智能家居灯光控制.doc

智能家居灯光控制引 言随着科技的不断进步，人们对生活水平和生活质量的要求也相应的提高了，家居灯光的照明与人们的生活息息相关，本设计通过对老式家居灯光控制系统进行改造，将原机的机械开关控制改为单片机红外线遥控控制，说明了单片机在现代家庭灯光智能控制中的适用性、灵活性、先进性。通过对家庭灯光控制电路改造后，大大提高了人们的使用舒适感，使人们的生活提高了一个台阶。 本设计运用单片机作为红外发射和接收模块的主控芯片，采用8051系列单片机发射红外脉冲,通过单片机解码来控制继电器的开合,进而控制灯光的导通与断开，同时控制晶闸管的导通时间,来控制灯光的亮暗程度。这样一个遥控器就可以控制整个房间的灯光开关的开合与灯光的明暗程度，遥控器可以在房间内任意移动，用此方法，成本低，结构简单，体积较小，操作方便，只需按下相应的键盘按钮就能对灯光进行控制，方便实用，在各行各业均具有较广泛的用途，发展前景良好。 关键词：灯光控制、单片机、红外1. 方案论证 1.1 系统功能定义根据设计要求，可以先大致勾勒出要完成设计，需要几个模块具有如下图所示的的功能，图1-1 发射接收框图1.2 总体方案 通过对系统功能的定义，可以将基于单片机的红外遥控控制采用单片机控制红外发射二极管发射脉冲，用一体化接收头接收，经单片机处理，执行相应的灯光控制功能。 整个系统控制将由AT89S52单片机芯片为核心构成，红外发射二极管发送脉冲，SM0038作为接收红外接收头，继电器作为控制灯管开关部分，晶闸管作为调光部分，流水灯作为模拟灯光控制部分。 设计任务：用单片机，红外发射二极管，一体化接收头等实现红外遥控控制继电器，晶闸管流水灯的导通与断开。设计要求：完成该系统的软硬件设计，学习掌握采用单片机进行红外遥控控制的设计方法提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。2.系统硬件电路设计2.1 系统硬件框图根据系统功能要求，可以先大致勾勒出完成任务所需的系统硬件框图如下：4*4键盘单片机红外发射图2-1 发射框图灯光控制单片机处理红外接收图2-2 接收框图发射模块按下4*4键盘相应的按键，单片机通过红外发射二极管发射相应的脉冲，接收模块通过SM0038接收脉冲，送入单片机，进行处理，从而去控制继电器，晶闸管，流水灯的导通与断开，留有几个P口作为功能的扩展。2.2 发射模块发射模块采用4*4键盘，单片机，红外发射二极管等器件来实现红外发射功能。2.2.1 键盘模块图2-3 键盘电路图矩阵式键盘的结构和工作原理：在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口线的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如上图所示在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。一个并行口可以构成4*4=16个按键，直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多区别就越明显。比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一个键9键，由此可见，在需要的按键数量比较多时，采用矩阵法来连接键盘是非常合理的矩阵式结构的键盘显然比独立式键盘复杂一些。识别也要复杂一些在上图中，列线通过电阻接电源，并将行线所接的单片机4个I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入端，这样当按键没有被按下时，所有的输出端都是高电平代表无键按下；行线输出是低电平一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。矩阵式键盘的按键识别方法 确定矩阵式键盘上任何一个键被按下通常采用行扫描法或者行反转法行扫描法又称为逐行或列扫描查询法它是一种最常用的多按键识别方法因此我们就以行扫描法为例介绍矩阵式键盘的工作原理1判断键盘中有无键按下 将全部行线X0-X3置低电平然后检测列线的状态只要有一列的电平为低则表示键盘中有键被按下而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中,若所有列线均为高电平则表示键盘中无键按下2判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程.其方法是:依次将行线置为低电平即在置某根行线为低电平时,其它线为高电平当确定某根行线为低电平后再逐行检测各列线的电平状态；若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。2.2.2主控模块一、主控模块功能分析 在本系统中，主控模块居于非常重要的地位。它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。它一方面控制着红外脉冲的发射，另一方面也控制着红外脉冲接收后的处理功能。最重要的是，遥控控制的主要模块由打片机控制，从而使整个系统进行正常的运转和工作。针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了AT89S52芯片，此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。二、 AT89S52芯片的功能特性 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器， 具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。