基于单片机的PWM三基色LED灯控制器设计与无线调色系统

基于单片机的PWM三基色LED灯控制器设计与无线调色系统

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1. 系统功能概述

本设计是一款基于单片机的三基色LED灯智能控制系统，能够通过PWM（脉宽调制）技术控制红、绿、蓝三种LED灯的亮度比例，从而实现任意色彩的混合输出。系统不仅支持本地按键手动调节RGB三色亮度值，还能通过WiFi无线通信模块实现远程控制，具有良好的实用性与扩展性。LCD1602液晶模块实时显示当前三色通道的亮度值，使用户能够直观地观察到颜色变化。

该系统以STC89C52单片机为核心控制单元，利用其内部定时器产生可调占空比的PWM信号，分别驱动红、绿、蓝三色LED灯的亮度。通过调整每一路PWM信号的占空比，即可控制RGB灯的混合比例，最终形成不同颜色的光。与此同时，WiFi模块ESP8266负责与上位机或手机进行数据交互，用户可通过无线方式调整RGB参数，实现远程调色功能。

系统主要功能包括：

1. 通过LCD1602液晶屏显示当前RGB亮度值。
2. 通过按键实现本地对红、绿、蓝亮度的独立调节。
3. 通过WiFi实现远程无线控制，实现RGB灯颜色变化。
4. 系统实时响应操作指令，显示与灯光颜色同步变化。
5. 具有断电记忆功能，可保持上次设置的颜色状态。

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2. 系统电路设计

系统整体由主控单片机电路、LCD1602显示电路、PWM驱动电路、WiFi通信电路、按键输入电路以及RGB三基色LED灯电路组成。以下将对各个部分的设计进行详细介绍。

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2.1 主控单片机电路

本系统选用STC89C52RC单片机作为核心控制器。该单片机基于MCS-51内核，具有高速、低功耗、丰富的I/O资源以及可编程Flash存储器，适合用于小型智能控制系统。

在硬件设计中，单片机提供以下功能接口：

• P0口连接LCD1602的数据线；
• P2口部分引脚连接按键输入；
• P1.0、P1.1、P1.2作为PWM输出端口，分别输出R、G、B三路PWM信号；
• P3.0、P3.1与ESP8266通信，进行无线数据交换。

系统时钟采用12MHz晶振电路，通过定时器方式产生PWM波形，实现三色灯的亮度控制。电源采用稳压模块提供5V直流电压，确保系统运行稳定可靠。

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2.2 LCD1602液晶显示电路

LCD1602液晶模块用于显示RGB三路PWM的占空比数值。模块工作电压为5V，与单片机直接相连。采用8位并行接口模式以提高数据刷新速度。

显示界面设计如下：

R:XXX  G:XXX
B:XXX  MODE:WIFI

其中，R、G、B显示各通道当前亮度值（0~255），MODE用于显示系统当前模式（本地或WiFi控制）。LCD显示由单片机通过标准指令集控制，采用延时方式进行初始化与数据刷新。

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2.3 按键输入电路

按键电路包括六个独立按键：

• R+、R-：调节红色通道亮度；
• G+、G-：调节绿色通道亮度；
• B+、B-：调节蓝色通道亮度。

按键采用下拉电阻结构，当按下时输出低电平信号，单片机扫描对应引脚检测状态变化。每次按下，RGB值加或减5个单位，并通过PWM输出更新LED亮度。系统配有软件防抖程序，确保按键响应准确。

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2.4 PWM输出与RGB三基色LED驱动电路

三基色LED灯由红、绿、蓝三种独立LED组成，每一路由单片机PWM口输出经限流电阻后驱动。为防止单片机I/O口驱动能力不足，采用NPN型三极管（如9013）或MOSFET管进行电流放大驱动。

PWM信号频率设置为约1kHz，通过改变占空比（0~100%）调节LED亮度。三路PWM信号分别对应RGB三种颜色，通过组合即可形成丰富的混合色。

例如：

• (255, 0, 0)：红色
• (0, 255, 0)：绿色
• (0, 0, 255)：蓝色
• (255, 255, 255)：白色
• (255, 128, 0)：橙色
• (128, 0, 255)：紫色

