基于ZigBee的LED燈調(diào)光控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、5 基于ZigBee技術(shù)的LED燈調(diào)光控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1 概述LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)P-N結(jié)。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這

2、就是LED燈發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)也就是光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。LED燈最大的優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)能環(huán)保。光的發(fā)光效率達(dá)到100流明/瓦以上，普通的白熾燈只能達(dá)到40流明/瓦，節(jié)能燈也就在70流明/瓦左右徘徊。所以，同樣的瓦數(shù)，LED燈效果會(huì)比白熾燈和節(jié)能燈亮很多。1瓦LED燈亮度相當(dāng)于2瓦左右的節(jié)能燈， 5瓦LED燈1000小時(shí)耗電5度，LED燈壽命可以達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，LED燈無(wú)輻射。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)LED燈的需求越來(lái)越高。所以在物聯(lián)網(wǎng)智能家居、智慧照明系統(tǒng)中研究基于ZigBee的LED燈驅(qū)動(dòng)控制顯得非常重要。5.2 LED燈驅(qū)動(dòng)電路研究設(shè)計(jì)采用電容降壓電路是一種常見(jiàn)的小電流電源電

3、路，由于其具有體積小成本低電流相對(duì)恒定等優(yōu)點(diǎn)，也常應(yīng)用于LED的驅(qū)動(dòng)電路中。圖5-1為一個(gè)實(shí)際的采用電容降壓的LED驅(qū)動(dòng)電路：請(qǐng)注意，大部分應(yīng)用電路中沒(méi)有連接壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管，建議連接上，因壓敏電阻或瞬變電壓抑制晶體管能在電壓突變瞬間(如雷電大用電設(shè)備起動(dòng)等)有效地將突變電流泄放，從而保護(hù)二級(jí)關(guān)和其它晶體管，它們的響應(yīng)時(shí)間一般在微毫秒級(jí)。圖5-1 LED驅(qū)動(dòng)原理圖電路工作原理：電容C1的作用為降壓和限流：大家都知道，電容的特性是通交流隔直流，當(dāng)電容連接于交流電路中時(shí)，其容抗計(jì)算公式為：  XC=1/2fC式中，XC表示電容的容抗f表示輸入交流電源的頻率C表示降壓

4、電容的容量。流過(guò)電容降壓電路的電流計(jì)算公式為：I = U/XC式中I表示流過(guò)電容的電流U表示電源電壓XC表示電容的容抗。在220V50Hz的交流電路中，當(dāng)負(fù)載電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于220V時(shí)，電流與電容的關(guān)系式為：I=69C，其中電容的單位為uF，電流的單位為mA表5-1為在220V50Hz的交流電路中，理論電流與實(shí)際測(cè)量電流的比較。表5-1 在220V50Hz的交流電路中理論電流與實(shí)際測(cè)量電流的比較 電阻R1為泄放電阻，其作用為：當(dāng)正弦波在最大峰值時(shí)刻被切斷時(shí)，電容C1上的殘存電荷無(wú)法釋放，會(huì)長(zhǎng)久存在，在維修時(shí)如果人體接觸到C1的金屬部分，有強(qiáng)烈的觸電可能，而電阻R1的存在，能將殘

5、存的電荷泄放掉，從而保證人機(jī)安全。泄放電阻的阻值與電容的大小有關(guān)，一般電容的容量越大，殘存的電荷就越多，泄放電阻就阻值就要選小些。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5-2，供設(shè)計(jì)時(shí)參考：表5-2 泄放電阻的阻值與電容對(duì)比表D1D4的作用是整流，其作用是將交流電整流為脈動(dòng)直流電壓。C2C3的作用為濾波，其作用是將整流后的脈動(dòng)直流電壓濾波成平穩(wěn)直流電壓。壓敏電阻（或瞬變電壓抑制晶體管）的作用是將輸入電源中瞬間的脈沖高壓電壓對(duì)地泄放掉，從而保護(hù)LED不被瞬間高壓擊穿。LED串聯(lián)的數(shù)量視其正向?qū)妷海╒f）而定，在220V AC電路中，最多可以達(dá)到80個(gè)左右。組件選擇：電容的耐壓一般要求大于輸入電源電壓的峰值，在220V

6、,50Hz的交流電路中時(shí)，可以選擇耐壓為400伏以上的滌綸電容或紙介質(zhì)電容。D1D4可以選擇IN4007。濾波電容C2C3的耐壓根據(jù)負(fù)載電壓而定，一般為負(fù)載電壓的1.2倍。其電容容量視負(fù)載電流的大小而定。5.3 LED燈調(diào)光電路設(shè)計(jì)（1）12V直流電源設(shè)計(jì)12V直流電源設(shè)計(jì)主要是AC220到DC12V的轉(zhuǎn)換（如圖5-2所示）。在下圖中采用了LNK306芯片。LNK306在一片IC上面集成了一個(gè)700 V的功率MOSFET、振蕩器、簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)控制電路、高壓開(kāi)關(guān)電流源、頻率調(diào)制、逐周期的電流限制及過(guò)溫保護(hù)電路。圖5-2 AC220到DC12V的轉(zhuǎn)換電路輸入級(jí)由保險(xiǎn)電阻F1、二極管D10和D11、