其主要性能如下: l 与MCS-51单片机产品兼容 l 8K字节在系统可编程Flash存储器 l 1000次擦写周期 l 全静态操作：0Hz33Hz l 三级加密程序存储器 l 32个可编程I/O口线 l 三个16位定时器/计数器 l 八个中断源 l 全双工UART串行通道 l 低功耗空闲和掉电模式 l 掉电后中断可唤醒 l 看门狗定时器 l 双数据指针 l 掉电标识符图2-4 单片机引脚图在本实验中，单片机控制48KHZ红外脉冲的发射，和接收，并作出相应的处理。三、 红外发射二极管红外线发光二极管，发光元件的种类很多，依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元 件。红外线发光元件，是以砷化镓(GaAs)的红外线发光二 极管（也称红外线发射二极管）为主体。 1.电流电压特性 红外线发光二极管其电气的电路符号及特性曲线，如图1所示。阳极（P极）电 压加正，阴极（N极）电压加负，此时二极管所加之电压为正向电压，同时亦产生 正向电流，提供了红外线发光二极管发射出光束的能量，其发光的条件与一般的发 光二极管(LED)一样，只是红外线为不可见光。一般而言砷化镓的红外线发光二极 体约须1V，而镓质的红色发光二极管切入电压约须1.8V；绿色发光二极管切入电压 约须2.0V左右。当加入之电压超过切入电压之后，电流便急速上升，而周围温度对 二极管的切入电压影响亦很大，当温度较高时，将使其切入电压数值降低，反之， 切入电压降低。 红外线发光二极管工作在反向电压时，只有微小的漏电流，但反向电压超过崩 溃电压时，便立即产生大量的电流，将使元件烧毁，一般红外线二极管反向耐压之 值约为36V，在使用时尽量避免有此一情形发生。 2. 响应特性 响应特性所指的是，红外线发光二极管加入电流后，至发光的时间般红外 线发光二极管的响应时间是随其制作方法不同而异。现在最快的是液体成长型红外 线发光二极管，其响应速度约在13uS ，亦即在适当调节下，其使用频率约在300KHz 以下。 3。包装与外型 红外线发光二极管的包装种类分为三种，透镜消除型、陶瓷型及树脂分子型， 其包装构造，如图6所示，若在使用环境上，用途上要求严格的话，应使用陶瓷型的最佳。红外线发光二极管的外型，如图所示。图2-5 红外发光二极管外形本设计中，遥控编码格式该遥控器采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为2个脉冲，最大为17个脉冲。为了使接收可靠，第一位码宽为3ms,其余为1ms,遥控数据帧间隔大于10ms，遥控码的发射当某个操作键按下时，单片机先读出该键值，然后根据键值设定的遥控脉冲个数，再调制成38KHz的方波由红外线发射管发射出去，从而达到红外脉冲的发射的目的。2.3接收模块 接收模块主要用到一体化接收头SM0038,74HC573,触发器，数码管，和处理部分的继电器，晶闸管，双向可控硅等器件。2.3.1一体化接收头本设计采用SM0038作为红外接收器件，根据接收红外脉冲的个数单片机进行相应的处理，如下图所示为一帧数据的接收。 图2-6 一帧遥控码波形图一、 SM0038主要特征SM0038是一种常见的红外接收头，是集合了接收，发达，解调为一体的红外接收头，一般红外信号经过红外接收头解调后，数据0和1的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输出脚链接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部间隔的时间从而获取数据，重点是找到数据0和1间的波形差别。二、一体化接收头的主要特征一体化接收头一般是接收，放大，解调一体头，接收头输出的是解调后的数据信号，单片机里面需要相应的读取程序。成品红外接收头的封装大致分为两种：一种采用铁皮屏蔽； 一种是塑料封装。均有三只引脚，即电源正，电源负，和数据输出。红外接收头的引脚排列因型号不同而不仅相同，成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用非常方便，但使用时注意成品红外接收头的载波频率，另外在遥控编码芯片输出的波形，在接收端收到的接收信号时，接收头收到的波形正好与遥控发射的波形想法，红外遥控常用的载波频率一般为38KHZ。2.3.2 显示模块一、74HC573芯片工作原理74HC573数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制,外形及内部逻辑图等如图所示。图2-7 74HC573外形图2-8 74HC573内部逻辑图功能表,操作条件，及最大值范围如下：表2-1表2-2时序波型变换图如下所示： 图2-9 时序变换波形图本设计中74HC573作为驱动数码管显示来使用，通过74HC573的所存功能实现数码管显示与状态所存。2.3.3 数码管工作原理数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。数码管外形及内部原理图如下： 图2-10 数码管外形及内部原理图使用LED显示器时，要注意区分这两种不同的接法。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。为了显示数字或字符，必须对数字或字符进行编码。七段数码管加上一个小数点，共计8段。因此为LED显示器提供的编码正好是一个字节。