三基色智能调光系统设计＊

方舟

（南京工业大学，江苏 南京 211816）

现代照明控制系统涵盖了无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及网络型嵌入式灯控等技术，通过有线/无线网络连接到控制系统，利用控制软件和嵌入式灯控节点对LED（Light-Emitting Diode）灯具进行无线控制，实现对照明设备的远程分布式控制[1]，具有灯光亮度的调节、灯光不同颜色的调控、在不同时间进行定时控制等功能，并达到了安全、便利、舒适的特点。在了解和分析国内外照明控制技术和实际应用中的技术指标基础上，设计了一种基于Wi-Fi 的调光控制系统，采用了IEEE 802.11 标准的无线局域网通讯技术，简化系统的硬件设计。使用脉宽调制技术（PWM）完成对LED 的调色调光，利用APP 软件实现远程操控。将热释电红外传感器和光敏电阻模块作为测光模块，能够测出外界环境光的强度，自适应地调整光源的亮度。

1 系统设计

1.1 总体设计

目前，解决照明控制通信有有线和无线2 种方式。有线方式是通过导线的传统照明控制方式，无线方式采用无线局域网IEEE 802.11 协议。目前大部分家庭都采用的是普通开关，很少用到无线红外遥控等技术。当前市场主流的无线传输标准主要有Zigbee、蓝牙及Wi-Fi 等。其中，Wi-Fi 通信速率高、门槛较低，并且国内各大通讯公司均扩大无线局域网的覆盖范围，因此Wi-Fi 更具有研究和使用价值[2]。

LED 智能调光控制系统中传统的TRIAC 调光方案将逐步被脉宽调制技术（PWM）、无线网络技术（Wi-Fi）和Zigbee 无线调光技术等取代[3]，因此，本系统设计采用无线局域网协议和脉宽调制方案。

1.1.1 无线通信

ESP8266 是一款UART-WiFi 透传模块，它的功率消耗非常低，已经具备了非常完善的封装尺寸和低能耗技术，它的问世已经为移动客户端设备和物联网的应用设计奠定了坚实的基础，用户可将自己身边的物理设备连接到Wi-Fi 无线网络上，进行网上通信，实现联网功能[4-5]。系统采用ESP8266 的Wi-Fi 模块设计相应的接口电路和通信软件。

1.1.2 基于STM32C8T6 主控系统的硬件设计

依据控制系统的要求、所需要的功能和成本，核心主控单元采用的是STM32C8T6，其引脚有48 个，具有较高的性价比[6]。它提供了一个完整的32 位产品系列，在结合了高性能、低功耗和低电压特性的同时保持了高度的集成性能和简易的开发特性，完全符合系统设计的性能要求。

1.1.3 PWM 技术实现调光原理的研究

PWM 调光技术广泛应用在直流调节速度、调节光源系统中。因为要涉及到控制LED 的三基色，所以需用三路PWM 占空比时间参数来同时改变LED 的RGB三基色的亮度，利用光源的3 种基色合成方案原理，改变3 种基色光中基色的强度，这样就可以产生无限多种R、G、B 的组合，就可以改变LED 的亮度颜色，从而做到360°自然过渡[7]。

本系统设计中采用STM32C8T6 为核心控制芯片，利用Wi-Fi 模块无线模块传输数据，实现无线LED 调光控制，系统主要由供热释电红外传感器模块、STM32核心板模块、电源模块、三色LED 及测光等模块组成。系统总体设计结构如图1 所示。

图1 总体设计结构框图

1.2 MCU 接口电路设计

控制系统的核心部分以STM32F103C8T6 芯片为主控芯片，主要负责实现各个模块的输出控制和传感器模块的输入检测，ESP8266 无线模块的指令传输通过与外围各个模块的电气连接，最终实现调光所需功能和指标。

STM32C8T6 核心板最小系统包括晶振电路、电源电路、时钟和复位电路，核心MCU 部分硬件接口电路如图2 所示。

图2 STM32F103C8T6 接口电路

STM32F103C8T6 芯片的电压特性如下：VDD 的外部供电电压最大值为3.6 V，VIN 在5 V 的引脚上输入电压最大达5 V；然而对于其他模块，ESP8266 无线模块的输入电压在3.3 V 是可以使用的，光敏电阻的测光模块也是3.3 V 可以使用，但对于热释电红外传感器模块需要输入的电压为5 V。所以系统需要提供3.3 V的输出电压来给无线模块、光敏电阻测光模块等，它还需要有5 V 的电压给热释电红外传感器等模块供电。

