一种LED智能控制模块的设计

吴玉香，尚 俊，罗婉霞，文尚胜

(1.华南理工大学自动化科学与工程学院，广东 广州 510640；2.广州广日电气设备有限公司，广东 广州 510640；3.华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510640)

1 引言

如今，单一的白光LED照明已经不能满足人们的日常需求。人们越来越希望LED能够实现需要的亮度、颜色或色温。此外，近年来，人们开始提出情景照明和情调照明。情景照明是指根据环境的需要，营造一种舒适、惬意的光照环境，使人们感觉有场景的效果。情调照明和情景照明不同，是从人的角度来营造一种意境般的光照环境，情调照明是动态的。基于上述需求，为实现复杂功能，我们设计了一款LED智能控制模块。该LED智能驱动器通过硬件和软件可实现以下功能：(1)根据需要实现LED亮度、颜色和色温的调节；(2)根据环境光照自动调节LED。本系统以单片机为控制核心，由全彩LED驱动电路、模数转换模块、无线蓝牙模块以及GSM无线模块构成外围电路。目前，智能手机越来越流行，人们可以用手机APP通过蓝牙控制LED，也可以通过GSM无线模块远程控制LED灯。

本系统有两种无线控制方式，无线蓝牙控制和GSM模块控制。近距离控制时，人们可以使用带有蓝牙功能的手机控制LED智能驱动器。远距离控制时，人们可以通过GSM模块的短信功能来控制LED智能驱动器，实现远程控制LED。

2 硬件设计

本系统是由单片机STC12C5412输出三路PWM波控制全彩LED灯发出各种不同颜色、不同色温和不同亮度的光。三路PWM的占空比可以通过无线蓝牙模块连接的上位机以及GSM模块控制。LED驱动电路由独立的电源模块，即使没有单片机STC12C5412控制，LED灯也可以点亮，只是不能变化。系统硬件总框图如图1所示。

图1 系统硬件总框图Fig.1 The diagram of the system hardware

2.1 单片机STC12C5412

STC12C5410单片机是单时钟8051内核单片机，为高速/低功耗的新一代单片机，具有全新的流水线/精简指令集结构。有四路PWM输出和通用异步串行口(UART)。本设计用到了三个PWM口输出PWM信号给驱动芯片的ENA、ENB、ENC。串口用于连接蓝牙串口模块和GSM模快。

由于只有一个串口，所以某一时刻蓝牙和GSM只有一个可以和单片机通信，单片机通过此串口接收蓝牙或者GSM的无线信号对LED进行控制。

2.2 LED驱动电路

DD313是一款专为LED应用设计的恒流驱动芯片。它集成了三通道的恒流输出。恒定输出的电流值可分别由三个外部电阻设置。三个使能引脚分别独立控制三个输出端。DD313快速的输出电流响应使它能适应高分辨率调光和高刷新率速率应用。内置LED开路检测、过温、过电流保护功能，确保了系统的可靠性。LED驱动电路的硬件电路图如图2所示。

图2 DD313硬件电路图Fig.2 The circuit diagram of DD313

在图2中，ALARM引脚悬空，因为ALARM引脚是用于LED开路报警和结温过热报警，而本次设计不需要，故预留ALARM引脚悬空。RESERVE引脚用于测试芯片，当正常运行时，应悬空。

DD313每个输出通道的恒流值都是由REXT(R,G,B)引脚与GND之间连接的一个外部电阻单独设置的。改变电阻值，可以调整电流高达500mA。要注意的是，输出电流会有小的增加或减少，直到该设备的温度和环境温度平衡。根据Datasheet上提供的公式，近似的输出电流值可通过下面的公式计算：

IOUT=0.5(V)/REXT(R,G,B)

本次设计采用的RGB LED的最大电流值为IOUT=20mA，由上面的公式可算得R3=R4=R5=25(Ω)。

2.3 模数转换电路

模数转换电路采用模数转换芯片ADC0832。ADC0832是一种8位分辨率、双通道的模数转换芯片。它与单片机的通讯方式是串行方式，ADC0832将模拟量转换成8位的数字量，通过引脚DO传输到单片机。一般情况下，ADC0832与单片机换数据通过四个引脚，分别是CS、CLK、DO、DI。但是DO、DI在通信时并未同时使用，且与单片机的接口是双向的，因此DO、DI可以共用一个单片机I/O端口。基于ADC0832的模数转换电路如图3所示。

