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

胡鑫，周迪，吳文威，鮑建宇

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院自動(dòng)化與電氣工程研究所，寧波 305100）

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

胡鑫，周迪，吳文威，鮑建宇

（浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院自動(dòng)化與電氣工程研究所，寧波 305100）

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。

手機(jī)藍(lán)牙；LED調(diào)光；PIC MCU；無(wú)線收發(fā)傳輸

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)［1］。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)?；谟芯€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。

圖1 手機(jī)藍(lán)牙LED無(wú)線調(diào)光系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MCU控制器

MCU采用STC89C52RC［2］芯片，工作電壓為5V，具有8KB 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［3］，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3.3V工作（3.1～4.2V），配對(duì)時(shí)在30～40mA波動(dòng)，配對(duì)完畢后通信電流為8mA，具有PIO0～PIO11、AIO0、AIO1、USB、PCM、UART及SPI接口，模塊的波特率可以由用戶(hù)利用“AT+指令集”進(jìn)行設(shè)置，工作電流為40mA，休眠電流＜1mA，內(nèi)置2.4GHz天線，用戶(hù)無(wú)需調(diào)試天線。

外置8Mb Flash，諧波干擾為2.4MHz，發(fā)射功率為3dBm，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10m。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3.3V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3.3V。

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(chēng)、配對(duì)密碼等。

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［4］

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。基于NCL30160的典型LED驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖2所示。

圖2 基于NCL30160的LED驅(qū)動(dòng)電路

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)1W的LED串聯(lián)，恒定電流為350mA。

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、ΔI、RDS（on）的取值參考數(shù)據(jù)手冊(cè)，VIN在此處取為24V，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。

圖3 主程序流程圖

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［5］，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200～4 000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。

圖4 PWM調(diào)光程序流程圖

3.3 手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)

本程序是基于Android2.1系統(tǒng)［6］，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(chēng)，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。

圖5 手機(jī)藍(lán)牙軟件界面

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)1W 的LED串聯(lián)，額定電流為350mA。

圖6 實(shí)驗(yàn)電路圖

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。

圖7 手機(jī)APP界面

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240mA、160mA、50mA，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

圖8 調(diào)光波形圖

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。

［1］毛興武，張艷雯，周建軍，等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［2］宏晶科技.STC89C52RC系列單片機(jī)器件手冊(cè)，2013.

［3］廣州匯承信息科技有限公司.HC-06產(chǎn)品規(guī)格書(shū)，2012.

［4］張昊程.LED調(diào)光方案及其驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

［5］朱虹.LED照明驅(qū)動(dòng)及自適應(yīng)調(diào)光技術(shù)研究［D］.上海：上海大學(xué)，2008.

［6］郭宏志.Android開(kāi)發(fā)應(yīng)用詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010：1-7.

胡鑫、周迪、吳文威（本科生），主要研究方向?yàn)闊o(wú)線LED智能調(diào)光控制技術(shù)；鮑建宇（副教授），主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

Wireless LED Dimming Technique Based on Mobile Phone Bluetooth Transceiver Module

Hu Xin，Zhou Di，Wu Wenwei，Bao Jianyu
（Institute of Automation and Electrical Engineering，Ningbo Institute of Technology，Zhejiang University，Ningbo 305100，China）

In order to meet the changing of lighting personalized needs，a wireless LED dimming controller based on mobile phone bluetooth is designed in this paper.Low cost 8-bit PIC MCU is applied as the main controller，and the bluetooth module is used as the wireless communication module，which receives the control signals from MCU through serial ports.After bluetooth pairing between LED dimmer and the mobile phone，the APP software is installed on the mobile phone terminal to be used for wirelessly adjusting the brightness，color or color temperature of LED lamps.

mobile phone bluetooth；LED dimming；PIC MCU；wireless reception and transmission

TP17

A

??楊迪娜

2015-01-20）

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201313022002）。