基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统

张 杨，刘思源，孙晶华，朱 正，刘 禄，李庆波，苏丽萍，刘志海

基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统

张 杨，刘思源，孙晶华，朱 正，刘 禄，李庆波，苏丽萍，刘志海

（哈尔滨工程大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

根据光电信息科学与工程专业光电综合实验课程教学的需要，研制了基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统，该系统使用红外遥控器作为控制器，以PIC单片机作为控制芯片，通过红外一体化接收器对红外发射信号进行接收并将解调好的信号送给单片机，单片机将该信号解码并执行相应程序控制对应的LED阵列电路，并通过PWM模块驱动LED亮灭，通过调整占空比输出控制电路的通断时间，高速闪烁的LED在调控不同的占空比下呈现不同的亮度及颜色。利用该实验教学系统可以帮助学生了解并掌握利用PWM技术实现三基色LED的调光方法。

三基色LED；色度；实验教学系统；红外遥控；PWM

多芯片白光LED光源，是通过将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起得到白光[1]。与荧光粉转换白光LED相比，这种类型LED的好处是避免了荧光粉在光转换过程中的能量损耗，可以得到较高的光效；而且可以分开控制不同光色LED的光强，达到全彩变色效果，并可通过LED的波长和强度的选择得到较好的显色性[2]。

LED光源具有体积小、绿色节能、可控性能好的诸多优点，正被广泛运用于照明领域。但单一LED的颜色是不能改变的，不能实现动态调节。为了实现光强和颜色可调，以满足不同条件下的动态照明，需要对多种LED光源进行实时调控。LED常用的调光技术包括脉冲宽度调制（PWM）调光和模拟调光。PWM调光是使开关电路在以相对于人眼识别能力来说足够高频率下工作，通过设置周期和占空比来改变输出电流的平均值。相比较模拟调光，PWM调光具有色恒定性高、驱动器效率高，并且能够进行精确控制的优点，方便与数字化系统接轨，具有更大的应用前景。

根据光电信息科学与工程专业光电综合实验课程教学的需要，为使学生加深对发光器件LED原理与应用的理解，加深对色度学的理解，研制了基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统，该系统使用红外遥控器作为控制器，使用单片机调控PWM信号来控制白光LED的光强与颜色，使得操作者能够灵活的调整LED光源的发光强度与颜色，为将来从事颜色和光强动态调控的照明应用打下基础。

1 红外遥控系统和通信协议

1.1 红外遥控系统

红外遥控作为无线、非接触控制技术，具有使用方便、成本低廉、功耗低等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用。红外遥控系统一般由红外发射电路和红外接收电路组成，红外发射电路通常为红外遥控器，它将按键对应编码，并通过红外发射管以红外线的信号发射出去；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，对信号进行整形、放大、解调、解码，读出信号内容，然后控制产生相应的应答，实现所需的功能[3-5]。

1.2 红外信号调制

红外发光二极管在进行信号传输的过程中，很容易受到外界环境的干扰，为了提高抗干扰性能，需要对发送的二进制编码信号进行调制，即将发射信号调制成一定频率的间断脉冲串，然后将待发射的信号和一定频率的载波进行“与”操作。

调制载波频率一般在30 kHz~60 kHz之间，实际应用中，大多数使用38 kHz，这是因为由于遥控当中陶瓷共鸣器的晶振频率为455 kHz，与需要的38 kHz有着较大的区别，所以在发射端需要对晶振频率进行整倍数的分频，当分频系数取12时，得455 kHz÷12≈38 kHz。由于不同晶振的振荡频率不同，载波频率也会相应不同。

1.3 红外信号编码方式和指令结构

在本实验系统中，采用脉冲位置编码（PPM码）方式的NEC协议，使用的载波频率为38 kHz。之后，将通过单片机把结果解调的二进制编码波形还原成数据信息，得到发送的数据。

