基于无线WiFi的灯光控制系统

基于无线WiFi的灯光控制系统绪论1.1研究的背景与意义在当下各种现代通信技术和信息技术不断快速发展，市场对电子产品的需求不断变化，照明设备是每个家庭都所需要的电器设备，自爱迪生点亮第一盏有家庭实用价值的电灯以来，已经有上百年的历史了，时至今日，对于家用电灯的控制方式仍大多使用通过有线连接的开关控制。这种方式在整个系统需要改动时显得十分不便布线不便且不宜改动。并且固定的开关并不能让人足够便捷的使用，而无线WiFi技术就为更方便的灯光控制系统提供了技术支持。在当今移动终端手机极度普及的情况下能够通过手机使用WiFi技术控制灯光就显得十分方便。通过STC89C52单片机为核心，实现基于无线WiFi的灯光控制系统，通过WiFi、光线和红外技术来对灯光进行更加方便灵活的控制。能够通过手机app对灯光的亮灭进行控制，同时还能在黑暗情况下检测到人的时候自动点亮。1.2研究的现状与发展趋势为了提高照明设备使用便捷性，此前家用灯光控制在有线开关的基础上厂家尝试使用了两种控制方法：一、红外遥控这种方法通过加装红外模块，使用红外遥控器对灯光进行控制。二、超声波遥控这种方法使用遥控器，通过超声波发射信号对灯光进行控制。其中第一种方式使用红外信号控制，就要求发射器和接收器之间不能有物体阻挡，否则就无法实现通信。在家庭环境中这种情况很容易出现，所以这种方式并不足够可靠，第二种方式使用超声波进行通信，超声波相较于红外遥控更为可靠，它能够通过反射绕过物体，在家庭环境中不会受到墙体等物体的影响。但仍依托于遥控器使用，在移动终端智能手机以及相当普及近乎人手一部的当下，使用手机通过WiFi控制就显得的更加便捷且更具前景。WiFi（WirelessFidelity）也就是“IEEE802.11B”是一种无线网络协议，即无线局域网协议。它的起源或者说网络多址接入协议的开端都可以追溯到1971年。经过长久的发展，WiFi技术在办公或者家庭环境中都已十分便捷。具有以下优势：（1）相对于红外和超声波控制WiFi控制范围更大、链接数目更多、能够绕弯、可以加密、便于集成于移动终端。（2）WiFi模块具有可扩展性，其内部集成了射频收发、MAC、基带处理、WiFi协议和配置信息及网络协议栈，用户利用它可以轻松实现串口设备的无线网络功能。WiFi模块的还具有通用性：在应用中能够连接不同的设备和操作系统。1.3研究的主要内容第一章绪论介绍本设计的背景、研究现状及其意义，并简述了本论文的研究内容、设计方向。。第二章系统总体设计方案主要描述了基于无线WiFi的灯光控制系统的内容和系统框图，介绍了本设计——基于无线WiFi的灯光控制系统所需使用的主要元件，阐述了选择这些元件的原因，为介绍系统和模块的设计做了铺垫。第三章系统硬件设计主要介绍了基于无线WiFi的灯光控制系统分模块化设计的硬件电路，这个设计的系统由多个实现具体功能的模块所组成。包含了以单片机为主的最小系统电路、按键电路、光线检测电路、红外检测电路、LED照明电路、指示灯模块电路第四章软件设计主要描述了主程序、WiFi模块程序和手机app程序的主要功能、设计思路和具体运行过程。第五章系统调试主要是对系统进行硬件焊接和硬件调试，介绍硬件焊接思路和出现的问题，并附上焊接电路实物图；硬件调试中，在自动模式和手动模式通过按键和WiFi控制系统。第六章结论与展望对全文进行归纳、总结、并指出需进一步深入探索的方向。

2系统总体方案设计2.1系统内容概述本文研究是一种以STC89C52单片机为核心器件，把无线WiFi控制和单片机技术结合起来实现灯光的控制。该设计包括最小系统模块、LED照明模块、光照强度采集模块、人体红外采集模块、按键模块、WiFi模块。该设计分为自动和手动两种模式，自动模式下可以根据外界光照度，在环境较暗且检测到人体的情况下点亮灯光。一旦人离开红外检测范围，即红外热释传感器检测不到有人时，延时后自动熄灯。模式可以通过按键和手机软件进行切换。在手动模式下可以通过按键和手机连接WiFi控制灯光。