1、引言

LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，當(dāng)兩端加上正向電壓時(shí)，根據(jù)不同的固體半導(dǎo)體發(fā)光材料，LED可以直接發(fā)出紅、藍(lán)、綠、黃等不同的顏色。LED因具有體積小、重量輕、壽命長、驅(qū)動(dòng)電壓較低、光效率高、能耗小、安全、可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來越廣泛。

本文采用紅、綠、藍(lán)三組LED燈，依據(jù)色彩合成的三基色原理，采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)多種顏色變換的LED調(diào)色系統(tǒng)。該調(diào)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(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)短距離的無線控制LED彩燈，實(shí)現(xiàn)LED彩燈亮度色彩的變換，從而起到增添室內(nèi)氣氛、調(diào)節(jié)心情的作用。

2、LED調(diào)色原理

三基色是指紅、綠、藍(lán)三色，人眼對(duì)紅、綠、藍(lán)最為敏感，常見的多數(shù)顏色都是按照紅、綠、藍(lán)三種基本色以不同的比例混合產(chǎn)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(lán)三種基本色光，這就是色度學(xué)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(diào)節(jié)脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)，若要同時(shí)調(diào)節(jié)多路LED光源的亮度，進(jìn)而調(diào)節(jié)LED光源的顏色，還需要具有三路以上PWM功能的單片機(jī)同時(shí)進(jìn)行三路（三基色）LED燈的亮度的調(diào)節(jié)，繼而利用光的三基色合成原理，改變?nèi)庵懈骰墓鈴?qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的顏色的調(diào)節(jié)，同時(shí)，通過對(duì)LED燈發(fā)光周期的控制，實(shí)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(shè)計(jì)

該調(diào)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(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)短距離的無線控制LED彩燈的色彩變化，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 ?系統(tǒng)框圖

4、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1、微處理器模塊

因?yàn)長ED燈的調(diào)色工作采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，所以選擇的MCU應(yīng)該具有三路PWM輸出，另外由于系統(tǒng)采用NRF24L01進(jìn)行無線通信，MCU還應(yīng)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(nèi)部具有無線收發(fā)器，主要由內(nèi)置的放大器、振蕩器、調(diào)制解調(diào)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(nèi)置SPI通信接口，處理器可以通過自身具有的SPI通信功能實(shí)現(xiàn)與NRF24L01的連接，具有低功耗、低成本的特點(diǎn)。

4.3、PT4115驅(qū)動(dòng)電路

PT4115是一種常用于LED驅(qū)動(dòng)的降壓恒流源，具有連續(xù)的電流電感導(dǎo)通功能，通常能夠驅(qū)動(dòng)多顆LED芯片。PT4115具有寬輸入電壓范圍、輸出電流可調(diào)的特點(diǎn)，輸入電壓通常從8V到30V之間，輸出電流最大可達(dá)1.2A。該驅(qū)動(dòng)芯片通過內(nèi)置的功率開關(guān)來實(shí)現(xiàn)LED電流的控制，從而實(shí)現(xiàn)寬范圍的PWM調(diào)光或者模擬調(diào)光，其驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

圖3 ?PT4115驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4.4、電源電路

LED三基色彩燈直接與220V交流市電相連接，經(jīng)過開關(guān)電源變換，輸出直流工作電壓，一路為PT4115驅(qū)動(dòng)模塊提供12V工作電源，另一路經(jīng)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?qū)㈦姵仉妷悍€(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(shè)計(jì)

5.1、主控模塊程序設(shè)計(jì)

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

5.2、受控模塊程序設(shè)計(jì)

受控模塊系統(tǒng)所要實(shí)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(diào)制技術(shù)去控制LED三基色燈發(fā)出各種各樣的顏色，從而達(dá)到炫彩的效果。

6、結(jié)束語

LED作為新一代的高效節(jié)能光源，因?yàn)榫哂泄?jié)能、環(huán)保、高效等優(yōu)勢(shì)被應(yīng)用到越來越多的場(chǎng)合，基于LED設(shè)計(jì)的各種彩燈由于其豐富的色彩、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在日常生活中的應(yīng)用更是越來越廣泛。本文設(shè)計(jì)的這套LED調(diào)色系統(tǒng)在發(fā)光亮度調(diào)節(jié)、色彩調(diào)節(jié)等方面具有較好的靈活性，可以應(yīng)用到LED藝術(shù)彩燈的制作當(dāng)中。