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手机蓝牙收发模块的无线LED调光技术
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。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。
2 硬件电路设计
2.1 MCU控制器
MCU采用STC89C52RC芯片，工作电压为5 V，具有8 KB 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，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3.3 V工作(3.1～4.2 V)，配对时在30～40 mA波动，配对完毕后通信电流为8 mA，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40 mA，休眠电流1 mA，内置2.4 GHz天线，用户无需调试天线。
外置8 Mb Flash，谐波干扰为2.4 MHz，发射功率为3 dBm，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10 m。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3.3 V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3.3 V。
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
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。
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1 W的LED串联，恒定电流为350 mA。
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、△I、RDS(on)，的取值参考数据手册，VIN在此处取为24 V，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。
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，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200～4000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。
3.3 手机APP界面设计
本程序是基于Android2.1系统，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******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。
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1 W的LED串联，额定电流为350 mA。
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。
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240 mA、160 mA、50 mA，实验波形如图8所示。
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。