系统框图如图2-1所示 图2-12.2选用器件描述2.2.1STC89C52单片机本系统使用的是一种CMOS8位单片机,它是由STC公司所研制的,此单片机具备许多优势,器件运用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,片内含8k字节的可重复擦写的Flash只读程序存储器和256k字节的随机存取数据存储器,这款单片机在传统51单片机上做了进一步的改良,使它的性能更加强大并且可以适用于更多较复杂控制系统使用的场合。引脚功能：STC89C52有40个引脚，是使用HMOS工艺生产而成的，其外部引脚排列如图2-2所示图2-21、电源引脚：接+5V电压，为40号引脚，英文为VCC;接地引脚，为20号引脚，英文为VSS。2、时钟引脚：XTAL1引脚是连接外部晶振的一个引脚，在内部，它是单片机里的一个反相放大器的输入端，当采用外部振荡器时，该脚接地。XTAL2(18脚)接外部晶振的另一个引脚，当采用外部振荡器时，该脚接外部振荡器的输出端。3、控制引脚：RESET（9脚）复位脚，使单片机延时的时候能够稳定读取代码2.2.2光敏电阻光敏电阻是一种特殊电阻器，其阻值随着光照强度的变化而发生变化：光照强度越强，阻值越小；光照强度越小，阻值越大。原因就是它是由用硫化镉或硒化镉等半导体材料所制成。本文的基于无线WiFi控制的灯光系统的设计就是利用了光敏电阻的这一特性，通过这个元件反应环境的明暗程度。光敏电阻对光的敏感性与人对可见光的响应差不多，根据它的光谱特性可以分为：红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器和紫外光敏电阻器三种，每种电阻器都运用不同的方面和领域。2.2.3热释电红外传感器热释电红外传感器的工作原理是基于热电效应的红外传感元件，由传感器探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器组成，通过感知人体所发出的红外线处理为电信号通信至单片机处理，通常人体所能够发出的红外线具有特点的波长，所以系统使用的传感器就是针对这一特定波长所工作的，就能够知道周围是否有人存在。热释电红外线传感器也是一种非常节能的元件，工作很久所消耗的功率还是很小，有的传感器会有辐射，很容易被检测出来，但是这个传感器不会发出任何的辐射信号，没有相当先进的高科技手段是无法被检测出来，所以它广泛运用于安全监测方面。2.2.4HC-SR501模块人体红外检测模块选用的是HC-SR501集成模块，整个模块只有一元硬币那么大，主要集成了一个进口芯片、一个外接输出接口、一个光学透镜、四个电容、两个变阻器等，模块的输出是由简单的高低电平变换输出的。其中光学透镜使用菲涅尔光学透镜，根据光学中的干涉和扰射制作而成，对镜面的要求就很高。镜片感应距离有5米以上，因为是一个圆面的镜片，所以它的感应角度也很大，它的技术指标参数如图2-3所示图2-3HC-SR501模块技术参数2.2.5LED灯LED灯叫做发光二极管，它在我们日常生活中的使用日渐普遍，它起源于二十世纪六十年代，它主要的工作原理就是依靠半导体的特性。由是一块半导体晶片，它可以把电能转化成可见光，整个晶片被氧树脂封装起来，是一种P-N型构型，当电流通过这个晶片时，内部的电子聚集在P区，电子和空穴相聚后以光子的形式发射能量。LED灯可以发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光，发射出的颜色不同主要是由于发射出的光波长不一样,这就与我们灯的材料有关。和其他的灯种相比，LED灯不但节能而且使用寿命比较长，因为它经过了长期的发展和演变，体积越来越小，使用的材料不含污染物，充分体现了环保的理念。LED灯越来越常见，并且普遍的在日常生活中使用，价格也越来越便宜。2.3小结本章主要描述了基于无线WiFi的灯光控制系统的内容和系统框图，介绍了本设计——基于无线WiFi的灯光控制系统所需使用的主要元件，阐述了选择这些元件的原因，为介绍系统和模块的设计做了铺垫。