基于红外控制的智能照明系统设计.docx
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基于红外控制的智能照明系统设计
目录
1前言1
2智能照明现状分析1
3系统设计方框图3
4系统硬件电路设计3
4.1电源3
4.2遥控模块4
4.2.1信号选择4
4.2.2遥控电路主要芯片介绍5
4.2.3遥控电路6
4.2.4遥控编码8
4.3控制电路9
4.3.1单片机前向通道9
4.3.2柔和度调节10
4.3.3灯其他功能电路11
4.3.4显示电路12
5系统软件设计12
5.1程序流程图13
5.2主要程序分析14
5.2.1INT0外部中断控制14
5.2.2显示控制15
7结束语16
致谢16
参考文献17
附录1主电路18
附录2部分程序19
1前言
随着经济的进一步发展，生活水平的提高，人们对生活品质的要求也越来越高，传统的照明系统已经远远满足不了现代人的需要，对于照明的控制，人们希望使用更加方便甚至是随心所欲，于是智能照明系统应运而生。
通讯技术、网络技术、传媒业的飞速发展和高度结合，数字化家居将得到进一步的快速提升，技术也将进一步的成熟，各类通讯标准和市场也将得到进一步的规范，在不久的将来，智能照明将真正飞入寻常百姓家。
照明系统是我们生活中最常用的基础系统。
随着智能家居产业的兴起，充满人性化的家居智能照明系统将带给你浪漫，温馨的家居环境。
智能照明可以控制照明光源的发光时间、亮度，它不仅具有软启，调光，全开全关等基本的功能，而且与其它智能系统连动还能实现具有场景设置等更具人性化的功能。
实现照明管理智能化，操作简单更灵活。
全面提升家庭环境的品位和生活的舒适度。
所以智能照明系统代替传统的照明系统，是家居智能化过程中必然要走的一步。
2智能照明现状分析
智能照明行业自从上世纪90年代进入中国市场以来，受市场的消费意识、市场环境、产品价格、推广力度等各方面的影响，一直没有太大的起色。
到底哪些因素影响智能照明市场的快速普及呢？
（1）国内的智能照明产品推广力度远远不够。
由于这是一个新兴行业，不同于普通消费品市场的建设，消费观念的形成还需要时间，产品的宣传力度还需加大。
但是随着经济的发展、相关行业对外开放的力度的加大，部分国际品牌如Dynalite、路创、WIELAND、e-bfb等进军中国市场，与国内智能照明厂家和商家如百分百照明、瑞朗、索博、海尔、清华同方等企业相互取长补短，在良性的市场竞争中，推动智能照明行业的发展与增长。
由于市场没有成型，还没有形成大的消费市场，大部分智能照明厂家在市场渠道的建设上也一直在探索着适合这个行业的模式。
由于各方面的原因，传统的照明、电工经销商很难推动、装饰公司不够专业等因素使智能照明市场还没有形成稳定的销售渠道。
（2）消费者在认识上存在误区。
普通家庭在照明问题上由于传统观念影响，普遍感觉照明系统是否智能，并不是必须要具备的。
由于文化素质高低的差异，许多人虽然对智能照明有些了解，但对于这种高科技的产品也担心不会使用，有的甚至担心维修保养问题，从而造成更大的麻烦。
（3）经济基础决定家居档次。
我国现阶段，虽然国民经济呈现高速发展之势，但起步较低，绝大多数家庭还刚刚处在温饱阶段，就业形势、子女教育、医疗负担等压力，使人们还不敢过分追求家居的舒适，通常的对策是增加储蓄，以备不时之需。
而且，普通家庭住房一般就是二居室或三居室，是否采用智能化照明，现实意义并不大。
因此，对于智能照明、智能家居等先进的时尚商品，采取现阶段观望，未来几年随着家居条件的改善再决定是否安装。
总之，国内绝大多数家庭的经济状况，也是影响智能照明系统普及的重要原因，尽管智能照明系统的价格并不昂贵。
（4）产品因素
市面上个别智能照明产品水平不高，也不能满足人们的需要。
有的产品只能在一个地方控制，不适合于大房子；有的遥控灯不能实现网络化的控制方式，不能用一个遥控器控制所有的灯；有些单独的调光开关只是调光，没有记忆功能，不能自动延时或进行其他高级操作等。
在一定程度上，也影响人们对智能照明产品的看法。
但是传统的本地式、一开一关的控制方式，也制约了现代人快节奏的生活方式，现代家庭中应用一套优秀的智能照明系统可以提升家庭环境的品质，确保家庭生活的舒适和健康。
所以智能照明系统最终取代传统的照明系统，乃大势所趋，是家居智能化过程中必然要走的一步。
另外，智能照明系统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，网络化的智能照明系统会令你的生活更丰富多彩。
智能照明系统相对于传统照明具有以下不可比拟的优势：
（1）适合于大户型住房，如别墅，跃层等。
没有遥控功能，房子越大就越不方便。
