手機(jī)藍(lán)牙收發(fā)模塊的無(wú)線LED調(diào)光技術(shù)

摘要：為適應(yīng)LED照明個(gè)性化需求的不斷變化，設(shè)計(jì)了基于手機(jī)藍(lán)牙的無(wú)線LED調(diào)光器。系統(tǒng)采用低成本的8位PIC單片機(jī)作為主控制器，以藍(lán)牙模塊作為無(wú)線收發(fā)模塊，通過(guò)串口通信連接手機(jī)藍(lán)牙模塊和單片機(jī)。調(diào)光器中的藍(lán)牙模塊與手機(jī)藍(lán)牙配對(duì)后，應(yīng)用手機(jī)終端的APP調(diào)光軟件來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)LED燈具的亮度、顏色或色溫。

引言

LED光源作為一種新型的固體照明光源，具有發(fā)光效率高、能耗低、堅(jiān)固耐用、壽命長(zhǎng)、安全性好、環(huán)保性綠色光源等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前照明行業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。而對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光控制能進(jìn)一步有效地節(jié)能，大幅減少能源浪費(fèi)。基于有線的LED調(diào)光控制系統(tǒng)，具有布線麻煩、增減設(shè)備需要重新布線、系統(tǒng)可擴(kuò)展性差、系統(tǒng)安裝和維護(hù)成本高，以及移動(dòng)性能差等缺點(diǎn)。因此，采用無(wú)線通信技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)LED智能調(diào)光的理想選擇。

近年來(lái)，近距離無(wú)線通信技術(shù)獲得了迅猛的發(fā)展，主流技術(shù)包括紅外技術(shù)、藍(lán)牙(Bluetooth)、Wi—Fi和ZigBee技術(shù)等。其中，Wi-Fi的功耗大且設(shè)備要求高，而ZigBee開(kāi)發(fā)難度大且成本高。因此，對(duì)于普通的LED照明控制來(lái)講，低功耗藍(lán)牙技術(shù)一方面突破了功耗的瓶頸，另一方面廣泛在iPhone、三星、HTC等智能手機(jī)中推廣，更加具有技術(shù)和成本兩方面的優(yōu)勢(shì)。本文將著重討論基于手機(jī)藍(lán)牙的LED無(wú)線調(diào)光技術(shù)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介及工作原理

整個(gè)調(diào)光系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。一部智能手機(jī)可同時(shí)與一組或多組LED燈具進(jìn)行配對(duì)，由智能手機(jī)通過(guò)APP發(fā)送調(diào)光控制信號(hào)，嵌入在燈具里的藍(lán)牙模塊接收控制信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)譯碼后就可控制LED光源的開(kāi)關(guān)、明暗度和顏色等。在感受家居燈控方便快捷的同時(shí)，更能享受藍(lán)牙技術(shù)在LED燈控應(yīng)用上的智能與樂(lè)趣。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU控制器

MCU采用STC89C52RC芯片，工作電壓為5 V，具有8 KB Flash、512字節(jié)RAM、32位I/O口線、看門(mén)狗定時(shí)器、2個(gè)數(shù)據(jù)指針、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路、單片機(jī)與藍(lán)牙模塊通過(guò)串口進(jìn)行連接，采用Keil軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，生產(chǎn)HEX文件，然后通過(guò)STC軟件將程序燒錄到芯片當(dāng)中。

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊選擇HC-06，可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口功能，HC—06采用CSR主流藍(lán)牙芯片，完全兼容藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持SPP協(xié)議最高還可支持3M調(diào)制模式。模塊供電電壓為3.3 V工作(3.1～4.2 V)，配對(duì)時(shí)在30～40 mA波動(dòng)，配對(duì)完畢后通信電流為8 mA，具有PIO0～PIO11、AIO0、AIO1、USB、PCM、UART及SPI接口，模塊的波特率可以由用戶利用“AT+指令集”進(jìn)行設(shè)置，工作電流為40 mA，休眠電流1 mA，內(nèi)置2.4 GHz天線，用戶無(wú)需調(diào)試天線。

