基于射频控制的智能照明系统设计

1摘 要本文介绍了基于射频控制的智能照明系统的硬件及软件的设计。该设计利用了 LED 灯照明，白炽灯照明和单片机控制技术，采用 AT89S51 单片机作为系统的中央控制单元，PT2262/ 2272 作为发射接收模 块，由 单片机程序控制，实现各种功能的整合。无论你在家庭的哪个位子都能自由控制各个房间灯的亮和灭；外出之前只要按一下遥控键就可以关上所有的灯；坐在客厅的沙发上就能够实现照明灯具的亮度和柔和度的美妙变化该照明系统还采用太阳能辅助供电，从而实现节能，环保和智能化，另外该系统留有扩展接口，很容易对系统进行升级。总之，一种全新的生活模式将呈 现在您的眼前。关键词：LED 照明，绿色环保，射 频收发，调光控制，单片机控制2RF-Based Intelligent Lighting SystemAbstractThis article introduces a RF-Based Intelligent Lighting System s hardware and softwares design. This design has uses the LED lamp illumination, the incandescent lighting and the monolithic integrated circuit control technology, uses the AT89S51 monolithic integrated circuit to be systems central control unit, the PT2262/2272 launch receive module. It depends the monolithic integrated circuit programmed control to realize each kind of functions conformity. Wherever you are, you can control each compartment lamps shining freely in family and extinguish; Before going out, pressing the teleswitch , you can shut off all the lamps; Sitting on the safa, you can realize the illumination lamps and lanterns brightness and the gentleness in the living room .The wonderful changes .This lighting system also uses the solar energy auxiliary power supply, thus realizes the energy conservation, environmental protection and intellectualization. Anymore, this system leaves leeway the expansion connection, so it is easy to carry on the promotion to the system. In brief, one kind of brand-new mode of life will present before your eyes.Keywords：The LED illumination, The green environmental protection, Radio frequency receiving and dispatching, The light control, The monolithic integrated circuit control3目 录1 绪论12 智能照明的理论基础12.1 LED 的介 绍12.1.1 LED 器件的应用基 础 22.1.2 常见 LED 及其应用 22.2 白炽灯的介绍22.2.1 白炽灯的应用基础 22.2.2 常见白炽灯及其应用 33 照明方案33.1 灯光方案设计33.2 电源模块选择33.3 无线模块方案43.4 主控模块方案43.5 系统框图64 系统硬件设计64.1 灯型设计64.2 电源设计94.2.1 负载灯具电源设计 94.2.2 主控芯片供电电源设计104.3 射频收发设计 104.3.1 发射模块104.3.2 接收模块114.4 单片机控制电路设计 114.5 太阳能方案设计 124.5.1 太阳能供电系统框图124.5.2 太阳能电池板134.5.3 蓄电池154.5.4 太阳能供电控制电路165 系统软件设计 165.1 无线控制框图 175.2 主程序控制流程 176 系统测试 1747 结论18致谢18参考文献18附录 1 客厅整体图20附录 2 卧室白炽灯调光21附录 3 部分程序清单2251 绪论智能照明系统(Intelligent Lighting System)是通过关键基础理论模型的研究，智能家居是以科技为平台，兼 备建筑、自 动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的居住环境。