基于手机的照明控制系统.docx

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基于手机的照明控制系统

河南科技大学

全日制硕士专业学位研究生专业实践总结报告

报告题目：

基于手机的照明控制系统

学院：

信息工程学院

姓名：

学号：

专业领域（或类别）：

工程硕士

实践单位：

校内导师：

校外导师：

撰写日期：

河南科技大学研究生处制

说明：

一、专业实践总结报告是检验研究生专业实践效果的依据之一，也是学校对专业学位硕士研究生毕业及授予学位进行审查的基本教学资料。

二、硕士研究生应按个人专业实践计划进行实习，并在实践的基础上，撰写总结报告，报告内容一般包括专业实践的目的和意义、实践内容、实践计划执行情况及主要成果等，实践指导教师和实践单位给出评价意见。

三、研究生所在学院应组织由校内外专家、校外实践单位负责人构成的专业实践教学考核组，由组长主持专业实践专题报告会，由学生本人汇报专业实践工作，考核组应根据研究生的专业实践总结报告、专业实践工作量、综合表现及实践单位和实践指导教师的反馈意见等，按“优秀、良好、及格和不及格”四个等级评定成绩，不及格者不计学分。

四、实践总结报告一般为5000字以上，一律用A4纸正反面打印，一式1份；总结报告一般在申请答辩前由学院汇总后上交研究生处培养科。

一、专业实践目的及意义

实践目的：

专业实践是一次很好的自我锻炼机会，通过这次实践希望达到目的。

1.巩固以前所学习的知识，加深对某些知识点的理解。

2.提高分析、设计电路的能力。

3.提高软件设计能力，完善知识构架。

4.融合软硬件设计，能够独立地完成一个控制系统的设计。

实践意义：

当今社会的不断进步给研究生提出了更高的要求，要适应社会对人才的需求，研究生除了具备较深厚的理论知识外，更需要有较强的实际工作能力，仅仅停留在书本上是远远不够的，要求具有较强的应用能力，专业实践是锻炼这种实践能力的有效手段。

专业实践不仅锻炼了学生的实践能力，更重要的是提供学生了解社会、认识社会的机会，这给即将走出校园的毕业生适应社会发展打下了坚固的基础。

通过这次实践，熟悉了开发一款产品所需要的流程，让我深刻认识到在产品开发过程中，设计原理考虑一定要全面，思路要严谨，做事要认真，遇到问题能够沉着冷静。

实践中形成的这些品质为我以后能够有更好的发展做了充足的准备。

二、专业实践主要内容

本次专业实践主要针对的是基于手机的照明控制系统研究，该控制系统主要实现通过手机控制灯的开关以及亮度调节。

本控制系统最多能够控制四组灯，这四组灯可以分成调光组和非调光组，调光组的负载必须是LED灯，需要设计专门的驱动电源，对LED灯的电流有限制，最大值不超过2A，通过手机能够控制调光组LED灯的开关和调光；对非调光组的负载没有要求，只要能够在市电条件下工作的灯都可以接入到非调光组，手机只能够控制非调光组灯的开关，但是不能够控制灯的亮度。

本控制系统的设计方法是，通过手机的WIFI或者3G网络将控制指令发送到控制系统中的无线路由器，利用以太网转串口模块将控制指令转换成串口数据，利用单片机接收串口数据，根据发送的指令控制继电器或者调整PWM的占空比；与此同时单片机需要将当前灯的调光度信息反馈到手机端。

系统的硬件组成包括电源驱动、单片机最小系统板、继电器控制板、信号转接板；系统的软件包括android手机客户端软件和单片机端应用软件。

首先安排我们进入生产车间了解、认识LED灯的生产过程。

LED灯的生产过程大致可以分为五个步骤，首先根据要求选购LED灯珠和外壳套件，其次根据LED灯的串并联关系绘制LED灯板，接着根据LED灯所需的工作电流设计驱动电源，最后进行联调。

接下来的一段时间里，着重进行了LED驱动电源的设计学习，了解了开关电源的原理，弄明白了如何根据负载确定电源驱动的参数，这一段时间查阅了大量的关于电源设计的芯片资料，重点学习了top系列的芯片资料。

紧接着公司给了我分配设计任务，设计一个5W的驱动电源，为了节约成本我选择了阻容降压的设计驱动，电容降压的工作原理是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。

