基于STM32單片機的智能臺燈X-Light

廣東工業(yè)大學(xué)　張靈敏　蘇曉烽　蘇慶偉

華南理工大學(xué)　孫偉杰

基于STM32單片機的智能臺燈X-Light

廣東工業(yè)大學(xué)張靈敏蘇曉烽蘇慶偉

華南理工大學(xué)孫偉杰

本文描述的是由592個獨立彩色光源（RGB-LED）搭建成一個圓柱體立體的燈具X-Light，該燈具是以STM32F103R8T6單片機為控制核心，采用雙P溝道增強型MOS管APM4953作為X-Light的層驅(qū)動控制，移位寄存器74HC245芯片控制每盞LED的信號，通過藍(lán)牙模塊實現(xiàn)手機APP與單片機的無線數(shù)傳，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控每個LED燈以及展示不同動畫等功能。

X-Light；STM32F103R8T6；藍(lán)牙模塊；APP；移位寄存器

1　本系統(tǒng)設(shè)計方案

X-Light是由592個獨立彩色光源（RGB-LED）及其控制系統(tǒng)搭建的一個圓柱體立體燈具，該圓柱體立體分16層共陰和111列共陽，每個LED之間的空間間距約為22mm，以STM32F103R8T6單片機為控制核心，采用雙P溝道增強型MOS管APM4953控制顯示該圓柱體的16個層，采用移位寄存器74HC245芯片對111列共陽端進(jìn)行信號控制，從而達(dá)到控制每一個獨立彩色光源（RGB-LED）亮和滅及其顏色的變化；通過藍(lán)牙模塊實現(xiàn)手機APP與單片機的無線數(shù)傳，使得592個獨立彩色光源顯示不同的顏色并自由組合形成絢麗的圖案進(jìn)而變換不同的動畫。例如：愛心、水滴、煙花、小球彈跳等多種動畫。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見圖l所示：

圖1　系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖

2　硬件組成

2.1主控模塊

考慮到本文所設(shè)計的智能臺燈所需控制的信號管腳較多，信號處理要快，所以主控采用STM32系列單片機STM32F103R8T6作為核心芯片，該芯片片運算速度快，功率損耗低，抗干擾能力強，采用尾鏈（tail chaining）技術(shù)的中斷處理（降至6個CPU周期）。7個定時器，每個定時器有4個IC/OC/PWM或脈沖計數(shù)器，多達(dá)6個PWM輸出死區(qū)時間生成和急停，可以滿足該系統(tǒng)的功能要求。

2.2信號傳輸模塊

智能臺燈X-Light共16層共陰層，陽極由111根信號管腳控制。為了減少單片機管腳使用，本文所描述的X-Light采用74HC595作為信號輸出的主要芯片。

74HC595具有8位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能，移位寄存器和存儲器有相互獨立的時鐘并有一個串行移位輸入（Ds），和一個串行輸出（Q7’），和一個異步的低電平復(fù)位；智能臺燈X-Light采用的是該芯片將串行輸入的8位數(shù)字、并行輸出8位數(shù)字的功能，從而實現(xiàn)兩塊74HC595之間的的信號傳遞。該信號傳輸模塊74HC595圖2所示：

圖2　74HC595信號傳輸模塊

　圖3 74HC245信號驅(qū)動模塊

2.3信號驅(qū)動模塊

總之，《易經(jīng)》告誡：人要遵從天地道道人道，知行合一；做君子而不做小人；窮理盡性乃致于命。《易經(jīng)》是修身養(yǎng)性齊家治國平天下的大智慧學(xué)。

考慮到單片機需要控制多個74HC595，為減輕單片機的負(fù)載，這里采74HC245作為74HC595芯片的信號驅(qū)動器。

74HC245是典型的CMOS型三態(tài)緩沖、方向可控的八路緩沖器，主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線的雙向異步通信。在這里用于保護(hù)脆弱的主控芯片，在主控芯片的并行接口與外部受控設(shè)備74HC595芯片的并行接口間添加該緩沖器，用于驅(qū)動74HC595，其信號驅(qū)動模塊74HC245如圖3所示。