外置8 Mb Flash，諧波干擾為2.4 MHz，發(fā)射功率為3 dBm，可以與藍(lán)牙筆記本電腦、電腦加藍(lán)牙適配器、PDA等設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫連接，模塊的有效傳輸距離為10 m。藍(lán)牙芯片上提供UART接口，通過(guò)4個(gè)引腳與單片機(jī)STC89C52RC相連。其中，1個(gè)引腳接3.3 V的工作電壓，1個(gè)引腳接地，藍(lán)牙模塊上的TXD接到單片機(jī)上的P3.0口，RXD接到P3.1口，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間的串行通信。工作電壓為3.3 V。

藍(lán)牙模塊也可以通過(guò)串口與PC機(jī)通信，PC機(jī)可以通過(guò)AT指令對(duì)藍(lán)牙模塊的一些初始屬性進(jìn)行設(shè)置，如波特率、模塊名稱、配對(duì)密碼等。

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路采用ONsemi公司生產(chǎn)的NCL30160作為主芯片，NCL30160集成了N溝道功率MOS場(chǎng)效應(yīng)管的脈沖寬度調(diào)制的浮動(dòng)式降壓轉(zhuǎn)換器，可以為L(zhǎng)ED光源提供精準(zhǔn)的恒定電流輸出，以驅(qū)動(dòng)高功率發(fā)光二極管。該芯片支持PWM調(diào)光，通過(guò)DC—DC電路將脈沖寬度調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為不同占空比的電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光?；贜CL30160的典型LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

根據(jù)NCL30160的數(shù)據(jù)手冊(cè)及輸出要求，計(jì)算外圍器件參數(shù)。系統(tǒng)采用5個(gè)1 W的LED串聯(lián)，恒定電流為350 mA。

其中，ILED為L(zhǎng)ED燈串電流，由式(1)得到R1值，C5采用官方數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦的取值，電感L1及ROT由式(2)～(4)得到。式中，toff、ton、△I、RDS(on)，的取值參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，VIN在此處取為24 V，DCRL為電感內(nèi)阻，此處取為0。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、串口通信程序設(shè)計(jì)、PWM調(diào)光程序設(shè)計(jì)和手機(jī)APP程序設(shè)計(jì)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

圖3為主程序流程圖，通過(guò)藍(lán)牙模塊與單片機(jī)互連，單片機(jī)通過(guò)串口接收來(lái)自手機(jī)藍(lán)牙模塊的無(wú)線數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部譯碼后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)占空比的PWM波形。主程序的作用就是根據(jù)手機(jī)終端的調(diào)光控制信號(hào)，實(shí)時(shí)產(chǎn)生合適的PWM調(diào)光信號(hào)去調(diào)節(jié)LED光源的亮度。

3.2 PWM調(diào)光算法設(shè)計(jì)

定時(shí)器0采用中斷的方式產(chǎn)生PWM波形，定義頻率、占空比，并且將P1.0口設(shè)為輸出端口。根據(jù)串口接收到的數(shù)據(jù)對(duì)占空比以及頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。因?yàn)樵谑謾C(jī)軟件中設(shè)計(jì)了4個(gè)控制按鍵，分別為“頻率+”、“頻率-”、“調(diào)光+”、“調(diào)光-”，當(dāng)按下其中一個(gè)按鍵時(shí)，就會(huì)根據(jù)收到的相應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)PWM波進(jìn)行調(diào)節(jié)。

當(dāng)按下“調(diào)光+”或者“調(diào)光-”時(shí)，PWM波的占空比就會(huì)發(fā)生變化，高電平占的比例越多，則LED照明燈越亮，反之則越暗。

當(dāng)按下“頻率+”或者“頻率-”時(shí)，PWM波一個(gè)周期的PWM波長(zhǎng)就會(huì)發(fā)生變化，在主函數(shù)main.c中定義了初始頻率FREQ=4 000，反映在示波器上的周期是頻率的倒數(shù)，因此頻率越大，一個(gè)周期的PWM波長(zhǎng)就越短。定時(shí)器0采用中斷的方式產(chǎn)生PWM波形，為了便于觀察，在程序中設(shè)定了頻率為200～4000的范圍，每次的調(diào)頻幅度為20，這樣就會(huì)非常明顯地觀察到PWM波在一個(gè)周期內(nèi)的變化。PWM調(diào)光算法程序流程圖如圖4所示。

