基于PWM的智能无线LED调色系统的设计与实现

1、引言

LED是一种固态的半导体器件，当两端加上正向电压时，根据不同的固体半导体发光材料，LED可以直接发出红、蓝、绿、黄等不同的颜色。LED因具有体积小、重量轻、寿命长、驱动电压较低、光效率高、能耗小、安全、可靠耐用等优点，应用范围越来越广泛。

本文采用红、绿、蓝三组LED灯，依据色彩合成的三基色原理，采用PWM脉宽调制技术，设计了一种可以实现多种颜色变换的LED调色系统。该调色系统由触摸屏彩灯控制器和LED三基色彩灯组成，两者之间通过NRF24L01无线射频模块进行通讯，从而实现短距离的无线控制LED彩灯，实现LED彩灯亮度色彩的变换，从而起到增添室内气氛、调节心情的作用。

2、LED调色原理

三基色是指红、绿、蓝三色，人眼对红、绿、蓝最为敏感，常见的多数颜色都是按照红、绿、蓝三种基本色以不同的比例混合产生的；同样的原理，常见的绝大多数单色光也能够分解成红、绿、蓝三种基本色光，这就是色度学的最基本原理，即三基色原理。

根据LED灯的发光原理，一定的直流电压或脉冲电压加在LED灯上，能使其正常发光，要改变LED灯的亮度，可通过改变直流电流大小或调节脉冲的占空比来实现，若要同时调节多路LED光源的亮度，进而调节LED光源的颜色，还需要具有三路以上PWM功能的单片机同时进行三路（三基色）LED灯的亮度的调节，继而利用光的三基色合成原理，改变三基色光中各基色的光强度，实现对LED灯的颜色的调节，同时，通过对LED灯发光周期的控制，实现LED灯亮度和色彩的周期变换。

图1 色度三角形

3、系统总体设计

该调色系统主要由触摸屏无线控制器（主控模块）和LED三基色彩灯（受控模块）两部分组成，两者之间通过NRF24L01无线射频模块进行通讯，实现短距离的无线控制LED彩灯的色彩变化，其系统结构框图如图2所示：

图2  系统框图

4、系统硬件设计

4.1、微处理器模块

因为LED灯的调色工作采用PWM脉宽调制技术来实现，所以选择的MCU应该具有三路PWM输出，另外由于系统采用NRF24L01进行无线通信，MCU还应该具有SPI接口，综合以上需要以及低成本、低功耗的需求，微控制器选择STM32处理器模块。

4.2、NRF24L01无线射频模块

NRF24L01是一种常用于短距离通信的无线通信器件，该器件内部具有无线收发器，主要由内置的放大器、振荡器、调制解调器等部分组成。NRF24L01的工作频率为全球通用的开放ISM频段，频率为2.4GHz，其工作模式有两种，内置SPI通信接口，处理器可以通过自身具有的SPI通信功能实现与NRF24L01的连接，具有低功耗、低成本的特点。

4.3、PT4115驱动电路

PT4115是一种常用于LED驱动的降压恒流源，具有连续的电流电感导通功能，通常能够驱动多颗LED芯片。PT4115具有宽输入电压范围、输出电流可调的特点，输入电压通常从8V到30V之间，输出电流最大可达1.2A。该驱动芯片通过内置的功率开关来实现LED电流的控制，从而实现宽范围的PWM调光或者模拟调光，其驱动电路原理图如图3所示。

图3  PT4115驱动电路原理图

4.4、电源电路

LED三基色彩灯直接与220V交流市电相连接，经过开关电源变换，输出直流工作电压，一路为PT4115驱动模块提供12V工作电源，另一路经过LM2576-3.3降压到3.3V提供给STM32处理器及NRF24L01无线射频模块。

该触摸屏无线控制器由电池供电，所以该部分的电源电路采用了电源集成稳压芯片AMS1117，该芯片能够将电池电压稳压在3.3V，以便更好的提供给微控制器和2.4寸TFT触摸屏，用于其正常工作。

5、系统软件设计

5.1、主控模块程序设计

主控模块系统启动后，首先完成系统初始化，包括单片机I/O端口初始化、TFT初始化以及NRF24L01初始化，然后执行人机交互界面函数，选择完所要实现的颜色后，通过NRF24L01将数据传输给受控模块，实现颜色的变化。

5.2、受控模块程序设计

受控模块系统所要实现的功能是根据主控模块发生过来的数据，将数据信息处理后，利用PWM脉宽调制技术去控制LED三基色灯发出各种各样的颜色，从而达到炫彩的效果。

6、结束语

LED作为新一代的高效节能光源，因为具有节能、环保、高效等优势被应用到越来越多的场合，基于LED设计的各种彩灯由于其丰富的色彩、价格低廉等特点，在日常生活中的应用更是越来越广泛。本文设计的这套LED调色系统在发光亮度调节、色彩调节等方面具有较好的灵活性，可以应用到LED艺术彩灯的制作当中。