基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統

張 楊，劉思源，孫晶華，朱 正，劉 祿，李慶波，蘇麗萍，劉志海

基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統

張 楊，劉思源，孫晶華，朱 正，劉 祿，李慶波，蘇麗萍，劉志海

（哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

根據光電信息科學與工程專業光電綜合實驗課程教學的需要，研制了基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統，該系統使用紅外遙控器作為控制器，以PIC單片機作為控制芯片，通過紅外一體化接收器對紅外發射信號進行接收并將解調好的信號送給單片機，單片機將該信號解碼并執行相應程序控制對應的LED陣列電路，并通過PWM模塊驅動LED亮滅，通過調整占空比輸出控制電路的通斷時間，高速閃爍的LED在調控不同的占空比下呈現不同的亮度及顏色。利用該實驗教學系統可以幫助學生了解并掌握利用PWM技術實現三基色LED的調光方法。

三基色LED；色度；實驗教學系統；紅外遙控；PWM

多芯片白光LED光源，是通過將紅、綠、藍三色LED芯片封裝在一起，將它們發出的光混合在一起得到白光[1]。與熒光粉轉換白光LED相比，這種類型LED的好處是避免了熒光粉在光轉換過程中的能量損耗，可以得到較高的光效；而且可以分開控制不同光色LED的光強，達到全彩變色效果，并可通過LED的波長和強度的選擇得到較好的顯色性[2]。

LED光源具有體積小、綠色節能、可控性能好的諸多優點，正被廣泛運用于照明領域。但單一LED的顏色是不能改變的，不能實現動態調節。為了實現光強和顏色可調，以滿足不同條件下的動態照明，需要對多種LED光源進行實時調控。LED常用的調光技術包括脈沖寬度調制（PWM）調光和模擬調光。PWM調光是使開關電路在以相對于人眼識別能力來說足夠高頻率下工作，通過設置周期和占空比來改變輸出電流的平均值。相比較模擬調光，PWM調光具有色恒定性高、驅動器效率高，并且能夠進行精確控制的優點，方便與數字化系統接軌，具有更大的應用前景。

根據光電信息科學與工程專業光電綜合實驗課程教學的需要，為使學生加深對發光器件LED原理與應用的理解，加深對色度學的理解，研制了基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統，該系統使用紅外遙控器作為控制器，使用單片機調控PWM信號來控制白光LED的光強與顏色，使得操作者能夠靈活的調整LED光源的發光強度與顏色，為將來從事顏色和光強動態調控的照明應用打下基礎。

1 紅外遙控系統和通信協議

1.1 紅外遙控系統

紅外遙控作為無線、非接觸控制技術，具有使用方便、成本低廉、功耗低等顯著優點，被諸多電子設備特別是家用電器廣泛采用。紅外遙控系統一般由紅外發射電路和紅外接收電路組成，紅外發射電路通常為紅外遙控器，它將按鍵對應編碼，并通過紅外發射管以紅外線的信號發射出去；紅外接收電路由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組成，它們將紅外發射器發射的紅外光轉換為相應的電信號，對信號進行整形、放大、解調、解碼，讀出信號內容，然后控制產生相應的應答，實現所需的功能[3-5]。

1.2 紅外信號調制

紅外發光二極管在進行信號傳輸的過程中，很容易受到外界環境的干擾，為了提高抗干擾性能，需要對發送的二進制編碼信號進行調制，即將發射信號調制成一定頻率的間斷脈沖串，然后將待發射的信號和一定頻率的載波進行“與”操作。

調制載波頻率一般在30 kHz~60 kHz之間，實際應用中，大多數使用38 kHz，這是因為由于遙控當中陶瓷共鳴器的晶振頻率為455 kHz，與需要的38 kHz有著較大的區別，所以在發射端需要對晶振頻率進行整倍數的分頻，當分頻系數取12時，得455 kHz÷12≈38 kHz。由于不同晶振的振蕩頻率不同，載波頻率也會相應不同。

1.3 紅外信號編碼方式和指令結構

在本實驗系統中，采用脈沖位置編碼（PPM碼）方式的NEC協議，使用的載波頻率為38 kHz。之后，將通過單片機把結果解調的二進制編碼波形還原成數據信息，得到發送的數據。

