家庭智能灯光控制系统设计毕业作品.docx
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家庭智能灯光控制系统设计毕业作品
毕设
业计
（20届）
家庭智能灯光控制系统设计
所在学院
专业班级电子信息工程
学生姓名学号
指导教师职称
完成日期年月
摘要
随着计算机网络、通信、控制等技术的发展,智能建筑的发展越来越迅猛,目前,国内大多数智能建筑存在效率低、能耗高的现象。
就智能建筑的照明系统来说,许多地方的灯经常是从早到晚开着的,不管这些房间或楼道是否有人,也不管有多少人。
或者,当照度很高时,灯不能及时关闭;反之,当自然光照度难以满足人的需求时,又不能及时打开灯光。
这种照明方式,不仅造成能源的浪费,而且不能满足人对照明的基本需求,同时也给人的视力造成了很大的影响。
本文介绍一种基于STC12C5410单片机的家庭智能灯光控制系统。
详细分析了系统的三大模块：
无线接收模块、单片机处理模块和感应模块，对外界信息变化所进行的处理和反应进行了具体的论述，使之实现人体感应和无线控制电路，在设计中采用DXP软件设计电路原理图，用Keil软件来实现软件编程和调试。
关键词：
智能照明；单片机；热释电；无线遥控
Abstract
Withthedevelopingoftechnologyofcomputernetwork，communicationandcontroling,thedevelopngofintellectualbuildingbecomesmoreandmorefierce.Atprecent,themostintellectualbuildinghasthephenomenonoflowefficiencyandhighenergyconsumption.Intermsofthelightingsystems,thelightsinmanyareasareworkingfrommorningtillnight，nomatterthereispeopleinroomorcorridorandhowmanypeoplein.Otherwise,ashighasdegrees,lightcouldbeclosedintime;instead,whenthenaturallightcan’tsatisfiedpeople,itcould’tbeclosedduly.Thismethodofillumination，notonlyawasteofenergy，butalsocan’tsatisfiedthebasicrequirementstoillumination;atthesametime,itcausesbigeffecttopeople’seyesight.Inthisarticle，itintroducesacontrolsystemoffamilialintellectivelightingwhichisbasedonSTC12C5410SingleChipMicyoco.Itanalysesthreemodulesofthesystemdetailedly，receivingmodule,SCMhandlingmoduleandinfluencemodule,whichgivesidiographicdescriptionondealingandrespontationthatcausedbyoutsideinformation’schanging.
Keywords:
Intelligentlighting;Single-ChipMicrocomputer;Heat-releasinginfrared；Wirelessremote
第一章引言
1.1智能照明技术的背景
在智能化科技不断发展的21世纪中，人们越来越能体会到智能科技所带来的全新感受。
其中智能家庭照明系统能提供优秀的舒适环境及良好的节电效果受到大家的一致好评。
通过按照不同时间和用途对环境的光照进行智能化的调整，以符合工作或休息所需要的照明，提高工作效率。
通过照明控制在需要时亮灯，并使其有一定的亮度，改变长时间亮灯所带来的能源的浪费。
1.2智能照明技术的发展
近年来，在上海、北京等地开始出现了专业的数字化家居集成商，同时大型的家居数字化体验馆也开始出现，如上海市电信大楼的家居体验馆、上海永乐数字生活体验馆、青岛海尔（企业博客|视频|）数字生活体验馆等。
数字化家居作为人类通信、网络、建材、安防、家居等行业发展的集大成，受到社会极大的关注。
国外的相关产品是把智能照明作为其智能产品的一部分来运作，定位高端，造成曲高和寡的局面。
如同上世纪八九十年代的家电市场。
但是随着国内经济的高速发展、技术的日趋成熟，以及部分国际品牌如Dynalite、路创、WIELAND、e-bfb等进军中国市场，迅速推动了这个行业的发展。
进入21世纪，国内智能照明厂家和商家如雨后春笋般迅速发展，涌现出如瑞朗、百分百照明、清华同方、索博、海尔等大小几十家企业，智能照明进入一个崭新的发展阶段。
1.3本文的主要内容及课题要求
基于STC12C5410系列单片机的智能照明系统首先要了解各个芯片的应用方式和如何实现各种功能;另外还需用掌握编程软件KEIL来实现智能化的控制。
本文分为四个章节，各章节安排及内容如下：
第一章：
简单地介绍智能照明系统的背景及发展
第二章：
介绍智能照明系统的总体设计
第三章：
把智能照明系统分为三大模块：
接收模块、单片机处理模块和热释电模块。
然后分析各模块的功能。
第四章：
使用KeilC51软件对STC12C5410单片机进行编程，详细对各流程进行说明
第二章智能照明设计方案
2.1智能照明设计方案
本次设计采用STC12C5410作为电路控制芯片。
本设计的总体框图如图所示，
整个设计系统主要由红外热释电感应模块，无线控制模块和单片机主控模块组成。
由红外热释电感应模块感应到周围环境是否有人活动，如果有，产生信号通过BISS0001芯片进行处理，然后通过PT2262进行编码及无线发射，超外差接收模块接收到信号后，将信号传送给单片机进行处理，由单片机产生PWM波形控制可控硅的通断，从而达到控制灯泡亮度的目的。