家居智能化技术起源于欧美，最具代表性的是无线射频技术，通过高频的无线射频通讯技术传输控制信号。因其安装方便、控制范围较大且控制可靠，容易而被人们广泛接受和应用。下面介 绍一下智能照明的发展现状。“照明电气”被称为是人们 生活中除了“吃、穿、住、用、行”之外的第六大基础需求。随着时代发展，人们的生活水平逐渐提高，消费能力逐渐加强，消费观念也有极大转变，传统的照明 电气技术已经远远满足不了现代人的需要，对于照明的控制，人们希望使用更加便捷甚至是随心所欲，于是智能照明电气应运而生。随着智能照明电气概念的兴起，充满人性化与浪漫、温馨、高品味的智能家居照明情景的概念迅速引起人们的好奇与期盼，人们希望购买一套这样的智能照明电气系统，实现“人来灯亮，人走灯灭，随需应变，随时可变” 的悠闲生活。然而，任何一件新事物的产生与 发展都将拥有一段漫长而曲折的经历， “智能照明电气”概念从提出到 实现并非 产商们想像的那样简单 。随着高科技和信息技术的广泛应用，安全、舒适、便利的生活环境已经不再是一个遥远的梦想。由于智能家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活环境，因此已经成 为房地产商追逐的热点。在未来，没有智能家居系 统的住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流。相信不远的将来，智能家居一定会更好地造福人类。2 智能照明的理论基础智能照明电气最终取代传统照明系统，乃大势所趋，是家居智能化进程中必然要走的一步。智能照明电 气可以依靠无线技术来实现网络功能，无线技术不但可以免去布线的烦恼，而且可以方便的解决家庭设备的联网问题，因此，网 络化的智能照明电气会令你的生活更丰富多彩。通过逻辑控制程序，就可以控制房里所有的灯开关并可调节亮度和柔和度，对家庭中的灯具进行集中控制。太阳能节能装置也是日后发展的方向。2.1 LED 的介 绍LED 发 光 二 极 管 ，是 一 种 半 导 体 固 体 发 光 器 件 ，电 光 功 率 转 换 非 常 高 ，相 同 照 明 效 果 比 传 统 光 源 节 能 80%以 上 。LED 照明灯具在近期得到飞跃的发展，LED 作为绿色环保的清洁光源得到广泛的认可。2.1.1 LED 器件的 应用基础6LED 光源的技 术日趋成熟，每瓦发光流明迅速增长 ，促使其逐年递减降价。以 1WLED 光源为例，2008 年春的价格已是 2006 年春的价格三分之一，2009 年春降至 2006 年的四分之一。 LED 灯具的高 节能、长寿命、利环保的优越性能获得普遍的公认。与传统的路灯相比，该灯被 称 为 第 四 代 照 明 光 源 或 绿 色 光 源 ，具 有 节 能 、环 保 、寿 命 长 、体 积 小 等 特 点 ，使 用 寿 命 可 达 6 万 到 10 万 小 时 ，比 传 统 光 源 寿 命 长 10 倍 以上 ，并且在 LED 产生的光 谱中不含紫外线、红外线 等辐射，是典型的绿色照明光源。2.1.2 常见 LED 及其应用图 1 草帽 LED 图 2 LED 台灯2.2 白炽灯的介绍白 炽 灯 是 将 灯 丝 通 电 加 热 到 白 炽 状 态 ，利 用 热 辐 射 发 出 可 见 光 的 电 光源 。自 1879 年 ，美 国 的 爱 迪 生 制 成 了 碳 化 纤 维 （即 碳 丝 ）白 炽 灯 以 来 ，经 人们 对 灯 丝 材 料 、灯 丝 结 构 、充 填 气 体 的 不 断 改 进 ，白 炽 灯 的 发 光 效 率 也 相 应提 高 。白 炽 灯 的 发 展 趋 势 主 要 是 研 制 节 能 型 灯 泡 。不 同 用 途 和 要 求 的 白 炽 灯 ，其 结 构 和 部 件 不 尽 相 同 。白 炽 灯 的 光 效 虽 低 ，但 光 色 和 集 光 性 能 好 ，是 产 量最 大 ，应 用 最 广 泛 的 电 光 源 。2.2.1 白炽灯的应用基础现 代 的 钨 丝 白 炽 灯 发 光 体 是 用 金 属 钨 拉 制 的 灯 丝 ，这 种 材 料 最 可 贵 的特 点 是 其 熔 点 很 高 ，即 在 高 温 下 仍 能 保 持 固 态 。事 实 上 ，一 只 点 亮 的 白 炽 灯的 灯 丝 温 度 高 达 3000。正 是 由 于 炽 热 的 灯 丝 产 生 了 光 辐 射 ，才 使 电 灯 发出 了 明 亮 的 光 芒 。白 炽 灯 有 一 个 其 他 大 部 分 类 型 发 光 产 品 不 具 备 的 优 点 ，即7适 合 频 繁 启 动 的 场 合 ，并 且 很 容 易 实 现 调 光 效 果 。