（1）编码方式。在脉冲位置编码方式中，将脉冲信号经过载波调制，使信号传输抗干扰能力变强。脉冲位置编码方式采用相同的脉冲串宽度，通过脉冲串之间的间隔长短来实现0和1的识别。目前，这种编码方式的应用最广泛，NEC公司和Sharp公司的产品都主要采用这种方式[6-8]。

图1为NEC公司采用的二进制编码方式，脉冲串宽度为560 μs，逻辑0的周期为1.12 ms，逻辑1的周期为2.25 ms。

图2为Sharp公司的二进制编码方式。脉冲串宽度为320 μs，逻辑1的周期为2 ms，逻辑0的周期为1 ms。

图2 Sharp公司PPM码编码方式

（2）指令结构。常见的指令结构有ITT协议、NEC协议、Sharp协议、Philip RC-5协议、Sony SIRC协议等，本系统采用的是NEC协议[9-11]。

NEC协议的结构图如图3所示。在该协议中，首先是占空比为2/3的引导码，周期为13.5 ms，接着是8位的地址码和8位的地址反码，最后8位数据码和8位数据反码。其中反码的目的是提高准确率，减小误码率。当然也可以将功能扩展为16位地址码和16位数据码。在实际应用中，当对遥控器某一按键按下时，在很短时间内遥控器按键已经重复发送了很多次编码，此时为了减少功耗常常使用重复码来代替。如图4所示，数据码在发送一次之后，通过生成重复码来代替重复指令。

图3 NEC协议

图4 有重复码发送的NEC协议

2 硬件电路设计

本实验教学系统由红外遥控器、红外接收模块、信号解码模块、基于PWM技术的LED驱动模块和三基色LED阵列等组成，其中信号解码模块和根据解码后的信号实现对三基色LED阵列发光亮度和颜色的3通道PWM模块是在Microchip公司的16位单片机芯片dsPIC33F64GS606中实现的。本系统总体方案是通过逻辑分析仪获取遥控器按键对应的键值信号，当红外遥控器的按键被按下时发射的信号被红外接收探头接收，红外接收探头对信号进行整形、放大、滤波、解调等一系列处理后，输出基带信号；然后被输送给单片机，单片机对接收到的信号进行解码，得到按下按键对应的数据码，根据该数据码控制单片机上的3个PWM模块执行调整占空比等相应的操作，从而使三基色LED点亮、熄灭或呈现出不同的亮度和颜色。基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统硬件电路的整体结构如图5所示。

2.1 电源电路设计

本实验教学系统中的三基色LED阵列总体架构为3颗LED串联，见图6(a)。为满足3颗蓝光LED串联后的压降需求，将电源输入设定为12 V，使用12 V的电源适配器为电路板供电。而dsPIC33F64GS606的工作电压范围为3~3.6 V，将单片机的工作电压设定为3.3 V，因输入电压为12 V，与3.3 V单片机的工作电压之间压差比较大，本系统中不适合使用LDO芯片来实现3.3 V，而使用高效率的DC-DC电源芯片将12 V的输入电压转换为3.3 V的电压，为单片机和红外接收探头等外设进行供电。本系统中DC-DC电源芯片选用TPS54331，TPS54331是由TI公司生产的DC-DC电源芯片，该芯片具有3.5~28 V的输入电压范围。通过简单的调节电阻分压网络就可以调节外部输出电压。这个电阻分压网络是由R32和R33组成的，图6（b）即为使用DC-DC电源芯片TPS54331产生3.3 V电压的电路连接图。

图5 系统整体结构

图6 系统电路板和TPS54331连接电路

2.2 红外发射电路

红外发射电路通常为红外遥控器，在本系统中选取的遥控器实物如图7所示。该红外遥控器按键对应的键值表如图8所示。红外遥控器的组成包括键盘矩阵、遥控专用集成电路、激励器和红外发射二极管。通过将各个模块协调配合来实现遥控器的功能。