第三章硬件设计
3.1热释电模块及光敏电阻
本设计中具有人体和光照感应的功能，所以需要用到热释电感应器件，具体由红外感应RE200B芯片和BISS0001红外处理芯片组成。
3.1.1RE200B的功能
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10uM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上[2]。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
1.这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10uM左右的红外辐射必须非常敏感。
2.为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
3.被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。
而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
4.一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。
5.菲尼尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。
下面是常用的一种RE200B型红外线热释电传感器的实物照片：
RE200B实物图
被动式热释电红外探头的优缺点：
优点：
本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。
缺点：
容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收，易受射频辐射的干扰；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
3.1.2热释电模块电路分析
热释电红外传感器接收到红外热释电信号，并把它转换成模拟信号，但由于它输出的电信号太小且不稳定，所以我们要用BISS0001红外处理芯片对该电信号进行处理，把它转化为稳定的电信号[6]。
具体电路图如下：
图3-3热释电模块电路
热释电传感器的输出信号是一个低频信号（频率在0~10Hz），且输出幅度小（几个mV），由于BIS0001集成电路的11脚对应内部运放OP1同相输入端，输入阻抗较高，容易受到外界电磁干扰，所以电路中采用C2和R1并联构成一个低通滤波，防止高频干扰[3]。
保证热释电传感器的有用信号能被正常放大。
C2和R1在电路中起到抗干扰的作用
3.1.3光敏电阻
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，它具有在特定的波长的光照下，其阻值迅速减小的特性（如图3-4）。
在本设计中，在BIS0001的第9脚上，接光敏电阻，且并联上分压电阻R1，使之实现利用亮度高的条件（如天亮）下自动关灯，因为BIS0001的管脚9是一个比较器，当天亮时，光敏电阻的阻值就低，当低于芯片的比较电压时，则电路截止[4]。
图3-4管脚9的比较电路
图3-5光敏电阻的特性曲线
3.2无线发射和接收电路设计
无线发射电路包括无线发射、接收电路和PT2262编码芯片的介绍。
3.2.1PT2262编码芯片
PT2262是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路[7]。
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
PT2262特点：
CMOS工艺制造，低功耗，外部元器件少，RC振荡电阻，工作电压范围宽：
2.6～15v，数据最多可达6位，地址码最多可达531441种。
应用范围：
车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控。
所以本设计采用PT2262编码芯片
3.2.2无线发射电路的介绍
此电路为DF等效发射电路，DF数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。
特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。
声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移[1]。
DF发射模块未设编码集成电路，而增加了一个数据调制三极管Q1,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。
比如用PT2262等编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端第17脚接至DF数据模块的输入端即可。
图3-1无线发射电路
3.2.3无线接收模块的介绍
本设计采用超外差无线接收模块，和超再生无线模块相比，它具有集成化程度高，符合工业规模化生产等优点，其灵敏度和抗干扰能力胜于超再生无线接收[8]。
图3-2无线接收模块信号整形放大电路
3.3主控模块
主控模块主要由STC12C5410单片机来实现3方面的控制，分别是无线解码部分，按键部分和可控硅控制部分。
3.3.1STC12C5410单片机芯片介绍
现在市场上有很多各种各样的单片机，比如说AVR系列，PIC系列，MPS430系列ARM系列和MSC51系列单片机等等.
PIC单片机是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片.
MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合.
ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，基本是32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。
本文采用的是STC12C5410系列单片机，它是由宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成MAX810专用复位电路。
STC12C5410单片机较以往的单片机提高了工作效率，使系统的可靠性、抗干扰能力得到了显著改善，而且进一步小型化和便携化。
其内部集成的Flash几乎拥有现代追求个性化的用户所需要的掉电后数据不丢失、快速的数据存取时间、电可擦除、容量大、在线可编程、足够多的擦写次数、价格低廉和高可靠性等所有优点。
STC12C5410单片机的管脚结构如图3-4所示。
图3-4STC12C5410单片机的管脚结构图
3.3.2按键部分
按键部分是用于控制是否允许接收无线信号。
3.3.3程序下载电路
这个下载电路的主要核心是MAX232芯片，该芯片是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。
由于电脑串口rs232电平是-10v——+10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0+5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。
该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。
每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。
通过此电路实现PC机与单片机的数据通信，从而实现程序的下载。
3.3.4开关电路
由于单片机输出的是一个PWM波形，具有很高的频率，因为继电器开关次数有限，所以不能用PWM控制继电器，会缩短继电器的使用寿命，所以本设计中不能用继电器来控制电路，而是要用可控硅来实现。
可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为晶闸管。
具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一，在本设计中，可控硅是起到一个开关的作用，它可以做到以小功率控制大功率，且反应极快，可以实现微秒级的开通、关断。
图3-5为常用的可控硅开关
图3-5可控硅开关
图3-5开关电路
当单片机输出PWM波，光电耦合器（即moc3023）输入端加正向导通电压时，led发光，光敏三级管受光照，发射结导通，即电路为开路，所以光耦起到一个在电路里起到一个开关的作用，且开关的通断由输入端决定。
过零检测，指交流电压过零点被自动检测进而产生驱动信号，使电子开关在此时刻开始开通。
现代的过零检测技术已与光电耦合技术相结合。
图3-5中220V交流电压经电阻R2限流之后直接加到光电耦合器GD1的输入端。
在交流电源的正负半周，GD1导通，U0输出低电平，在交流电源正弦波过零的瞬间，GD1不导通，U0输出高电平。
该脉冲信号经反闸整形后作为单片机的中断请求信号和可控硅的过零同步信号。
3.3.4电源稳压电路
图3-6硬件电源电路
图3-6为硬件的稳压电源电路，为总电路提供5V的稳定电压，电路中的电容都起到滤波的作用，其中C6,C7为高频率波，C5,C8低频滤波,LED结合限流电阻起到电源指示的作用。
3.3.5蜂鸣电路
本系统的蜂鸣电路主要应用于单片机是否接收到无线信号的一种提示，使得设计更为人性化。
其具体电路由图3-7所示,
图3-7蜂鸣电路
当单片机的p2.1脚为低电平时，三极管Q4饱和导通，蜂鸣器通电鸣响。
若单片机的p2.1脚为高电平时，三极管Q4截止，蜂鸣器没有电流就不鸣响。
R2是限流电阻。
限制流入单片机的电流。
本设计采用蜂鸣器是频率型的，就是一定频率才会发出声音，不同频率声音不同。
3.4小结
本章介绍了智能照明系统的硬件模块，详细分析了各模块之间的组成和功能。
阐述了STC12C5410的性能特点以及无线接收模块、热释电模块的构建和运用。
最终实现人体感应以及根据环境中光照的强弱来智能控制电灯的开关
第四章软件设计
4.1软件设计的要点
在编写程序之前，我们先要了解我们所使用的编程平台，还有软件编程需要注意的几个地方。
4.1.1KeilC51的介绍
KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。
Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uvision）将这些部分组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统[9]。
本设计在KEIL编译环境下的程序编写界面如下图4-1所示
图4-1KEIL程序编写界面