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2.5 WiFi无线通信电路

WiFi模块选用ESP8266，通过UART串口与单片机通信。模块工作电压为3.3V，故电路中需加入电平转换电路以保护通信接口。

ESP8266通过AT指令集进行控制，当手机或上位机发送RGB数值指令时，模块将数据经串口传递给单片机，单片机解析后更新PWM占空比，实现颜色的远程调整。

数据通信格式如下：

R:XXX,G:XXX,B:XXX

例如：

R:128,G:64,B:255

表示红色亮度为128，绿色亮度为64，蓝色亮度为255。

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3. 程序设计

系统软件采用模块化结构设计，分为主程序模块、LCD显示模块、按键检测模块、PWM输出模块、WiFi通信模块五部分。各模块相互协作，实现系统的整体功能。

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3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、模式判断、任务调度以及整体逻辑控制。程序运行后，首先初始化LCD显示、串口通信、PWM定时器等功能模块，然后进入循环检测状态。根据按键或WiFi输入选择模式并实时更新显示与灯光。

主程序框架如下：

#include <reg52.h>
#include "lcd1602.h"
#include "wifi.h"
#include "pwm.h"
#include "key.h"

unsigned char R_val = 100, G_val = 100, B_val = 100;

void main() {
    LCD_Init();
    UART_Init();
    PWM_Init();
    Key_Init();
    LCD_ShowString(1, 1, "RGB LED Controller");

    while(1) {
        Key_Scan();                // 检测按键输入
        WiFi_ReceiveData();        // 读取WiFi数据
        Update_PWM(R_val, G_val, B_val);  // 更新PWM输出
        Display_RGB(R_val, G_val, B_val);  // 显示当前RGB值
    }
}

该程序实现了循环扫描与动态显示，通过模块化调用使代码清晰易于维护。

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3.2 按键扫描模块

按键扫描模块通过定时循环检测输入状态，利用软件延时实现防抖。每当检测到按键按下，修改对应RGB通道值。

void Key_Scan() {
    if (R_Add == 0) { delay(10); if (R_Add == 0 && R_val < 255) R_val += 5; }
    if (R_Sub == 0) { delay(10); if (R_Sub == 0 && R_val > 0) R_val -= 5; }
    if (G_Add == 0) { delay(10); if (G_Add == 0 && G_val < 255) G_val += 5; }
    if (G_Sub == 0) { delay(10); if (G_Sub == 0 && G_val > 0) G_val -= 5; }
    if (B_Add == 0) { delay(10); if (B_Add == 0 && B_val < 255) B_val += 5; }
    if (B_Sub == 0) { delay(10); if (B_Sub == 0 && B_val > 0) B_val -= 5; }
}

按键控制逻辑简单明了，便于调试和扩展，可进一步实现按键长按快速调整功能。

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3.3 PWM控制模块

PWM信号由单片机定时器产生。通过修改定时器计数初值实现不同占空比输出。每个通道独立对应一个PWM控制变量。

void PWM_Init() {
    TMOD = 0x02;  // 定时器模式
    TH0 = 0; TL0 = 0;
    EA = 1; ET0 = 1; TR0 = 1;
}

void Update_PWM(unsigned char R, unsigned char G, unsigned char B) {
    P1_0 = (PWM_Count < R) ? 1 : 0;
    P1_1 = (PWM_Count < G) ? 1 : 0;
    P1_2 = (PWM_Count < B) ? 1 : 0;
}

系统利用中断控制实现高精度PWM输出，使LED亮度变化平滑、无明显闪烁。

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3.4 LCD显示模块

LCD模块通过8位并行接口进行控制，负责显示实时RGB数值及工作模式。

void Display_RGB(unsigned char R, unsigned char G, unsigned char B) {
    LCD_ShowNum(2, 1, R, 3);
    LCD_ShowNum(2, 6, G, 3);
    LCD_ShowNum(2, 11, B, 3);
}

显示内容简洁清晰，可根据需要扩展更多状态信息，如通信状态、模式标识等。

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3.5 WiFi通信模块

WiFi模块采用ESP8266，通过UART串口通信。单片机通过接收AT指令格式的字符串解析出RGB数值。

void WiFi_ReceiveData() {
    if (UART_ReceiveFlag) {
        sscanf(UART_Buffer, "R:%d,G:%d,B:%d", &R_val, &G_val, &B_val);
        UART_ReceiveFlag = 0;
    }
}

该部分程序具备实时数据处理能力，能快速响应无线指令，支持远程颜色控制。

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4. 总结

本系统以STC89C52单片机为核心，结合PWM技术、LCD显示、按键输入与WiFi无线通信，实现了对三基色LED灯的智能调光与远程控制。通过本地与远程两种控制方式，用户可自由调整RGB亮度，实现丰富的灯光效果。

系统具有结构简单、响应灵敏、显示直观等优点，可广泛应用于智能照明、舞台灯光控制、家居氛围灯等领域。同时，该设计也为学习PWM控制、串口通信与嵌入式系统设计提供了良好的实践平台。