（1）編碼方式。在脈沖位置編碼方式中，將脈沖信號經過載波調制，使信號傳輸抗干擾能力變強。脈沖位置編碼方式采用相同的脈沖串寬度，通過脈沖串之間的間隔長短來實現0和1的識別。目前，這種編碼方式的應用最廣泛，NEC公司和Sharp公司的產品都主要采用這種方式[6-8]。

圖1為NEC公司采用的二進制編碼方式，脈沖串寬度為560 μs，邏輯0的周期為1.12 ms，邏輯1的周期為2.25 ms。

圖2為Sharp公司的二進制編碼方式。脈沖串寬度為320 μs，邏輯1的周期為2 ms，邏輯0的周期為1 ms。

圖2 Sharp公司PPM碼編碼方式

（2）指令結構。常見的指令結構有ITT協議、NEC協議、Sharp協議、Philip RC-5協議、Sony SIRC協議等，本系統采用的是NEC協議[9-11]。

NEC協議的結構圖如圖3所示。在該協議中，首先是占空比為2/3的引導碼，周期為13.5 ms，接著是8位的地址碼和8位的地址反碼，最后8位數據碼和8位數據反碼。其中反碼的目的是提高準確率，減小誤碼率。當然也可以將功能擴展為16位地址碼和16位數據碼。在實際應用中，當對遙控器某一按鍵按下時，在很短時間內遙控器按鍵已經重復發送了很多次編碼，此時為了減少功耗常常使用重復碼來代替。如圖4所示，數據碼在發送一次之后，通過生成重復碼來代替重復指令。

圖3 NEC協議

圖4 有重復碼發送的NEC協議

2 硬件電路設計

本實驗教學系統由紅外遙控器、紅外接收模塊、信號解碼模塊、基于PWM技術的LED驅動模塊和三基色LED陣列等組成，其中信號解碼模塊和根據解碼后的信號實現對三基色LED陣列發光亮度和顏色的3通道PWM模塊是在Microchip公司的16位單片機芯片dsPIC33F64GS606中實現的。本系統總體方案是通過邏輯分析儀獲取遙控器按鍵對應的鍵值信號，當紅外遙控器的按鍵被按下時發射的信號被紅外接收探頭接收，紅外接收探頭對信號進行整形、放大、濾波、解調等一系列處理后，輸出基帶信號；然后被輸送給單片機，單片機對接收到的信號進行解碼，得到按下按鍵對應的數據碼，根據該數據碼控制單片機上的3個PWM模塊執行調整占空比等相應的操作，從而使三基色LED點亮、熄滅或呈現出不同的亮度和顏色。基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統硬件電路的整體結構如圖5所示。

2.1 電源電路設計

本實驗教學系統中的三基色LED陣列總體架構為3顆LED串聯，見圖6(a)。為滿足3顆藍光LED串聯后的壓降需求，將電源輸入設定為12 V，使用12 V的電源適配器為電路板供電。而dsPIC33F64GS606的工作電壓范圍為3~3.6 V，將單片機的工作電壓設定為3.3 V，因輸入電壓為12 V，與3.3 V單片機的工作電壓之間壓差比較大，本系統中不適合使用LDO芯片來實現3.3 V，而使用高效率的DC-DC電源芯片將12 V的輸入電壓轉換為3.3 V的電壓，為單片機和紅外接收探頭等外設進行供電。本系統中DC-DC電源芯片選用TPS54331，TPS54331是由TI公司生產的DC-DC電源芯片，該芯片具有3.5~28 V的輸入電壓范圍。通過簡單的調節電阻分壓網絡就可以調節外部輸出電壓。這個電阻分壓網絡是由R32和R33組成的，圖6（b）即為使用DC-DC電源芯片TPS54331產生3.3 V電壓的電路連接圖。

圖5 系統整體結構

圖6 系統電路板和TPS54331連接電路

2.2 紅外發射電路

紅外發射電路通常為紅外遙控器，在本系統中選取的遙控器實物如圖7所示。該紅外遙控器按鍵對應的鍵值表如圖8所示。紅外遙控器的組成包括鍵盤矩陣、遙控專用集成電路、激勵器和紅外發射二極管。通過將各個模塊協調配合來實現遙控器的功能。

