1、一种无线LED照明智能控制系统设计 1一种无线LED照明智能控制系统设计-电气论文一种无线LED照明智能控制系统设计 陈万里,王丽霞,柴远波 (黄河科技学院,河南郑州450063) 摘要:随着LED照明的普及,绿色照明与智能家居日益受到广泛关注。结合短距离无线通信技术,提出并设计完成了基于TI CC430系列和UCC28810的无线LED照明智能控制系统,实验证明该无线LED照明智能控制系统具有开关记忆、明暗调节、软启动和定时控制等优点。 关键词 :LED;智能照明控制系统;TI CC430;UCC28810 中图分类号:TN86?34 文献标识码:A 文章编号:1004?373X(2015)
2、14?0055?04 收稿日期:2014?12?15 基金项目:河南省郑州市“无线与移动通信网络应用技术”科技创新团队(121PCXTD511) 0 引言 智能化照明是随计算机、传感器、通讯、网络与自动控制技术而发展起来的综合技术,正以惊人的速度向各个专业领域渗透。智能化是任何电子产品必然的发展方向之一。LED绿色智能照明控制技术的发展可以使照明更加省电、节能、使用更便捷,在需要的时间给需要的地方以最舒适和高效的照明,提升照明环境质量。智能化照明更是使照明进一步走向绿色和可持续发展的重要方向。基于这种需求,本文主要结合短距离无线通信技术,提出并设计完成了基于TI CC430 系列和UCC288
3、10 的无线LED 照明智能控制系统。实验证明该无线LED 照明智能控制系统具有开关记忆、明暗调节、软启动和定时控制等优点;具备集中控制、多点操作、软启动、亮度调节、定时控制、全开关记忆等功能。 1 控制系统方案 本文设计采用了TI的CC4301无线通信平台,该平台融合了基于16 b 的超低功耗MSP430 内核以及业界领先的不足1 GHz的CC1101 RF 收发器之上。完美地结合实现了独特的低功耗/高性能组合与前所未有的高集成度,带来更为先进的高选择性与高阻塞性能,确保即使在噪声环境下也能实现可靠通信。能够充分利用其高达25 MHz 的峰值执行性能,且功耗仅为160 A/MHz。针对基于C
4、C430的设备,TI提供了种类丰富的MSP430 MCU 外设集,如12 b的ADC、LCD 驱动以及比较器等高性能数字与模拟外设。此外,还具有AES?128硬件安全模块确保通信的安全性1?2。 无线LED 照明系统的整体框图如图1 所示。其中控制端部分设计为采用双节AA 电池供电的手持式遥控模块,其基于CC430F6137,带有段式LCD 驱动,丰富的I/O口资源,以及能够构建触摸功能的比较器;而接收端则基于CC430F5137,其带有12 b的ADC以及多通道的PWM模块3。 通过在控制端CC430F6137的比较器B上构建触摸滑条与按键功能,对滑条的触摸位置进行检测并转换为PWM 的占空
5、比,通过双边的RF 模块发送/接收相应的调制参数,再由接收端CC430F5137产生调节LED灯亮度的PWM 信号,对驱动模块UCC28810 进行调制4,如图2所示。 2 控制系统硬件电路 2.1 RF模块硬件电路设计 CC430的射频模块使用的是业界领先的不足1 GHz的CC1101 RF收发器5,该部分是基于RF 频率的直接合成,其射频合成器包括一个完整芯片的LC?VCO 和一个对接模式的混频器进行频率合成。该射频的接收单元将RF信号通过低噪声放大器(LNA)进行前置放大,再对其中频信号进行滤波、数据解调以及同步包等工作。CC430 支持的频率范围为:300348 MHz,389464
6、MHz,779928 MHz;在本设计中使用的是433 MHz的载波频率,鉴于应用场合其要求的传输速率较低,因此选用的是3.2 Kb/s;并通过Patable 对输出功率进行调整,满足不同的距离需求。 RF 模块的硬件电路在整个系统设计中尤为重要,如图3所示。图中的C5,C9,L3以及L8形成一个平衡转换器,用以将CC430 上的差分端口RF_N/RF_P 平衡电路转换成单端不平衡的RF信号,方便将振子流过电缆屏蔽层外的高频电流截断。图中的L5,C10和L4构成了带通滤波器;L2,L6 和C8 构成低通滤波器6。在本设计中RF的天线采用的是鞭状天线或者陶瓷天线。 2.2 触摸硬件电路设计 在本
7、设计中,控制端部分为手持式遥控模块,其设计的人机交互界面主要是LCD显示以及触摸按键。其中将触摸滑条的功能用于调节LED 的亮度,是系统中较为形象与新颖的设计之一。其充分利用了MSP430的自身资源特性,在CC430F6137集成的比较器COM_B以及PCB Layout的传感电容上,构建了基于弛张振荡方式(RO)的触摸按键功能,由于在COMP_B 中自带有REF参考电压配置网络,因此无需像COMP_A那样使用外部硬件方式实现参考电压网络7。其原理为主要通过TimerA测量RC振荡电路在固定时间内的振荡次数,当人手触摸在传感电容上,会改变其自身电容值,使得对应的振荡次数发生明显变化,以此来判断
