手機藍牙遙控大功率的調光調色的LED燈的設計

1.引言

隨著(zhù)，2012年10月30日飛利浦在A(yíng)ppleStore出售最新的高科技Hue系列LED燈，并且只會(huì )交由蘋(píng)果出售。Hue系列將是完全可有自定義的，并且通過(guò)一個(gè)燈泡內紅藍綠三原色的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，國內相關(guān)人士也紛紛進(jìn)行研究?？紤]到Hue是采用WiFi無(wú)線(xiàn)控制，而國內WiFi并未普及，本研究采用更普遍的藍牙技術(shù)，采用手機藍牙與單片機通信產(chǎn)生可調占空比PWM波信號控制LED驅動(dòng)電路實(shí)現LED的調光和DIY調色。

2.脈沖寬制(PWM)調光技術(shù)

PWM調光是一種利用簡(jiǎn)單的數字脈沖，反復開(kāi)關(guān)LED驅動(dòng)器的調光技術(shù)。應用者的系統只需要提供寬、窄不同的數字式脈沖，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現改變輸出電流，從而調節LED的亮度。PWM調光的優(yōu)點(diǎn)在于調光范圍大，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LED亮度調節，只要調光比即PWM波頻率大于200Hz人眼就不會(huì )感覺(jué)到LED的閃爍。具體調光實(shí)現，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，這是模擬調光和可控硅調光無(wú)法實(shí)現的。

2.2 占空比

占空比是指高電平在一個(gè)周期之內所占的時(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)，正脈沖的持續時(shí)間與脈沖總周期的比值。

2)在一段連續工作時(shí)間內脈沖占用的時(shí)間與總時(shí)間的比值。

3)在周期型的現象中，現象發(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 調光比

調光比則是按下面的方法計算：

Foper=工作頻率

Fpwm=調光頻率

調光比率=Foper/Fpwm

其實(shí)也就是調光的最低有效占空比，比如Foper=100khz;Fpwm=200Hz,則調光比為：

100k/200=500.

3.藍牙模塊組成

3.1 藍牙技術(shù)基礎

藍牙的創(chuàng )始人是瑞典愛(ài)立信公司，藍牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數據與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規范，它以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定與移動(dòng)設備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。手機之間通過(guò)藍牙實(shí)現數據共享已成為常理，將手機變身為遙控器為人們的生活帶來(lái)無(wú)限方便。[1]

藍牙技術(shù)由三部分組成，包括藍牙無(wú)線(xiàn)電技術(shù)、藍牙協(xié)議棧和藍牙互操作性。

3.1.1 藍牙無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

藍牙無(wú)線(xiàn)電工作在全球通用的2 . 4 G H zISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué))頻段，支持全雙工傳輸，使用IEEE802.15協(xié)議。藍牙設備即連即用，抗干擾能力強、使用方便[2]

3.1.2 藍牙協(xié)議棧

藍牙協(xié)議棧包含一個(gè)軟件棧和一個(gè)硬件棧。藍牙硬件協(xié)議棧由藍牙硬件提供，藍牙軟件協(xié)議棧由軟件實(shí)現。藍牙軟件協(xié)議棧提供Java藍牙API給程序開(kāi)放人員使用。

3.1.3 藍牙互操作性

藍牙互操作性包括三方面內容：①通用訪(fǎng)問(wèn)Profile定義了設備管理功能性;②服務(wù)發(fā)現應用Profiles定義了服務(wù)發(fā)現方面的內容;③串口Profiles定義了互操作設備和模擬串口電纜的能力3.2 HC-O6藍牙模塊

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單片機的P3.0管腳相接，RX管腳跟P3.1接。HC-06模塊接收手機端發(fā)來(lái)的數據，然后在通過(guò)串口TR,TX管腳與單片機通信。

藍牙2.0帶EDR,2Mbps-3Mbps調制度，內置2.4GHz天線(xiàn)，外置8Mbit FLASH,低電壓3.3V工作(3.1V~4.2V)配對時(shí)30~40MA波動(dòng)，配對完畢通信8MA,可選PIO控制標準HCI端口(UART or USB)，數字2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)射，CSR BC04藍牙芯片技術(shù)，自適應跳頻技術(shù)，藍牙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APP設計

4.1 藍牙連接相關(guān)程序設計

首先，初始化本地藍牙設備，建立LocalDevice類(lèi)，包括取得本地設備實(shí)例、藍牙名稱(chēng)、設置發(fā)現模式、獲得發(fā)現代理。創(chuàng )建public int BTS_Init()類(lèi)函數，實(shí)現藍牙初始化判斷，尋找默認藍牙設備，打開(kāi)藍牙。

啟動(dòng)藍牙設備搜索，創(chuàng )建public voidBTS_StartScan()類(lèi)函數，開(kāi)始尋找從機藍牙設備，注冊搜尋函數，創(chuàng )建public int BTS_ConnectToDevice(String DeviceAddress)類(lèi)函數，實(shí)現連接到一個(gè)指定的藍牙設備。

創(chuàng )建public int BTS_SendDates(Stringbuffer)類(lèi)函數實(shí)現字符串發(fā)送到已連接好的藍牙設備上，創(chuàng )建public int BTS_Finish()類(lèi)函數結束藍牙通信，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)程序設計

首先創(chuàng )建一個(gè)用于控制信號的類(lèi)publicclass PwmcontrolActivity extends Activity{},里面包含創(chuàng )建界面的類(lèi)函數public voidonCreate(BundlesavedIn stan ceState){},發(fā)送控制信號類(lèi)函數public void onStop TrackingTouch(SeekBar seekBar){}.

創(chuàng )建類(lèi)class InitThread extends Thread{},實(shí)現資源加載線(xiàn)程，里面創(chuàng )建用于四路信號之間轉換的public InitThread(PwmcontrolActivity act){}類(lèi)函數，實(shí)現與藍牙程序接口的public void run()線(xiàn)程體，用于軟件退出的類(lèi)函數public booleanonKeyDown(int keyCo de,KeyEvent event)。

5.單片機控制信號設計

5.1 硬件電路設計

系統框圖如圖1所示，本硬件電路采用STC15F204EA單片機為主控器，CH-06藍牙模塊的TXD與單片機11管腳P3.0連接，RXD與P3.1相連，實(shí)現藍牙串口通信連接，從P1.0,P1.1,P1.2,P1.3四個(gè)口輸出四路可調占空比的PWM信號，采用一個(gè)L298芯片將單片機控制信號和LED電源驅動(dòng)隔離，避免了單片機帶負載能力弱的缺點(diǎn)，以實(shí)現驅動(dòng)大功率LED.

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