2.2.2 常见白炽灯及其应用图 3 各种白炽灯 图 4 白炽灯矩阵3 照明方案从前两节的论述中可以看出 LED 照明和白炽灯照明技术已经相当成熟。 实现方案非常多。本文要设计 的是家居 LED 客厅照明灯和白 炽灯卧室照明，还有声光控的走道照明。根据室内的不同特殊环境， 选择 方案时就要考虑灯具尺寸、亮度、柔和度等的影响，以及室内电源的局限性， 为 了节约电能，采用太阳能电池供电，也不失为一种好的方法。3.1 灯光方案设计根据论文的设计要求，本文提出了几种方案：（1）LED 照明方案有很大的可行性，而且其系统的升 级也比较方便，便于推广使用，适应现代化建设的 发展需求。利用 LED 灯的组合实现发光形状，点亮数量的不同，还可以有颜色的不同组合（2）不同房间的要求采用不同灯具。白炽灯调光性能好，适合做卧室照明。采用 PWM 脉宽调制，通过软 件设置不同的脉宽占空比，从而实现输出电压有效值的变化，反映出灯光亮度的 变化，就是无 级调光。（3）体现节能，我们在布置走道时可以采取声光控的方案。实现天黑后人来灯亮，人走灯灭，既节能又安全。3.2 电源模块选择一般常见的稳压电源，有线性稳压电源，开关电源， 还有稳压集成电路和比较实用的电容降压式稳压电源，它们各自的有缺点比较如下比较：8（1）线 性 直 流 稳 压 电 源 是 先 将 交 流 电 经 过 变 压 器 变 压 ，再 经 过 整流 电 路 整 流 滤 波 得 到 未 稳 定 的 直 流 电 压 ，要 达 到 高 精 度 的 直 流 电 压 ，必 须 经 过 电 压 反 馈 调 整 输 出 电 压 ，可 以 达 到 很 高 的 稳 定 度 ，波 纹 也 很小 。但 是 它 的 缺 点 是 需 要 庞 大 而 笨 重 的 变 压 器 ，所 需 的 滤 波 电 容 的 体积 和 重 量 也 相 当 大 ，而 且 电 压 反 馈 电 路 是 工 作 在 线 性 状 态 ，调 整 管 上有 一 定 的 电 压 降 ，在 输 出 较 大 工 作 电 流 时 ，致 使 调 整 管 的 功 耗 太 大 ，转 换 效 率 低 ，还 要 安 装 很 大 的 散 热 片 。（2）开 关 稳 压 电 源 具 有 性 能 稳 定 效 率 高 的 特 点 ，但 是 它 的 成 本 过高 ，比 较娇气，易损坏，功率做不大，而 且 有 很 大 的 干 扰 与 噪 音 。针 对 开 关电 源 运 行 噪 声 大 这 一 缺 点 ，若 单 独 追 求 高 频 化 其 噪 声 也 必 将 随 着 增 大 ，而 采用 部 分 谐 振 转 换 电 路 技 术 ，在 理 论 上 即 可 实 现 高 频 化 又 可 降 低 噪 声 ，但 部 分谐 振 转 换 技 术 的 实 际 应 用 仍 存 在 着 技 术 问 题 ，故 仍 需 在 这 一 领 域 开 展 大 量的 工 作 。（3）电容降压的工作原理利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。在电容器上并不产生功耗，因 为如果 电容是一个理想电容， 则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。稳压集成电路，由于成本过高，所以 综合考虑到应用简便，成本和 稳定性，效率等要求，选择电容降压 的方式。并且可以 选择太阳能作为辅助能源供应。3.3 无线模块方案智能照明的无线控制既要体现控制方便，稳定，又要有成本优势和维护方便的特点，下边就几种常见无 线方式进行说明。红外的优点是便宜，易制，安全，缺点是精度低，距离近，方向性差。选择射频，控制范围广，控制角度范围大，可以穿 过阻隔物体控制，控制精度高而且抗干扰能力强；单片机模拟软解码，成本可以很低，但 编程较复杂，抗干 扰能力弱，并且不是很稳定，响应速度慢等缺点。所以，综合各因素，本设计选用性能稳定的射频无线控制。3.4 主控模块方案PIC 系列单片机： PIC 单片机采用精 简指令使其执行效率大 为提高。PIC 系列 8 位 CMOS 单片机具有独特的 RISC 结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard ）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于 8 位的数据位数，这与传统的采用 CISC 结构的 8 位单片机相比，可以达到 2:1 的代码压缩，速度提高 4 倍。PIC 有优越开发环境。PIC 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别 人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前， PIC 采用熔丝9深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。AVR 系列单片机：是一种新型的单片机。运行速度快，一个时钟周期执行一条指令。