例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3185欧姆。

当220V的交流电压加在电容器的两端,则流过电容的最大电流约为70mA。

虽然流过电容的电流有70mA,但在电容器上并不产生功耗,因为流过电容的电流为虚部电流,它所作的功为无功功率。

根据这个特点,如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件,则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。

电容降压实际上是利用容抗限流。

 这一次的设计经历让我收获很多东西，我总结了一些在设计过程需要注意的一些问题。

（1）根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。

（2）限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。

而且电源电压为110V时电容的耐压须在275V以上，电源电压为220V时电容的耐压须在600V以上。

（3）限流电容须接于火线，电容降压不适合动态负载条件。

在电容器两端并联1M的泄放电阻。

若需要加电源开关，为防止浪涌电流对负载RL并联。

在2013年得9月份到10月份中旬，这段时间我进一步学习了PCB板绘制，提高了使用altiumdesigner软件的能力。

特别是对元件封装的制作、原理图的绘制、布线规则有了更深的理解，但是对抗干扰这一部分还是理解不够，主要是没有涉及高频PCB板的制作，总的来说这段时间提高了我对ltiumdesigner软件的熟练度，绘制PCB板得速度也有了提高，对电路图的设计也有了新的理解。

这段时间里我给公司绘制了很多不同种类的LED灯板，刚开始存在很多问题，比如忘记给元件标参数、封装的尺寸画的不合适，导致贴片灯珠无法焊接，经过一段时间锻炼，我绘制的PCB板的水平有力很大的提高，基本上能够快速地、独立地完成绘制PCB板任务。

10月下半旬到11月初，我主要学习了开关电源的设计维修方法，锻炼排除电路故障的能力，这段时间我积累了很多维修电源的经验，首先用万用表检测各个功率部件是否击穿或者短路，如电源整流桥、开关管；检查抑制浪涌电流的大功率电阻是否烧断；检测输出电口的滤波电容是否有异常，上述所述的部件如果出现损坏直接更换即可。

一般情况下开关电源出现的问题集中在这几种情况：

（1）开关电源不起振，一般查看开关频率是否正确，变压器发热或发出“嗞嗞”的声音，一般是开关频率有问题。

（2）反馈回路是否正常，一般查看采样电阻是否烧毁、基准电压源是否正常。

（3）开关管是否烧毁，一般查看开关管是否发热严重，如果打开电源开关管就很热，说明开关管已经损坏需要更换。

（4）输出电压指示灯出现一闪一闪的情况，一般是副边有可能短路。

这一段时间的维修经历使我的对电源硬件电路的认识有了很大提高，为后面自己独立设计开关电源打下了基础。

通过前几个月的实践积累，我的个人实践能力有了质的飞跃，这为后面独立设计基于手机的照明控制系统打下了基础。

设计基于手机的照明控制系统是我在频瑞电子有限公司完成的最出色的项目，这个项目耗时了近两个月，这也是我专业实践内容最为主要的部分，下面就将对这个控制系统的设计过程作出详细的说明。

基于手机的照明控制系统的安装接线说明如图1所示，本控制系统最多能够控制四组灯，这四组灯可以分成调光组和非调光组，调光组的负载必须是LED灯，需要设计专门的驱动电源，对LED灯的电流有限制，最大值不超过2A，通过手机能够控制调光组LED灯的开关和调光；对非调光组的负载没有要求，只要能够在市电条件下工作的灯都可以接入到非调光组，手机只能够控制非调光组灯的开关，但是不能够控制灯的亮度。

系统设计分成两大部分：

硬件设计和软件设计。

下面就从这两个方面讲述本设计的相关内容。

1.硬件设计

首先需要对控制系统有一个整体认识，如图1所示为控制系统的接线说明。

从这个接线图就可以大概知道这个系统的设计构架。

图1

从图1可以看出控制系统的核心是照明控制盒，下面就将具体的讲解控制盒内部设计。

控制盒内部有五部分组成，

（1）220V输入、48V输出的开关电源，至于电源的功率可以依据负载进行相应的调整。

（2）220V输入、5V输出的电源模块，输出的电流至少要大于500mA。

（3）无线路由器。

（4）5V继电器驱动板。

（5）单片机控制板。

（6）48V输入，输出电流可调节的驱动电源。

下面就对各个组成部分选型和功能作用作出一些说明：

（1）选择48V输出电压的电源是为了能够适应更多种类的LED负载，因为公司生产的LED的串并方式有很多种，但是串联个数不超过12个，因此LED灯负载电压不会超过40V。