图7 红外遥控器

图8 红外遥控器按键键值表

遥控专用集成电路是发射系统的心脏，由振荡电路、定时器电路、扫描信号发生器、键输入编码、指令译码器、用户码转换器、数码转换器以及缓冲放大器等组合起来实现相应的功能，产生键位扫描脉冲信号，并能译出按键的编码，再经过遥控指令编码器得到某键位遥控指令（遥控编码脉冲），由38 kHz的载波进行脉冲幅度调制，载有遥控指令的调制信号激励红外二极管发出红外遥控信号。

2.3 红外接收电路

选用HS0038B红外一体化接收头对遥控发送的信号进行接收并解码，HS0038B包括红外接收二极管、前置放大电路、带通滤波器、解调器和控制循环电路。HS0038B使用黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高，能与TTL、COMS 电路兼容。在用小功率发射管发射信号的情况下，其接收距离可达35 m，接收红外信号频率为38 kHz，周期约26 μs，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL 电平的编码信号。3个管脚分别是地、电源、解调信号输出端。其内部组成框架如图9所示。

图9 红外一体化接收头内部框架图

查阅芯片的工作手册，获得如图10所示的输入输出信号特征。由一体化接收头的内部电路可知，具有接收、放大、整形并进行解调的功能。需要注意的是输出波形与红外测试波形的高低电平正好相反，即当外界没有红外遥控信号时，输出电压为高电平；当收到红外信号时，输出电压为低电平。HS0038B体积和普通的三极管大小一样，支持所有主要的传输代码，并可以有效避免由于噪声和干扰引起的输出脉冲。实现这种功能是由于内部使用带通滤波器、积分器和自动增益控制电路。

图10 HS0038B输入输出信号

2.4 驱动开关模块

在本系统中，需要控制三基色LED各个颜色的通断时间来调控占空比，通过各个基色的通断时间来模拟颜色的配比。利用人的视觉暂留效应，当各个基色的通断频率足够快的时候，人眼是不会分辨出来的。单片机的PWM模块可以实现该功能。将三极管SI2302接在PWM输出端口构成LED阵列的开关，如图11所示。

图11 驱动开关模块

2.5 LED阵列

本系统选择18个三基色LED组成LED阵列，阵列的组成方式为电源适配器的输出电压是12 V，通过查阅相关手册，得知LED各个基色的参数不相同，可以通过接外设电阻来平衡由于基色LED参数不同带来的影响。通过计算，获得各个电阻的参数大小为150、150、560 Ω，将每3个LED串接起来，分为6组，得到如图12所示的电路图。

图12 LED阵列模块

3 三基色LED配色机理

红外遥控七彩灯电路板上的LED为三基色多芯片白光LED光源。其封装类型为5050，该型封装有6个引脚，相对的两个引脚对应一个pn结，因此一颗三基色5050封装的LED相当于里面有3颗单独的LED，这三颗LED分别发红光、绿光和蓝光。电路板上一共有18颗三基色白光LED，每3颗三基色LED相同颜色的单色LED串联在一起，然后每组3颗单色LED再并联到一起，通过MOS管SI2302进行开关控制，3个MOS管Q1—Q3的栅极分别接到单片机PWM模块的输出管脚上，当某个控制管脚为高电平时，该开关被打开，该LED被点亮。

为了得到不同的颜色，需要对LED进行调光。通过调节各个基色的占比就可以获得某种颜色的匹配。使用三原色的量的多少称为三刺激值。在颜色方程中，、、就是三刺激值。1931年在GIE第八次会议上，提出和推荐了GIE1931标准色度学系统[12]，改进后系统的三原色为（）（）（），前面介绍的颜色三色机制计算方法，在本系统中同样适用。将公式中的基本参量改为本系统的参量，得到本系统的颜色三刺激值的表达式：