硬件应用哈佛(Harvard)结构，具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行。AVR 单片机是多累加器型，数据处理速度快。超功能精简指令，具有 32 个通用工作寄存器，相当于有 32 条立交桥，可以快速通行。AVR 单片机系列中有 128B4KB 的SRAM 静态随机数据存储 器，可灵活使用指令运算、存放数据，中断响应速度快。AVR 像 8051 一样，有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。高 级 C 语言编程效率高。有的器件最低 1.8 V 即可工作。可多次烧写的 Flash，且具有多重密码保护锁死(Lock) 功能。I/O 口功能强、驱动能力大，具有输入/输出、三态高阻输入，也可设定内部拉高电 阻作输入端的功能，以便于应用到各种所需的场合(多功能 I/O 口 )。51 系列单片机：51 系列是指是兼容 Intel 公司 51 指令集的单片机系列的统名称。这 种单片机所包括的硬件资源有：（1）一个 8 位的微处理器；（2）片内数据存储器 RAM，用以存放可以 读/写的数据，如运算的中间结果、最终结果显示的数据等；（3）片内程序存储器 ROM，用以存放程序、一些原始数据和表格；（4）四个 8 位并行 I/O 接口 P0P3，每个口可用作输入，也可用作 输出；（5）两个定时器/计数器，每个定 时器/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以 设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；（6）五个中断源的中断控制系统；（7）一个全双工（通用异步接收发送器）的串行 I/O，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容须要外接。可以看出 51 系列单片机也是一款功能强大的单片机 1。从以上几种型号单片机的比较中可以看出，PIC 单片机、AVR 单片机虽然在很多方面都有其特点，如在运行速度上，内部资源的配置等。但因其价格高，开发工具不及使用 51 系列单片机齐全，再考虑本系统对 CPU 的要求并不是很高，综合考虑还是选用已经普及的 51 内核的单片机。这里采用 AT89S51 单片机，驱动部分由 ULN2003 集成电路组成，开关信号和段 选码 信号都由单片机提供。3.5 系统框图10整个系统由六大模块组成：主控制单元，无线收发控制单元，模块电源模块，太阳能模块，灯具模块。其中无线收发模块负责数据 传送， 单片机负责整个控制信号的处理和响应，灯具模 块主要是不同造型和功能的负载灯具，电源模块主要包含整个智能照明系统中各种电源的供应和协调管理。智能照明系统的整体框图如下无线发射模块灯具模块单片机控制电源管理模块 太阳能辅助模 块无线接收模块图 5 整体方框图4 系统硬件设计本设计的硬件系统包括稳压电源设计，灯具造型模句，无线控制模块， 单片机主控模块，太阳能辅助供 电模块，以及相关硬件的设计。4.1 灯型设计主要列出了设计精美，造型漂亮的主客厅照明灯的不同造型，还有卧室照明和走道照明的相关原理图，分 别如下动1动 主客厅灯具主客厅主要实现灯具造型美观，调光方便，并伴有彩色光线的调节。于是，主要采用 LED 灯具造型，整体电压几十伏，电流 300mA，采用四个灯管一串为一组，六 组为一节，完成一个基本灯型单位。图 6 一个灯代表一 组串四个然后六组再并的 24 个 LED 的电 路形式，一个 LED 点亮，所需电压为 3V，电流为20mA，这样就可以算出整个 负载的电压和电流， 计 算如下U=3V12=36VI=20mA63=360mA这样就可以根据为下一步电源设计提供了的技术参数要求。11D1 D2 D3 D4D1 D2 D3 D4D1 D2 D3 D4D1 D2 D3 D4D1 D2 D3 D4D1 D2 D3 D4图 6 一路 LED 原理D 1 D 2 D 3D 4 D 5 D 6D 7 D 8 D 93 6V动ULN2003动动图 7 三路 LED 造型原理 图蝴蝶造型和三叶草造型，他们分别能实现的功能是整体两环和三环调节造型，内圈基本照明，是类圆锥状，可以提高照明的角度，从而弥补 LED 光角度小的问题；中圈可提高亮度，并且放射状照明，形状美 观漂亮；外圈采用多组彩灯组合，美观 ，可以制造很多娱乐氛围。分别设计两款美 丽的贴近大自然的造型，如下图图 8 蝴蝶灯型 图 9 蝴蝶灯造型走线路图12图 10 三叶草灯型 图 11 三叶草造型走线图动2动 卧室灯设计卧室照明主要灯具的调光功能和柔和色调的加载等功能，为此，我采用白炽灯和彩色 LED 的搭配设计 。动动动D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5D1 D2 D3 D4 D5动ULN2003动动动动动图 12 白炽灯调光原理图动3动 走道灯设计应用光线和声音控制路灯，使之在白天不亮，晚上能借助脚步声的到来和消失而启闭，是走道照明节省 电能的一种有效途径。