基于單片機(jī)的WIFI無線操控LED燈的電路設(shè)計(jì)

鎖萌，蔡武德，趙昆霞，馮瑞寶，王天碩

（云南師范大學(xué)，云南昆明，650500）

0 引言

由于無線通信技術(shù)的快速興起，WiFi通信技術(shù)逐步成熟并得到了廣泛關(guān)注。同時(shí)與WiFi領(lǐng)域相關(guān)的研究也逐漸增多[1]。因此，利用WiFi技術(shù)來控制燈光的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了強(qiáng)硬的技術(shù)支持和認(rèn)可。關(guān)于利用WiFi技術(shù)來控制燈光的系統(tǒng)設(shè)計(jì)將基于微控制器STC89C52和ESP8266WiFi通信模塊來實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括電源電路、STC89C52單片機(jī)、復(fù)位時(shí)鐘電路、ESP8266WiFi通信模塊、智能手機(jī)和LED燈。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分是STC89C52微控制器，主要的控制芯片為ESP8266WiFi通信模塊。其中，對LED燈亮度的控制主要通過PWM控制的原理來實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在系統(tǒng)工作之前需要給系統(tǒng)上電，同時(shí)ESP8266WiFi通信模塊需要系統(tǒng)提供3.3V的電壓才能正常工作，因此需要供給3.3V的穩(wěn)壓電路，單片機(jī)P1.7腳所連接的LED燈D1是WiFi模塊初始化的指示燈，在給系統(tǒng)上電后，打開自鎖開關(guān)SW1，WiFi模塊開始初始化，D1點(diǎn)亮，當(dāng)D1熄滅時(shí)就說明WiFi模塊的初始化工作已經(jīng)完成。S1為電路中的按鍵，在WiFi模塊初始化完成之后，按下按鍵S1，LED燈D2將被點(diǎn)亮，長按按鍵S1會(huì)使得D2的亮度發(fā)生變化，可以通過按鍵來實(shí)現(xiàn)對LED燈的亮度操控。系統(tǒng)采用的是8550PNP型三極管。在電路中將三極管與LED燈相連接，在低電平的時(shí)候LED燈點(diǎn)亮，當(dāng)?shù)碗娖骄S持的時(shí)間越長，LED燈亮度就越高，低電平維持的時(shí)間越短，LED燈亮度就會(huì)越低，維持時(shí)間的長短可以通過定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

1.3 系統(tǒng)功能介紹

該設(shè)計(jì)系統(tǒng)以微控制器STC89C52為核心，將ESP82 66WiFi通信模塊與單片機(jī)建立起串口通信，ESP8266WiFi模塊與手機(jī)APP相連接,作為一個(gè)數(shù)據(jù)的收發(fā)站,將其接收的無線信號轉(zhuǎn)換成串口信號傳遞給微控制器STC89C52,微控制器再對LED燈的亮度以及亮滅進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP對LED的無線操控。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 LED燈的控制電路設(shè)計(jì)

2.1.1 LED燈亮滅控制原理

LED燈連接在STC89C52單片機(jī)的P3口上，LED燈與8550PNP型三極管連接，LED燈的亮滅通過將相應(yīng)程序?qū)雴纹瑱C(jī)來進(jìn)行控制，在低電平的時(shí)候LED燈亮，高電平的時(shí)候LED燈滅。

2.1.2 LED燈亮度控制原理

LED燈的亮度與通過其兩端的電流強(qiáng)度成正比。PWM調(diào)光正是利用了這一原理。PWM信號源是PWM調(diào)光時(shí)所需的，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)高低電平的不同來打開或者關(guān)閉場效應(yīng)管的柵極，并反復(fù)切換LED驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)開關(guān)頻率高于100Hz時(shí)，人眼就看不到LED的關(guān)閉，對導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間進(jìn)行平均，僅看到由占空比決定的亮度，占空比越小，開關(guān)管斷開的時(shí)間越長，因此平均電流會(huì)越小，人眼會(huì)觀察到LED燈的燈光變暗了[2]。由此，為了實(shí)現(xiàn)對LED燈的亮度控制，只需要給單片機(jī)提供寬度不同的數(shù)字脈沖即可。

2.2 ESP8266WiFi模塊電路設(shè)計(jì)

2.2.1 ESP8266WiFi模塊介紹

系統(tǒng)所使用的WiFi模塊為ESP8266WiFi通信模塊[3]。該芯片體積小、價(jià)格較低且性能穩(wěn)定，相比其他芯片性價(jià)比更高。ESP8266WiFi通信模塊在與STC89C52微控制器通信時(shí)使用串行通信的方式進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸給上位機(jī)是利用ESP8266WiFi通信模塊將傳統(tǒng)的串口設(shè)備進(jìn)行串口配置來實(shí)現(xiàn)的。

2.2.2 ESP8266WiFi模塊電路工作原理

圖3為ESP8266WiFi通信模塊的電路設(shè)計(jì)圖。給ESP8266WiFi通信模塊提供一個(gè)3.3V的電壓，使其能夠正常工作。給WiFi模塊的CH_PD引腳一個(gè)3.3V的電壓。微控制器STC89C52的TXD腳與WiFi模塊的URXD引腳連接，GND引腳接地。

圖3 ESP8266WiFi模塊電路設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ESP8266WiFi模塊的設(shè)置

軟件設(shè)計(jì)需要先對ESP8266WiFi模塊進(jìn)行初始化，對WiFi模塊的調(diào)試使用串口調(diào)試助手來完成。在配置ESP8266WiFi通信模塊時(shí)將模塊設(shè)置為工作在透傳模式[4]。具體步驟為：