因为LED驱动电源设计的是降压电源，综合考虑以上因素为了能够将公司生产的LED灯尽可能地嵌入系统，选择了48V输出的开关电源。

（2）选择5V输出电源模块的目的是为了给单片机系统和继电器驱动板供电，考虑到单片机系统工作电流最好不要超过80mA，4个继电器工作时所需要的电流至少需要120mA，考虑到其它功耗元件的损耗，综合考虑选择了输出500mA的5V电源。

（3）无线路由器的是连接手机和控制盒的纽带，通过它实现单片机和手机的通信。

考虑到单片机只能够接收串口数据，所以为了简化硬件电路的设计，选择了内部集成网络数据转串口功能的无线路由器模块。

（4）5V继电器驱动主要是为了实现开关灯的功能，为了能够和单片机系统很好地融合在一起，因此选择了，5V继电器。

（5）单片机控制板是控制盒内部的核心，它主要用来接收手机发出的控制指令，根据控制指令作出相应的动作，如开关或者调光。

（6）48V输入，输出电流可调节的驱动电源，这是硬件电路设计的最难的部分，因为设计的驱动电源所带的负载是可变的，因此需要设计一个输出电流可以调节的驱动，这样才能满足设计要求。

之所以在设计时将系统划分成这些模块而不是将所有的功能集成在一个PCB板子上，是因为考虑到在使用过程，设备会出现一些问题，当查处问题所在，直接将问题的模块整体更换，这样做不进可靠，而且很高效，这在一定程度上节约了生产成本，事实也证明了这种分模块的设计方式是成功的。

了解了系统的各个组成部分的功能，下面讲解系统的设计框图，如图2所示。

图2

控制盒的使用流程也很是非常简单的，路由器组建无线WIFI网，用手机连接到该无线路由器，通过手机发送指令，无线路由接收到控制指令之后，通过内部固化的以太网转串口协议，将发送的控制指令转换成串口数据，单片机接收数据，根据制定好的通信协议，单片机发出相应的控制信号，开关灯或者调解LED灯的亮度。

2.软件设计

软件设计是本控制系统最为重要的内容，软件设计具体分为：

Android手机客户端软件设计和单片机端软件设计。

手机客户端软件实现发送指令和接收反馈信息的功能；单片机端软件主要实现产生PWM信号和继电器控制功能。

下面就从这两个方面讲解软件设计过程。

（1）手机客户端软件

本系统客户端软件的功能是实现连网和数据通信。

在讲解软件的设计过程，需要先了解有关android编程的一些内容。

简单的理解，android是基于java并运行在linux内核上的操作系统，这个操作系统是轻量级的，但是功能很全面。

编写android手机应用软件，首先就必须要解决的问题是开发平台，一般开发都是在windows环境下进行的，也就是说我们想要在windows环境下开发android程序需要使用什么软件。

因为android软件是基于java语言，所以必须使用eclipse开发软件，但是我们需要向这个软件安装SDK插件才能够进行android开发。

androidSDK提供了在windows开发android应用程序所需要的开发组件，也就是说，不论读者使用什么样的平台都可以开发android应用软件。

它不仅包含了android模拟器和用于eclipse的android开发工具插件（ADT），而且包含了各种用来调试、打包和在模拟器上安装应用的工具。

应用软件生成的流程是这样的：

使用java语言开发android平台上的软件应用，通过SDK提供的一些工具将其打包成android平台下使用的apk文件，然后再使用SDK中的模拟器来模拟和测试该软件在android平台上运行的情况和效果。

了解了android开发环境的一些知识后，那么下面就将具体讲解一些本系统客户端软件的设计。

软件的设计具体分成两个模块：

界面设计和后台线程设计

1．.界面设计

界面设计也就是设计activity，每一个activity都是一个界面，设计界面是要注意一些原则，比如简洁、容易使用、背景色柔和等。

如果设计的软件能够给用户带来好的用户体验，那么这个软件设计就成功了一半。

设计activity，主要是利用XML文件，这个文件包含了界面中所使用的控件的布局信息，在编写XML文件时，最主要的工作就是对各个控件进行属性设置，比如控件位置、控件大小、控件颜色等属性。