目前常用的声光控制照明电路虽然形式多样，但大都较为 复杂。本 设计为一种简单实 用的照明声光控制电路。如图所示声、光控楼梯走道延迟照明开关采用压电陶瓷片作为声-电换能器，该电路：增加了光控灵敏度调节电阻 R9，增减 R9 阻值可调节电路光控的起控点； 在 R9 两端并联一电容 C5，可提高光控 电路的抗干 扰性能； VT2 与 VT4采用电阻直接耦合，以提高信号 传输效率。 该电路延 迟时间主要由 VT1 基极回路里的电阻 R2 与电容 C2 数值决定。如 图所示是一个 经改良的采用压电陶瓷片作声电换能器的声、光控楼梯走道延迟照明开关， 电 路结构显得比较简洁。 该电路的延迟时间受较多因素的影响， 图示数据延迟时间约 50s，如不符合要求，可以增减 C2 容量进行调整。调节 R9 阻值可以调整电路的光控起控点 2。13图 13 声光控延时路灯原理分析：VT4 为声控放大电路，VT3、VT2 组成单稳电路，VT1 为驱动器。白天 VT3 饱和导通，使声音脉冲被导通到地，声控不起作用。同时， VT1 饱和导通，可控硅不能被触发，即灯灭。晚上光敏电阻阻值增大，VT3 被截止，而 VT2 处于待触发状态。当有声音时，VT2 翻 转导通，上左负 右正的电压迫使 VT1 截止，可控硅被触 发导通，即灯亮。灯一旦点亮之后，经、 2、放电，VT1 的极电位逐渐由反偏变为正偏， VT1 导通，电灯灭 ，电路又处于等待状态。4.2 电源设计电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流全波整流；LC 、RC 滤波；三端稳压器稳压等。具体采用什么电路合适， 则根据主体 电路及执行机构不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。根据本 设计要求， 电源必须稳定，既限流，保证灯管电流不能过大，又可以 稳压，使 电路正常工作和截止。电源的设计流程如下：降压 整流 滤波 稳压图 14 电源设计框图降压稳流部分由 R1、C1、全桥整流和滤波电容 C1 组成，DW 稳压后得到+36V 的 电压，为电灯控制电路提供合适的工作电压 3。4.2.1 负载灯具电源设计主要实现灯具的负载稳压控制，要求既能够限制电流，又能够实现稳压控制， 还要体积小，重量轻。故如图，AC220 V 经保险丝， 电容降压后，再 经整流滤波，稳压管稳压后就能够得到稳定的直流电压 36V。其中元件选择上，电容大小 6F，14电阻为 1M，原理图如下+C 1动动动FU C 1R 1AC 2 20 vDC 3 6V图 15 负载灯具电源原理4.2.2 主控芯片供电电源设计主控电源主要给单片机和无线模块等集成块供电，要求稳压效果要好，并且纹波要小，体积小，重量亲，如图交流 220V 经过保险管后，再电容降压限流，整流滤波，最后经电阻限流保护后输出两组稳定的电压，分别共集成块和继电器使用。电路图如下，其中 C1 为 2F，R1 为 1M。C 1R 12 4V5 VR 2R 3动动动F uAC 2 20 V0 5 V 2 4 V+C 2图 16 主控芯片电源原理4.3 射频收发设计采用 PT2262 发射芯片， 对应的 PT2272 接收芯片，设计统一的地址，和频率，加上相应的发射电路和接收电路既可以实现无线收发了。4.3.1 发射模块发射机内部采用声表谐振器稳频，频率一致性非常好，稳定度极高，工作 频率 315MHZ 频率稳定度较高，使用中无需调整频点，特 别适合无线电遥控系统使用，而目前市场上的一些低价位无 线电遥控模块一般仍采用 LC 振荡器，稳定度及一致性较差，即使采用高品 质微调电容，当温度变 化或者震 动后也很难保证已调试好的频点不会发生偏移，造成 发射距离缩短。15R1 R2 R3R4R5R6R7VCCD0 D1 D2 D3SAW315MC2C1L2L1ANT3V动动Vcc Dout Osc1 Osc2 TE D0 D1 D2 D3VssA7A6A5A4A3A2A1A0P T 2 2 6 2图 17 发射模块原理4.3.2 接收模块接收模块从工作方式分，可以分成超外差接收和超再生接收。超外差接收成本相对较高，超再生式接收机具有电路简单、性能适中、成本低廉的 优点所以在实际应用中广泛采用，所以，设计中使用超再生接收方式。如 图所示，输出接至PT2272 的 14 管脚即可。图 18 超再生式接收原理图4.4 单片机控制电路设计 这部分主要包括单片机系统，输入接口， 输出接口，驱动电路和调光电路组成，当单片机接收到 PT2272 管脚传来的控制请求信号是， 单片机会调用不同的控制子程序来通过输出口控制驱动芯片 ULN2003，从而完成对负载的控制。下面是单片机主控制电路 4。