常用的调光技术有脉冲宽度调制调光（PWM）[13]和模拟调制调光。PWM调光开光电路工作频率足够高，通过调节PWM的周期和占空比达到改变输出电流平均值的效果。同模拟调光相比，PWM调光具有一系列优点，目前已经取得了广泛的应用。

如图13所示的色品图，两种颜色混合相加产生的第三种颜色在连接这两种颜色的直线上。图13中三角形RGB内部包含的任意颜色均可以通过控制、、的之间的比例精确调出。

图13 色品图

当通过程序改变驱动开关的占空比输出时，色品坐标几乎不发生改变，只是改变光通量，所以可以近似认为光通量与占空比成正比例函数关系。由格拉思曼颜色混合定律得：

式中，r，g，b分别为红、绿、蓝三色的占空比。

在PWM调光下，占空比是控制色品坐标的唯一因素。若期望的光通量为m，期望的色品坐标为（，），把占空比当作未知数，则三通道的占空比可求得：

4 基于红外遥控七彩灯实验系统的实验教学内容

基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统可以满足本科生光电综合实验课程的需要，帮助学生了解红外遥控的原理及使用方法、学习脉宽调制的原理，并掌握利用单片机实现三基色LED的PWM信号调光方法。在实验教学中可以开设以下内容：

（1）了解红外发射和红外接收的通信原理。使用红外遥控器对着HS0038B红外接收探头按下某一按键，使用数字示波器的触发模式完整截取一帧信号，针对该信号利用NEC红外通信协议进行分析。

（2）使用基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统电路板上的LED实现不同的颜色，并通过数字示波器测量每种颜色对应的R_PWM、G_PWM和B_PWM信号的占空比，记入设计的表格中，更加直观地理解PWM调光技术的工作原理。

（3）编写C语言程序、实现指定颜色从暗到亮，再从亮到暗的连续循环过程。颜色配色方案可以使用Windows系统自带的画图软件中编辑颜色功能中找出某种颜色红绿蓝分量的比值。

5 结论

本文研制的基于红外遥控的三基色LED调光调色实验教学系统，可用于光电信息科学与工程专业的光电综合实验课程教学，该系统使学生能够灵活地调整LED光源的发光强度与颜色，帮助学生了解红外遥控的原理及使用方法，帮助学生了解并掌握利用PWM技术实现三基色LED的调光方法，为将来从事颜色和光强动态调控的照明应用打下基础。

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Tri-primary color LED dimming and coloring experiment teaching system based on infrared remote control

ZHANG Yang, LIU Siyuan, SUN Jinghua, ZHU Zheng, LIU Lu, LI Qingbo, SU Liping, LIU Zhihai

(College of Science, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

According to the need of teaching of the photoelectric comprehensive experiment courses for Photoelectric Information Science and Engineering specialty, the experimental teaching system of tri-primary color LED dimming and color matching based on infrared remote control is developed. This system uses the infrared remote controller as controller and PIC MCU as control chip, which receives the infrared emission signal through infrared integrated receiver and sends demodulated signal to a MCU. The MCU decodes the signal and executes the corresponding program to control the corresponding LED array circuit, and drives the LED to turn off through the PWM module. By adjusting the on-off time of the duty cycle output control circuit, the high-speed flickering LED shows different brightness and color under different duty cycles. Using this experimental teaching system can help students to understand and master the dimming method of tri-primary color LED by the PWM technology.

tri-primary color LED; chromaticity; experiment teaching system; infrared remote control; PWM

TN312.8; G484

A

1002-4956(2019)07-0072-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.019

2018-12-12

国家自然科学基金面上项目（61675054）；黑龙江省重点教改项目；校教改项目（JG2017B54）

张杨（1979—），男，黑龙江哈尔滨，博士，副教授，主要研究方向为物理实验教学与光电检测技术.E-mail: zhangyang@hrbeu.edu.cn

孙晶华（1963—），男，黑龙江鸡西，博士，教授，主要研究方向为物理实验教学与光电检测技术.