基于STM32的智能無線LED調色系統(tǒng)的設計

關蓓蓓　李猛　劉書威　丁航

摘 要：LED作為新一代綠色環(huán)保光源，因為具有高效率、低功耗、驅動電壓低、壽命長等特點，在許多范圍得到了廣泛應用，基于LED制作的各種彩燈更是無處不在。文章依據(jù)三基色原理，采用PWM脈寬調制技術，設計了一種可以實現(xiàn)多種顏色變化的LED調色系統(tǒng)，并提出了一種基于NRF24L01的無線控制方案。該方案以STM32微處理器為主控核心，配置無線射頻模塊NRF24L01和2.4寸TFT觸摸屏，用軟件編寫簡單的人際界面實現(xiàn)LED彩燈亮度色彩的變換。該調色系統(tǒng)經實際應用，運行良好。

關鍵詞：LED彩燈；三基色原理；NRF24L01；STM32處理器

中圖分類號：TN312 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）36-0080-02

1 概述

LED（light-emitting diodes），即發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，當兩端加上正向電壓時，根據(jù)不同的固體半導體發(fā)光材料，LED可以直接發(fā)出紅、藍、綠、黃等不同的顏色。LED因具有體積小、重量輕、壽命長、驅動電壓較低、光效率高、能耗小、安全、可靠耐用等優(yōu)點，應用范圍越來越廣泛。

本文采用紅、綠、藍三組LED燈，依據(jù)色彩合成的三基色原理，采用PWM脈寬調制技術，設計了一種可以實現(xiàn)多種顏色變換的LED調色系統(tǒng)。該調色系統(tǒng)由觸摸屏彩燈控制器和LED三基色彩燈組成，兩者之間通過NRF24L01無線射頻模塊進行通訊，從而實現(xiàn)短距離的無線控制LED彩燈，實現(xiàn)LED彩燈亮度色彩的變換，從而起到增添室內氣氛、調節(jié)心情的作用。

2 LED調色原理

三基色是指紅、綠、藍三色，人眼對紅、綠、藍最為敏感，常見的多數(shù)顏色都是按照紅、綠、藍三種基本色以不同的比例混合產生的；同樣的原理，常見的絕大多數(shù)單色光也能夠分解成紅、綠、藍三種基本色光，這就是色度學的最基本原理，即三基色原理。

根據(jù)LED燈的發(fā)光原理，一定的直流電壓或脈沖電壓加在LED燈上，能使其正常發(fā)光，要改變LED燈的亮度，可通過改變直流電流大小或調節(jié)脈沖的占空比來實現(xiàn)，若要同時調節(jié)多路LED光源的亮度，進而調節(jié)LED光源的顏色，還需要具有三路以上PWM功能的單片機同時進行三路（三基色）LED燈的亮度的調節(jié)，繼而利用光的三基色合成原理，改變三基色光中各基色的光強度，實現(xiàn)對LED燈的顏色的調節(jié)，同時，通過對LED燈發(fā)光周期的控制，實現(xiàn)LED燈亮度和色彩的周期變換。

圖1 色度三角形

3 系統(tǒng)總體設計

該調色系統(tǒng)主要由觸摸屏無線控制器（主控模塊）和LED三基色彩燈（受控模塊）兩部分組成，兩者之間通過NRF24L01無線射頻模塊進行通訊，實現(xiàn)短距離的無線控制LED彩燈的色彩變化，其系統(tǒng)結構框圖如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)硬件設計

4.1 微處理器模塊

因為LED燈的調色工作采用PWM脈寬調制技術來實現(xiàn)，所以選擇的MCU應該具有三路PWM輸出，另外由于系統(tǒng)采用NRF24L01進行無線通信，MCU還應該具有SPI接口，綜合以上需要以及低成本、低功耗的需求，微控制器選擇STM32處理器模塊。

4.2 NRF24L01無線射頻模塊

NRF24L01是一種常用于短距離通信的無線通信器件，該器件內部具有無線收發(fā)器，主要由內置的放大器、振蕩器、調制解調器等部分組成。NRF24L01的工作頻率為全球通用的開放ISM頻段，頻率為2.4GHz，其工作模式有兩種，內置SPI通信接口，處理器可以通過自身具有的SPI通信功能實現(xiàn)與NRF24L01的連接，具有低功耗、低成本的特點。

4.3 PT4115驅動電路

PT4115是一種常用于LED驅動的降壓恒流源，具有連續(xù)的電流電感導通功能，通常能夠驅動多顆LED芯片。PT4115具有寬輸入電壓范圍、輸出電流可調的特點，輸入電壓通常從8V到30V之間，輸出電流最大可達1.2A。該驅動芯片通過內置的功率開關來實現(xiàn)LED電流的控制，從而實現(xiàn)寬范圍的PWM調光或者模擬調光，其驅動電路原理圖如圖3所示。

4.4 電源電路

LED三基色彩燈直接與220V交流市電相連接，經過開關電源變換，輸出直流工作電壓，一路為PT4115驅動模塊提供12V工作電源，另一路經過LM2576-3.3降壓到3.3V提供給STM32處理器及NRF24L01無線射頻模塊。

該觸摸屏無線控制器由電池供電，所以該部分的電源電路采用了電源集成穩(wěn)壓芯片AMS1117，該芯片能夠將電池電壓穩(wěn)壓在3.3V，以便更好的提供給微控制器和2.4寸TFT觸摸屏，用于其正常工作。

5 系統(tǒng)軟件設計

5.1 主控模塊程序設計

主控模塊系統(tǒng)啟動后，首先完成系統(tǒng)初始化，包括單片機I/O端口初始化、TFT初始化以及NRF24L01初始化，然后執(zhí)行人機交互界面函數(shù)，選擇完所要實現(xiàn)的顏色后，通過NRF24L01將數(shù)據(jù)傳輸給受控模塊，實現(xiàn)顏色的變化。

5.2 受控模塊程序設計

受控模塊系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能是根據(jù)主控模塊發(fā)生過來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息處理后，利用PWM脈寬調制技術去控制LED三基色燈發(fā)出各種各樣的顏色，從而達到炫彩的效果。

6 結束語

LED作為新一代的高效節(jié)能光源，因為具有節(jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)勢被應用到越來越多的場合，基于LED設計的各種彩燈由于其豐富的色彩、價格低廉等特點，在日常生活中的應用更是越來越廣泛。本文設計的這套LED調色系統(tǒng)在發(fā)光亮度調節(jié)、色彩調節(jié)等方面具有較好的靈活性，可以應用到LED藝術彩燈的制作當中。

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