圖7 紅外遙控器

圖8 紅外遙控器按鍵鍵值表

遙控專用集成電路是發射系統的心臟，由振蕩電路、定時器電路、掃描信號發生器、鍵輸入編碼、指令譯碼器、用戶碼轉換器、數碼轉換器以及緩沖放大器等組合起來實現相應的功能，產生鍵位掃描脈沖信號，并能譯出按鍵的編碼，再經過遙控指令編碼器得到某鍵位遙控指令（遙控編碼脈沖），由38 kHz的載波進行脈沖幅度調制，載有遙控指令的調制信號激勵紅外二極管發出紅外遙控信號。

2.3 紅外接收電路

選用HS0038B紅外一體化接收頭對遙控發送的信號進行接收并解碼，HS0038B包括紅外接收二極管、前置放大電路、帶通濾波器、解調器和控制循環電路。HS0038B使用黑色環氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內附磁屏蔽，功耗低，靈敏度高，能與TTL、COMS 電路兼容。在用小功率發射管發射信號的情況下，其接收距離可達35 m，接收紅外信號頻率為38 kHz，周期約26 μs，同時能對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL 電平的編碼信號。3個管腳分別是地、電源、解調信號輸出端。其內部組成框架如圖9所示。

圖9 紅外一體化接收頭內部框架圖

查閱芯片的工作手冊，獲得如圖10所示的輸入輸出信號特征。由一體化接收頭的內部電路可知，具有接收、放大、整形并進行解調的功能。需要注意的是輸出波形與紅外測試波形的高低電平正好相反，即當外界沒有紅外遙控信號時，輸出電壓為高電平；當收到紅外信號時，輸出電壓為低電平。HS0038B體積和普通的三極管大小一樣，支持所有主要的傳輸代碼，并可以有效避免由于噪聲和干擾引起的輸出脈沖。實現這種功能是由于內部使用帶通濾波器、積分器和自動增益控制電路。

圖10 HS0038B輸入輸出信號

2.4 驅動開關模塊

在本系統中，需要控制三基色LED各個顏色的通斷時間來調控占空比，通過各個基色的通斷時間來模擬顏色的配比。利用人的視覺暫留效應，當各個基色的通斷頻率足夠快的時候，人眼是不會分辨出來的。單片機的PWM模塊可以實現該功能。將三極管SI2302接在PWM輸出端口構成LED陣列的開關，如圖11所示。

圖11 驅動開關模塊

2.5 LED陣列

本系統選擇18個三基色LED組成LED陣列，陣列的組成方式為電源適配器的輸出電壓是12 V，通過查閱相關手冊，得知LED各個基色的參數不相同，可以通過接外設電阻來平衡由于基色LED參數不同帶來的影響。通過計算，獲得各個電阻的參數大小為150、150、560 ?，將每3個LED串接起來，分為6組，得到如圖12所示的電路圖。

圖12 LED陣列模塊

3 三基色LED配色機理

紅外遙控七彩燈電路板上的LED為三基色多芯片白光LED光源。其封裝類型為5050，該型封裝有6個引腳，相對的兩個引腳對應一個pn結，因此一顆三基色5050封裝的LED相當于里面有3顆單獨的LED，這三顆LED分別發紅光、綠光和藍光。電路板上一共有18顆三基色白光LED，每3顆三基色LED相同顏色的單色LED串聯在一起，然后每組3顆單色LED再并聯到一起，通過MOS管SI2302進行開關控制，3個MOS管Q1—Q3的柵極分別接到單片機PWM模塊的輸出管腳上，當某個控制管腳為高電平時，該開關被打開，該LED被點亮。

為了得到不同的顏色，需要對LED進行調光。通過調節各個基色的占比就可以獲得某種顏色的匹配。使用三原色的量的多少稱為三刺激值。在顏色方程中，、、就是三刺激值。1931年在GIE第八次會議上，提出和推薦了GIE1931標準色度學系統[12]，改進后系統的三原色為（）（）（），前面介紹的顏色三色機制計算方法，在本系統中同樣適用。將公式中的基本參量改為本系統的參量，得到本系統的顏色三刺激值的表達式：