试想，开关（或查看）一次灯还要上楼或下楼来回的跑，该是多么的烦恼；没有实现全开全关的操作，离家前还得检查一遍是否所有的灯已经关闭，非常麻烦；没有场景操作，不能对成组的灯进行控制，使家庭的光线显得比较单调，也不能满足人们的多样化的时尚要求。
（2）传统照明的关灯操作不节能。
由于关灯不方便，造成关灯不及时而浪费电能；没有调光功能，有的时候灯太亮却无法调暗，既刺激人眼，又浪费电能，必须更换灯泡才能解决问题；还有开关灯时，亮度骤然变化，不仅对人眼的刺激很大，而且灯丝温度急冷急热，严重影响灯泡的使用寿命；不能及时或自动延时关灯，既费电，也费事。
而智能照明恰恰能够很好地解决这些问题。
随着网络技术及通信技术的发展，智能化家居的发展，智能照明系统作为智能化家居的重要组成部分面临着很大的发展机遇，智能化家居作为人类通信、网络、建材、安防等行业发展之集大成，受到社会极大的关注。
它不仅方便了人们的生活，提高了家居品位，还从一定程度上改变了人们的生活方式，从而改善了人们的生活质量。
生活水平的提高，人们对生活品质的要求也越来越高，传统的照明系统已经远远满足不了现代人的需要，对于照明的控制，人们希望使用更加方便甚至是随心所欲，于是智能照明系统应运而生。
3系统设计方框图
图1系统结构框图
如系统方框图所示，该智能照明系统由遥控发射部分，遥控接受部分，控制部分，驱动部分以及灯模块五大部分构成。
遥控电路由PT2262和PT2272做编译码芯片，LT0038做接受芯片，完成对遥控信号的编码、发射、接收、译码操作。
控制部分以单片机AT89C51为控制核心，实现指令的读取、译码和输出控制。
输入接口采用双四或非门CD4002芯片和非门芯片对输入信号进行操作作为触发信号。
输出接口采用驱动芯片UIN2003，普通继电器，固态继电器MOC3021以及四二与门CD4082相结合对灯模块进行控制。
实现灯的柔和度调节，亮度调节，场景设置，灯组配置和定时关等功能；另外，74LS164芯片和数码管LED组合控制各项参数的输出。
4系统硬件电路设计
4.1电源
电源有交流和直流之分，居民平常所用电源是220V交流电源，而智能照明系统中有些芯片或灯需要采用低压直流电源。
因此要设计一定的低压稳压源满足系统控制的需要。
实践证明，系统失效和硬件损害使各种干扰引起的，而90%左右的干扰来自于电源。
可见电源的优劣对系统的影响相当大，目前有以下电源可供选择[1]。
（1）阻容分压式
采用简单的电阻电容分压滤波。
这种电源稳定性能差，电源波动大，带负能力小。
（2）开关电源
这种电源的稳压性能好，纹波小，但成本高。
（3）线性电源
这种电源稳压性能好，隔离性能好，成本适中。
而单片机对电源要求很高，本电路采用线性电源得到5V和12V直流电压。
图2电源
220V交流电经两个变压器分别降压为7.5V和10V。
降压后的10V电压经整流桥整流后再由1000μF、0.1μF两个电容滤波便可得到12V直流电压，供彩灯做工作电源。
来自变压器的7.5V电压经整理桥整理后，再由稳压器件5081稳压输出5V直流电压，给单片机和其它芯片提供电压。
这路中，输入端的两个电容起滤波作用，输出端的两个电容是去耦电容，IN4007二极管起保护作用，它能防止输入端短路时，输出端470μF的放电电流倒流入稳压器的输出端，从而损坏稳压器件5081，有了IN4007二极管，输出端的470μF电容会通过其放电，保证稳压器件输入输出两端的反向电压不超过0.7V，达到保护的目的。
4.2遥控模块
遥控模块有遥控发射部分和遥控接收两部分组成。
遥控信号采用红外线；编译码芯片是PT2262和PT2272，它们属于完全的自编码和自解码，地址一致，PT2272对应管脚与PT2262对应管脚输出的电平相同。
信号发射通过发光二极管传播出去，接收由LT0038芯片实现。
4.2.1信号选择
遥控信号有射频和红外线之分。
两种信号各有特色，射频信号频率范围在300KHz～30GHz之间，传播距离较远，方向任意，又不受墙壁阻碍主要用于远距离控制；红外线频率范围在1012Hz～51014Hz之间，传播距离较近，沿直线传播，且无法穿透墙壁，这样便不影响周边环境，如不干扰其它电器设备。
另外红外线遥控电路调试简单，一般只要按给定电路连接，不需任何调试即可投入工作；再有其编解码容易，可进行多路遥控。
因此，红外遥控在室内近距离（小于10米）家用电器遥控中得到了广泛的应用[2]。
本设计也采用红外线作为遥控信号传播。
4.2.2遥控电路主要芯片介绍
（1）2262/2272芯片介绍[1]
PT2262/2272芯片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，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。