2.3.4 灯光控制模块一、继电器工作原理继电器 就是电子机械开关，它是用漆包铜线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈，当线圈中流过电流时，圆铁芯产生了磁场，把圆铁芯上边的带有接触片的铁板吸住，使之断开第一个触点而接通第二个开关触点。当线圈断电时，铁芯失去磁性，由于接触铜片的弹性作用，使铁板离开铁芯，恢复与第一个触点的接通。因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关。整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着，有的还是全密封的，以防触电氧化。 本设计中通过P口输出地高低电平来确定继电器的开关的开合，从而决定了继电器控制端的导通和断开。二、晶闸管工作原理可控硅也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极A，阴极K和控制极G 。 可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。 可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极，由中间的P极引出一个控制极。 单向可控硅有其独特的特性：当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。 双向可控硅的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列（电极引脚向下，面对有字符的一面时）。加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时，就能改变其导通电流的大小。 与单向可控硅的区别是，双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时，其导通方向就随着极性的变化而改变，从 而能够控制交流电负载。而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通，所以可控硅有单双向之分。电子制作中常用可控硅，单向的有MCR100等，双向的有TLC336等。本设计中P2.0口为调光脉冲输出,输出脉冲由三极管9012放大后经光电耦合器MOC3021驱动双向可控硅控制负载；P3.0口为交流50Hz同步检测输入。系统对市电进行变压、整流、并经施密特触发器整形后得到100Hz的方波（周期10ms），作为发送调光脉冲的同步信号，系统采用10ms为一个“单位时间”的长度，灯的亮度越高，则可控硅导通时间的占空比越大。三、 发光二级管 特征及原理发光二极管在日常生活电器中无处不在，它能够发光，有红色、绿色和黄色等，有直径3mm、5mm和25mm长方型的的。与普通二极管一样，发光二极管也是由半导体材料制成的，也具有单向导电的性质，即只有接对极性才能发光。发光二极管符号比一般二极管多了两个箭头，示意能够发光。通常发光二极管用来作电路工作状态的指示，它比小灯泡的耗电低得多，而且寿命也长得多。用发光二极管，还可以构成电子显示屏，证券交易所里的显示屏就是由发光二极管点阵构成的，只是因为各种色彩都是由红绿蓝构成，而蓝色发光二极管在以前还未大量生产出来，所以一般的电子显示屏都不能显示出真彩色。 本设计中通过单片机对接收脉冲个数做出的处理，从而控制P口的高低电平，来控制LED灯的明亮与断开，LED的亮暗作为对家电灯光控制的模拟。2.4电路原理图的绘制与电路的焊接2.4.1 PROTEL简介PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100布通率。Protel 99SE采用数据库的管理方式。该软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能在加工印制版之前可以看到板的三维效果。其具有的打印功能，可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel 99SE容易使用的特性还体现在其帮助功能，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用帮助顾问。2.4.2 电路的焊接 当通过PROTEL绘制出完整的电路原理图后，就可以按照绘制好的原理图进行电路的焊接，焊接时要注意虚焊和短路情况出现。焊接是要先焊电源及单片机的主电路，以便于对各部分电路的测试。当焊完一部分子电路后，要先输入子程序进行检测，看是否有输入或输出。焊完后，就可以进行电路总体性能测试了。在测试之前，一定要先对电路检测，看是否有短路情况出现，以免芯片损坏。电源输入电压也是关键因素，在供电之前先量量。3系统软件设计3.1 红外发射控制图3-1 红外发射流图本设计中P1口作为键盘扫描端口，具有16个操作键，可分别控制单片机发出16种不同脉冲，执行16种操作。键盘扫描开始，检测有无按键按下，当没有按键按下时，继续扫描键盘，当有按键按下时，确定是哪个键按下，在发送相应的几个脉冲。3.2 红外接收控制图3-2接收流图本设计接收部分，是检测有无脉冲的发射，若没有检测到脉冲的发射，等待，P3.1口为红外遥控码输入，采用集成红外线接收路SM0038，此集成元件体积小、抗干扰性好、灵敏度高、并且价格低廉，若检测到了，则单片机进行处理，计脉冲个数，从而控制P0口与P2口等高低电平，来控制继电器，流水灯的导通和断开，且通过控制的导通时间来控制灯光的明暗程度，且在数码管上显示敏感程度。4调试与总结在硬件电路焊接和软件程序设计分别完成的基础之上，进行软硬件的结合与调试。