常用的調光技術有脈沖寬度調制調光（PWM）[13]和模擬調制調光。PWM調光開光電路工作頻率足夠高，通過調節PWM的周期和占空比達到改變輸出電流平均值的效果。同模擬調光相比，PWM調光具有一系列優點，目前已經取得了廣泛的應用。

如圖13所示的色品圖，兩種顏色混合相加產生的第三種顏色在連接這兩種顏色的直線上。圖13中三角形RGB內部包含的任意顏色均可以通過控制、、的之間的比例精確調出。

圖13 色品圖

當通過程序改變驅動開關的占空比輸出時，色品坐標幾乎不發生改變，只是改變光通量，所以可以近似認為光通量與占空比成正比例函數關系。由格拉思曼顏色混合定律得：

式中，r，g，b分別為紅、綠、藍三色的占空比。

在PWM調光下，占空比是控制色品坐標的唯一因素。若期望的光通量為m，期望的色品坐標為（，），把占空比當作未知數，則三通道的占空比可求得：

4 基于紅外遙控七彩燈實驗系統的實驗教學內容

基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統可以滿足本科生光電綜合實驗課程的需要，幫助學生了解紅外遙控的原理及使用方法、學習脈寬調制的原理，并掌握利用單片機實現三基色LED的PWM信號調光方法。在實驗教學中可以開設以下內容：

（1）了解紅外發射和紅外接收的通信原理。使用紅外遙控器對著HS0038B紅外接收探頭按下某一按鍵，使用數字示波器的觸發模式完整截取一幀信號，針對該信號利用NEC紅外通信協議進行分析。

（2）使用基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統電路板上的LED實現不同的顏色，并通過數字示波器測量每種顏色對應的R_PWM、G_PWM和B_PWM信號的占空比，記入設計的表格中，更加直觀地理解PWM調光技術的工作原理。

（3）編寫C語言程序、實現指定顏色從暗到亮，再從亮到暗的連續循環過程。顏色配色方案可以使用Windows系統自帶的畫圖軟件中編輯顏色功能中找出某種顏色紅綠藍分量的比值。

5 結論

本文研制的基于紅外遙控的三基色LED調光調色實驗教學系統，可用于光電信息科學與工程專業的光電綜合實驗課程教學，該系統使學生能夠靈活地調整LED光源的發光強度與顏色，幫助學生了解紅外遙控的原理及使用方法，幫助學生了解并掌握利用PWM技術實現三基色LED的調光方法，為將來從事顏色和光強動態調控的照明應用打下基礎。

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Tri-primary color LED dimming and coloring experiment teaching system based on infrared remote control

ZHANG Yang, LIU Siyuan, SUN Jinghua, ZHU Zheng, LIU Lu, LI Qingbo, SU Liping, LIU Zhihai

(College of Science, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

According to the need of teaching of the photoelectric comprehensive experiment courses for Photoelectric Information Science and Engineering specialty, the experimental teaching system of tri-primary color LED dimming and color matching based on infrared remote control is developed. This system uses the infrared remote controller as controller and PIC MCU as control chip, which receives the infrared emission signal through infrared integrated receiver and sends demodulated signal to a MCU. The MCU decodes the signal and executes the corresponding program to control the corresponding LED array circuit, and drives the LED to turn off through the PWM module. By adjusting the on-off time of the duty cycle output control circuit, the high-speed flickering LED shows different brightness and color under different duty cycles. Using this experimental teaching system can help students to understand and master the dimming method of tri-primary color LED by the PWM technology.

tri-primary color LED; chromaticity; experiment teaching system; infrared remote control; PWM

TN312.8; G484

A

1002-4956(2019)07-0072-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.07.019

2018-12-12

國家自然科學基金面上項目（61675054）；黑龍江省重點教改項目；校教改項目（JG2017B54）

張楊（1979—），男，黑龍江哈爾濱，博士，副教授，主要研究方向為物理實驗教學與光電檢測技術.E-mail: zhangyang@hrbeu.edu.cn

孫晶華（1963—），男，黑龍江雞西，博士，教授，主要研究方向為物理實驗教學與光電檢測技術.