8、触摸/非触摸的状态,构建一个4 5 级触摸滑条与2个触摸按键。 2.3 传感电路设计 光敏传感器的使用使得LED照明系统能够实现亮度自调节功能,硬件电路如图4所示。光敏传感器使用的是光敏电阻,因其有着良好的光电特性以及价格优势,非常适合于光强检测场合的使用8。系统中主要通过对Vo电压的检测,反映光强的变化,进而对PWM进行相应的调制。 3 控制系统软件设计 3.1 RF模块实现 在整个系统中,RF模块是通信传输的桥梁,双边都须进行协议相同的RF软件模块设计。其发送模式和接收模式的数据包主要通过FIFO9来进行处理,1帧的格式如图5所示。其中帧数据中包括前导码、同步字、可选长度位、可选地址位、数
9、据段和可选CRC字。 在发送时,TX FIFO 中的数据段包括数据长度、主机地址、从机地址、控制模式、控制PWM 参数、数据段CRC 校验10。其中,主机地址标识了控制端的地址;从机地址包括2种地址:广播地址与独立地址,主要是用于集中控制与多点操作。控制模式提供了可选的模式选择,控制PWM参数用于LED亮度调节11。在接收时,RF的解调器和数据包处理器将寻找一个有效的前导和同步字。当找到后,解调器将获得前导位和字同步,然后对接收的地址信息进行比照,首先判断数据包是否来自控制端,然后响应含有广播地址或者本机地址信息的数据,其发射/接收的流程图如图6所示。在对射频寄存器的配置过程中,主要通过Sma
10、rtRFstudio进行设置,输出RFRegSettng.c作为射频的配置文件。 3.2 触摸滑条的软件设计 触摸滑条是由多个触摸按键组合而成,通过为每个触摸按键分配多个位置,可以实现简单的触摸滑条功能。在设计通过45个按键构成一个触摸滑条,如在每个触摸按键上创建8 16 个位置,则可提供32 64 个单独步阶检测。其识别的步阶数是对电容变化量的反映,电容变化幅度越大,测量的值越大。通过设置一个系统能够达到最大响应的上限值,用该最大的值除以每个按键所需的步阶数,再由每个按键经过加权计算后将产生1至32 64 步阶的线性结果,如图7所示。 3.3 收/发控制端软件设计 控制端/接收端软件的流程图
11、如图8所示。 其中虚线上方为控制端CC430F6137的软件设计,在Stand By模式时保持MSP430的低功耗模式,以满足控制端遥控器对能耗的要求。通过对模式选择的操作实现集中控制和多点操作,而触摸滑条的处理通过将Posi?tion转换为PWM由RF发送至接收端CC430F513712。接收端则处理来自控制端的数据包,对LED 照明进行亮度调节,或自动调节。本设计的软件采用C语言编写,整个程序包括的子模块有:模式选择模块、触摸滑条检测模块、数据发送/接收模块、PWM转换模块、传感器检测模块等几个部分13。系统实际硬件如图9所示。 4 结语 本文研究并实现了以CC430 为控制核心的无线LE
12、D照明系统的设计。整个系统经过软/硬件设计与调试使得功能得到实现。实测过程中能够有效地进行集中控制和多点单独控制,定时控制,自动调光等预设功能,满足当前市场对此类解决方案的功能要求。 参考文献 1 何璇.LED室内照明关键技术的研究D.广州:暨南大学,2013. 2 朱彧.基于ZigBee的智能照明系统的设计与实现D.成都:电子科技大学,2013. 3 李善民.基于ZigBee单片机的智能照明系统的设计与实现D.广州:华南理工大学,2013. 4 闫展坤.智能照明控制系统研究D.杭州:浙江大学,2013. 5 万昳.智能LED 照明系统设计D.西安:西安电子科技大学,2012. 6 宗明杰.学
13、校智能照明控制系统研究与设计D.焦作:河南理工大学,2011. 7 冯振华.基于LED 光源的智能照明系统研究D.长春:东北师范大学,2012. 8 俞建.基于ZigBee无线传感网络的LED 智能照明控制系统的研究D.杭州:浙江工业大学,2012. 9 郭姗.智能LED 照明控制系统的设计与应用D.杭州:浙江大学,2012. 10 Texas Instruments. CC430 family users guide EB/OL. 2013?04?26. http:/ 11 Texas Instruments. CC430 F613x, CC430F612x,CC430F513x MSP43
14、0 SoC with RF core datasheet EB/OL. 2014?04?20. http:/ 12 杨军平,吴欣慧,秦长海.LED智能照明控制系统的设计J.电子产品世界,2009(6):167?168. 13 BLASKO V. Analysis of a hybrid PWM based on modifiedspace ? vector and triangle ? comparison methods J. IEEETransactions on IA,1997,33(3):756?764. 14 Microchip Technology Inc. Grid?connected solar microinverterreference design using a dsPIC? digital signal controller EB/OL. 2014?07?18. 作者简介:陈万里(1981),男,河南开封人,讲师,硕士研究生。主要研究方向为通信与电力电子技术。
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