3系统硬件设计3.1硬件整体方案设计基于无线WiFi的灯光控制系统的使用模式有两种，分别是通过功能模块能够自行工作的自动模式和可以使用按键或WiFi控制的手动模式，在上电之后首先是运行在自动模式下，光敏电阻对外界的光线变化做出反应，然后传给单片机，这样单片机就知道外面光线强弱，同时传感器会判断有没有人，有人存在就会点亮LED灯，一分钟检测不到人就会自动熄灭。通过WiFi模块ESP8266可以创建热点，将手机连接至已经创建好的热点，打开安装好的手机app连接建立通信就可以对使用手机对灯光系统进行各种控制操作。通过按键和手机可以将系统的工作模式切换成手动模式，就可以用按键点亮或熄灭LED灯。设计的整体电路原理图基于无线WiFi控制的灯光系统的结构图如图3-1所示图3-13.2最小系统模块单片机的最小系统主要由三个电路所组成：复位电路、晶振电路、电源电路，STC89C52的最小系统复位电路由一个15F电容器和一个15K的电阻并联组成，连接在单片机第9脚。上电时电容两端的电压不发生快速的变化，电容相当于导通，Vcc端的5V电压流过电容，最后流向9脚，此时单片机RESET端置高电平，单片机代码无法执行；当电容充满电，C1相当于断开，9脚没有电压经过，5V电压通过电阻R4流向地被消耗，此时单片机RESET端置低电平，单片机代码被执行。因此，在C1充满电过程中，单片机和其他设备都供电稳定，RESET端从高电平到低电平的变化，代码执行时不会导致程序出错。电容C1和电阻R4这两个元件构成复位电路，上电之后让单片机延时执行代码我们称为上电自动复位[13]。复位电路让电路初始化到一个状态，将正在运行的电路转变到空状态下，在单片机内部，将一些存储器寄存器设备放到一个事先设定的值，在程序出现死机的时候就能起很大作用，这样设计就能够保证电路稳定的运行。晶振电路由两个35pF的电容和一个11.0592M的晶振构成，晶振全称是晶体振荡器，11.0592M表示晶振每秒钟产生11059200个正弦波。单片机每收到大约11个正弦波就执行一条指令，晶振就不断地产生约11个正弦波。C2和C3这两个小电容在充放电过程中可以协助晶振在上电时迅速产生稳定可靠的正弦波信号，它的功能是帮助警惕能够顺利开始振动，如果系统电路中不设计这两个电容，晶体有可能就无法正常工作。晶振电路是整个系统至关重要的一部分，它为系统提供一个基本的时钟信号，时钟速率越快，单片机运行速度就越快，所有的指令执行都必须依靠晶振，称之为系统工作的心脏。电源电路由电源插座、电源开关、稳压芯片LM1117-3.3以及电容电阻二极管组成，电源插座有三个引脚，有一个固定脚不用连接，作用是使插座在板子上稳定。电源开关有两组引脚，一边有三个，在每个引脚上标上序号（本设计只用123端）。当电源开关没有按下去时，2和3连接，表明1和2断开；当按键按下去时，1和2连接，表明2和3断开，2脚为公共端。当插上电源线时，5V电压流过电源开关，按下开关，电压从2脚流出，Vcc端有5V电压，GND变成0V。稳压芯片LM1117-3.3是一个低压差线性电压调节器。对电路提供电流限制和热保护。电源电路能为系统供电，使系统平稳运行，并且保证程序使用过程中不出错。最小系统模块如图3-2、3-3所示图3-2图3-33.3按键模块按键电路是由三个按键并联而成的，按键的一个引脚连接单片机，一个引脚接地，当按键未按下时，连接单片机这一段电压为5V，另一端是0V。本次设计有两种工作模式：自动模式和手动模式，就需要通过按键模块来控制，但是智能节能台灯设计只需三个按键，分别是“模式切换按键”、“亮度减少按键”和“亮度增加按键”。按键连接如图3-3所示，按键模块就是将各个按键整合在一起，在设计当中免不了要进行人机交互，按键是最简单的一种连接模式，这样设计就可以手动改变电路工作模式，不仅仅只由软件控制。按键电路如图3-4所示图3-43.4人体红外感应模块这个模块只有三个引脚，其中Vcc接5V电压，GND接0V电压，中间的OUT脚是一个信号输出引脚，它与单片机的IO口P22相接，当红外线检测模块检测到周围有人经过，就会输出一个高电平，没有人的时候是一个低电平。