基于射频控制的智能照明系统设计.docx

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基于射频控制的智能照明系统设计

论文题目：

基于射频控制的智能照明系统设计

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

RF-BasedIntelligentLightingSystem

Abstract

ThisarticleintroducesaRF-BasedIntelligentLightingSystem'shardwareandsoftware'sdesign.ThisdesignhasusestheLEDlampillumination,theincandescentlightingandthemonolithicintegratedcircuitcontroltechnology,usestheAT89S51monolithicintegratedcircuittobesystem'scentralcontrolunit,thePT2262/2272launchreceivemodule.Itdependsthemonolithicintegratedcircuitprogrammedcontroltorealizeeachkindoffunction'sconformity.Whereveryouare,youcancontroleachcompartmentlamp'sshiningfreelyinfamilyandextinguish;Beforegoingout,pressingtheteleswitch,youcanshutoffallthelamps;Sittingonthesafa,youcanrealizetheilluminationlampsandlanterns'brightnessandthegentlenessinthelivingroom.Thewonderfulchanges......Thislightingsystemalsousesthesolarenergyauxiliarypowersupply,thusrealizestheenergyconservation,environmentalprotectionandintellectualization.Anymore,thissystemleavesleewaytheexpansionconnection,soitiseasytocarryonthepromotiontothesystem.Inbrief,onekindofbrand-newmodeoflifewillpresentbeforeyoureyes.

Keywords：

TheLEDillumination,Thegreenenvironmentalprotection,Radiofrequencyreceivinganddispatching,Thelightcontrol,Themonolithicintegratedcircuitcontrol

1绪论…………………………………………………………………………………1

2智能照明的理论基础………………………………………………………………1

2.1LED的介绍……………………………………………………………………1

2.1.1LED器件的应用基础……………………………………………………2

2.1.2常见LED及其应用………………………………………………………2

2.2白炽灯的介绍…………………………………………………………………2

2.2.1白炽灯的应用基础………………………………………………………2

2.2.2常见白炽灯及其应用……………………………………………………3

3照明方案……………………………………………………………………………3

3.1灯光方案设计…………………………………………………………………3

3.2电源模块选择…………………………………………………………………3

3.3无线模块方案…………………………………………………………………4

3.4主控模块方案…………………………………………………………………4

3.5系统框图………………………………………………………………………6

4系统硬件设计………………………………………………………………………6

4.1灯型设计………………………………………………………………………6

4.2电源设计………………………………………………………………………9

4.2.1负载灯具电源设计………………………………………………………9

4.2.2主控芯片供电电源设计…………………………………………………10

4.3射频收发设计………………………………………………………………10

4.3.1发射模块…………………………………………………………………10

4.3.2接收模块…………………………………………………………………11

4.4单片机控制电路设计………………………………………………………11

4.5太阳能方案设计……………………………………………………………12

4.5.1太阳能供电系统框图……………………………………………………12

4.5.2太阳能电池板……………………………………………………………13

4.5.3蓄电池……………………………………………………………………15

4.5.4太阳能供电控制电路……………………………………………………16

5系统软件设计……………………………………………………………………16

5.1无线控制框图………………………………………………………………17

5.2主程序控制流程……………………………………………………………17

6系统测试…………………………………………………………………………17

7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………………………………………………………………22

1绪论

智能照明系统（IntelligentLightingSystem）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。

2.1LED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。

2.1.1LED器件的应用基础

LED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2LED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：

（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128B～4KB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1.8V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P0～P3，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

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

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

（1）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=3V×12=36V

I=20mA×6×3=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。

图6一路LED原理

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

图10三叶草灯型图11三叶草造型走线图

（2）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。

图12白炽灯调光原理图

（3）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：

①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；②在R9两端并联一电容C5，可提高光控电路的抗干扰性能；③VT2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]。

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，Ｃ２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，Ｃ２经Ｒ４、Ｒ2、Ｒ３放电，VT1的ｂ→ｅ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：

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，AC220V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6μF，电阻为1MΩ，原理图如下

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2μF，R1为1MΩ。

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。

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