三基色智能調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

方舟

（南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816）

現(xiàn)代照明控制系統(tǒng)涵蓋了無線通訊數(shù)據(jù)傳輸、擴(kuò)頻電力載波通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)智能化信息處理及網(wǎng)絡(luò)型嵌入式燈控等技術(shù)，通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)連接到控制系統(tǒng)，利用控制軟件和嵌入式燈控節(jié)點(diǎn)對(duì)LED（Light-Emitting Diode）燈具進(jìn)行無線控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)備的遠(yuǎn)程分布式控制[1]，具有燈光亮度的調(diào)節(jié)、燈光不同顏色的調(diào)控、在不同時(shí)間進(jìn)行定時(shí)控制等功能，并達(dá)到了安全、便利、舒適的特點(diǎn)。在了解和分析國(guó)內(nèi)外照明控制技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)指標(biāo)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi 的調(diào)光控制系統(tǒng)，采用了IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)通訊技術(shù)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。使用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）完成對(duì)LED 的調(diào)色調(diào)光，利用APP 軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。將熱釋電紅外傳感器和光敏電阻模塊作為測(cè)光模塊，能夠測(cè)出外界環(huán)境光的強(qiáng)度，自適應(yīng)地調(diào)整光源的亮度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

目前，解決照明控制通信有有線和無線2 種方式。有線方式是通過導(dǎo)線的傳統(tǒng)照明控制方式，無線方式采用無線局域網(wǎng)IEEE 802.11 協(xié)議。目前大部分家庭都采用的是普通開關(guān)，很少用到無線紅外遙控等技術(shù)。當(dāng)前市場(chǎng)主流的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)主要有Zigbee、藍(lán)牙及Wi-Fi 等。其中，Wi-Fi 通信速率高、門檻較低，并且國(guó)內(nèi)各大通訊公司均擴(kuò)大無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍，因此Wi-Fi 更具有研究和使用價(jià)值[2]。

LED 智能調(diào)光控制系統(tǒng)中傳統(tǒng)的TRIAC 調(diào)光方案將逐步被脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wi-Fi）和Zigbee 無線調(diào)光技術(shù)等取代[3]，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用無線局域網(wǎng)協(xié)議和脈寬調(diào)制方案。

1.1.1 無線通信

ESP8266 是一款UART-WiFi 透?jìng)髂K，它的功率消耗非常低，已經(jīng)具備了非常完善的封裝尺寸和低能耗技術(shù)，它的問世已經(jīng)為移動(dòng)客戶端設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，用戶可將自己身邊的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行網(wǎng)上通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[4-5]。系統(tǒng)采用ESP8266 的Wi-Fi 模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路和通信軟件。

1.1.2 基于STM32C8T6 主控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)控制系統(tǒng)的要求、所需要的功能和成本，核心主控單元采用的是STM32C8T6，其引腳有48 個(gè)，具有較高的性價(jià)比[6]。它提供了一個(gè)完整的32 位產(chǎn)品系列，在結(jié)合了高性能、低功耗和低電壓特性的同時(shí)保持了高度的集成性能和簡(jiǎn)易的開發(fā)特性，完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能要求。

1.1.3 PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)光原理的研究

PWM 調(diào)光技術(shù)廣泛應(yīng)用在直流調(diào)節(jié)速度、調(diào)節(jié)光源系統(tǒng)中。因?yàn)橐婕暗娇刂芁ED 的三基色，所以需用三路PWM 占空比時(shí)間參數(shù)來同時(shí)改變LED 的RGB三基色的亮度，利用光源的3 種基色合成方案原理，改變3 種基色光中基色的強(qiáng)度，這樣就可以產(chǎn)生無限多種R、G、B 的組合，就可以改變LED 的亮度顏色，從而做到360°自然過渡[7]。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用STM32C8T6 為核心控制芯片，利用Wi-Fi 模塊無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)無線LED 調(diào)光控制，系統(tǒng)主要由供熱釋電紅外傳感器模塊、STM32核心板模塊、電源模塊、三色LED 及測(cè)光等模塊組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 MCU 接口電路設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心部分以STM32F103C8T6 芯片為主控芯片，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的輸出控制和傳感器模塊的輸入檢測(cè)，ESP8266 無線模塊的指令傳輸通過與外圍各個(gè)模塊的電氣連接，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)光所需功能和指標(biāo)。