通过高低电平的输出单片机就能做出指令，从而控制整个系统无误的工作。在这个电路中，HC-SR501集成模块可以检测到人体的移动或者存在，并把输出的信号以电压值的形式转换出来，然后由单片机对信息进行分析。这样设计就可以很精确地检测到电路周围是否有人，从而能够对环境做出应答。模块原理图如图3-5所示：图3-53.5WiFi电路本设计WiFi电路使用ESP8266系列无线模块。ESP8266有八个引脚，分别为RST复位引脚、EN芯片使能端、VCC模组供电引脚、GND接地引脚、RXD数据接收引脚、TXD数据发射引脚和IO2与IO0。本系统使用时将模块的TXD接到89C52的RXD引脚，RXD接到89C52的TXD引脚。VCC接3.3V,GND接地。如图3-6所示 图3-63.6LED照明电路LED照明电路主要由和四个LED灯泡和四个电阻组成，它们是并联关系。当单片机输出一个低电平，这个开关是打开的，Vcc端的5V电压就可以流向4个小灯，最后流向GND，形成4个回路，灯就被点亮；当单片机输出一个高电平，电压就不能流到灯这里，灯就不亮。简单来说，当单片机输出高电平，灯不亮；输出低电平，灯亮。LED灯原理图如图所示，这一部分电路的功能就是点亮或熄灭灯泡，由单片机把不同的信息传递过来，然后小灯做出相应的结果，本设计选用的小灯是一种4个二极管并联在一起的比较节能省电。LED照明电路如图3-7所示图3-73.7小结本章主要介绍了智能灯光控制系统分模块化设计的硬件电路，整个系统包含了以单片机为主的最小系统电路、按键电路、光线检测电路、红外检测电路、发光二极管灯光电路、指示灯模块电路

4软件设计4.1软件开发环境本设计的编程语言为C语言，编程环境为keil4,对于STM32单片机或者其他单片机而言，编译器的作用是将C语言进行编译生成单片机可执行的二进制文件HEX文件。Keil成开发环境，以下简称Vision4，该软件有多个版本分为C51、ARM等，不同的版本对应不同的处理器。另外keil还可以编写一个小型的操作系统为uscos等，在编写程序后，可通过该软件的编译功能生成单片机可执行的HEX文件。Keil中调试单片机的程序的方法如下。创建一个工程的步骤如下：1.打开Vision4的软件，建立一个工程并选择CPU型号，本次设计为；2.在新建的工程文件中新建C语言文本文件；3.根据单片机型号选择单片机相关配置，如时钟等；4.在DEBUG选项中选中CreatHEX文件选项，生成HEX文件。5.把HEX文件烧录到单片机。4.2.主程序该系统的软件设计程序包括WiFi模块程序、红外检测程序等。其中，对STC89C52的编程使用C语言，先对WiFi模块进行初始化，创建热点。按键切换自动或手动模式，手动模式下按键控制IO口电平点亮或熄灭灯泡。自动模式通过光敏电阻和红外检测模块判断是否点亮灯泡。主程序流程图如图4-1所示图4-14.3WiFi模块程序设计WiFi模块初始化过程，首先设置AP模式、复位。再创建热点、开启多连接，开启TCP服务，设置端口号，再设置为永不超时 //WIFI模块初始化 Send_Str("AT+CWMODE=2\r\n");//选择AP模式 delayms(3000); Send_Str("AT+RST\r\n");//复位 delayms(3000); Send_Str("AT+CWSAP=\"APP2020\",\"12345678\",11,3\r\n");//模块创建热点 delayms(3000); Send_Str("AT+CIPMUX=1\r\n");//开启多连接 delayms(3000); Send_Str("AT+CIPSERVER=1,8080\r\n");//开启TCP服务，设置端口号 delayms(3000); Send_Str("AT+CIPSTO=0\r\n");//永远不超时 delayms(3000); memset(UsartReceive,0,sizeof(UsartReceive)); memset(rxbuf,0,sizeof(rxbuf)); led1=led2=led3=led4=1;4.4手机app程序本设计的手机app使用易语言进行编译。