PT2262/2272一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射/接收芯片，且属于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，设定的地址码和数据从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路、红外遥控发射电路。
在具体应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大，振荡频率越低，编码宽度越大，发送码一帧的时间越长。
其中发射芯片PT2262将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁。
表1PT2262管脚功能
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）
D0-D5
7-8、10-13
数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
TE
14
编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效；
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
Dout
17
编码输出端（正常时为低电平）
接收电路采用PT2272芯片，有锁存和非锁存两种。
锁存型用L表示，数据只要成功接收就能保持对应的电平状态，直到遥控数据发生变化才改变。
非锁存型用M表示，数据脚与发射端瞬时对应，可以用于类似点动的控制。
本电路采用带锁存功能的.
表2PT2272管脚功能
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”（悬空）,必须与2262一致,否则不解码
D0-D5
7-8、10-13
地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
Vcc
18
电源正端（＋）
Vss
9
电源负端（－）
DIN
14
数据信号输入端，来自接收模块输出端
OSC1
16
振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率；
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端；
VT
17
解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）
（3）LT0038芯片介绍
LT0038是塑封一体化红外线接收器，由电源正（VDD）、电源（GND）和数据输出（VO或OUT）三管脚组成。
它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路接收频率为38KHz，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，没有红外遥控信号时为高电平，收到红外信号时为低电平，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
4.2.3遥控电路
PT2262的14、15端接振荡电阻，17管脚是编码输出端地址位悬空，6个功能开关接6个数据位，同时经二极管接到18管脚。
正常情况下，18管脚不接通电源，其17脚为低电平，所以38KHz的高频发射电路不工作，只有当有键按下时，PT2262才得电工作，数据变化，受编码信号调制在38KHz上，经17管脚输出，通过控制达林顿管的导通与否改变发光二极管的亮灭将编码信号以红外线形式发送出去。
图3发射电路
由于红外线接头芯片LT0038的接收频率为38KHz，则由发射电路控制芯片频率
f=2*1000*16/Rosc（kΩ）kHz
得Rosc=2*1000*16/f
=2*1000*16/38KHz
=842kΩ
结合表3知，芯片PT2262与PT2272的振荡电阻分别取1.2M和200K。
表3振荡电阻匹配
编码发射芯片振荡的电阻
配套的解码接收芯片振荡电阻
PT2262
SC2260－R4
PT2272/SC2272
1.2M
200K
1.5M
5.1M
270K
2.2M
390K
3.3M
12M
680K
4.7M
20M
820K
本遥控单元利用红外线接收头LT0038接收38KHz信号，然后送给遥控接收控制芯片PT2272的14管脚。