16resetP1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST/VPD9 P3.0/RxD10P3.1/TxD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20 P2.0 21P2.1 22P2.223P2.3 24P2.4 25P2.526P2.6 27P2.7 28PSEN29ALE/PROG 30EA/Vpp 31P0.732P0.6 33P0.5 34P0.435P0.3 36P0.2 37P0.138P0.0 39VCC 40C5189C5112MJTC330pFC430pF+C522uFR1220R41K1R1 2R23R3 4R45R5 6R67R7 GND8 VCC 9Q7 10Q611Q5 12Q4 13Q314Q2 15Q1 16ULN20032003ULN2003动动动动动图 19 单片机控制模块系统调光电路采用单向可控硅，利用它的“过零自动 关闭”特性，AT89S51 只需在每个脉动电压周期内控制可控硅打开的平均时间或者说是脉宽调制，由于整流过后的脉动电压过零点时可控硅自动关断，即间接控制了灯光的亮度。电路原理图如下DENG动动动FUB T16 9动P2 .0AC220V图 20 白炽灯调光电路4.5 太阳能方案设计随着经济发展，我国的照明用电将大幅度提高， 绿色节能照明的研究应用，将越来越受到重视。太阳能照明灯具作为冷光源 产品，具有性价比较高、 绿色环保、安全可靠、质量稳定、使用寿命 长、安装 维护简便等特点，可广泛应用于绿地照明、公路照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明及家居照明。它既可以提供在线能源利用，又可以在 电能不能供应的情况下作为备用能源使用。4.5.1 太阳能供电系统框图太阳能供电的电源设计系统设计方框图如图 21 所示。主要由太阳能电池板，阻塞二极管，自动充放电电 路，蓄 电池，稳压电路和 负载电路组成 5。17太阳能电池板自动充放电路负载电路阻塞二极管 稳压电路蓄电池图21 系统设计方框图太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过阻塞二极管、充电控制器并联 向蓄电池充电。太阳能 电 池方阵分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。阻塞二极管作用主要是防止在蓄电池的电压在远远高于太阳能电池的电压时，蓄电 池通过太阳能电池板 进行放电，所以必 须在太阳能电池板和蓄电池之间接入一个阻塞二极管。自动充放电电路作用是防止损坏蓄电池。因为过充或过放对蓄电池的寿命都会有大的损伤，大大减少蓄 电池的使用寿命。控制过充过放的元件采用一个双电压比较器。蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚 间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里， 满 足用户要求的供电时间和供电量。稳压电路的设置是因为由于蓄电池的输出电压是 36V，但要通 过一个稳压电路对它进行稳压。太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过 放电保护的作用。太阳能供电控制电路设计 包括充电控制电路、防 过充电路、防 过放电路、稳压电路、太阳能 电池板和蓄电 池的选用等。4.5.2 太阳能电池板太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光伏效应。其转换过程由以下三个阶段组成：18（1）光的吸收和空穴电子对的产生在外部不给半导体任何能量的状态（绝对零度）下，电子充满介电子带，而导带则不存在电子。在这种状 态下，半 导体不显示导电 性，而是 绝缘体。当具有一定能量的光入射半导体时，如果光子的能量大小比特定值Eg 大时，那么，这种光就被半导体吸收。如果半导 体晶格吸收的光足够大，能够解除半导体晶格对电子的约束，就 产生自由电子，留下空穴。 为使被晶格约 束的电子变为自由电子，光子的能量必须等于或大于该半导体的禁带宽度，即Eg 电子伏 。若比携 带能量 Eg小的光子被半导体吸收，那么它 仅能透过半导体晶格，而对光电转换没有作用。（2） 电子空穴对的分离当半导体中没有电场时，光激发的电子空穴对均匀的分布在半导体中，但在外电路中并不能得到电流。只有以某种方法在半导体中形成势垒，才能使受激发的电子空穴对分开，从而可向外电路供电。 这种 势垒常用PN 结实现。PN结产生的电子空穴对的分离是有限的，但如果没有连接外部电路，则被分离的电荷不能消失，从而电荷蓄积在 PN两层，使PN结正向，即向着电位势垒变小的方向偏转，结果分离过程停止，得到正常状态。这时，把 PN结两端产生的电压叫开路电压。若考 虑使电荷短路状态 ，则分离的电荷在外部回路中流动而形成短路电流。因此，短路电流与照射的光量成正比。（3）过剩载流子的移动。