手机蓝牙收发模块的无线LED调光技术＊

胡鑫，周迪，吴文威，鲍建宇

（浙江大学宁波理工学院自动化与电气工程研究所，宁波 305100）

手机蓝牙收发模块的无线LED调光技术＊

胡鑫，周迪，吴文威，鲍建宇

（浙江大学宁波理工学院自动化与电气工程研究所，宁波 305100）

为适应LED照明个性化需求的不断变化，设计了基于手机蓝牙的无线LED调光器。系统采用低成本的8位PIC单片机作为主控制器，以蓝牙模块作为无线收发模块，通过串口通信连接手机蓝牙模块和单片机。调光器中的蓝牙模块与手机蓝牙配对后，应用手机终端的APP调光软件来实时调节LED灯具的亮度、颜色或色温。

手机蓝牙；LED调光；PIC MCU；无线收发传输

引 言

LED光源作为一种新型的固体照明光源，具有发光效率高、能耗低、坚固耐用、寿命长、安全性好、环保性绿色光源等优点，是当前照明行业的一个研究热点［1］。而对LED进行调光控制能进一步有效地节能，大幅减少能源浪费。基于有线的LED调光控制系统，具有布线麻烦、增减设备需要重新布线、系统可扩展性差、系统安装和维护成本高，以及移动性能差等缺点。因此，采用无线通信技术，是实现LED智能调光的理想选择。

近年来，近距离无线通信技术获得了迅猛的发展，主流技术包括红外技术、蓝牙（Bluetooth）、Wi-Fi和ZigBee技术等。其中，Wi-Fi的功耗大且设备要求高，而ZigBee开发难度大且成本高。因此，对于普通的LED照明控制来讲，低功耗蓝牙技术一方面突破了功耗的瓶颈，另一方面广泛在iPhone、三星、HTC等智能手机中推广，更加具有技术和成本两方面的优势。本文将着重讨论基于手机蓝牙的LED无线调光技术。

1 系统简介及工作原理

整个调光系统的原理框图如图1所示。一部智能手机可同时与一组或多组LED灯具进行配对，由智能手机通过APP发送调光控制信号，嵌入在灯具里的蓝牙模块接收控制信号，经单片机译码后就可控制LED光源的开关、明暗度和颜色等。在感受家居灯控方便快捷的同时，更能享受蓝牙技术在LED灯控应用上的智能与乐趣。

图1 手机蓝牙LED无线调光系统框图

2 硬件电路设计

2.1 MCU控制器

MCU采用STC89C52RC［2］芯片，工作电压为5V，具有8KB Flash、512字节RAM、32位I/O口线、看门狗定时器、2个数据指针、3个16位定时器/计数器、一个7向量4级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路、单片机与蓝牙模块通过串口进行连接，采用Keil软件进行开发，生产HEX文件，然后通过STC软件将程序烧录到芯片当中。

2.2 蓝牙模块

蓝牙模块选择HC-06［3］，可以实现蓝牙转串口功能，HC-06采用CSR主流蓝牙芯片，完全兼容蓝牙V2.0协议标准，支持SPP协议最高还可支持3M调制模式。模块供电电压为3.3V工作（3.1～4.2V），配对时在30～40mA波动，配对完毕后通信电流为8mA，具有PIO0～PIO11、AIO0、AIO1、USB、PCM、UART及SPI接口，模块的波特率可以由用户利用“AT+指令集”进行设置，工作电流为40mA，休眠电流＜1mA，内置2.4GHz天线，用户无需调试天线。

外置8Mb Flash，谐波干扰为2.4MHz，发射功率为3dBm，可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、PDA等设备进行无缝连接，模块的有效传输距离为10m。蓝牙芯片上提供UART接口，通过4个引脚与单片机STC89C52RC相连。其中，1个引脚接3.3V的工作电压，1个引脚接地，蓝牙模块上的TXD接到单片机上的P3.0口，RXD接到P3.1口，实现蓝牙模块与单片机之间的串行通信。工作电压为3.3V。

蓝牙模块也可以通过串口与PC机通信，PC机可以通过AT指令对蓝牙模块的一些初始属性进行设置，如波特率、模块名称、配对密码等。

2.3 LED驱动电路设计［4］

驱动电路采用ONsemi公司生产的NCL30160作为主芯片，NCL30160集成了N沟道功率MOS场效应管的脉冲宽度调制的浮动式降压转换器，可以为LED光源提供精准的恒定电流输出，以驱动高功率发光二极管。该芯片支持PWM调光，通过DC-DC电路将脉冲宽度调制信号转换为不同占空比的电流信号，实现LED的调光。基于NCL30160的典型LED驱动电路原理图如图2所示。

图2 基于NCL30160的LED驱动电路

根据NCL30160的数据手册及输出要求，计算外围器件参数。系统采用5个1W的LED串联，恒定电流为350mA。

其中，ILED为LED灯串电流，由式（1）得到R1值，C5采用官方数据手册推荐的取值，电感L1及ROT由式（2）～（4）得到。式中，toff、ton、ΔI、RDS（on）的取值参考数据手册，VIN在此处取为24V，DCRL为电感内阻，此处取为0。