14管脚得到接收信号时，地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，于是便开始启动解码，接收的信号经PT2272硬解码输出与发射端对应管脚电平的变化信息，将信号输给单片机。
接收电路与发送电路地址对应都为悬空设置，15和16管脚接的振荡电阻，其阻值与PT2262的振荡电阻相匹配。
图4接收电路
遥控模块工作过程如下：
当PT2262/2272芯片的地址一致。
PT2262的六个数据位接六个功能按钮，当有按键按下时，发送模块工作，以红外线形式传送出去。
匹配的红外线接收头接收信号后再传递给PT2272，PT2272经解码将PT2262的按键信息准确的反应在自己的对应管脚上。
由于管脚与单片机P1口相连接，则按键信息便被单片机读取，与预设按键功能比较后，译码出相应的控制指令进行灯的各种控制。
这便完成了遥控控制。
PT2262六个按钮的预设功能依次为:
灯的开和关，灯的柔和度调节，亮度调节，场景设置，灯组配置和定时关功能。
4.2.4遥控编码
遥控信号的一组字码由12位AD码有地址码和数据码组成，每组字码之间有同步码隔开。
PT2262发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。
地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示，两个窄脉冲表示“0”；两个宽脉冲表示“1”；一个窄脉冲和一个宽脉冲表示“F”，也就是地址码的“悬空”。
格式如图4所示。
图中a=2*时钟振荡周期，低电平用4a表示，高电平是低电平的三倍，即12a。
当有键按下时，便按这样的脉宽编码调制于38KHz频率上，再通过控制发光二极管的变化以红外线的形式发送出去。
PT2262每次至少发送4次编码，首先我们可以通过检测11ms宽度的同步码头，有码头才开始进行编码解码，无码头则继续等待。
当收到码头时，还要检测是否已经收到过码头，若无，则丢弃第一次编码的信号，以防止误码。
PT2262和PT2272是一对编码与译码系统，只要地址预设一致，完成编码的接收，PT2272就能实现对PT2262的硬解码。
得到与PT2262管脚对应的管脚信息，这便实现了遥控的编码和解码。
图5编码格式
4.3控制电路
4.3.1单片机前向通道
单片机前向通道有晶振电路，复位电路，PT2272的输入电路组成。
实现单片机正常工作，以及对遥控信号的读取[3]。
（1）时钟电路
89C51芯片内部有一个反增益反相放大器，用于构成振打器。
反相放大器的输入端为XTHL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容，就可以构成稳定的自激振荡器。
电容器阻值在30PF左右，可稳定频率，对频率有微调作用。
此电路采用12MHz振荡频率，于是采用12MHz晶闸管值稳压，两个30PF电容微调。
（2）复位电路
复位电路是单片机得电工作的前提。
单片机通电时，其复位端至少保持两个周期的低电平，单片机就启动初始化，程序开始运行。
现采用850Ω电阻与10μF串联构成复位电路。
（3）PT2272接口电路
PT2272与PT2262按钮标号K1～6对应的数据位依次连接到单片机P1.0～1.5管脚。
这样发射端按钮信息将在单片机相应的管脚上反映出来。
单片机采用外部中断触发，于是将PT2272的六位数据位同时经过双四或非门CD4002连接到P3.2外部中断零端口，作为P1端口扫描的触发信号。
当有按钮按下时，遥控接收电路接收到编码信号，并将译码信号在PT2272数据位上表示。
它们经过CD4002或非门，就会产生电平变化，引起外部中断零中断，单片机执行中断程序对P1口扫描读数，这便读取了遥控控制信号，为之后向通道控制作准备。
图6单片机前向通道电路图
4.3.2柔和度调节
图7柔和度电路
彩色发光二极管具有暖色，可进行柔和度调节。
本电路串联一组黄色LED灯进行柔和度的调节。
一般普通彩色LED的电压约为1.8V～2V,电流约5-20mA。
由N=12V∕2V=6,则可以串联5个黄色发光二极管进行柔和度的调节。
则串联电阻阻值R=（12V-2V*5）∕20mA=100Ω[4]。
如果要需要达到更好的柔和度效果，只需在此电路基础上并联多组彩色发光二极管，就可达到更好的效果。
也可以在此12V直流电压作用下混联连接。
此柔和度的调节由K2遥控控制，由单片机P2.0管脚进行输出控制。
4.3.3灯其他功能电路
图8灯模块电路
如图所示,灯模块的控制是受固态继电器MOC3021实现的，其中UIN2003是其驱动芯片，四二与门是调光用的，它将P0端口输出的灯组信号分别与P2.7管脚的调光信号相与，实现对灯组的综合控制，从而实现亮度调节，灯形设置，灯组配置功能。
