基于PWM 室內(nèi)LED 燈光遠程控制系統(tǒng)設(shè)計

張 娜，袁訓(xùn)鋒，韓洪利

（商洛學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，商洛726000）

近年來，LED 的發(fā)展大大地推動著機器視覺光源的發(fā)展，LED 燈具有環(huán)保、使用壽命長、低功耗等特性，被稱為第四代新光源[1-2]。綠色照明理念已深入人心，因此被快速地應(yīng)用于機器視覺領(lǐng)域。LED光源與其他的機器視覺光源相比，其優(yōu)點如下[3]：①效率高，白熾燈的可見光轉(zhuǎn)換效率為10%～20%，而LED 的效率可達到80%～90%；②光色純，光線質(zhì)量高：單色LED 的光譜窄，光譜線集中在可見光波段；③能耗小，單體LED 的功率一般在0.5 W～1 W；④壽命長，通常需要串聯(lián)限流電阻或電流源，其壽命可超過100000 h； ⑤響應(yīng)快，LED 燈響應(yīng)時間為納秒，而白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒；⑥控制靈活，控制電路可以很容易地調(diào)節(jié)亮度，實現(xiàn)各種動態(tài)變化。

針對目前機器視覺光源存在工作時間長、不能遠程控制、不能無級調(diào)光等問題，本文提出以STC89C52RC 單片機為控制核心，PWM方法用于通過改變流過LED 平均電流信號的脈沖寬度來調(diào)節(jié)LED 燈光開關(guān)與亮度，再通過HC-06 藍牙芯片將手機APP 發(fā)送的指令傳遞給單片機對LED 燈光調(diào)節(jié)進行遠程控制。

1 基于PWM 室內(nèi)LED 燈光遠程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

該設(shè)計旨在設(shè)計一個穩(wěn)定的、 遠程控制的全數(shù)字LED 光源，以52 單片機作為控制核心，其外圍電路有復(fù)位時鐘電路、電源電路、HC-06 藍牙電路、PWM 控制電路、按鍵電路及LED 燈，通過手機APP 來實現(xiàn)遠程控制燈光亮度的8 級調(diào)節(jié)?？傮w設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System overall structure block diagram

2 硬件電路設(shè)計

2.1 硬件電路總體設(shè)計

該系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位、時鐘電路、藍牙模塊、按鍵電路、LED 燈及單片機組成，在Protel 中繪制各模塊與單片機之間的原理圖，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)整體電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the overall circuit of the system

2.2 按鍵模塊

按鍵模塊在實際生活中是非常實用的，若手機、電腦等具有藍牙設(shè)備的器件在使用時無法起作用時，采用按鍵具有手動控制燈光的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)的功能，設(shè)計中采用4 個按鍵，從左到右依次為打開、關(guān)閉、亮度加、亮度減，分別與單片機的p2.1、p2.2、p2.3、p2.4 引腳相連，如圖2 下方所示。

2.3 藍牙HC-06 電路

藍牙模塊選用HC-06 型號的轉(zhuǎn)串口模塊，該芯片為藍牙V2.0 協(xié)議標準的CSR 主流藍牙芯片，數(shù)據(jù)傳輸速度在2 M/s 范圍內(nèi)。波特率可設(shè)置為1200，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200（默認值為9600），串口模塊工作電壓為3.3 V、工作電流為40 mA，休眠電流<1 mA[4]。

該模塊在LED 燈光調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的功能是接收手機發(fā)送的指令，并將其串行傳送到單片機。由于僅使用藍牙模塊的接收功能，因此無需連接藍牙模塊的TXD 引腳。藍牙模塊和MCU 的引腳連接圖如圖3 所示。

圖3 藍牙模塊與MCU 連接引腳圖Fig.3 Pin diagram of bluetooth module and MCU connection

2.4 PWM 調(diào)光原理

LED 能將電能轉(zhuǎn)換為可見光的發(fā)光二極管，當正向電流通過時，二極管導(dǎo)通以發(fā)光。當LED 呈正參數(shù)時，其亮度隨著流過電流的增加而增加[5]。LED的發(fā)光強度與流過它的電流強度成比例，從而來實現(xiàn)LED 燈光開關(guān)與亮度的調(diào)節(jié)[6-8]。

脈沖寬度調(diào)制（PWM），這是一種調(diào)制格式，它使用信息來控制信號的時域脈沖寬度，以實現(xiàn)信息傳輸[9]，PWM 在測量、通信、自動控制等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[10]，通過對原始模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法，可以實現(xiàn)光通信中的亮度以及平均功率的控制與變換等。常見的控制方法是使用高分辨率計數(shù)器，該計數(shù)器調(diào)制方波的占空比以編碼特定模擬信號的電平。方波由高低電平兩個等級構(gòu)成，在LED 燈光的亮度控制中，滿幅值的直流高電平表示信號的完全有（ON），反之，低電平表示信號的完全無（OFF）。

