210987384_三基色智能调光系统设计

文章编号：2095-6835（2023）06-0043-05
三基色智能调光系统设计＊
方舟
（南京工业大学，江苏南京211816）
摘要：在LED脉宽调制调光控制方式的数学分析基础上，系统设计采用STM32C8T6微控制器产生一定占空比的PWM信号，实现LED三基色混色调光调色控制，并利用ESP8266无线传输模块实现远程数据通信，通过Wi-Fi与远程APP软件建立连接，接受APP指令控制并调节LED，实现远程无线灯光调节。

关键词：三基色；无线通信；脉宽调制；STM32C8T6
中图分类号：TM923.34文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.06.012
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IEEE802.11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。

1.1.3PWM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
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＊［基金项目］江苏省大学生创新创业训练计划项目（编号：202236002）
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
1.2MCU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2STM32F103C8T6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3.6V，VIN在5V的引脚上输入电压最大达5V；然而对于其他模块，ESP8266无线模块的输入电压在3.3V是可以使用的，光敏电阻的测光模块也是3.3V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5V。

所以系统需要提供3.3V 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5V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5V的输入电压降到3.3V。

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8MHz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
32.768kHz低速外部晶体可以通过程序来选择驱动RTC（RTCCLK），1kHz低速内部RC，可以用来驱
1M
32.768K
12pF
10μF
20pF
12pF
+5V
10μF
20pF
+5V
VCC3.3V VCC3.3V
VCC3.3V
+5V 8MHz
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6Wi-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3.3V ，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7OLED 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9LED 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4.5～20V 。

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。

100μF
3.3V
3.3V
3.3V
3.3V
1K
3.3V
4.7K
1K
3.3V
1K 4.7K 4.7K
1K
3.3V
4.7K
10K
10K
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：
Y M =D R Y R +D G Y G +D B Y B
（1）
式（1）中：Y M 为混合光源M ；D R 、D G 、D B 分别为3种颜色对应的占空比；Y R 、Y G 、Y B 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：
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨⎧
++++=++=++++=++=B B G G R R B B B G G G R R R M M M M M B B G G R R B B B G G G R R R M M M M M D C D C D C Y D C Y D C Y D C Z Y X Y Y D C D C D C X D C X D C X D C Z Y X X X （2）
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Y M ，色品坐标为（x ，y ），就可以得到它们的占空比，计算公式如下：
⎪⎪⎪⎩
⎪⎪⎪⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+----+--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+----+--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--+----+--=B M B G R G B B G G R G R G G G R B G M G R B R G G R R B R B R R R B G R M R B G B R R B B G B G B B B G R yY Y y x x y y x x y y x x y y x x y y D yY Y y x x y y x x y y x x y y x x y y D yY Y y x x y y x x y y x x y y x x y y D ））（（））（（））（（））（（））（（））（（））（（））（（））（（））（（））（（））（（（3）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T s ，脉冲宽度为T on ，则这一路的占空比就等于T on /T s ，PWM 占空比如图11所示。

图11PWM 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100μs 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。

T on
T off
T s
T on T on +T off
T on T s
D
开始
判断无线是否连接到手机热点？
读取内容
占空比升高亮度增加
占空比降低亮度降低
结束
up ？down ？否
否
是
是
是
47K
47K
10K
+5V +12V
否
0.01μF 47μF
0.01μF
0.01μF
10μF 1M
2M
1M
表1占空比图等级
1级
2级3级4级5级6级7级8级9级10级占空
比/
（%）
1020
30
40
50
60
70
80
90
100
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14PWM 占空白20%图15PWM 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
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作者简介：方舟（2001—），男，本科，主要研究方向为电气工程自动化。

（编辑：丁琳）
PWM 信号占空比/（%）。