电力论文调光调色的LED灯的设计

　　【摘要】阐述一种通过手机蓝牙遥控大功率的可调光调色照明LED的软、硬件设计。手机蓝牙作为客户端，与单片机控制板的蓝牙模块HC-06通信，产生四路可调占空比的PWM信号，控制大功率LED驱动电路。通过采用PWM调光技术，用一路PWM波调节白色LED灯实现调光，用三路PWM波调节大功率全彩RGBLED灯实现DIY调色。客户端采用Eclipse开发环境，android编程，服务端采用单片机产生控制信号控制LED驱动电路，双方通过串口仿真协议进行通信。实验结果表明，单片机可以接收手机遥控信号并灵活地进行0～100%的LED的亮度调节，调光亮度为100级和全色LED的DIY调色，调色有100万种。

　　【关键词】PWM调光,DIY调色,手机蓝牙遥控,android编程,单片机

　　1.引言

　　随着，2012年10月30日飞利浦在AppleStore出售最新的高科技Hue系列LED灯，并且只会交由苹果出售。Hue系列将是完全可有自定义的，并且通过一个灯泡内红蓝绿三原色的LED可以混合出1600万种颜色的灯光。整个过程完全由iPhone上的App来进行控制。从而引发了智能灯控发展的新思考，国内相关人士也纷纷进行研究。考虑到Hue是采用WiFi无线控制，而国内WiFi并未普及，本研究采用更普遍的蓝牙技术，采用手机蓝牙与单片机通信产生可调占空比PWM波信号控制LED驱动电路实现LED的调光和DIY调色。

　　2.脉冲宽制（PWM）调光技术

　　PWM调光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。应用者的系统只需要提供宽、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LED的亮度。PWM调光的优点在于调光范围大，只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码，PWM调光可以在精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度。

　　2.1脉冲宽制（PWM）调光原理

　　利用人眼睛视觉惰性，按固定频率操作占空比实现LED亮度调节，只要调光比即PWM波频率大于200Hz人眼就不会感觉到LED的闪烁。具体调光实现，通过控制LED的亮灭时间，从而控制LED亮度，从电力学来看就是控制一定周期内电流的有效值。这种方法在改变电流有效值大小的同时不改变电压和电流的大小，这样就保证了LED的发光色度，这是模拟调光和可控硅调光无法实现的。

　　2.2占空比

　　占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。方波的占空比为50%，占空比为0.5，说明正电平所占时间为0.5个周期。

　　Ts为脉冲周期

　　Tw为脉冲宽度

　　占空比τ=Tw/Ts×100。

　　占空比的解释可以归纳为如下几种：

　　1）在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。

　　2）在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。

　　3）在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。

　　也就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。

　　2.3调光比

　　调光比则是按下面的方法计算：

　　Foper=工作频率

　　Fpwm=调光频率

　　调光比率=Foper/Fpwm

　　其实也就是调光的最低有效占空比，比如Foper=100khz；Fpwm=200Hz，则调光比为：100k/200=500。

　　3.蓝牙模块组成

　　3.1蓝牙技术基础

　　蓝牙技术由三部分组成，包括蓝牙无线电技术、蓝牙协议栈和蓝牙互操作性。

　　3.1.1蓝牙无线电技术

　　蓝牙无线电工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段，支持全双工传输，使用IEEE802.15协议。蓝牙设备即连即用，抗干扰能力强、使用方便[2]

　　3.1.2蓝牙协议栈

　　蓝牙协议栈包含一个软件栈和一个硬件栈。蓝牙硬件协议栈由蓝牙硬件提供，蓝牙软件协议栈由软件实现。蓝牙软件协议栈提供Java蓝牙API给程序开放人员使用。

　　3.1.3蓝牙互操作性

　　蓝牙互操作性包括三方面内容：①通用访问Profile定义了设备管理功能性；②服务发现应用Profiles定义了服务发现方面的内容；③串口Profiles定义了互操作设备和模拟串口电缆的能力

　　3.2HC-O6蓝牙模块

　　BC04外置8MFlash，带EDR模块HC-06为民用级，兼容HC-04工业级。其中，HC-06模块的TX管脚跟STC15F204EA单片机的P3.0管脚相接，RX管脚跟P3.1接。HC-06模块接收手机端发来的数据，然后在通过串口TR，TX管脚与单片机通信。