3.3 手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)

本程序是基于Android2.1系統(tǒng)，所用開(kāi)發(fā)工具為Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Eclipse是跨平臺(tái)的自由集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，最初主要用于Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，但是目前也有通過(guò)插件使其作為其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言(比如C++、Python和Android)的開(kāi)發(fā)工具，在此開(kāi)發(fā)環(huán)境下，開(kāi)發(fā)軟件非常方便。這款軟件是基于RFCOMM藍(lán)牙串口服務(wù)的傳輸軟件，通過(guò)該軟件實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙串口模塊的通信功能。

RFCOOM協(xié)議是基于歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI07.10規(guī)程的串行線性仿真協(xié)議。此協(xié)議提供了RS-232控制和狀態(tài)信號(hào)，作為一個(gè)簡(jiǎn)單的傳輸協(xié)議，其在兩個(gè)不同設(shè)備上的應(yīng)用程序之間保證一條完整的通信路徑，并在它們之間保持一通信段。

為了驗(yàn)證手機(jī)終端的APP程序功能，沒(méi)有對(duì)軟件界面做特別美化的設(shè)計(jì)，僅包含所用到的幾個(gè)按鈕，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能為最大目標(biāo)。手機(jī)設(shè)計(jì)界面如圖5所示。

首先打開(kāi)手機(jī)中的該軟件，依次選擇“打開(kāi)藍(lán)牙”和“連接設(shè)備”，找到對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙模塊名稱，連接正確后，藍(lán)牙模塊就會(huì)由閃爍狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)手機(jī)表示與對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙模塊連接成功。接下來(lái)，通過(guò)操作手機(jī)軟件界面的按鍵，P1.0口的輸出PWM波形會(huì)隨按鍵的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED照明燈的無(wú)線控制。

當(dāng)按下“調(diào)光+”或“調(diào)光-”時(shí)，示波器上的波形占空比就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。所謂占空比，是指高電平在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)所占的比重，比重越大，則占空比就越大，LED燈就越亮。

當(dāng)按下“頻率+”或“頻率-”時(shí)，PWM波的占空比始終不發(fā)生變化，而PWM波頻率會(huì)在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)相應(yīng)地變大或變小。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)電路如圖6所示，由單片機(jī)控制電路、藍(lán)牙模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路和LED光源組成。LED光源采用5個(gè)1 W的LED串聯(lián)，額定電流為350 mA。

測(cè)試開(kāi)始前，先將手機(jī)終端與藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)配對(duì)，配對(duì)成功后，藍(lán)牙模塊上的燈就會(huì)由閃爍狀態(tài)變?yōu)殪o止?fàn)顟B(tài)，圖7為配對(duì)成功后手機(jī)APP的界面圖。

接著，就可以觸摸手機(jī)上的調(diào)光按鈕進(jìn)行無(wú)線調(diào)光，如不斷按“調(diào)光-”按鈕時(shí)，通過(guò)示波器觀察單片機(jī)輸出的PWM波形，發(fā)現(xiàn)占空比也會(huì)隨著觸摸逐漸變小，實(shí)際的LED燈的亮度逐漸變暗。用萬(wàn)用表依次測(cè)量了3組數(shù)據(jù)，輸出電流的平均值依次為240 mA、160 mA、50 mA，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)

由于傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)具有布線麻煩、可擴(kuò)展性差、節(jié)能效率低等缺點(diǎn)，本文采用手機(jī)Bluetooth技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED燈的無(wú)線調(diào)光控制。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，系統(tǒng)不僅可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙控制LED燈具的開(kāi)關(guān)，還可以調(diào)節(jié)LED燈的亮度和顏色，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，解決了傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)使用不方便和傳統(tǒng)燈具亮度不可調(diào)的問(wèn)題，具有一定的實(shí)用價(jià)值。