基于手机蓝牙控制的LED灯的设计

　　1.引言

　　随着，2012年10月30日飞利浦在AppleStore出售最新的高科技Hue系列LED灯，并且只会交由苹果出售。Hue系列将是完全可有自定义的，并且通过一个灯泡内红蓝绿三原色的LED可以混合出1600万种颜色的灯光。整个过程完全由iPhone上的App来进行控制。从而引发了智能灯控发展的新思考，国内相关人士也纷纷进行研究。考虑到Hue是采用WiFi无线控制，而国内WiFi并未普及，本研究采用更普遍的蓝牙技术，采用手机蓝牙与单片机通信产生可调占空比PWM波信号控制LED驱动电路实现LED的调光和DIY调色。

　　2.脉冲宽制(PWM)调光技术

　　PWM调光是一种利用简单的数字脉冲，反复开关LED驱动器的调光技术。应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节LED的亮度。PWM调光的优点在于调光范围大，只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码，PWM调光可以在精确控制LED的亮度的同时，也保证LED发光的色度。

　　2.1 脉冲宽制(PWM)调光原理

　　利用人眼睛视觉惰性，按固定频率操作占空比实现LED亮度调节，只要调光比即PWM波频率大于200Hz人眼就不会感觉到LED的闪烁。具体调光实现，通过控制LED的亮灭时间，从而控制LED亮度，从电力学来看就是控制一定周期内电流的有效值。这种方法在改变电流有效值大小的同时不改变电压和电流的大小，这样就保证了LED的发光色度，这是模拟调光和可控硅调光无法实现的。

　　2.2 占空比

　　占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。方波的占空比为50%,占空比为0.5,说明正电平所占时间为0.5个周期。

　　Ts为脉冲周期

　　Tw为脉冲宽度

　　占空比τ=Tw/Ts×100。

　　占空比的解释可以归纳为如下几种：

　　1)在一串理想的脉冲序列中(如方波)，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。

　　2)在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。

　　3)在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。

　　也就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。

　　2.3 调光比

　　调光比则是按下面的方法计算：

　　Foper=工作频率

　　Fpwm=调光频率

　　调光比率=Foper/Fpwm

　　其实也就是调光的最低有效占空比，比如Foper=100khz;Fpwm=200Hz,则调光比为：

　　100k/200=500。

　　3.蓝牙模块组成

　　3.1 蓝牙技术基础

　　蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。手机之间通过蓝牙实现数据共享已成为常理，将手机变身为遥控器为人们的生活带来无限方便。

　　蓝牙技术由三部分组成，包括蓝牙无线电技术、蓝牙协议栈和蓝牙互操作性。

　　3.1.1 蓝牙无线电技术

　　蓝牙无线电工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学)频段，支持全双工传输，使用IEEE802.15协议。蓝牙设备即连即用，抗干扰能力强、使用方便[2]

　　3.1.2 蓝牙协议栈

　　蓝牙协议栈包含一个软件栈和一个硬件栈。蓝牙硬件协议栈由蓝牙硬件提供，蓝牙软件协议栈由软件实现。蓝牙软件协议栈提供Java蓝牙API给程序开放人员使用。

　　3.1.3 蓝牙互操作性

　　蓝牙互操作性包括三方面内容：①通用访问Profile定义了设备管理功能性;②服务发现应用Profiles定义了服务发现方面的内容;③串口Profiles定义了互操作设备和模拟串口电缆的能力3.2 HC-O6蓝牙模块。

　　BC04外置8M Flash,带EDR模块HC-06为民用级，兼容HC-04工业级。其中，HC-06模块的TX管脚跟STC15F204EA单片机的P3.0管脚相接，RX管脚跟P3.1接。HC-06模块接收手机端发来的数据，然后在通过串口TR,TX管脚与单片机通信。

　　蓝牙2.0带EDR,2Mbps-3Mbps调制度，内置2.4GHz天线，外置8Mbit FLASH,低电压3.3V工作(3.1V~4.2V)配对时30~40MA波动，配对完毕通信8MA,可选PIO控制标准HCI端口(UART or USB)，数字2.4GHz无线收发射，CSR BC04蓝牙芯片技术，自适应跳频技术，蓝牙Class 2功率级别，工作温度为-25至+75,协波干扰为2.4MHz,发射功率3dBm,有效控制距离为10m。

　　4.手机APP设计

　　4.1 蓝牙连接相关程序设计

　　首先，初始化本地蓝牙设备，建立LocalDevice类，包括取得本地设备实例、蓝牙名称、设置发现模式、获得发现代理。创建public int BTS_Init()类函数，实现蓝牙初始化判断，寻找默认蓝牙设备，打开蓝牙。

　　启动蓝牙设备搜索，创建public voidBTS_StartScan()类函数，开始寻找从机蓝牙设备，注册搜寻函数，创建public int BTS_ConnectToDevice(String DeviceAddress)类函数，实现连接到一个指定的蓝牙设备。

　　创建public int BTS_SendDates(Stringbuffer)类函数实现字符串发送到已连接好的蓝牙设备上，创建public int BTS_Finish()类函数结束蓝牙通信，最后创建接收ACTION_FOUND广播的BroadcastReceiver privatefinal BroadcastReceiver mReceiver=newBroadcastReceiver()。

　　4.2 控制信号相关程序设计

　　首先创建一个用于控制信号的类publicclass PwmcontrolActivity extends Activity{},里面包含创建界面的类函数public voidonCreate(BundlesavedIn stan ceState){},发送控制信号类函数public void onStop TrackingTouch(SeekBar seekBar){}。

　　创建类class InitThread extends Thread{},实现资源加载线程，里面创建用于四路信号之间转换的public InitThread(PwmcontrolActivity act){}类函数，实现与蓝牙程序接口的public void run()线程体，用于软件退出的类函数public booleanonKeyDown(int keyCo de,KeyEvent event)。

　　5.单片机控制信号设计

　　5.1 硬件电路设计

　　系统框图如图1所示，本硬件电路采用STC15F204EA单片机为主控器，CH-06蓝牙模块的TXD与单片机11管脚P3.0连接，RXD与P3.1相连，实现蓝牙串口通信连接，从P1.0,P1.1,P1.2,P1.3四个口输出四路可调占空比的PWM信号，采用一个L298芯片将单片机控制信号和LED电源驱动隔离，避免了单片机带负载能力弱的缺点，以实现驱动大功率LED。

　　图1 系统框图