手機(jī)藍(lán)牙遙控大功率的調(diào)光調(diào)色的LED燈的設(shè)計(jì) - 全文

　　1.引言

　　隨著，2012年10月30日飛利浦在AppleStore出售最新的高科技Hue系列LED燈，并且只會交由蘋果出售。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?？紤]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波信號控制LED驅(qū)動電路實(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，F(xiàn)pwm=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 。 4 G H zISM（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，兼容HC-04工業(yè)級。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）配對時(shí)30~40MA波動，配對完畢通信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 控制信號相關(guān)程序設(shè)計(jì)

　　首先創(chuàng)建一個(gè)用于控制信號的類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，采用一個(gè)L298芯片將單片機(jī)控制信號和LED電源驅(qū)動隔離，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，當(dāng)無標(biāo)志信號來時(shí)，一直循環(huán)檢查，檢查到相應(yīng)的標(biāo)志信號，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 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

　　如圖3所示，其中W調(diào)節(jié)白光，從0到100R、B、G共有100萬種組合，每一種組合對應(yīng)一種顏色，通過改變RBG的組合，從而調(diào)節(jié)LED的顏色。

　　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，通過手機(jī)端控制其占空比，用示波器測出其波形。

　　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。