而其定时关功能是过普通继电器实现的。
灯的各项功能都是由遥控发射部分的按钮控制。
当按键按下时，单片机收到后执行相应指令，把控制信号发给执行机构固态继电器或普通继电器。
普通继电器得电吸和，与之相应的那一支路灯便亮了。
四个支路的灯可以任意组合16种，随机选择9种常用的灯组由遥控部分K4控制。
场景设置由灯组和亮点两参数共同决定。
设置4种场景，由遥控开关K5控制。
灯的开和关由遥控开关K1决定，由电磁继电器J5执行。
K1按一次开，再按一次关，如此循环控制。
定时开关是由电磁继电器J2执行，但受遥控开关K6控制。
共设8个定时级别，每个级别相差三个小时。
4.3.4显示电路
此显示电路由数码管LED和74LS164组成。
74LS164是串行输入并行输出芯片。
单片机采用串行端口传输数据。
单片机对74LS164进行控制，其RXD端传播数据，TXD端口作为时钟控制，P3.6控制使能端。
74LS164向数码管LED传送并行数据使其进行显示[5]。
当有按键信息时，单片机判断其功能作用，若是灯组配置，亮度调节，场景设置，定时关信息时，单片机P3.6端口先置零对74LS164输出端清零，同时它们的级数将加一后通过单片机RXD串行传送给74LS164,74LS164再把并行数据传递给数码管显示。
数据传送完后，再对P3.6管脚置1。
图9显示电路
5系统软件设计
本设计是硬件电路设计和软件编程相结合，才能完成系统所要达到的目的。
此软件编程包含主程序，外部中断0中断子程序，定时器0中断子程序，三大部分。
主程序由程序的初始化，中断的选择程序和灯模块各项控制参数的输出程序以及各种显示参数的输出程序构成。
主要实现中断的开启，对灯组模块的直接输出控制以及显示参数的显示控制。
外部中断0中断子程序包含P1端口扫描部分，判断转移部分，开与关参数变化和存储程序，灯组配置参数变化和存储程序，PWM调光参数变化和存储程序，柔和度调节参数变化和存储程序，定时关灯组参数变化和存储程序，输出显示参数程序以及延迟程序。
实现灯模块各项参数的变动、存取，显示参数的改变、存取；PWM调光脉冲的输出，调光级数的变化、存储。
定时器0中断程序主要是定时时钟功能，完成时、分、秒的变化与定时关级数作比较，相等时便关灯。
5.1程序流程图
图9主程序流程图
图10定时中断流程图
图11INT0中断流程图
5.2主要程序分析
5.2.1INT0外部中断控制
该中断采用外部中断0下降沿触发方式控制。
初始化后单片机处于等待中断状态。
当有键按下时，按键信号通过或非门控制便进行下降沿触发中断。
中断发生后有可能是干扰信号，要先判断是否是干扰信号再读出具体的引脚信号。
IN:
MOVP0,#0FFH；读引脚前先初始化
MOVA,P1
LCALLD-10MS；去抖动
MOVA,P1
ANLA,#0FH
JZRETURN；是抖动中断结束返回
JBACC.0KAI；判断具体的控制功能
JBACC.1JING
JBACC.2DENG
JBACC.3LIANG
RETURN:
RETI；中断返回
5.2.2显示控制
当程序进行照明控制。
具体有场景设置，灯组配置设置，灯组亮度调节。
XIAN:
MOVA,25H；判断三种控制中哪种
JBACC.0,JINGK
JBACC.1,LDENGK
JBACC.2,LANGK
LCALLRETURN
JINGK:
MOVA,28H
MOVDPTR,#TAB1
MOVCA,@A+DPTR；读出场景的控制参数
MOVB,A；保存参数
ANLA,#0FH；读场景中灯的配置参数
MOV24H,A；存场景中取灯的配置参数
MOVA,B；读场景中灯的调光参数
SWAPA
ANLA,#0FH
MOV23H,A存场景中灯的调光参数
LCALLCHU；转向输出控制
DENG:
MOVA,27H
MOVDPTR,TAB2
MOVCA,,@A+DPTR；灯组合参数读取
MOV24H,A；灯组合参数存取
LCALLCHU；转向输出控制
LIANG:
MOVA,26H
LCALLCHU
CHU:
MOVR2,23H；亮度参数读取
LOOP:
MOVP0,24H；输出灯组参数
SETBP0.4；开继电器开关，从而控制灯的明灭
LCALLD-10MS；亮灯延迟
DJNZR2,LOOP；亮灯时间判断
CLRP0.4；灭灯控制
LCALLD-10MS灭灯延迟
LCALLLOOP；亮度调节循环
LCALLRETURN
DL10MS:
MOVR6,#0C8H;循环200次，200*50uS=10ms
DL1:
MOVR7,#19H;25*2个机器周期
DL2:
DJNZR7,D
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