1  绪论

1．1  艺术彩灯功能描述

彩灯可以通过定时或随用户要求来变换不同的色彩。传统的彩灯一般只有3种颜色,分别对应3种颜色的灯泡,当需要其中某种颜色的时候,点亮该颜色的灯泡,熄灭其他颜色的灯7包 ; 先进的彩灯利用三基色原理做简单的混合,其控制系统只是几个开关或按钮 : 目前市面最为常用的彩色灯大都利用惰性气体在电极作用下变色的原理制作,工艺要求严格。本案例采用三基色原理 , 利用价格低廉的51系列单片机控制基色LED灯泡F从而实现丰富的色彩变化。本人设计的艺术彩灯在外观上与普通的飞利浦灯泡相仿 , 灯罩内是单片机控制电路板和一组基色 LED 灯泡。

提示：许多基于单片机的应用，通常是规模较小，成本低廉的工程，对于这些应用，成本和售后维修应该是公司，企业设计人员首要考虑的问题，但是对于那些规模较小的应用，设计人员和工程技术人员首要考虑的应该是系统的完备性和稳定性，因为单片机的I/O口通信易受信号干扰。

利用三基色原理的艺术彩灯的功能如下：

(1) 实现七彩颜色变化

利用 3 个独立的单色 LB 灯泡进行组合搭配，使单个彩灯可有7种不同的颜色。

(2) 设置色彩变换的快慢

用户可自行设定彩灯色彩的变换快慢 ,并可随是的修改这种设置。此外，系统还自我缺省的设置一组节奏。

   通过、艺术彩灯设计实例 , 可以很好地了解到51系列单片机EM78P153的定时器控制和单片机中断状态转换技术的综合使用方法 , 这主要表现在以下 5 个方面。

(1) 艺术彩灯结构简单 , 并且具备了最小实用单片机系统的基本构成。通过本案例 , 可以清楚设计和实现一个单片机实用系统需要哪些外围设备的基本电路 , 以及如何使用单片机内部计数器并调用中断。

(2) 艺术彩灯利用 PWM 调制控制基色 LED 灯泡 : 利用单片机内部的两个计数器 , 通过 比较它们的状态来调节基色 LED 的亮度。这种 PWM 调制的实现技术是最简单的一种 , 如果 内部计数器状态稳定 , 则 PWM 调制效果较好。

    (3) 艺术彩灯使用了单片机的系统中断功能 : 系统主要由 8 种状态组成 , 每一种状态对应于一个设定的中断号 , 执行该中断使得彩灯呈现出一种颜色 。

(4) 艺术彩灯使用了单片机的 I/0 口交流检测功能 : 单片机 UO 连接交流检测电路 , 利 用它来检测交流过零 : 利用采集的检测值同步基色 LED 灯泡的亮度变化。通过实例电路的讲解 , 读者可以了解单片机扩展的基本技术和单片机端口要求 , 同时掌握基本的交流电检测电路的设计方法。

(5) 艺术彩灯使用了简洁的系统电源和 LED 灯泡控制电路 : 系统电源的设计采用了常见 的全桥整流 :LED 灯泡控制则利用 NPN 和 PNP 三极管的截止电压实现。通过本案例的讲解 , 读者可掌握此类电路的设计方法 , 也可在它们的基础上做进一步的扩展。

2  彩灯原理与系统设计框架

2．1  彩灯原理介绍

系统根据三基色原理 , 以红、绿、蓝 3 种基本颜色组成一个可变的单元 , 将红绿蓝 3 种 基色 LED 灯泡放到磨沙的玻璃罩内 ,3 种基色光经混合后 , 便可对外呈现 7 种颜色。系统还 利用单片机 UO 口的 PWM 调制来调节 LED 亮度 , 使各种颜色之间的变化柔和 ; 还可以进行 外部设置 , 如设置颜色变化的周期、起始的颜色以及呈现不同的景象。

2.1.1  彩灯实现原理

本节说明如何利用三基色原理实现彩灯的色彩变换。系统使用 3 个具有独立颜色的 LED 灯泡 , 根据三基色原理 , 这 3 个 LED 的发光颜色为红、绿、蓝。如图 43 所示 ,3 个具有独 立发光颜色的 LED 将按照该色度三角的特性进行组合 , 使得彩灯呈现不同的色彩。 三基色原理的基本公式如下 :

红色+蓝色+绿色=白色

红色+蓝色=紫色

蓝色+绿色=青色

绿色+红色=黄色

图 2-1 三基色原理 ( 色度三角 )

利用如图 2-1 所示的色度三角 , 三基色红、绿、蓝可以混合出它们之间连线上的颜色；例如 , 当红色 LED 和绿色 LED 亮度相同 , 而蓝色 LED 熄灭时 , 彩灯将呈现黄色 ; 若此时红 色 LED 的亮度大于绿色 LED 的亮度 , 彩灯将呈现偏红的橙色 : 若红色 LED 的亮度小于绿色 LED 的亮度 , 彩灯将呈现偏绿的黄绿色。当 3 个 LED 灯泡的亮度相同时 , 彩灯将呈现白色 , 其光线类似于自炽灯。

2.1.2   色彩变换的实现

    LED 灯泡发光恒定 , 若要达到色彩变换的效果还需利用单片机控制各色 LED 发出不同亮度的灯光。

控制 LED 亮度需要利用单片机 I/0 口的 PWM 来实现数字 / 模拟 (D/A) 转换 ,D/A 转换 的实质是对某一固定频率的脉冲进行占空比调节。假设 LED 灯泡的工作电压为屿 , 单片机 UO 口的输出占空比为。 ,LED 的平均工作电压为 Uavg, 它可以由公式 (2.1) 计算得到。

                Uavg= α× Uo                〈 2.1)

由公式 (2.1) 可知 , 只要改变 LED 的平均工作电压 Uavg, 就能使发光亮度有所改变。然而工作电压的是 220V 市电经过整流后的恒定电压 , 不可随意变更 , 因此只能通过改变 占空比α来改变 Uavg 的值。

   综上所述 , 色彩变换可以转化为通过调节占空比来调节 LED 灯光亮度 , 进而利用色度三角调出所需色彩。

2.1.3 色彩转换分析