　　蓝牙2.0带EDR，2Mbps-3Mbps调制度，内置2.4GHz天线，外置8MbitFLASH，低电压3.3V工作（3.1V～4.2V）配对时30～40MA波动，配对完毕通信8MA，可选PIO控制标准HCI端口（UARTorUSB），数字2.4GHz无线收发射，CSRBC04蓝牙芯片技术，自适应跳频技术，蓝牙Class2功率级别，工作温度为-25至+75，协波干扰为2.4MHz，发射功率3dBm，有效控制距离为10m。

　　4.手机APP设计

　　4.1蓝牙连接相关程序设计首先，初始化本地蓝牙设备，建立LocalDevice类，包括取得本地设备实例、蓝牙名称、设置发现模式、获得发现代理。创建publicintBTS_Init（）类函数，实现蓝牙初始化判断，寻找默认蓝牙设备，打开蓝牙。

　　启动蓝牙设备搜索，创建publicvoidBTS_StartScan（）类函数，开始寻找从机蓝牙设备，注册搜寻函数，创建publicintBTS_ConnectToDevice（StringDeviceAddress）类函数，实现连接到一个指定的蓝牙设备。创建publicintBTS_SendDates（Stringbuffer）类函数实现字符串发送到已连接好的蓝牙设备上，创建publicintBTS_Finish（）类函数结束蓝牙通信，最后创建接收ACTION_FOUND广播的BroadcastReceiverprivatefinalBroadcastReceivermReceiver=newBroadcastReceiver（）。

　　4.2控制信号相关程序设计

　　首先创建一个用于控制信号的类publicclassPwmcontrolActivityextendsActivity{}，里面包含创建界面的类函数publicvoidonCreate（BundlesavedInstanceState）{}，发送控制信号类函数publicvoidonStopTrackingTouch（SeekBarseekBar）{}。

　　创建类classInitThreadextendsThread{}，实现资源加载线程，里面创建用于四路信号之间转换的publicInitThread（PwmcontrolActivityact）{}类函数，实现与蓝牙程序接口的publicvoidrun（）线程体，

　　用于软件退出的类函数publicbooleanonKeyDown（intkeyCode，KeyEventevent）。

　　5.单片机控制信号设计

　　5.1硬件电路设计

　　系统框图如图1所示，本硬件电路采用STC15F204EA单片机为主控器，CH-06蓝牙模块的TXD与单片机11管脚P3.0连接，RXD与P3.1相连，实现蓝牙串口通信连接，从P1.0，P1.1，P1.2，P1.3四个口输出四路可调占空比的PWM信号，采用一个L298芯片将单片机控制信号和LED电源驱动隔离，避免了单片机带负载能力弱的缺点，以实现驱动大功率LED。

　　5.2程序设计

　　主函数流程图如图2所示，定义完相关变量和相关函数声明后，设计串口通信函数，设置定时器1中断，中断函数为占空比控制函数，然后设计数据接收函数，当串口服务函数接收到数据时，将数据发送到数据接收函数，然后将接受到的字符数据通过字符转型函数进行字符的转型，然后通过标志iCommdType判断控制哪一路信号，当无标志信号来时，一直循环检查，检查到相应的标志信号，然后执行占空比调节函数蓝牙模块与单片机之间的通信使用模拟串口实现的，串口为标准配置：波特率9600，编写一个串口初始化函数voidUART_INIT（），初始化相关标志，和寄存器，然后编写中断接收函数voidtm0（）interrupt1using1，接收串口发来的数据。设定定时器1中断并编写中断服务函数voidtm1（）interrupt3using1，实现PWM的占空比控制。编写数据接收函数charGetUartData（），将中断接收函数里接收到的数据发送这里，等待接收数据函数voidWaitForChars（unsignedchariCount，char*Dest）通过调用数据接收函数charGetUartData（），将手机发送来的数据装载到定义好的变量数组，然后通过字符转型函数unsignedintGetCmdType（char*Commd），将字符型数据转成数字，通过标志判断，要控制哪一路PWM波，然后将相应的数据传到控制占空比的中断服务函数，改变其占空比的输出。

　　6.结果展示

　　6.1手机端界面

　　参考文献

　　[1]金纯，林金朝等.蓝牙协议及其源代码分析[M].北京：国防工业出版社，2006（06）.

　　[2]刘斌.JavaME使用详解——用Eclipse进行移动开发[M].北京：电子工业出版社，2007（02）：503-538.

　　[3]符强，任风华.基于手机蓝牙的遥控小车的设计[J].现代计算机，2011（12）：77-79.