PWM 調(diào)光基本原理是驅(qū)動器根據(jù)高電平和低電平接通和關(guān)斷FET（場效應(yīng)管）的柵極，并反復(fù)切換LED 驅(qū)動器。當開關(guān)頻率高于100 Hz 時，人眼不會看到LED 的關(guān)閉，對導(dǎo)通與關(guān)斷時間進行平均，僅看到由占空比確定的亮度，占空比越小，開關(guān)管關(guān)閉的時間越長，因此平均電流就越小，人眼會發(fā)現(xiàn)到LED 變暗了，就能調(diào)節(jié)電路平均電流[10-11]。這種調(diào)光的優(yōu)點為LED 始終在恒定電流的條件下工作，調(diào)光的范圍較大，可實現(xiàn)無級調(diào)光。

圖4 是脈寬調(diào)制的波形，改變占空比D，就可以改變LED 的平均電流[12]。

式中：tON為脈沖寬度；tPWM為脈沖的周期。

圖4 脈寬調(diào)制的波形Fig.4 Pulse width modulation waveform

使用52 單片機，1 個機器周期=12 個時鐘周期；機器周期＝12/f （f 指晶振頻率），假設(shè)你要定時的時間為T，那么定時的初值為T/機器周期＝初值；TH0=（65536-初值）/256；TL0=（65536-初值）%256（求余運算）；低位為TL0的值，高位為TH0的值。例如用12 M 晶振做1 ms 定時計算如下：

所以：TH0=（65536-1000）/256=252=11111100；（求模運算，即可求出高八位的值）

TL0=（65536-1000）%256=24=00011000（求余運算，因為低八位最大能裝255）

單片機自動把存在TH0中的值裝進TL0，繼續(xù)進行定時計數(shù)，這就完成了八位自動重裝，實現(xiàn)了燈光亮度的8 級調(diào)節(jié)。

3 燈光控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計是將手機APP 指令信息發(fā)送到單片機上實現(xiàn)LED 燈光開關(guān)與亮度調(diào)節(jié)，從而形成一個完整的系統(tǒng)。系統(tǒng)的主程序主要是完成整個系統(tǒng)的初始化，首先是IO 口初始化，然后是串口通信設(shè)備的初始化，最后是藍牙無線模塊的初始化。在手機端將藍牙串口打開，與藍牙設(shè)備進行相應(yīng)的配對，如果配對不成功，檢查系統(tǒng)錯誤；配對成功后，數(shù)據(jù)通過串口傳送給藍牙，判斷接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程Fig.5 System software flow chart

3.2 藍牙模塊AT 短消息指令

AT 命令集主要是由終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備發(fā)送到終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端配偶器的指令[13]。此設(shè)計通過AT 命令調(diào)試藍牙模塊。常用的AT 指令如表1 所示。

4 實驗測試

實驗光源采用5 V/2.5 W、 歐司朗的小米LED便攜燈，硬件實物如圖6 所示。

表1 AT 指令Tab.1 AT instructions

圖6 硬件實物圖Fig.6 Physical hardware diagram

首先打開安卓手機的藍牙功能，然后打開藍牙串口助手，點擊搜索設(shè)備，搜索到名字為JDY-30 的設(shè)備名后點擊連接，這時硬件電路的藍牙模塊紅色指示燈由慢慢閃爍變?yōu)槌Ａ?。在聊天窗口進行輸入，對應(yīng)關(guān)系為a=燈開，b=燈滅，c=亮度+，d=亮度-；按鍵操作從左到右依次為亮度加，亮度減，燈開，燈滅。演示如圖7 所示。

圖7 手機藍牙與設(shè)備實現(xiàn)連接Fig.7 Bluetooth connection between mobile phone and device

通過實驗的驗證，不同亮度等級的PWM 信號其脈寬信號如圖8 所示，由圖8 可以看出脈寬有明顯的變化，實現(xiàn)了脈寬的不同來控制LED 燈光的亮度等級，8 檔不同占空比LED 燈光效果圖如圖9 所示。

5 結(jié)語

圖8 室內(nèi)LED 燈光調(diào)節(jié)PWM 調(diào)制的實驗波形Fig.8 Experimental waveform of indoor LED light regulation PWM modulation

圖9 八檔不同占空比LED 燈效果圖Fig.9 8 LED lights with different duty ratios

該設(shè)計使用52 單片機為控制核心，并使用PWM 方法通過改變流過LED 燈的平均電流信號的占空來調(diào)節(jié)LED 燈開關(guān)和亮度，再通過手機藍牙將指令傳遞給單片機對LED 燈光調(diào)節(jié)實現(xiàn)遠程控制。通過實驗驗證，采用PWM 方法能實現(xiàn)燈光亮度的8級調(diào)節(jié)，采用手機APP 通過HC-06 藍牙能對LED燈光調(diào)節(jié)進行遠程控制，該電路的結(jié)構(gòu)簡單、成本低、使用方便穩(wěn)定，具有一定的工程應(yīng)用前景。