7、電容C18和C21以及電感L2組成。電阻F1為阻燃可熔的繞線電阻，它同時(shí)具備多個(gè)功能：a)將整流管D10和D11的浪涌電流限制在安全的范圍；b)差模噪聲的衰減；c)在其它任何元件出現(xiàn)短路故障時(shí)，充當(dāng)輸入保險(xiǎn)絲的功能(元件故障時(shí)必須安全開(kāi)路，不應(yīng)產(chǎn)生任何冒煙、冒火及過(guò)熱發(fā)光現(xiàn)象)。功率處理級(jí)由LNK306、續(xù)流二極管D13、輸出電感L1及輸出電容C19構(gòu)成。電容C19是輸出濾波電容，其主要功能是限制輸出電壓紋波。輸出電壓的紋波最主要取決于輸出電容的ESR而非電容的容量。二極管D13和D12的正向?qū)▔航凳窍嗤?。因此，C22兩端的電壓會(huì)跟蹤輸出電壓。連接到LNK306 FB引腳由R26和R27組

8、成的電阻分壓器對(duì)C22的電壓進(jìn)行檢測(cè)及穩(wěn)壓。（2）CC2530單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)1）CC2530單片機(jī)電源設(shè)計(jì)LED燈需要12V直流電源，但是CC2530工作需要3.3V直流電源，所以這里還需要進(jìn)行DC12V到DC3.3V的轉(zhuǎn)換。這里采用電源芯片BM1117-3.3，該芯片可以輸入DC12V，輸出DC3.3V。電路設(shè)計(jì)如圖5-3所示：圖5-3 3.3V直流電源設(shè)計(jì)圖該電路圖只是在輸入輸出端分別加入了濾波電容。2） CC2530單片機(jī)電路設(shè)計(jì)芯片的RF-P和RF-N引腳為天線接入引腳，M1為天線接入端；為了節(jié)省模塊以及控制板的空間尺寸，這里采用PCB天線設(shè)計(jì)。芯片的P10P17作為2位數(shù)碼管模塊

9、的陰極驅(qū)動(dòng)引腳；芯片的P00P01作為2位數(shù)碼管模塊的陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)引腳；芯片的P02作為4個(gè)LED燈指示燈的驅(qū)動(dòng)引腳；芯片的P06作為按鍵AD輸入；芯片的P03作為蜂鳴器控制引腳、P04作為繼電器控制引腳。CC2530模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖5-4所示。圖5-4 CC2530單片機(jī)電路設(shè)計(jì)圖（3）基于PWM的LED調(diào)光電路設(shè)計(jì)1） PWM簡(jiǎn)介脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的

10、變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等。2）PWM控制LED亮度原理對(duì)于控制LED燈由亮到暗或由暗到亮，采用的是脈寬PWM法。它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作PWM波形，通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻

11、，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制電流的目的。這次設(shè)計(jì)利用單片機(jī)產(chǎn)生占空比可變的矩形波，當(dāng)產(chǎn)生此矩形波的I/O通過(guò)濾波電路再與LED燈相連接后，由于輸出矩形波占空比不斷變化，那么一個(gè)周期內(nèi)有一部分時(shí)間LED導(dǎo)通，一部分時(shí)間截止，從整體來(lái)看有一個(gè)平均電壓，因?yàn)镻WM信號(hào)頻率周期很高，我們無(wú)法通過(guò)肉眼來(lái)觀察到每一個(gè)周期LED燈亮滅的變化過(guò)程，所以通過(guò)平均電壓的方式來(lái)決定LED燈的亮的程度。隨著波形占空比的不斷變化，LED燈也會(huì)有著由暗到亮或由亮到暗的不斷變化。如圖5-5所示。單片機(jī)通過(guò)PWM調(diào)節(jié)燈光亮暗基本

12、原理電路圖：圖5-5 CC2530單片機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)LED電路設(shè)計(jì)這里加了一個(gè)三極管和MOS管來(lái)驅(qū)動(dòng)LED燈，以達(dá)到加強(qiáng)亮度的目的。3）PWM驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)PWM電路的特點(diǎn)是頻率高、效率高、功率密度高、可靠性高、然而由于開(kāi)關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，高頻的快速瞬變過(guò)程本身就是一電磁騷擾源，它產(chǎn)生的EMI信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度。如圖5-6所示，為PWM驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)。圖5-6 利用PWM信號(hào)控制LED亮度的驅(qū)動(dòng)電路5.4 軟件設(shè)計(jì)（1）ZigBee協(xié)議棧Z-STACK是美國(guó)德州儀器（簡(jiǎn)稱“TI”）公司推出的支持ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，具有開(kāi)源、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，本案將采用此協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

