【導讀】本文通過(guò)遙控技術(shù)和單片機的相互結合設計在智能家居應用的燈光控制系統，該系統是基于單片機的控制系統，用遙控的方式對系統燈光進(jìn)行控制。本方案主要解決信號的發(fā)射和接收，在信號的處理接收之后對不同信號的程序處理，通過(guò)軟件編程實(shí)現對燈泡的開(kāi)關(guān)和亮度調節。
引言
智能家居是指利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、綜合布線(xiàn)技術(shù) ,將與家居生活有關(guān)的各種子系統有機地結合在一起 ,通過(guò)統籌管理 ,讓家居生活更加舒適、安全、有效。
隨著(zhù)人們生活水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，家居智能化已經(jīng)開(kāi)始走進(jìn)了我們日常的生活。人們已經(jīng)不滿(mǎn)足于按鍵式的手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制燈具，從而開(kāi)發(fā)出了智能化水平更高的專(zhuān)業(yè)照明控制的遙控系統，其成本低，質(zhì)量高，應用靈活方便。而由于具有體積小、功耗低、功能強、成本低的特點(diǎn)，紅外線(xiàn)遙控已經(jīng)是目前應用最廣泛的一種通信和遙控手段。
1 紅外線(xiàn)遙控基本原理
紅外線(xiàn)遙控就是利用紅外線(xiàn)(又稱(chēng)紅外光)來(lái)傳遞控制信號，實(shí)現對控制對象的遠距離控制。具體來(lái)講，就是由發(fā)射器發(fā)出紅外線(xiàn)指令信號，由接收器接收下來(lái)并對信號進(jìn)行處理并識別，再通過(guò)相應的控制芯片，最后根據接收到的不同信號實(shí)現對控制對象的各種功能的遠距離控制。
紅外線(xiàn)發(fā)射器由指令按鍵、信號產(chǎn)生電路、頻率調制電路、驅動(dòng)電路及紅外線(xiàn)發(fā)射器件組成，如圖1 所示。當指令鍵按下時(shí)，指令信號產(chǎn)生電路便產(chǎn)生所需要的控制指令信號。
這里的控制指令信號是以某些不同的特征來(lái)區分的。常用的區分指令信號的特征是頻率特征和碼組特征，即用不同的頻率或不同的編碼的電信代號代表不同的指令。這些不同的指令信號經(jīng)過(guò)頻率調制，最后由驅動(dòng)電路驅動(dòng)紅外線(xiàn)發(fā)射器件，發(fā)出紅外線(xiàn)遙控指令信號。
圖1 紅外線(xiàn)發(fā)射的組成
紅外接收器由紅外線(xiàn)接收器件、前置放大電路、信號解調電路、指令檢測電路組成，如圖2。當紅外線(xiàn)接收器件接收到發(fā)射器的紅外線(xiàn)指令信號時(shí)，它將紅外光信號變?yōu)殡娦盘柌⑺腿肭爸梅糯笃鬟M(jìn)行放大，再經(jīng)解調器解調后由指令信號檢出電路將指令信號檢出，實(shí)現各種操作。
圖2紅外線(xiàn)接收器的組成
要實(shí)現系統的遙控功能，就必須先選擇信號指令傳送的方式。根據遙控的方式和使用者場(chǎng)合不同，可以把這些控制信號特征進(jìn)行各種組合編碼。如電壓極性的組合方式，電信號相位的組合方式，電信號幅值的組合方式，頻率的組合方式，脈沖的寬度、相位、幅度等參數的組合方式及脈沖編碼組合方式等。脈沖編碼組合方式具有指令容量大，抗干擾能力強，保密性好及便于用邏輯電路來(lái)實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應用。
2 系統硬件電路設計方案
紅外遙控電路由發(fā)射電路和接收電路組成，發(fā)射部分由按鍵開(kāi)關(guān)電路、控制芯片和紅外發(fā)射電路三部分組成。當按下遙控按鈕時(shí)，單片機產(chǎn)生相應的控制信號，經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去。接收部分由紅外接收頭、控制芯片、調光電路組成，當紅外接收器接收到控制脈沖后，經(jīng)單片機處理，判斷是否對電燈進(jìn)行調光或開(kāi)關(guān)，根據需要執行相應的操作，接收系統采用的是5 伏單電源電壓供電。如下圖所示：
圖3 系統設計框圖
2.1 遙控系統主控芯片
在本系統中選擇的是51 系列的AT89C51(＄3.7500)芯片，AT89C51是一種帶4k字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS 8 位微處理器，俗稱(chēng)單片機。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機，40 個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內含2 個(gè)外中斷口，2 個(gè)16 位可編程定時(shí)計數器，2 個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規方法進(jìn)行編程，也可以在線(xiàn)編程。
其將通用的微處理器和Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫(xiě)的Flash 存儲器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。