STM32C8T6 核心板最小系統(tǒng)包括晶振電路、電源電路、時(shí)鐘和復(fù)位電路，核心MCU 部分硬件接口電路如圖2 所示。

圖2 STM32F103C8T6 接口電路

STM32F103C8T6 芯片的電壓特性如下：VDD 的外部供電電壓最大值為3.6 V，VIN 在5 V 的引腳上輸入電壓最大達(dá)5 V；然而對(duì)于其他模塊，ESP8266 無線模塊的輸入電壓在3.3 V 是可以使用的，光敏電阻的測(cè)光模塊也是3.3 V 可以使用，但對(duì)于熱釋電紅外傳感器模塊需要輸入的電壓為5 V。所以系統(tǒng)需要提供3.3 V的輸出電壓來給無線模塊、光敏電阻測(cè)光模塊等，它還需要有5 V 的電壓給熱釋電紅外傳感器等模塊供電。

目前有多種電源芯片供選擇，其中最常用的是LM2576 與AMS1117。本次設(shè)計(jì)選擇的是AMS1117芯片，它是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，主要的作用是將5 V 的輸入電壓降到3.3 V。保護(hù)電路內(nèi)部集成了過熱保護(hù)和限流電路。電源接口電路如圖3 所示。

圖3 電源接口電路

主控芯片內(nèi)部集成了8 MHz 的RC 振蕩器，由于需要燈控節(jié)點(diǎn)完成準(zhǔn)確度極高且穩(wěn)定性高的PWM 脈寬調(diào)制輸出，可直接使用系統(tǒng)內(nèi)部的時(shí)鐘電路，根據(jù)手冊(cè)說明，芯片的PC14、PC15、PD0、PD1 分別默認(rèn)OSC_IN1、OSC_OUT1、OSC_IN2、OSC_OUT2 功能腳。時(shí)鐘電路如圖4 所示。

圖4 時(shí)鐘電路

32.768 kHz 低速外部晶體可以通過程序來選擇驅(qū)動(dòng)RTC（RTCCLK），1 kHz 低速內(nèi)部RC，可以用來驅(qū)動(dòng)獨(dú)立看門狗和選擇RTC 驅(qū)動(dòng)。

對(duì)于STM32F103 系列的芯片，其復(fù)位形式可分為3 種，即系統(tǒng)復(fù)位、上電復(fù)位和備份區(qū)域復(fù)位。產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位的方式有NRST 管腳上的低電平、看門狗的計(jì)數(shù)停止、程序軟件使其復(fù)位及功耗變低管理復(fù)位。復(fù)位電路如圖5 所示。

圖5 復(fù)位電路

1.3 外圍接口電路設(shè)計(jì)

ESP8266 擁有3 種天線接口方式，即板載PCB 天線、IPEX 接口和郵票孔接口，板子載有PCB 天線和IPEX 接口2 種接口方式，使用者可直接使用，不需要額外加載附加電路。ESP8266 通過串口與主控芯片相連，其TXD 和RXD 分別連STM32F103C8T6 芯片的RXD1 和TXD1 引腳，接口電路如圖6 所示。

圖6 Wi-Fi 模塊接口電路

顯示模塊采用OLED，OLED 即有機(jī)發(fā)光二極管，供電電源為3.3 V，SCL（DO）是CLK 時(shí)鐘，SDI（D1）是MOSI 數(shù)據(jù)，RST 為復(fù)位，其連接接口電路如圖7所示。

圖7 OLED 接口電路

鍵盤設(shè)計(jì)共設(shè)置4 個(gè)功能按鍵，即MODE、SW4、SW5、SW，分別用于模式選擇、光強(qiáng)上調(diào)、光強(qiáng)下調(diào)、遠(yuǎn)程關(guān)燈，如圖8 所示。其一端接地，另一端接STM32微控制器的I/O 管腳，所以當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，該I/O管腳為低電平。