图22 太阳能电池的发电原理图吸收入射光能产生的电子空穴对也不一定全部分离，电子空穴对产生的数目与分离的数目之比叫做收集效率。半导体中产生的电子空穴对借助存在于半导体中的电场产生的偏移效应和电荷的浓度梯度产生的扩散而移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，所以，通常在某个时间常数下，具有19返回平衡状态的倾向。通常把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在 产生的电荷从产生的地方向PN结移动所需要的时间比过剩载流子寿命还长的情况下，电荷不会因PN结而分离， 对能量的产生没有作用。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和PN结的位置来决定。如图22所示那样，当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子与空穴（因失去电子而带正的电荷）。如半导体中存在PN结，那么电子向N型半导 体扩散，空穴向P型半导 体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有 电荷流动产生电能。当受光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起端电压， 这时太阳能电池的工作情况可用图23所示的等效电路来描述。在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流 IL不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光 电流一部分流 经负载R L，同时在负载两端建立起端电压V，此 电压反过来它又正向偏置于p-n结二极管，引起与光电流反向的暗电流I D。但是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流 经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效 电路中可将它们的总效果用一个串联电阻R s来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处 形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这 种作用可用一个并 联电阻R sh来等效 6。IDshI RRshRs ILVIL图23 PN结太阳能电池的等效电路图4.5.3 蓄电池蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚 间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里， 满 足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄 电池，重要的 场合也有用 镉镍蓄电池，但价格 较高，相对来说应用没有前一种广泛。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方 阵除了供20给负载用电外，还要给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电（同时方阵还要给负载供电），晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。考虑到蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放 电效率要高，价格低廉，使用方便等因素，选用铅酸蓄 电池比较合适。4.5.4 太阳能供电控制电路由于太阳能输出的功率随着光照而改变，需要对太阳能电池板输出的电压进行稳压，减少电压的波动 ，图 24 所示为供电控制 电路， T1、T2 构成的蓄电池自动充电电路，它在电池充满 后自动停止充电，其中 D2 亮为正在充电，D1 为工作指示。由 R4、R5、T2 构成电压检测电路，蓄 电池电压低， 则 T1、T2 导通，实现对其充电；充满后，T1， T2 截止，停止充 电，同时 D1 熄灭，电路中 C4 的作用是滤除干扰信号。其电路图如图 24 所示。图 24 供电控制电路5 系统软件设计智能照明系统的软件设计主要体现出，各个模块的协调工作，以及各自的工作流程。当需要照明控制时，只需要操作手中的遥控器。控制信号通过按键输入， 经发射编码芯片 PT2262 编码，然后通 过信号放大，加 载高频载波，通 过发射电路天线，无 线发射出去。射频接收电路通过天线，接收到控制信号，并经放大整形后送给射频解码芯片 PT2272，经解码后的信号通 过 PT2272 相应的管脚，把信号送给 51 单片机，单片机会根据不同的输入，调 用或中断处理先应的程序，并由 I/O 口输出， 单片机21的控制信号传给了驱动芯片 ULN2003，并由 ULN2003 推动相关负载灯具或者继电器等工作。