2.2 紅外發(fā)射電路模塊
在本系統設計中，單片機發(fā)出的信號如何被紅外發(fā)射管識別，發(fā)射管能否正常發(fā)射紅外信號是發(fā)射電路要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
要發(fā)射紅外信號，必須要有紅外發(fā)射器件。紅外發(fā)光二極管是一種能產(chǎn)生紅外光的發(fā)光二極管，目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線(xiàn)波長(cháng)為940nm 左右，外形與普通發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。常見(jiàn)的紅外發(fā)射二極管有黑色，透明色，它與普通發(fā)光二極管的最大區別在于所發(fā)出的光為不可見(jiàn)光，而普通發(fā)光二極管發(fā)出的是各種顏色的可見(jiàn)光[5]，通常，紅外發(fā)光二極管分為兩種結構形式：一種是遙控發(fā)射型紅外發(fā)光二極管(即最常用的手持遙控器所用的紅外發(fā)射二極管);一種是近距離發(fā)射型紅外發(fā)光二極管，這種二極管把紅外光的發(fā)射與接收共集為一體。由于本設計實(shí)現的是家居遙控，因此采用第一種即可。
如圖4 所示為系統遙控發(fā)射原理圖，P1.0 口為按鍵輸入口;P2.0 口為紅外發(fā)射端口，用于輸出38kHz 載波編碼，脈沖經(jīng)9013(NPN)放大然后由紅外發(fā)射管輸出;第9 腳為單片機的復位腳，采用RC 手動(dòng)復位電路;18、19 腳接晶振。
圖4紅外發(fā)射電路圖
2.3 紅外接收電路模塊
1). 紅外接收器件介紹。
一般的紅外接收頭主要由集成電路外加阻容元件，紅外線(xiàn)接收管及濾波光片等組成，電路設計相對繁瑣，在實(shí)際應用中不方便。而紅外遙控接收頭SM0038 集紅外接收管，前置放大解調等于一體，無(wú)外部電路，體積小，密封性好，靈敏度高，應用簡(jiǎn)單，用小功率紅外發(fā)射管發(fā)射信號接收距離達35 米，并且價(jià)格低廉。它僅有三條管腳，分別是電源正極、電源負極以及信號輸出端，其工作電壓在5V 左右，接收頻率為38kHz,它的主要功能包括放大，選頻，解調幾大部分，要求輸入信號需是已經(jīng)被調制的信號。從而使電路達到最簡(jiǎn)化，靈敏度和抗干擾性都非常好，是一個(gè)接收紅外信號的理想裝置。如圖5 所示：
圖 5 SM0038
2). 接收電路及調光電路設計。
接收電路和調光電路的實(shí)現均是通過(guò)繼電器實(shí)現的，給每一個(gè)繼電器串聯(lián)一個(gè)電阻，構成一個(gè)回路，本電路將四個(gè)繼電器回路并聯(lián)，連接在P0 口上，當四個(gè)繼電器均閉合時(shí)，燈最亮，當三個(gè)繼電器工作時(shí)，燈較亮，當兩個(gè)繼電器工作時(shí)燈次亮，當一個(gè)繼電器工作時(shí)，燈最暗，當四個(gè)繼電器都不工作時(shí)，燈泡處于關(guān)閉狀態(tài)。接收電路圖如圖6 所示：
圖 6 接收電路圖
3 系統軟件設計
本系統所用的紅外線(xiàn)接收器SM0038 的解調中心頻率為38KHz,故發(fā)射頻率也采用38kHz,本電路采用一路按鍵，一種編碼方式實(shí)現對家居燈的控制，接收端根據接收到的不同編碼個(gè)數實(shí)現燈的不同亮度的調節控制。每一次P1.0 口為低電平時(shí)，則確定鍵被按下，由P2.0 口發(fā)射一個(gè)編碼。接收端接收編碼時(shí)進(jìn)行判斷，首個(gè)低電平是否大于2ms，如果是，再判斷是否是正確的編碼，如果是，num加1，亮度調暗一檔。
3.1、遙控發(fā)射程序控制流程圖
圖 7 發(fā)射程序流程圖
初始化程序后，開(kāi)定時(shí)器產(chǎn)生38kHz 脈沖，再判斷有無(wú)按鍵按下，當有按鍵按下時(shí)，根據定時(shí)器設定的時(shí)間發(fā)一幀脈沖，首先發(fā)3ms 高電平，再發(fā)1ms 低電平，1ms 高電平，接著(zhù)停發(fā)10ms。
3.2. 遙控接收程序控制流程圖
圖8 接收部分調光程序流程圖
接收端采用查詢(xún)方式接收，當查詢(xún)到P1.0 口為低電平時(shí)，累加器工作，通過(guò)累加器中變量個(gè)數判斷控制燈的亮度及開(kāi)關(guān)。當num為0 時(shí)，燈最亮，加1則調暗一個(gè)檔次，當num等于4 時(shí)，繼電器全部斷開(kāi)，燈滅。
4 結論
為了減少電路的繁瑣，我使用單片機來(lái)實(shí)現軟件編碼解碼，大大提高了電路的靈活性，降低了成本，僅僅使用一個(gè)鍵就能實(shí)現對一個(gè)燈具的開(kāi)關(guān)和亮度調節，若是把一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)改設成一個(gè)矩陣鍵盤(pán)，就可以實(shí)現對整個(gè)家里的燈具的開(kāi)關(guān)和亮度控制，實(shí)用性很強。
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