(1)將芯片的串口比特率設(shè)置為9600Hz：發(fā)送指令A(yù)T+UART=9600, 8, 1, 0, 0；

(2)將WiFi芯片的模式設(shè)置為AP模式：發(fā)送指令A(yù)T+CWMODE=2；

(3)重新啟動(dòng)WiFi模塊以使應(yīng)用程序模式更改有效：發(fā)送指令A(yù)T+RST；

(4)設(shè)置WiFi模塊的名字和密碼，把WiFi的名稱設(shè)置為“SuoMeng_01”，WiFi密碼設(shè)置為“12345”：發(fā)送指令A(yù)T+CWSAP=" SuoMeng_01"，“12345”, 5,3；

(5)設(shè)置為允許多連接，ESP8266WiFi模塊最多允許5個(gè)客戶端連接,其根據(jù)連接的先后順序給每個(gè)客戶端相應(yīng)地分配ID為0～4：發(fā)送指令A(yù)T+CIPMUX=1；

(6)建立服務(wù)器：發(fā)送指令A(yù)T+CIPSERVER=1。

3.2 單片機(jī)控制LED燈程序設(shè)計(jì)

3.2.1 LED燈亮滅控制的程序設(shè)計(jì)

STC89C52單片機(jī)與ESP8266WiFi通信模塊之間以串口通信的方式建立連接，程序設(shè)計(jì)過程需要滿足串口通信的協(xié)議要求，因此在設(shè)計(jì)中將ESP8266WiFi通信模塊的串口比特率設(shè)置為9600Hz。程序設(shè)計(jì)包括對單片機(jī)I/O口進(jìn)行初始化，然后初始化ESP8266WiFi通信模塊，給連接WiFi模塊初始化指示燈和連接LED燈的單片機(jī)引腳賦值，系統(tǒng)調(diào)用相關(guān)子函數(shù)執(zhí)行后續(xù)程序，接著判斷WiFi模塊是否接收了指令，若接收成功，單片機(jī)將接收WiFi模塊發(fā)送過來的指令并作出判斷，從而控制燈的亮滅；若WiFi模塊沒有接收指令，則返回上一步再重新進(jìn)行判斷。相關(guān)程序流程圖如圖4所示。

圖4 單片機(jī)控制LED燈亮滅的程序流程圖

3.2.2 LED燈亮度調(diào)節(jié)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)對LED燈的亮度操控主要通過控制高電平和低電平維持的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)用定時(shí)器T0服務(wù)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過程序編寫來控制LED燈的燈光亮滅持續(xù)時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。首先設(shè)置定時(shí)器，接著判斷WiFi模塊是否接收了指令，若接收成功，單片機(jī)將接收WiFi模塊發(fā)送過來的指令并作出判斷，從而控制燈的亮度；若WiFi模塊沒有接收指令，則返回上一步再重新進(jìn)行判斷。相關(guān)程序流程圖如圖5所示。

圖5 STC89C52控制LED燈亮度的程序流程圖

4 實(shí)物測試

4.1 手機(jī)APP功能介紹

本設(shè)計(jì)中控制LED燈亮滅以及亮度的手機(jī)APP為“TCP連接”，APP的控制按鈕可自行設(shè)置，本設(shè)計(jì)設(shè)置了三個(gè)控制按鈕，第一個(gè)按鈕為LED燈開關(guān)控制按鈕，在按鈕編輯器窗口進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，在“狀態(tài)OFF”下的按鈕文本設(shè)置為“LED燈關(guān)”，消息處設(shè)置為“A3”，在“狀態(tài)ON”下的按鈕文本設(shè)置為“LED燈開”，消息處設(shè)置為“A1”。第二個(gè)按鈕為增強(qiáng)LED燈亮度的按鈕，在按鈕編輯窗口進(jìn)行設(shè)置時(shí)將“狀態(tài)OFF”和“狀態(tài)ON”下的按鈕文本都設(shè)置為“亮度加”，消息處都設(shè)置為“T1”。第三個(gè)按鈕為減弱LED燈亮度的按鈕，在按鈕編輯窗口進(jìn)行設(shè)置時(shí)將“狀態(tài)OFF”和“狀態(tài)ON”下的按鈕文本都設(shè)置為“亮度減”，消息處都設(shè)置為“T3”。

4.2 實(shí)驗(yàn)測試

給設(shè)計(jì)成品通電，通電后打開電源開關(guān)，可以看到黃色LED燈亮，表示正在初始化ESP8266WiFi模塊，黃色LED燈滅說明對WiFi模塊的初始化已經(jīng)完成。將手機(jī)連接到名稱為“SuoMeng_01”的WiFi信號，輸入設(shè)置的WiFi密碼，打開控制LED燈的手機(jī)APP，連接到地址為“192.168.4.1”，端口號為2000的主機(jī)，APP界面顯示連接成功即可對LED燈進(jìn)行操控。圖6、7為實(shí)物測試圖。

圖6 初始化ESP8266WiFi模塊

圖7 手機(jī)APP對LED燈的操控

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)完成了對LED燈的亮滅控制和亮度調(diào)節(jié)的目標(biāo)，從設(shè)計(jì)過程來看，整個(gè)設(shè)計(jì)主要包括軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分和硬件設(shè)計(jì)部分。通過本次設(shè)計(jì)，我收獲了許多有用的知識和技能，與此同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)讓我真實(shí)的體會(huì)到書本知識和實(shí)際應(yīng)用的不同。在設(shè)計(jì)完成的過程中也遇到了很多問題和挑戰(zhàn)，這些問題十分值得我進(jìn)行深入的研究和探討，爭取能夠早日解決。