本软件的界面共有3个界面组成，主界面、控制界面、设置界面以及版本信息界面。

主界面实现灯的选择，就是选择控制哪一个灯。

因为我们设计了四组灯，因此这个界面中重要有四个button按钮控件组成，当单击其中的一个按钮，就会进入控制界面，控制界面主要实现灯的开关控制和灯的亮度调节，因此这个界面主要有button按钮控件和seekbar拖动条控件组成，按钮控制灯的开关，拖动条主要实现灯的调光。

单击手机上的menu按钮进入设置界面，设置界面主要是设置IP地址和端口号，输入的IP地址是无线路由的IP地址，端口号是路由器内部固化的控制端口。

2.后台线程设计

本软件设计了两个线程，一个是UI线程，主要是实现控件的更新和操作，UI线程的开启是在程序运行时由系统自动创建的；另一个是mthreadClient线程，这个线程的作用是连接网络和接收网络数据，开辟mthreadClient是非常关键的。

通常情况下，当应用程序启动时，Android首先会开启一个主线程（也就是UI线程）,主线程为管理界面中的UI控件。

如果此时需要一个耗时的操作，例如:

联网读取数据，或者读取本地较大的一个文件的时候，不能把这些操作放在主线程中，如果放在主线程中的话，界面会出现假死现象,如果5秒钟还没有完成的话，会收到Android系统的一个错误提示"强制关闭"。

 这个时候需要把这些耗时的操作，放在一个子线程中，因为子线程涉及到UI更新，但是当子线程中有涉及到操作UI的操作时，就会对主线程产生危险，也就是说，更新UI只能在主线程中更新，在子线程中操作是危险的。

由于在android编程中有一个类Handler，主要接收子线程发送的数据,并用此数据配合主线程更新UI，用来跟UI主线程交互用Handler运行在主线程中（UI线程中），它与子线程可以通过Message对象来传递数据，这个时候，Handler就承担着接受子线程传过来的（子线程用sedMessage（）方法传递）Message对象，（里面包含数据）,把这些消息放入主线程队列中，配合主线程进行更新UI。

通过以上的介绍可知本程序的线程设计思路，如图3所示：

图3

（2）单片机程序设计

单片机控制板只要实现的是根据手机发送过来的控制指令，作出相应的控制动作。

本程序一共分成了三个模块：

串口数据接受模块、指令翻译模块、控制模块。

手机和单片机之间的数据通信，需要制定相应的通信协议，手机根据制定的协议发送控制指令：

起始码+控制码+结束码。

单片机根据制定通信协议通过指令翻译模块取出控制码；控制模块利用控制码，作出相应的动作，如控制继电器的开合或者某一路PWM的占空比。

程序流程图如图4，图5所示：

图4主程序图5串口接收中断

产生4路占空比可控的PWM的方法是，利用定时器0产生的，定义一个全局变量，这个全局变量的值是100，定时器0中断100次为一个周期，当确定时器的初始值后，就确定了PWM的周期，本程序设置的PWM的周期是235Hz,至于占空比的是由控制码信息中的调光信息值决定的，这个调光信息值的范围是10~99，这样就可以知道调光范围是10%~90%。

以上内容介绍了基于手机的照明控制系统的设计过程，经过近2个月的研制，完成了预期的目标。

能够实现四组灯的开关和调光控制。

完成这个项目是我的个人能力得到了很大的提升，虽然这个过程中遇到了很多困难，但是这段经历让我明白了做任何事都不是一帆风顺的，它需要我们为之付出努力。

三、专业实践计划执行情况

本次专业实践基本按照专业时间计划情况执行，第一阶段进行了个人技能的培训。

第二阶段学习电源设计原理，并设计了几种比较简单的LED驱动电源。

第三阶段独立设计了基于手机控制的照明控制系统。

四、专业实践主要成果

独立完成了基于手机的照明控制系统的设计，完成了PCB的制作、完成了android程序编写和调试、完成了单片机程序的编写和调试。

经过多次调试，实现了项目所要求的性能指标。

五、专业实践报告审阅和成绩评定

实践单位指导教师意见：

导师签名：

年月日

实践单位意见：

单位（章）

年月日

校内指导教师意见：

导师签名：

年月日

考核组意见：

（按“优秀、良好、合格、不合格”四个等级给出成绩）

组长签名：

年月日

学院意见：

主管负责人签字：

学院（章）

年月日