圖8 按鍵電路圖

發(fā)光LED 電路采用共陰極，陰極公共端接地線，高電平有效，LED 燈就會(huì)點(diǎn)亮，共陰極數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極（負(fù)極）連接在一起，數(shù)碼管陽極連接主控芯片控制引腳。LED 電路如圖9 所示。

圖9 LED 電路圖

紅外熱釋電傳感器是一種新型敏感元器件，它的組件很多，主要是由高熱電系數(shù)材料、濾光鏡和阻抗匹配用場(chǎng)效應(yīng)管組成[8]。它能夠以不接觸的方式檢測(cè)出人體發(fā)射出的紅外輻射，然后經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換，將這些變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)則輸出高電平，當(dāng)有人離開的時(shí)候，它就會(huì)根據(jù)內(nèi)部電路自動(dòng)延長(zhǎng)時(shí)間并關(guān)閉高電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人體感應(yīng)的調(diào)光控制。對(duì)于其觸發(fā)方式，采用可以重復(fù)觸發(fā)的方式，所感應(yīng)輸出的電壓為高電平后，由于延時(shí)功能的作用，在這段時(shí)間內(nèi)，如果有人在這個(gè)范圍，它的輸出將會(huì)一直處于高電平狀態(tài)；如果有人離開這一范圍，將會(huì)延時(shí)一段時(shí)間后，將高電平轉(zhuǎn)換成低電平。它的工作電壓范圍比較廣泛，默認(rèn)工作電壓為4.5～20 V。模塊使用的是BIS0001 處理芯片，它具有AD混合且輸入非常高的阻抗值運(yùn)算放大器，并且芯片內(nèi)部集成了延長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)器，芯片采用16 腳的DIP 封裝。紅外熱釋電傳感器接口電路如圖10 所示。

圖10 紅外熱釋電傳感器接口電路

2 算法設(shè)計(jì)

為了能夠精確控制調(diào)光系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一定參數(shù)的光照要求，需對(duì)LED 調(diào)光進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，LED 的PWM占空比的改變，只會(huì)改變LED 燈的亮度，而不會(huì)使色品坐標(biāo)發(fā)生變化[8]。根據(jù)格拉斯曼顏色混合定律可得：

式（1）中：YM為混合光源M；DR、DG、DB分別為3種顏色對(duì)應(yīng)的占空比；YR、YG、YB為L(zhǎng)ED 燈在RGB工作下的Y刺激值。

光源混色后色品坐標(biāo)需滿足以下公式，即：

刺激值Y在CIE 1931 標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)下只相當(dāng)于是光通量。占空比D在PWM 調(diào)光下，成為了控制色品坐標(biāo)的唯一有效因素[9]。如果光通量為YM，色品坐標(biāo)為（x，y），就可以得到它們的占空比，計(jì)算公式如下：

公式（3）為占空比與相關(guān)色溫、色品坐標(biāo)與最大光通量的函數(shù)關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

在調(diào)光過程中，色品坐標(biāo)的混合在一起的光，它們的RGB 這3 種基色的比例是不一樣的，要能將占空比D同時(shí)達(dá)到100%，需要占空比比例為1∶1∶1，這時(shí)候的光通量的取值范圍就是0 到Y(jié)在紅色的刺激值加上Y在綠色的刺激值加上Y在藍(lán)色上的刺激值[10]。每一組的色品坐標(biāo)都有與之相對(duì)應(yīng)的最大光通量。然而，從實(shí)際出發(fā)，PWM 的占空比應(yīng)該滿足在各個(gè)顏色的比例都要小于等于1。

對(duì)于LED 的驅(qū)動(dòng)，采用脈沖驅(qū)動(dòng)。通過電壓型脈沖來進(jìn)行工作。這里設(shè)置脈沖的周期為Ts，脈沖寬度為Ton，則這一路的占空比就等于Ton/Ts，PWM 占空比如圖11 所示。