4.1.2STC单片机程序下载软件介绍：
如图4-2就是下载界面，是通过串口来进行数据下载的，需要注意芯片的选型和串口端口的选择。
图4-2程序下载界面
4.2智能照明系统的主程序设计
图4-3系统主流程图
4.3无线编码设计
无线编码设计就是将热释电模块感应的信号编译成码，然后发送至单片机中，然后对单片机进行编程从而对信号进行解码处理[10]。
图4-401F的具体波形图
上面是PT2262的一段波形，可以看到一组一组的字码，每组字码之间有同步码隔开。
软件解码部分主要分为：
同步码的识别、数据码的识别和按键码的识别三部分，其中数据码和按键码格式相同，可以同等对待来进行解码。
所以我们如果用单片机软件解码时，程序只要判断出同步码，然后对后面的字码进行脉冲宽度识别即可：
4.3.1同步码识别思路
无线解码部分一共分为同步码识别，数据和地址码识别三部分。
同步码识别主要包括同步码高电平识别和同步码低电平识别两部分。
本文是采用自适应方式进行软件解码，自适应方法就是对于同一编码格式的一组编码在不同时间宽度下都可以进行解码的方法。
在软件编程中，根据硬件电路的连接，将单片机接收I/0口定义为INPUT，判断INPUT是否接收到同位码，我们以80us为最小时间单位，高电平宽度用最小时间单位的个数来描述，定义为K，所以时间长度为
124LCK=K×80us（4-1）
下图4-5为判断是否有同步码低电平，如果接收到正确的同步码低电平，则程序跳转进入到高电平识别判断，如果同位码高电平宽度小于90即K<90，则为误码，程序判断结束，返回接收同步码程序，反之，则在同步码识别结束后保持K值（如图4-6），并且计算出7.75LCK的时间长度[11]。
因为在数据码识别中用7.75LCK的长度作为高低电平判断的时间长度,由公式1可以求得7.75LCK，如公式2：
并且计算出7.75LCK的时间长度，因为在数据码识别中用7.75LCK的长度作为高低电平判断的时间长度,由公式1可以求得7.75LCK，如公式2：
7.75LCK=124LCK/16=（K×80us）/16
4.3.2数据和地址码识别思路
软件解码需要识别20位内码和4位按键码，我们需要根据PT2262的编码规范来进行相应的解码。
首先是判断接收到的同步码是否符合规范，而后识别位码的高低。
对24位编码进行逐位数据的接收，并且对数据进行保存。
DATA1,DATA2和DATA3的高4位共20bit是数据码，DATA3的低4位是按键码，具体解码流程图如下图4-7所示
下面这段程序是同步码高低电平的识别，首先必须满足低电平须满足大于3，小于8才能进入高电平的识别，当有了高电平时，即（Input_pin==1），进入同步码的数据运算。
[5]
if（HEAD_NUM_L>3&&HEAD_NUM_L<8）//只有低电平满足条件下才能继续识别高电平12M
if（HEAD_NUM_L<10）
{
while（Input_Pin==0）;//等待高电平
while（Input_Pin==1）//如果有高电平了就执行以下程序
{
Delay_60（）;//60us
HEAD_NUM_H++;//实际测试：
HEAD_NUM_H=614;T_H=614*16=9824us
}
SIGN_BIT=1;//接收成功
接下来是解码程序，分配3个地址空间存储3个8位数据，当有低电平时即（Input_Pin==0
），执行解码程序
for（i=0;i<3;i++）//总共有3个地址空间存数据RD_DATA1,RD_DATA2,RD_DATA3
{//forstart1
for（j=0;j<8;j++）//每个地址存8位数据
{//forstart2
while（Input_Pin==1）;//等待低电平
PT2262_DATA_TEMP=0;
while（Input_Pin==0）//如果有低电平了就执行以下程序
{
Delay_60（）;//延时60us
PT2262_DATA_TEMP++;//如果低电平在4CLK-12CLK之间是正常的数据
}
下面这部分程序是判断是否为4CLK-12CLK之间的数据，如果接收的数据不符合条件，则跳出接收程序，反之，则继续下面的程序。
if（PT2262_DATA_TEMP{
SIGN_BIT=1;
bit_ok_count++;
iif（PT2262_DATA_TEMP<=HEAD_NUM_CY_16）//用来判断高低电平
{RD_DATA[i]=RD_DATA[i]<<1|0x00;}//存储位数据0
else
{RD_DATA[i]=RD_DATA[i]<<1|0x01;}//存储位数据1
//_nop_（）;//设置断点用
}
else
{SIGN_BIT=0;
break;//如果编码规则不正确，则跳转出接收程序
}
下面这段程序是显示解码是否完成，如果SIGN_BIT_OK=1，即表示解码成功，然后使LED_RF=0，即开启无线闪烁灯，反之则退出解码，关闭无线闪烁灯。
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