1 和TXD1 引腳，接口電路如圖6 所示。

圖6 Wi-Fi 模塊接口電路

顯示模塊采用OLED，OLED 即有機發光二極管，供電電源為3.3 V，SCL（DO）是CLK 時鐘，SDI（D1）是MOSI 數據，RST 為復位，其連接接口電路如圖7所示。

圖7 OLED 接口電路

鍵盤設計共設置4 個功能按鍵，即MODE、SW4、SW5、SW，分別用于模式選擇、光強上調、光強下調、遠程關燈，如圖8 所示。其一端接地，另一端接STM32微控制器的I/O 管腳，所以當按鍵按下的時候，該I/O管腳為低電平。

圖8 按鍵電路圖

發光LED 電路采用共陰極，陰極公共端接地線，高電平有效，LED 燈就會點亮，共陰極數碼管內部發光二極管的陰極（負極）連接在一起，數碼管陽極連接主控芯片控制引腳。LED 電路如圖9 所示。

圖9 LED 電路圖

紅外熱釋電傳感器是一種新型敏感元器件，它的組件很多，主要是由高熱電系數材料、濾光鏡和阻抗匹配用場效應管組成[8]。它能夠以不接觸的方式檢測出人體發射出的紅外輻射，然后經過一系列轉換，將這些變化轉換成電信號輸出。當人進入其感應范圍時則輸出高電平，當有人離開的時候，它就會根據內部電路自動延長時間并關閉高電平，從而實現對人體感應的調光控制。對于其觸發方式，采用可以重復觸發的方式，所感應輸出的電壓為高電平后，由于延時功能的作用，在這段時間內，如果有人在這個范圍，它的輸出將會一直處于高電平狀態；如果有人離開這一范圍，將會延時一段時間后，將高電平轉換成低電平。它的工作電壓范圍比較廣泛，默認工作電壓為4.5～20 V。模塊使用的是BIS0001 處理芯片，它具有AD混合且輸入非常高的阻抗值運算放大器，并且芯片內部集成了延長時間定時器，芯片采用16 腳的DIP 封裝。紅外熱釋電傳感器接口電路如圖10 所示。

圖10 紅外熱釋電傳感器接口電路

2 算法設計

為了能夠精確控制調光系統，實現一定參數的光照要求，需對LED 調光進行數學分析，LED 的PWM占空比的改變，只會改變LED 燈的亮度，而不會使色品坐標發生變化[8]。根據格拉斯曼顏色混合定律可得：

式（1）中：YM為混合光源M；DR、DG、DB分別為3種顏色對應的占空比；YR、YG、YB為LED 燈在RGB工作下的Y刺激值。

光源混色后色品坐標需滿足以下公式，即：

刺激值Y在CIE 1931 標準色度系統下只相當于是光通量。占空比D在PWM 調光下，成為了控制色品坐標的唯一有效因素[9]。如果光通量為YM，色品坐標為（x，y），就可以得到它們的占空比，計算公式如下：

公式（3）為占空比與相關色溫、色品坐標與最大光通量的函數關系奠定了基礎。

在調光過程中，色品坐標的混合在一起的光，它們的RGB 這3 種基色的比例是不一樣的，要能將占空比D同時達到100%，需要占空比比例為1∶1∶1，這時候的光通量的取值范圍就是0 到Y在紅色的刺激值加上Y在綠色的刺激值加上Y在藍色上的刺激值[10]。每一組的色品坐標都有與之相對應的最大光通量。然而，從實際出發，PWM 的占空比應該滿足在各個顏色的比例都要小于等于1。

對于LED 的驅動，采用脈沖驅動。通過電壓型脈沖來進行工作。這里設置脈沖的周期為Ts，脈沖寬度為Ton，則這一路的占空比就等于Ton/Ts，PWM 占空比如圖11 所示。

圖11 PWM 占空比

一個脈沖周期內，改變LED 點亮和關斷時間，因為人的視覺會有暫留效應，當脈寬的頻率達到一定的數值，人眼就看不到LED 燈閃爍[11]。

根據調光調色參數的要求，依據前面的數學分析，根據公式（3）求出相應3 路PWM 的占空比，在程序設計中使用定時器產生周期約為100 μs 的脈沖，使用占空比變量來控制占空比，在高電平的時候點亮LED，低電平的時候熄滅，改變占空比變量就改變了高低電平的時間，從而實現燈光調節。設計中采用TIM3 定時器進行3 路PWM 波的輸出。需要定義LED 燈的IO引腳與定時器接線，即PB0→TIM3_CH3、PB1→TIM3_CH4、PA6→TIM3_CH1。定時器使用時需要進行部分初始化，接著設置下一個更新事件裝入活動自動重裝載寄存器周期的值，再設置用來作為TIM 時鐘頻率除數的預分頻值。定時器的計數模式采用了向上計數的模式，程序流程如圖12 所示。

圖12 亮度調節程序流程圖

因設計采用的是共陰極LED 燈，所以占空比的變量跟亮度等級成正比，通過多次的示波器測試，設置了10 種占空比，如表1 所示。

表1 占空比圖

3 試驗分析

在Wi-Fi 通信模式下，無線調光使用手機APP 連接基于STM32 的無線LED 調光系統，進行按鍵和APP軟件的遠程指令調試[12]，通過輸出占空比參數進行LED 的燈光調節。首先是Wi-Fi 模塊確定所要用到的指令代碼、所要連接的服務端口、各個參數及測試使用的軟件，觀察LED 被控對象的變化。本次移動設備的IP 地址為192.168.43.1，創建服務端口8888，與之前在ESP8266 創建的IP 地址相吻合。單片機上電，連接成功會顯示無線模塊的IP 地址，并會發出OK 信息給服務端，點亮主板上R、G、B 這3 個指示燈。實物與通信連接如圖13 所示。

圖13 連接調試與實物圖

通過改變占空比來改變被控對象LED 的亮度，通過輸出相應的占空比參數，燈的亮度和色品會作出相應的改變。不同占空比下LED 燈光如圖14 和圖15所示。

圖14 PWM 占空白20%

圖15 PWM 占空白60%

當設定期望的光通量和色品坐標時，輸出由公式（3）計算出的一定占空比的PWM，當期望改變從而占空比改變時觀察LED 亮度和色品也在改變，LED 驅動器電路輸出電流與PWM 占空比成正比關系，調節亮度和色品的效果也隨著增加，其關系如圖16 所示。試驗結果表明，LED 調光系統調光亮度和色品與PWM信號的占空比具有良好的線性關系，系統具有良好的調光調色性能。

圖16 驅動電流與PWM 占空比關系圖