5.1 无线控制框图无线编码芯片无线发射模块无线接收模块无线解码芯片图 25 无线控制框图5.2 主程序控制流程开始初始化读取接收信号调用处理程序转换输出控制字开关控制驱动芯片操作灯效完成灯具变化结束图 26 主程序流程图6 系统测试22上电，按住单片机复位键不放，用万能表测单片机各 IO 口各管脚电平，都为高电位，表明单片机上电复位正常，且程序运行正常。然后用万用表毫伏档测量 PT2262 芯片输出端，分 别 按各输入键，表针所测TE 应有左右 摆动现像， 则表明发射程序运行正常，且在发射高频脉冲。接收电路上电时，各输出管脚无输出。遥控信号 输入后对应管脚为高电平。外围电路接线正确。然后将 发射板红外线发射管对准接收电路，按压输入键，同时用万用表测量对应脚，应 有轻微摆动。射 频信号接收正常。且相应输出位有动作，灯型有变化。开关电路上电，按住开关按钮，灯具以基本灯型点亮。 说明开关电路正常。调光程序调试，按调光键，此时灯亮度相应变化。说 明调光电路和程序正常，有待进一步测试调光效果。7 结论本文所讨论的基于射频的智能照明系统的设计采用了 ATMEL 的 89C51 单片机作为系统的中央控制单元，并结合软件编程， 实现 智能照明控制， 简化了系统操作，丰富了系统功能，符合未来照明智能化的 发 展方向。本系 统可以方便的实现功能扩展，如加上升级 模块，可以 实现系统的远 程升级；也为以后的智能照明打下基础。此外，本系统经过改进后还可以应用到智能家居电器控制的领域，通过远程通信实现对家用电器的远程控制。在通信网络日益完善、通信工具日趋普及的今天，是一种很值得推广的技术。该系统具有较高的性能价格比，由此开发出的智能照明产品符合未来智能照明的发展方向，很具市场发展潜力。致谢在本次毕业设计过程当中，指导老师邵老师以及答辩老师们都给予了很大的帮助支持，邵老师严谨的治学态度和务实的求知精神给我留下了很深的印象，他们鼓励我孜孜不倦，锐意 进取，特 别是在困难的时 候，他有意 识地培养我独立思考和解决问题的能力。邵老 师的严格要求，令我以后的工作和生活当中受益匪浅。在此，对他 们所给予的指导和帮助表示最衷心的感 谢。在大学期间，我还得到了其它众多老师和单位领导、同学们极大的帮助，在这里一并致以感谢！参考文献1朱勇.单片机原理与应用技术M.清华大学出版社， 2006.12新编电子电路大全M.中国计量出版社， 2001.1233康华光,陈大钦.电子技术基础（模拟部分）M.高等教育出版社，19994宋春荣等.通用集成电路速查手册M.山东科学技术出版社，2003.15贺文涛.太阳能 LED 照明系统的原理与应用J.电源资讯， 2006,2：34366赵争鸣.刘建政.太阳能光伏发电及其应用J .北京：科学出版社，2005(10)7袁茵.太阳能电池阳光普照J.电子技术，2006(3)8陈科.最新世界晶体三极管详尽参数及互换手册J .湖南科学技术出版社，2006(3)9范风强.单片机语言 C51 应 用实战集锦M.电子工业出版社，2003.310周鼎金等.学校教室照明与节能参考手冊M.教育部，200511邱关源.电路(第四版)M.高等教育出版社， 199912康华光,陈大钦.电子技术基础（数字部分）M.高等教育出版社，199913陈杰等.传感器与检测技术M.高等教育出版社， 200514黄龆煜等.出人口检测系统探究.漳州师范学院学报 (自然科学版) EB/OL ，2006.315田泽正等.路灯节能计数研究EB/OL.河南职技师院学报，1999.1224附录 1 客厅整体图 P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PROG30EA/Vpp31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40C5189C511R12R23R34R45R56R67R7GND8VCC9Q710Q611Q512Q413Q314Q215Q116ULN20032003ULN20032004DENG2005DENG2006DENG2007DENG+C17uFC2R1DW124VDW25VR2 500R3 500RP3RP1 RP2 RP412MJTC330pFC4 30pF+C522uFR4 1KR9R40074FU1122334455667788991010111112121313141415151616171718182272PT2272AC220V动动动动25附录 2 卧室白炽灯调光P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST/VPD9P3.0/RxD10P3.1/TxD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20 P2.0 21P2.1 22P2.2 23P2.3 24P2.