圖11 PWM 占空比

一個(gè)脈沖周期內(nèi)，改變LED 點(diǎn)亮和關(guān)斷時(shí)間，因?yàn)槿说囊曈X會(huì)有暫留效應(yīng)，當(dāng)脈寬的頻率達(dá)到一定的數(shù)值，人眼就看不到LED 燈閃爍[11]。

根據(jù)調(diào)光調(diào)色參數(shù)的要求，依據(jù)前面的數(shù)學(xué)分析，根據(jù)公式（3）求出相應(yīng)3 路PWM 的占空比，在程序設(shè)計(jì)中使用定時(shí)器產(chǎn)生周期約為100 μs 的脈沖，使用占空比變量來控制占空比，在高電平的時(shí)候點(diǎn)亮LED，低電平的時(shí)候熄滅，改變占空比變量就改變了高低電平的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)燈光調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)中采用TIM3 定時(shí)器進(jìn)行3 路PWM 波的輸出。需要定義LED 燈的IO引腳與定時(shí)器接線，即PB0→TIM3_CH3、PB1→TIM3_CH4、PA6→TIM3_CH1。定時(shí)器使用時(shí)需要進(jìn)行部分初始化，接著設(shè)置下一個(gè)更新事件裝入活動(dòng)自動(dòng)重裝載寄存器周期的值，再設(shè)置用來作為TIM 時(shí)鐘頻率除數(shù)的預(yù)分頻值。定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式采用了向上計(jì)數(shù)的模式，程序流程如圖12 所示。

圖12 亮度調(diào)節(jié)程序流程圖

因設(shè)計(jì)采用的是共陰極LED 燈，所以占空比的變量跟亮度等級(jí)成正比，通過多次的示波器測(cè)試，設(shè)置了10 種占空比，如表1 所示。

表1 占空比圖

3 試驗(yàn)分析

在Wi-Fi 通信模式下，無線調(diào)光使用手機(jī)APP 連接基于STM32 的無線LED 調(diào)光系統(tǒng)，進(jìn)行按鍵和APP軟件的遠(yuǎn)程指令調(diào)試[12]，通過輸出占空比參數(shù)進(jìn)行LED 的燈光調(diào)節(jié)。首先是Wi-Fi 模塊確定所要用到的指令代碼、所要連接的服務(wù)端口、各個(gè)參數(shù)及測(cè)試使用的軟件，觀察LED 被控對(duì)象的變化。本次移動(dòng)設(shè)備的IP 地址為192.168.43.1，創(chuàng)建服務(wù)端口8888，與之前在ESP8266 創(chuàng)建的IP 地址相吻合。單片機(jī)上電，連接成功會(huì)顯示無線模塊的IP 地址，并會(huì)發(fā)出OK 信息給服務(wù)端，點(diǎn)亮主板上R、G、B 這3 個(gè)指示燈。實(shí)物與通信連接如圖13 所示。

圖13 連接調(diào)試與實(shí)物圖

通過改變占空比來改變被控對(duì)象LED 的亮度，通過輸出相應(yīng)的占空比參數(shù)，燈的亮度和色品會(huì)作出相應(yīng)的改變。不同占空比下LED 燈光如圖14 和圖15所示。

圖14 PWM 占空白20%

圖15 PWM 占空白60%

當(dāng)設(shè)定期望的光通量和色品坐標(biāo)時(shí)，輸出由公式（3）計(jì)算出的一定占空比的PWM，當(dāng)期望改變從而占空比改變時(shí)觀察LED 亮度和色品也在改變，LED 驅(qū)動(dòng)器電路輸出電流與PWM 占空比成正比關(guān)系，調(diào)節(jié)亮度和色品的效果也隨著增加，其關(guān)系如圖16 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，LED 調(diào)光系統(tǒng)調(diào)光亮度和色品與PWM信號(hào)的占空比具有良好的線性關(guān)系，系統(tǒng)具有良好的調(diào)光調(diào)色性能。

圖16 驅(qū)動(dòng)電流與PWM 占空比關(guān)系圖