基于手機(jī)藍(lán)牙控制的LED燈的設(shè)計

　　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，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周期之內(nèi)所占的時間比率。方波的占空比為50%,占空比為0.5,說明正電平所占時間為0.5個周期。

　　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)時間與脈沖總周期的比值。

　　2)在一段連續(xù)工作時間內(nèi)脈沖占用的時間與總時間的比值。

　　3)在周期型的現(xiàn)象中，現(xiàn)象發(fā)生的時間與總時間的比。

　　也就是電路釋放能量的有效時間與總釋放時間的比。

　　2.3 調(diào)光比

　　調(diào)光比則是按下面的方法計算：

　　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。

　　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2.4GHzISM(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)議棧包含一個軟件棧和一個硬件棧。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

　　4.1 藍(lán)牙連接相關(guān)程序設(shè)計

　　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

　　首先創(chuàng)建一個用于控制信號的類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

　　5.1 硬件電路設(shè)計

　　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,P1.3四個口輸出四路可調(diào)占空比的PWM信號，采用一個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。

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　　圖1 系統(tǒng)框圖