目前有多种电源芯片供选择，其中最常用的是LM2576 与AMS1117。本次设计选择的是AMS1117芯片，它是一个正向低压降稳压器，主要的作用是将5 V 的输入电压降到3.3 V。保护电路内部集成了过热保护和限流电路。电源接口电路如图3 所示。

图3 电源接口电路

主控芯片内部集成了8 MHz 的RC 振荡器，由于需要灯控节点完成准确度极高且稳定性高的PWM 脉宽调制输出，可直接使用系统内部的时钟电路，根据手册说明，芯片的PC14、PC15、PD0、PD1 分别默认OSC_IN1、OSC_OUT1、OSC_IN2、OSC_OUT2 功能脚。时钟电路如图4 所示。

图4 时钟电路

32.768 kHz 低速外部晶体可以通过程序来选择驱动RTC（RTCCLK），1 kHz 低速内部RC，可以用来驱动独立看门狗和选择RTC 驱动。

对于STM32F103 系列的芯片，其复位形式可分为3 种，即系统复位、上电复位和备份区域复位。产生系统复位的方式有NRST 管脚上的低电平、看门狗的计数停止、程序软件使其复位及功耗变低管理复位。复位电路如图5 所示。

图5 复位电路

1.3 外围接口电路设计

ESP8266 拥有3 种天线接口方式，即板载PCB 天线、IPEX 接口和邮票孔接口，板子载有PCB 天线和IPEX 接口2 种接口方式，使用者可直接使用，不需要额外加载附加电路。ESP8266 通过串口与主控芯片相连，其TXD 和RXD 分别连STM32F103C8T6 芯片的RXD1 和TXD1 引脚，接口电路如图6 所示。

图6 Wi-Fi 模块接口电路

显示模块采用OLED，OLED 即有机发光二极管，供电电源为3.3 V，SCL（DO）是CLK 时钟，SDI（D1）是MOSI 数据，RST 为复位，其连接接口电路如图7所示。

图7 OLED 接口电路

键盘设计共设置4 个功能按键，即MODE、SW4、SW5、SW，分别用于模式选择、光强上调、光强下调、远程关灯，如图8 所示。其一端接地，另一端接STM32微控制器的I/O 管脚，所以当按键按下的时候，该I/O管脚为低电平。

图8 按键电路图

发光LED 电路采用共阴极，阴极公共端接地线，高电平有效，LED 灯就会点亮，共阴极数码管内部发光二极管的阴极（负极）连接在一起，数码管阳极连接主控芯片控制引脚。LED 电路如图9 所示。

图9 LED 电路图

红外热释电传感器是一种新型敏感元器件，它的组件很多，主要是由高热电系数材料、滤光镜和阻抗匹配用场效应管组成[8]。它能够以不接触的方式检测出人体发射出的红外辐射，然后经过一系列转换，将这些变化转换成电信号输出。当人进入其感应范围时则输出高电平，当有人离开的时候，它就会根据内部电路自动延长时间并关闭高电平，从而实现对人体感应的调光控制。对于其触发方式，采用可以重复触发的方式，所感应输出的电压为高电平后，由于延时功能的作用，在这段时间内，如果有人在这个范围，它的输出将会一直处于高电平状态；如果有人离开这一范围，将会延时一段时间后，将高电平转换成低电平。它的工作电压范围比较广泛，默认工作电压为4.5～20 V。模块使用的是BIS0001 处理芯片，它具有AD混合且输入非常高的阻抗值运算放大器，并且芯片内部集成了延长时间定时器，芯片采用16 脚的DIP 封装。红外热释电传感器接口电路如图10 所示。

图10 红外热释电传感器接口电路

2 算法设计

为了能够精确控制调光系统，实现一定参数的光照要求，需对LED 调光进行数学分析，LED 的PWM占空比的改变，只会改变LED 灯的亮度，而不会使色品坐标发生变化[8]。根据格拉斯曼颜色混合定律可得：