13、打開(kāi)Z-STACK協(xié)議棧任何一工程均有如圖5-7所示。圖5-7 Z-STACK結(jié)構(gòu)圖APP（Application Programming）：應(yīng)用層目錄，這是用戶創(chuàng)建各種不同工程的區(qū)域，在這個(gè)目錄中包含了應(yīng)用層的內(nèi)容和這個(gè)項(xiàng)目的主要內(nèi)容，在協(xié)議棧里面一般是以操作系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)的。HAL（Hardware (H/W) Abstraction Layer）：硬件層目錄，包含有與硬件相關(guān)的配置和驅(qū)動(dòng)及操作函數(shù)。MAC：MAC 層目錄，包含了MAC 層的參數(shù)配置文件及其MAC 的LIB 庫(kù)的函數(shù)接口文件。MT（Monitor Test）：實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口可控各層，于各層進(jìn)行直接交互。NWK（ZigBee

14、Network Layer）：網(wǎng)絡(luò)層目錄，含網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及網(wǎng)絡(luò)層庫(kù)的函數(shù)接口文件，APS 層庫(kù)的函數(shù)接口。OSAL（Operating System (OS) Abstraction Layer）：協(xié)議棧的操作系統(tǒng)。Profile：AF（Application Framework） 層目錄，包含AF 層處理函數(shù)文件。Security：安全層目錄，安全層處理函數(shù)，比如加密函數(shù)等。Services：地址處理函數(shù)目錄，包括著地址模式的定義及地址處理函數(shù)。Tools：工程配置目錄，包括空間劃分及ZStack 相關(guān)配置信息。ZDO（ZigBee Device Objects）：ZDO 目錄。ZMa

15、c： MAC 層目錄，包括MAC 層參數(shù)配置及MAC 層LIB 庫(kù)函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)。ZMain：主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)及硬件配置文件。Output：輸出文件目錄，這個(gè)EW8051 IDE 自動(dòng)生成的。（2）PWM驅(qū)動(dòng)LED燈驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)LED燈亮度本案采用PWM輸出模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。PWM的產(chǎn)生這里采用定時(shí)器3來(lái)定時(shí)實(shí)現(xiàn)。Timer34int();/定時(shí)器3初始化PERCFG |= 0x20;/Timer3管腳關(guān)聯(lián)P1SEL |= 0x40;/P16功能選擇P1DIR |= 0x40;/P16設(shè)置為輸出P1_6 = 0;/P16置零有必要研究下定時(shí)器3初始化函數(shù)（在hal_timer34.c源文件

16、中）。static void Timer3int( void )T3CTL &= TIMER34_TICK_BIT;/清除分頻位T3CTL |= TIMER3_TICK;/置分頻系數(shù)T3CTL &= TIMER34_OVFIM;/關(guān)溢出中斷/中斷是否開(kāi)啟#if defined(TIMER3_INTERRUPT_EN)&&(TIMER3_INTERRUPT_EN = ENABLE)T3CTL |= TIMER34_OVFIM; /溢出中斷開(kāi)啟#endif/設(shè)置定時(shí)器工作模式T3CTL = (T3CTL&(TIMER34_MODE_BIT)|TIMER3_M

17、ODE; #if defined(TIMER3_CHANNEL0_EN) && (TIMER3_CHANNEL0_EN = ENABLE) timer3Channel0Int();#endif#if defined(TIMER3_CHANNEL1_EN) && (TIMER3_CHANNEL1_EN = ENABLE) timer3Channel1Int();#endif_interrupt void TIMER3_ISR(void) if( TIMIF & 0x01 )/T3OVFIF溢出中斷 TIMIF &= 0x01; if( TIMIF

18、& 0x02 )/T3CH0IF TIMIF &= 0x02 if( TIMIF & 0x04 )/T3CH1IF TIMIF &= 0x04 關(guān)于LED燈亮度的控制方式主要采用P16輸出PWM的頻率確定，只需要改變T3CC0寄存器的值即可實(shí)現(xiàn)。/*/函數(shù)原型：void ChangT3Cmp0Val( unsigned char ch )/功能：改變定時(shí)器3的比較值/輸入：比較值/返回：無(wú)/*void ChangT3Cmp0Val( unsigned char ch )Timer3Stop();/停止定時(shí)器3T3CC0 = ch;/為T(mén)3CC0賦值Timer3Start();/啟動(dòng)定時(shí)器3那么在使用過(guò)程中只需要調(diào)用該函數(shù)，改變函數(shù)參數(shù)即可實(shí)時(shí)改變PWM的輸出頻率，本案采用上位機(jī)控制的方式。if