无线LED彩灯控制系统设计开发

摘 要

　　随着经济、社会以及信息、网络等科学技术的发展，人们对方便、舒适、高质量生活方式的追求越来越强烈，家居生活不断朝着智能化、信息化的方向发展。智能灯光控制系统作为智能家居系统的重要组成部分，通过对家居照明系统的智能控制，实现了家居照明系统节能、环保、智能、舒适、方便控制等特点。

　　本课题研究对象为三基色 LED 彩灯无线控制系统，基于高性能单片机实现无线 LED 彩灯控制器，该控制器能够自动判断家居环境亮度并控制LED 彩灯照明强度：当家居环境黑暗时，LED 彩灯发出白光照明；当家居环境明亮时，LED 彩灯停止照明。该控制器不仅可以控制照明，还可以有睡眠模式、娱乐模式、阅读模式等不同的花样变换，这些花样变换可由智能终端通过蓝牙发送指令进行控制，极大地丰富、方便了人们的家居生活。

　　该控制器在进行智能灯光控制的同时，实时采集家居环境中的温湿度数据，监测家居环境舒适度。在无线 LED 彩灯控制器开发过程中，先基于高性能、低功耗单片机 MSP430F149 实现其基本功能，再基于 ARM 单片机 Hi3516c进行升级，方便扩展其它功能。

　　关键字：LED 彩灯，无线控制，智能灯光控制系统，家居环境检测，MSP40F149，Hi3516c，嵌入式 Linux 操作系统，LabVIEW 上位机

ABSTRACT

　　With the development of economic,social,information and network technology,the pursuit of convenient,comfortable and high quality life is becoming more and more intense,home life is moving towards the direction of intelligent informatization.Intelligent lighting control system as an important part of smart home achieves the features such as energy saving,environmental protection,intelligent,comfortable by the way of controlling the household lighting system intelligently.

　　Study object of this project is wireless control system for tricolor LED lights which is based on high-performance microcontroller.The controller could automatically get the brightness of household environment and control the illumination intensity of LED lights:when the household environment is dark,LED lights emit white light; when the household environment is bright,LED lights stop lighting.The controller can not only control the lighting brightness,but also change the lighting modes such as sleep mode,entertainment mode,reading mode and so on which can be controlled by intelligent terminal.The intelligent terminal sends workmode commands through Bluetooth to decide the lighting mode.Variable lighting modes greatly enrich and facilitate people’s household life.The controller can also be used as hygrothermograph to collect the temperature and humidity data in the household environment and monitor the comfort level.During the development process of wireless LED lights controller,high-performance and low-power consumption microcontroller MSP430F149 is put to use to achieve its basic function firstly,then ARM microcontroller Hi3516 is used to upgrade the system.

　　KEY WORD: LED lights, Wireless control, Intelligent lighting control system,Household environment detection, MSP40F149, Hi3516c, Embedded Linux operating system, PC software based on LabVIEW

　　随着信息、传感器、通信、网络等科学技术的迅猛发展与广泛应用，国际电信联盟（ITU）在 2005 年发布了《ITU 互联网报告 2005：物联网》，在该报告中物联网的概念被首次正式提出[1]。家居住宅作为人们生活得主要环境，其舒适性、方便性越来越被人们重视和追求，将物联网技术应用到家居生活，开发智能家居，能够满足人们对舒适、便利、丰富多彩的高质量生活的需求，具有广阔的市场前景和应用空间，成为近年来热门研究对象，智能灯泡[2]、智能插座[3]等产品应运而生。智能灯光控制系统作为智能家居的八大功能之一，其主要目的是对家居环境灯光进行智能化控制与管理，可实现基于手机、PC 机等设备远程控制家居环境灯光系统，并设计家居环境多种灯光效果，如照明模式、娱乐模式、阅读模式等，实现家居照明环保、节能、舒适、模式多样、方便控制等功能特点[4]。

　　由于 LED 灯具有寿命长、功耗低、发光效率高、体积小、灯光亮度可调、颜色缤纷绚丽、不含有害物质、是真正的绿色照明等特点，LED 灯被广泛应用在商业、办公、娱乐、户外照明等领域[5]22。近年来 LED 成本不断下降，LED 灯价格渐渐趋向平民化，并借助于国家节能补贴政策推动，LED 灯开始作为室内照明灯具进入千家万户[6]。

　　无线 LED 彩灯控制系统主要由上位机控制软件、无线传输模块、高性能单片机、温湿度检测模块、LED 驱动电路及三基色 LED 构成。基于高性能单片机开发无线 LED彩灯控制系统涉及众多学科，包括传感器检测、计算机、自动控制、电子电路设计、单片机开发、色彩学、人工智能等，所涉及的关键技术如下：