在图3中，当光敏电阻R6接收到不同光强时，其阻值会发生改变。光敏电阻R6与电阻R7串联，当光敏电阻R6的阻值改变时，电阻R7的压降就会改变，引脚CH0检测到模拟电压量，ADC0832将模拟电压量转换成数字量，通过D0传输给单片机。

图3 ADC0832模数转换电路Fig.3 The circuit of ADC0832 analog-to-digital conversion

2.4 无线蓝牙模块

蓝牙是一种支持设备短距离无线通信技术(一般10m内)。能在移动电话、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等带蓝牙功能的多种设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓展道路。蓝牙支持点对点及点对多通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。本设计中采用无线蓝牙串口模块与单片机串口连接。无线蓝牙串口模块的引脚分别为VCC、GND、RX、TX。蓝牙串口模块地线GND与单片机地线GND相连，无线蓝牙串口模块引脚RX_232与单片机引脚TxD相连，无线蓝牙串口模块引脚TX_232与单片机引脚RxD相连。无线蓝牙串口模块原理图如图4所示。

图4 无线蓝牙串口模块原理图Fig.4 The schematic diagram of the wireless Bluetooth serial module

2.5 GSM模块

TC35模块是西门子公司生产的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全地实现系统方案中的语音传输、数据、传真和短消息服务。模块的正常工作电压为3.3～5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz两个频段，它们所在频段的功耗分别为2W(900M)和1W(1800M)。模块具有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息，以及2.4K，4.8K，9.6K的非透明模式。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。通过ZIF连接器及50Ω天线连接器，可分别连接SIM卡和天线。

TC35模块主要由GSM基带处理器、供电模块(ASIC)、GSM射频模块、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。作为TC35 的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的数据、语音信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的数字和模拟功能。在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。

GSM模块与单片机模块主要通过3个引脚相连，分别为GND、RXD0、TXD0。GSM模块与单片机模块首先要共地，即GSM模块的地线GND与单片机模块的地线GND相连。GSM模块的引脚RXD0与单片机模块的引脚TxD相连，GSM模块的引脚TXD0与单片机模块的引脚RxD相连。TC35模块的电路原理图如图5所示。

图5 TC35模块的电路原理图Fig.5 The schematic diagram of the TC35 module

3 软件设计

主程序主要完成控制系统各部件的初始化和实现各功能子模块程序的调用。本设计主程序流程图如图6所示。

主程序开始运行时，先对单片机和各模块初始化，然后将3个PWM模块的占空比设置为0，表示开机以后灯的默认状态为关闭。然后AD模块将采集的数据给单片机，单片机接受数据后输出PWM给驱动电路，实现自动调光，这说明初始化后系统工作于自动调光模式，然后主程序开总中断和串口中断。我们在主程序中判断串口中断标志位是否被置位，如果被置位则执行响应的程序，如果未被置位则仍然工作于自动调光模式。

GSM模块和蓝牙串口模块都是通过串口实现和单片的通信，由于蓝牙串口模块和GSM模块共用一个串口，而且是共用一个串口中断程序，为了能对蓝牙传输的数据进行甄别，采用帧的方式传输，在本次设计中，设定蓝牙数据帧的长度为固定长度5个字节，帧头为0xFA，帧尾为0xFB，中间三个数据分别为red、green、blue的数值。在中断子程序中首先对数据进行甄别，检测是否为蓝牙串口模块发送的数据。若是，则将蓝牙标识符置1，如果不是则对TC35标识符置1。

图6 系统程序流程图Fig.6 The flow chart of the system program

在主程序中对标识符进行判断，判断是否有标识符被置1，并且判断是蓝牙标识位被置1还是GSM标识位被置1，然后执行相应控制程序并输出PWM给驱动电路。

4 总结

本文设计了一种LED智能控制模块，该模块集成了蓝牙串口模块和GSM模块，用户可以通过带有蓝牙功能的PC或者移动设备对LED进行调节，包括亮度、颜色和色温等的调节。另外，还可以通过GSM模块，经短信息方式对LED实现调控。当用户不对LED进行无线控制时，系统会根据AD采集的数据进行自动控制。此LED智能控制模块还可通过编程实现包括情景模式和情调模式以及各种模式之间的切换等多种调控功能。

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