3 软件设计

软件设计包括主程序设计、串口通信程序设计、PWM调光程序设计和手机APP程序设计。

3.1 主程序设计

图3为主程序流程图，通过蓝牙模块与单片机互连，单片机通过串口接收来自手机蓝牙模块的无线数据，经过单片机内部译码后产生对应占空比的PWM波形。主程序的作用就是根据手机终端的调光控制信号，实时产生合适的PWM调光信号去调节LED光源的亮度。

图3 主程序流程图

3.2 PWM调光算法设计

定时器0采用中断的方式产生PWM波形［5］，定义频率、占空比，并且将P1.0口设为输出端口。根据串口接收到的数据对占空比以及频率进行调节。因为在手机软件中设计了4个控制按键，分别为“频率+”、“频率-”、“调光+”、“调光-”，当按下其中一个按键时，就会根据收到的相应数据对PWM波进行调节。

当按下“调光+”或者“调光-”时，PWM波的占空比就会发生变化，高电平占的比例越多，则LED照明灯越亮，反之则越暗。

当按下“频率+”或者“频率-”时，PWM波一个周期的PWM波长就会发生变化，在主函数main.c中定义了初始频率FREQ=4 000，反映在示波器上的周期是频率的倒数，因此频率越大，一个周期的PWM波长就越短。定时器0采用中断的方式产生PWM波形，为了便于观察，在程序中设定了频率为200～4 000的范围，每次的调频幅度为20，这样就会非常明显地观察到PWM波在一个周期内的变化。PWM调光算法程序流程图如图4所示。

图4 PWM调光程序流程图

3.3 手机APP界面设计

本程序是基于Android2.1系统［6］，所用开发工具为Eclipse集成开发环境。Eclipse是跨平台的自由集成开发环境，最初主要用于Java语言开发，但是目前也有通过插件使其作为其他计算机语言（比如C++、Python和Android）的开发工具，在此开发环境下，开发软件非常方便。这款软件是基于RFCOMM蓝牙串口服务的传输软件，通过该软件实现蓝牙串口模块的通信功能。

RFCOOM协议是基于欧洲电信标准协会ETSI07.10规程的串行线性仿真协议。此协议提供了RS-232控制和状态信号，作为一个简单的传输协议，其在两个不同设备上的应用程序之间保证一条完整的通信路径，并在它们之间保持一通信段。

为了验证手机终端的APP程序功能，没有对软件界面做特别美化的设计，仅包含所用到的几个按钮，以实现预期的功能为最大目标。手机设计界面如图5所示。

首先打开手机中的该软件，依次选择“打开蓝牙”和“连接设备”，找到对应的蓝牙模块名称，连接正确后，蓝牙模块就会由闪烁状态变为静止状态，此时手机表示与对应的蓝牙模块连接成功。接下来，通过操作手机软件界面的按键，P1.0口的输出PWM波形会随按键的变化而发生相应的变化，从而实现对LED照明灯的无线控制。

图5 手机蓝牙软件界面

当按下“调光+”或“调光-”时，示波器上的波形占空比就会发生相应的变化。所谓占空比，是指高电平在一个信号周期内所占的比重，比重越大，则占空比就越大，LED灯就越亮。

当按下“频率+”或“频率-”时，PWM波的占空比始终不发生变化，而PWM波频率会在一个信号周期内相应地变大或变小。

4 实验结果

实验电路如图6所示，由单片机控制电路、蓝牙模块、LED驱动电路和LED光源组成。LED光源采用5个1W 的LED串联，额定电流为350mA。

图6 实验电路图

测试开始前，先将手机终端与蓝牙模块实现配对，配对成功后，蓝牙模块上的灯就会由闪烁状态变为静止状态，图7为配对成功后手机APP的界面图。

图7 手机APP界面

接着，就可以触摸手机上的调光按钮进行无线调光，如不断按“调光-”按钮时，通过示波器观察单片机输出的PWM波形，发现占空比也会随着触摸逐渐变小，实际的LED灯的亮度逐渐变暗。用万用表依次测量了3组数据，输出电流的平均值依次为240mA、160mA、50mA，实验波形如图8所示。

图8 调光波形图

结 语

由于传统的照明系统具有布线麻烦、可扩展性差、节能效率低等缺点，本文采用手机Bluetooth技术，实现了对LED灯的无线调光控制。经过一段时间的测试，系统不仅可以通过手机蓝牙控制LED灯具的开关，还可以调节LED灯的亮度和颜色，已经达到了预期的结果。该系统结构简单、成本低，解决了传统机械开关使用不方便和传统灯具亮度不可调的问题，具有一定的实用价值。

［1］毛兴武，张艳雯，周建军，等.新一代绿色光源LED及其应用技术［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［2］宏晶科技.STC89C52RC系列单片机器件手册，2013.

［3］广州汇承信息科技有限公司.HC-06产品规格书，2012.

［4］张昊程.LED调光方案及其驱动器设计［D］.西安：西安电子科技大学，2012.

［5］朱虹.LED照明驱动及自适应调光技术研究［D］.上海：上海大学，2008.

［6］郭宏志.Android开发应用详解［M］.北京：电子工业出版社，2010：1-7.

胡鑫、周迪、吴文威（本科生），主要研究方向为无线LED智能调光控制技术；鲍建宇（副教授），主要研究方向为电力电子技术。

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

��杨迪娜

2015-01-20）

国家级大学生创新创业训练计划项目（201313022002）。