　　（1）自动判别家居环境亮度并控制 LED 彩灯照明亮度，实时采集家居环境的温湿度数据，监测家居环境的舒适度；

　　（2）基于高性能单片机设计 LED 彩灯花样变换算法，实现式样繁多、色彩绚丽的LED 彩灯工作模式；

　　（3）实现 LED 彩灯驱动电路，保证 LED 彩灯正常工作所需电流；

　　（4）设计上位机软件实现 PC 机通过无线方式控制 LED 彩灯工作模式以及显示家居环境温湿度数据；

　　（5）绘制无线 LED 彩灯控制器电路板并调试；

　　（6）移植嵌入式 Linux 操作系统并开发 Linux 驱动和应用程序。

无线LED彩灯控制系统设计开发：

无线 LED 彩灯控制器硬件平台 PCB 电路图

无线 LED 彩灯控制器硬件平台电路板

匹配正则表达式 VI

前面板

颜色选择器 VI

基于 LabVIEW 的 LED 彩灯工作模式控制示例程序

基于 LabVIEW 的无线 LED 彩灯控制系统上位机软件

生成寄存器配置二进制文件工具

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 研究的相关背景
　　　　　　1.1.1 智能灯光控制系统概述
　　　　　　1.1.2 国内外研究现状
　　　　1.2 本设计的研究目的及意义
　　　　1.3 本论文的构成摘要
　　　　1.4 小结
　　第二章 无线 LED 彩灯控制系统构成
　　　　2.1 无线 LED 彩灯控制系统构成
　　　　2.2 无线 LED 彩灯控制系统模块介绍
　　　　　　2.2.1 家居环境监测传感器介绍
　　　　　　2.2.2 高性能单片机简介
　　　　　　2.2.3 LED 彩灯概述
　　　　2.3 无线 LED 彩灯控制系统开发环境简介
　　　　　　2.3.1 MSP430F149 单片机开发、烧写环境?
　　　　　　2.3.2 嵌入式 Linux 开发环境
　　　　2.4 小结
　　第三章 无线 LED 彩灯控制系统各功能模块在 MSP430F149 平台上的设计与实现
　　　　3.1 基于光敏电阻的灯光亮度自动调节功能实现
　　　　　　3.1.1 电压比较器电路分析
　　　　　　3.1.2 灯光亮度自动调节模块设计与实现
　　　　　　3.1.3 灯光亮度自动调节模块测试
　　　　3.2 基于 AM2301 的温湿度计设计与实现
　　　　　　3.2.1 温湿度计模块设计与实现
　　　　　　3.2.2 温湿度计模块测试
　　　　3.3 LED 彩灯控制方式研究与实现
　　　　　　3.3.1 LED 彩灯控制方式研究
　　　　　　3.3.2 基于 MSP430F149 的 PWM 脉冲发生器的设计与实现
　　　　　　3.3.3 PWM 脉冲发生器测试
　　　　3.4 基于 APM4953 的 LED 彩灯驱动电路设计与实现
　　　　　　3.4.1 APM4953 简介
　　　　　　3.4.2 LED 彩灯驱动电路设计与实现
　　　　　　3.4.3 LED 彩灯驱动电路测试
　　　　3.5 基于 MSP430F149 的蓝牙串口模块通信实现
　　　　　　3.5.1 MSP430F149 串口通信模块介绍
　　　　　　3.5.2 基于 MSP430F149 的串口通信程序设计与实现
　　　　　　3.5.3 基于 MSP430F149 的串口通信程序测试
　　　　3.6 基于 LabVIEW 的蓝牙串口通信程序实现
　　　　　　3.6.1 LabVIEW 串口配置控件介绍
　　　　　　3.6.2 基于 LabVIEW 的串口通信程序设计与实现
　　　　　　3.6.3 基于 LabVIEW 的串口通信程序测试
　　　　3.7 小结
　　第四章 无线 LED 彩灯控制系统集成及在 Hi3516c 平台上的移植
　　　　4.1 基于 MSP430F149 的无线 LED 彩灯控制器实现
　　　　　　4.1.1 基于 MSP430F149 的无线 LED 彩灯控制器硬件平台设计与实现
　　　　　　4.1.2 基于 MSP430F149 的无线 LED 彩灯控制器软件设计与实现
　　　　4.2 基于 LabVIEW 的无线 LED 彩灯控制系统上位机软件实现
　　　　　　4.2.1 基于 LabVIEW 的温湿度计显示模块设计与实现
　　　　　　4.2.2 基于 LabVIEW 的 LED 彩灯工作模式控制软件设计与实现
　　　　　　4.2.3 无线 LED 彩灯控制系统上位机软件集成与测试
　　　　4.3 无线 LED 彩灯控制系统在 Hi3516c 平台上的移植
　　　　　　4.3.1 Hi3516c 开发环境搭建
　　　　　　4.3.2 嵌入式 Linux 操作系统编译实现
　　　　　　4.3.3 嵌入式 Linux 操作系统自动烧写环境实现
　　　　　　4.3.4 嵌入式 Linux 操作系统在线升级功能实现
　　　　　　4.3.5 嵌入式 Linux 环境下家居环境亮度自动检测功能实现
　　　　　　4.3.6 嵌入式 Linux 环境下串口通信实现
　　　　　　4.3.7 嵌入式 Linux 环境下 USB WiFi 模块移植
　　　　4.4 小结
　　第五章 结论
　　　　5.1 本论文的主要工作
　　　　5.2 研究中存在的不足
　　参考文献
　　致 谢
　　攻读学位期间发表的学术论文目录

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