式（1）中：YM为混合光源M；DR、DG、DB分别为3种颜色对应的占空比；YR、YG、YB为LED 灯在RGB工作下的Y刺激值。

光源混色后色品坐标需满足以下公式，即：

刺激值Y在CIE 1931 标准色度系统下只相当于是光通量。占空比D在PWM 调光下，成为了控制色品坐标的唯一有效因素[9]。如果光通量为YM，色品坐标为（x，y），就可以得到它们的占空比，计算公式如下：

公式（3）为占空比与相关色温、色品坐标与最大光通量的函数关系奠定了基础。

在调光过程中，色品坐标的混合在一起的光，它们的RGB 这3 种基色的比例是不一样的，要能将占空比D同时达到100%，需要占空比比例为1∶1∶1，这时候的光通量的取值范围就是0 到Y在红色的刺激值加上Y在绿色的刺激值加上Y在蓝色上的刺激值[10]。每一组的色品坐标都有与之相对应的最大光通量。然而，从实际出发，PWM 的占空比应该满足在各个颜色的比例都要小于等于1。

对于LED 的驱动，采用脉冲驱动。通过电压型脉冲来进行工作。这里设置脉冲的周期为Ts，脉冲宽度为Ton，则这一路的占空比就等于Ton/Ts，PWM 占空比如图11 所示。

图11 PWM 占空比

一个脉冲周期内，改变LED 点亮和关断时间，因为人的视觉会有暂留效应，当脉宽的频率达到一定的数值，人眼就看不到LED 灯闪烁[11]。

根据调光调色参数的要求，依据前面的数学分析，根据公式（3）求出相应3 路PWM 的占空比，在程序设计中使用定时器产生周期约为100 μs 的脉冲，使用占空比变量来控制占空比，在高电平的时候点亮LED，低电平的时候熄灭，改变占空比变量就改变了高低电平的时间，从而实现灯光调节。设计中采用TIM3 定时器进行3 路PWM 波的输出。需要定义LED 灯的IO引脚与定时器接线，即PB0→TIM3_CH3、PB1→TIM3_CH4、PA6→TIM3_CH1。定时器使用时需要进行部分初始化，接着设置下一个更新事件装入活动自动重装载寄存器周期的值，再设置用来作为TIM 时钟频率除数的预分频值。定时器的计数模式采用了向上计数的模式，程序流程如图12 所示。

图12 亮度调节程序流程图

因设计采用的是共阴极LED 灯，所以占空比的变量跟亮度等级成正比，通过多次的示波器测试，设置了10 种占空比，如表1 所示。

表1 占空比图

3 试验分析

在Wi-Fi 通信模式下，无线调光使用手机APP 连接基于STM32 的无线LED 调光系统，进行按键和APP软件的远程指令调试[12]，通过输出占空比参数进行LED 的灯光调节。首先是Wi-Fi 模块确定所要用到的指令代码、所要连接的服务端口、各个参数及测试使用的软件，观察LED 被控对象的变化。本次移动设备的IP 地址为192.168.43.1，创建服务端口8888，与之前在ESP8266 创建的IP 地址相吻合。单片机上电，连接成功会显示无线模块的IP 地址，并会发出OK 信息给服务端，点亮主板上R、G、B 这3 个指示灯。实物与通信连接如图13 所示。

图13 连接调试与实物图

通过改变占空比来改变被控对象LED 的亮度，通过输出相应的占空比参数，灯的亮度和色品会作出相应的改变。不同占空比下LED 灯光如图14 和图15所示。

图14 PWM 占空白20%

图15 PWM 占空白60%

当设定期望的光通量和色品坐标时，输出由公式（3）计算出的一定占空比的PWM，当期望改变从而占空比改变时观察LED 亮度和色品也在改变，LED 驱动器电路输出电流与PWM 占空比成正比关系，调节亮度和色品的效果也随着增加，其关系如图16 所示。试验结果表明，LED 调光系统调光亮度和色品与PWM信号的占空比具有良好的线性关系，系统具有良好的调光调色性能。

图16 驱动电流与PWM 占空比关系图