通过下载将在电脑上已完成的程序下载到单片机芯片中。在调试中发现硬件出现问题，晶闸管控制灯光亮度这功能没有实现，主要是跟市电没有同步不能准确控制灯光的导通时间，其他功能均实现，确保系统其他功能能正常工作。通过反复的调试与实验，可以证明该系统除晶闸管控制没完成外，能够完成设计所需的其他的基本要求。即能够方便准确的控制开关。同时在完成设计要求的前提下，考虑到了外观，成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。虽然整体性能良好，但尚存在些许不足，红外线容易受到干扰导致系统稳定性不够，且电路焊接时有些地方不够规范，也造成一些干扰，需要增强自己的焊接水平以便以后避免出现类似问题。现在家居灯光多数是由几十个高亮度发光二极管组成，经考虑，可以通过单片机控制发光二极管的导通个数，来控制灯光的亮暗程度，对于本次设计的遥控器，根据其他电器内部解码不同，只需改变一下遥控中主控芯片单片机的红外编码，即可以达到对空调、电视、DVD等家电的智能控制。感 言通过此次毕业设计,我学到了很多知识。在实物的设计和论文的写作过程中,通过查资料和搜集有关的文献,培养了自学能力。通过对硬件电路的设计和焊接，增强了自己的动手能力。并且由原来的被动接受知识转换为主动的寻求知识，学会了更好地让所学知识与实践相结合，让书本上的知识与实际生活中的具体应用相结合。让自己切实感觉到了学有所用。并在此期间巩固复习了在大学4年内学过的知识，尤其是单片机和模电，数电及器件选择方面的知识。同时通过这次毕业设计提高了自己的单片机编程的能力，尤其是获得的软件调试经验，同时也让自己知道了自己不足和缺陷，从而为自己能更好的改进提供了帮助。 致 谢经过四年的学习，现在终于要毕业了，在各位同学和老师的帮助下，本次毕业设计也得以顺利完成。在此，首先感谢我的老师，感谢各位老师在这四年间在学习和生活上对我的关心和照顾；感谢各位同学在学习上给我的鼓励，在生活上给我的帮助。其次，感谢我的指导老师葛明涛老师，葛老师治学严谨，学识渊博，为人和蔼，在我做硬件和论文期间给我的指导和建议让我受益匪浅，他在忙碌中给我修改论文，帮助我更好的设计硬件，给我很多宝贵的建议；在论文选题，开题，设计等方面都得到葛老师的指导和帮助，借此机会，向葛老师表示衷心的感谢。再次，感谢我的家人在我学业上的支持和鼓励，在我求学期间，始终给予我最大的支持和动力，使我勇于面对挫折和克服困难，顺利的完成了学业。感谢各位评委老师百忙中审阅我的论文，谢谢！ 参考文献1谭浩强 C程序设计 ，清华大学出版社， 1999.122 李群芳 肖看 单片机原理接口及应用， 清华大学出版社，2005.33杨全胜 现代微机原理与接口技术， 电子工业出版社， 20044谢淑如 郑光钦 杨渝生 Protel PCB 99SE电路版设计， 清华大学出版社，2001；5童诗白 华成英 模拟电子技术基础M，高等教育出版社，2000；6阎石 数字电子技术基础M，高等教育出版社，1998；7李华 MCS-51系列单片机使用接口技术M，北京航空航天大学出版社，1993；8彭为 单片机典型系统设计实例精讲M，北京电子工业出版社，2006；9潘永雄 新编单片机原理与应用M，西安电子科技大学出版社，2003；10黄 明 C语言课程设计， 北京， 电子工业出版社，2006.611 William K.Pratt. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications New York: Wiley,200112 Jacek Zurada. VLIW Microprocessors.Boston:PWS PublishingCo.,2004附录一 发射与接收电路原理图 一 发射电路原理图二 接收电路原理流图附录二 发射与接收程序一 发射模块程序：#includesbit op=P35;int count=0;void delay1ms(int x);int scanner(void );void sent(void );/*主函数*/main() IE=0x82; TMOD=0x02; TL0=0xf3; /13us TH0=0xf3; op=0; while(1) count=0; P1=0xf0; if(P1!=0xf0) delay1ms(100); if(P1!=0xf0) count= scanner( ); if(count!=0) sent( ); /*延迟函数*/void delay1ms(int x) int i,j; for(i=0;ix;i+) for(j=0;j120;j+);/*扫描函数*/scanner( )int i,j,k=0,l=0,scan; scan=0xf7;for(i=0;i4;i+) P1=scan; k=(P1)&0xf0; for(j=0;j4;j+) if(k=(0x101)|0x80; /*定时器0*/void t0()interrupt 1 TL0=0xf3; TH0=0xf3; op=op;/*发射函数*/void sent(void ) int i; op=1; TR0=1; delay1ms(5); TR0=0; op=0; delay1ms(1); for(i=0;icount;i+) TR0=1; op=1; delay1ms(1); TR0=0; op=0; delay1ms(1); 二 接收程序：#includevoid chang(void);int decode(void);char code table10 = 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7