2.4共陽層驅(qū)動模塊

因為需要較大的功率驅(qū)動X-Light每一水平層面，為保證所有燈都能正常發(fā)光，本文所述的X-Light利用APM4953作為共陽層驅(qū)動。

每片APM4953內(nèi)部包含兩個獨立的P溝道MOS場效應(yīng)管，它的開啟電壓低，導(dǎo)通電阻低［3］，適合用LCD顯示屏，LED顯示驅(qū)動，也可用來做負(fù)載開關(guān)或者PWM開關(guān)。其共陽層驅(qū)動電路模塊原理圖如圖4所示。

圖4　APM4953模塊原理圖

3　軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1整體框架

軟件系統(tǒng)的整體框架如圖5所示：

圖5　軟件系統(tǒng)的整體框架圖

產(chǎn)品的程序模塊化設(shè)計，以降低耦合度，提高復(fù)用性以及便于調(diào)試。主要分為三大模塊，分別處理顯示、通訊、傳感器，歸主程序統(tǒng)一調(diào)度。

模塊內(nèi)部則為層次結(jié)構(gòu)，最低一層為硬件驅(qū)動，實現(xiàn)對芯片或硬件模塊最基礎(chǔ)的操作。最高一層為接口層，實現(xiàn)必要的元操作供主程序調(diào)度。中間的一層或多層為具體實現(xiàn)，是最關(guān)鍵的部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖、濾波、計算等。

3.2顯示模塊

模塊總共分為五層，分別是顯示接口、動畫處理、PWM彩色幀顯示、單色幀數(shù)據(jù)發(fā)送、74HC595驅(qū)動。

圖6　顯示模塊圖

彩色幀的顯示：

不間斷地輸出幀圖像數(shù)據(jù)，利用PWM原理，調(diào)節(jié)占空比即可使原本只有三基色的LED燈顯示出上萬種顏色。

74HC595驅(qū)動：

移位寄存器有一個串行移位輸入（Ds），和一個串行輸出（Q7’），和一個異步的低電平復(fù)位，存儲寄存器有一個并行8位的、具備三態(tài)的總線輸出，當(dāng)使能OE時（為低電平），存儲寄存器的數(shù)據(jù)輸出到總線。

時序圖如圖7所示：

圖7　74HC595時序圖

3.3APP界面如圖8所示

圖9顯示的是控制每一盞LED燈亮滅以及顏色的界面。

4　實現(xiàn)結(jié)果

智能臺燈X-Light整體運行穩(wěn)定可靠，即使在臺燈全亮?xí)r.驅(qū)動電路也沒有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，各點LED發(fā)光明亮、亮度均勻，各種動畫效果運行流暢。編寫文字或圖像數(shù)據(jù)信息，手機APP通過藍(lán)牙發(fā)送有效的文字或圖像數(shù)據(jù)信息，即可控制X-Light，實現(xiàn)顯示功能及其各種動畫效果。

圖8　APP功能界面

圖9　

5　結(jié)語

本X-Light設(shè)計方案中融合了藝術(shù)性思維，原創(chuàng)的圓柱造型形象更加親切，新增各種動畫效果；控制核心是STM32F103R8T6單片機，移位寄存器74HC245芯片控制每盞LED的信號，采用雙P溝道增強型MOS管APM4953作為X-Light的層驅(qū)動控制，通過手機調(diào)整任意一個光點成任意一種顏色、亮度，方便地畫出腦海中的各種創(chuàng)意想法。

該智能臺燈X-Light還有很大的完善空間，例如：可在手機APP上玩游戲（如：貪吃蛇、魔方）并由X-Light進(jìn)行3D投影、改善其外觀，使其更具有藝術(shù)感。

［1］蘇珊，肖英，李行杰.SU Shan.XIAO Ying.LI Hang-jie基于STC單片機的8×8×8LED光立方系統(tǒng)設(shè)計［J］.吉首大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013（6）.

［2］楊永剛.3D光立方的設(shè)計與制作［J］.電子世界，2014（6）.

［3］吳永德，羅萍.基于STC15F2K60S2單片機的LED光立方設(shè)計［J］.電腦編程技巧與維護(hù)，2015（11）.

張靈敏（1994—），男，廣東惠州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)。