4.4.1易语言易语言又叫E语言是一种国产的软件编程的规则，它通过中文进行程序的编写。发明易语言的目的是使用中文来进行软件的编写，有利于国人以自己的想法开发软件，并且不必再去进行欧美模式的学习和研究。易语言最大的特点便是容易方便，大大的降低了程序设计的门槛和入门的困难。自本世纪伊始，易语言已经逐渐成长到了一个可观的规模，其作用、使用人数很可观。易语言的编程开发环境是能够满足基于编程时汉语字词的使用的、全可视化的、跨主流操作系统平台的编程工具环境；而且易语言不只是编译语言的中文化，E语言中还特意设置了适宜中国情况的指令，4.4.2手机程序设计手机app程序共有14个按钮，分别控制手动自动模式的切换，四个LED灯的开关，通信的连接与断开，以及数据清楚和返回手机主界面几个功能。部分程序如下：事件主窗口.创建完毕()'标签1.背景颜色=无色'标签2.背景颜色=无色'标签1.可用=假'编辑框1.背景颜色=无色结束事件事件连接.被单击()客户1.连接服务器("",8080,5000)结束事件事件客户1.连接完毕(连接结果为逻辑型)判断连接结果分支真连接.可用=假断开.可用=真连接.字体颜色=灰色断开.字体颜色=白色'标签1.标题="连接成功"时钟1.可用=真时钟1.时钟周期="1000"'客户1.发送数据(文本到字节("@124314$","GBK"))分支假连接.可用=真断开.可用=假连接.字体颜色=白色断开.字体颜色=灰色'标签1.标题="设备未连接"时钟1.可用=假时钟1.时钟周期="0"结束判断结束事件事件客户1.连接断开()连接.可用=真断开.可用=假连接.字体颜色=白色断开.字体颜色=灰色'标签1.标题="设备未连接"时钟1.可用=假时钟1.时钟周期="0"结束事件事件时钟1.周期事件()'如果标签1.标题="连接成功"则'结束如果结束事件事件主窗口.按下某键(键代码为整数型,传址屏蔽为逻辑型)变量结果为整数型判断键代码分支返回键返回桌面()结束判断结束事件事件断开.被单击()客户1.断开连接()连接.可用=真断开.可用=假连接.字体颜色=白色断开.字体颜色=灰色'标签1.标题="设备未连接"结束事件4.5小结本章主要描述了主程序、WiFi模块程序和手机app程序的具体运行过程基于无线WiFi的灯光控制系统5系统调试5.1硬件电路焊接5.1.1电路器件依据本设计的原理图将系统所需主要元器件列出，该系统元器件清单如表所示表格5-1主要元器件清单CommentDesignatorQuantity电容10uFC11电容30pFC2,C32电容10uFC41电容104C51光敏电阻GX11单片机STC89C52IC11红外传感器HC-SR501IC21比较器LM393IC31稳压芯片LM1117-3.3IC41WIFI模块esp8266IC51电源J11按键KEY1,KEY2,KEY3,KEY4,KEY5,KEY66发光二极管LED1,LED2,LED3,LED4,LED5,LED66电阻470R1,R62电阻220R2,R3,R4,R94电阻10KR51电阻10KR71电阻10KR81开关SW11晶振11.0592MY115.1.2电路焊接首先先构思该系统的整体布局，规划各元器件放置位置，进行合理排版，后再进行元器件的焊接。在焊接过程中依照原理图和设计好的布线方式仔细的操作，分模块进行焊接，便于检测排查故障。焊接完之后再检查，看有无多焊、漏焊以及错焊等情况。在检查的过程中，要注意硬件电路中各管脚是否有焊接在一起的情况，若有错误改正即可。焊接过程中出现了将ESP8266模块烧坏的情况，更换元件后系统电路成功完成。电路实物图如下图5-1图5-25.2系统硬件调试系统硬件调试就是对已经完成的实物进行使用的测试