利用手機(jī)藍(lán)牙控制的LED燈的PWM調(diào)光設(shè)計(jì)

1.引言

隨著，2012年10月飛利浦在AppleStore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(guò)一個(gè)燈泡內(nèi)紅藍(lán)綠三原色的LED可以混合出1600萬(wàn)種顏色的燈光。整個(gè)過(guò)程完全由iPhone上的App來(lái)進(jìn)行控制。從而引發(fā)了智能燈控發(fā)展的新思考，國(guó)內(nèi)相關(guān)人士也紛紛進(jìn)行研究?？紤]到Hue是采用WiFi無(wú)線控制，而國(guó)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jué)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(jué)到LED的閃爍。具體調(diào)光實(shí)現(xiàn)，通過(guò)控制LED的亮滅時(shí)間，從而控制LED亮度，從電力學(xué)來(lái)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(wú)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(shuō)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(ài)立信公司，藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無(wú)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(guò)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(lái)無(wú)限方便。

藍(lán)牙技術(shù)由三部分組成，包括藍(lán)牙無(wú)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(wú)線電技術(shù)

藍(lán)牙無(wú)線電工作在全球通用的2.4GHzISM（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(wèn)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(lái)的數(shù)據(jù)，然后在通過(guò)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(wú)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LocalDevice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 voidBTS_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（Stringbuffer）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 privatefinal BroadcastReceiver mReceiver=newBroadcastReceiver（）。

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publicclass PwmcontrolActivity extends Activity{},里面包含創(chuàng)建界面的類函數(shù)public voidonCreate（BundlesavedIn stan ceState）{},發(fā)送控制信號(hào)類函數(shù)public void onStop TrackingTouch（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（PwmcontrolActivity 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 booleanonKeyDown（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。

圖1 系統(tǒng)框圖

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(guò)字符轉(zhuǎn)型函數(shù)進(jìn)行字符的轉(zhuǎn)型，然后通過(guò)標(biāo)志iCommdType判斷控制哪一路信號(hào)，當(dāng)無(wú)標(biāo)志信號(hào)來(lái)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(lái)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 using1,實(shí)現(xiàn)P W M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 chariCount,char *Dest）通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)char GetUartData（），將手機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)裝載到定義好的變量數(shù)組，然后通過(guò)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(guò)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。

圖2 主函數(shù)流程圖

6.結(jié)果展示

6.1 手機(jī)端界面

如圖3所示，其中W調(diào)節(jié)白光，從0到100R、B、G共有100萬(wàn)種組合，每一種組合對(duì)應(yīng)一種顏色，通過(guò)改變RBG的組合，從而調(diào)節(jié)LED的顏色。

圖3

6.2 PWM波輸出效果

如圖4所示，這是其中一路PWM波的控制信號(hào)，通過(guò)手機(jī)端控制其占空比，用示波器測(cè)出其波形。

圖4

6.3 實(shí)際調(diào)光調(diào)色效果

選擇幾種組合調(diào)色效果如圖5所示。

圖5