基于单片机控制的遥控灯光控制系统设计论文.docx

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基于单片机控制的遥控灯光控制系统设计论文

摘要

本文通过对一些有关灯光控制系统进行了解和部分的改装，将原机的机械开关控制改为单片机红外线遥控控制，说明了单片机在现代酒店、电影拍摄以及许多工作场所灯光智能控制中的适用性、灵活性、先进性。

通过对其灯光控制电路改造后，大大提高了其的使用舒适感，使其的硬件设施提高了一个台阶。

关键词：

单片机; 遥控器; 调光控制;继电器;光电耦合

ABSTRACT

Themainbodyofabookisrefittedbythefactthatnavarcarriesouttheacquaintanceandthepartonafewinconnectionwithlamplight,on-offcontrolswitchesovertobethatmonolithicmachineinfraredrayremotecontrolhascontrolled,explainedmonolithicmachineserviceability,flexibility,advancedintheintelligentcontrolshootingaswellasalotofworkingsitelamplightinthemodernhotel,filmwithplainmachinemachinery.Bythefactthatthecontrolcircuitreformsthedayafertomorrowtowhoselamplight,haveimprovedwhosecomfortablesigmatismfeelinggreatly,havemadewhosehardwarefacilitiesraiseaflightofsteps.

Keywords：

Monolithicmachine;Remotecontrol;AllocatelightunderthecontrolofRelay;Photoelectricitycoupling.

毕业设计任务书

一、课题名称：

单片机遥控灯光控制系统

二、指导老师：

熊异

三、设计内容与要求

1、课题概述

目前国内大型的户内外演出舞台灯光控制，娱乐场所的灯光控制，星级酒店的客房灯光控制，高档小区和智能家居的灯光和电器控制多采用集中控制和遥控控制。

本课题要求使用单片机控制灯光等负载的通断，并能对部分灯光等负载进行调光控制。

2、设计内容与要求

（1）确定设计方案，绘制系统方框图、设计原理图

（2）分析各单元电路的工作原理＆特性，进行必要的计算

（3）硬件设计：

选取合适的元器件，进行电路设计和印刷电路板设计，并进行硬件制作与调试、测试

（4）软件设计：

绘制程序的流程图，编写源程序

（5）电路调试（包括硬件调试，软件调试和系统调试的过程和方法）

3、技术指标

（1）4×4键盘设计

（2）4路以上负载通断控制输出

（3）2路以上负载可以进行电压调节输出

（4）遥控频率选择合适，符合国家标准

（5）系统稳定，故障率低

四、设计参考资料

1.《模拟电子技术》，陈梓城主编，高等教育出版社

2.《数字电子技术》，杨志忠主编，高等教育出版社等

3.《单片机技术》，李移伦主编，中南大学出版社

4.《常用集成电路的应用》，

5.《电力电子技术》

6.

7.

五、设计说明书内容

1.封面

2.目录

3.内容摘要（200~400字左右，中英文）

4.引言

5.正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、计算、分析、论证，设计结果的说明及特点）

6.结束语

7.附录（参考文献、图纸、材料清单等）

六、设计进程安排

第1周：

资料准备与借阅，了解课题思路。

第2周：

设计要求说明及课题内容辅导，完成图纸初稿。

第3-5周：

进行毕业设计，完成说明书初稿。

第6周：

第一次检查，了解设计完成情况。

第7周：

第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。

第8周：

毕业答辩与综合成绩评定。

七、毕业设计答辩及论文要求

1、毕业设计答辩要求

答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。

学生答辩时对自述部分应写出书面提纲，内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。

答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。

2、毕业设计论文要求

文字要求：

说明书要求打印（除图纸外），不能手写。

文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。

图纸要求：

按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。

曲线图表要求：

所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的标准或工程要求绘制。

前言

在信息、网络技术高速发展的今天，高新技术促进了生产力的提高，也给人们的思维方式、工作方式和生活方式带来转变。

随着人们生活质量的提高，灯具已不单纯是室内的基本照明工具，而且是建筑装饰的一种实用艺术品，当家里有各式各样的灯具之后，将它们精心地搭配在一起，达到最适合的气氛效果是高品质生活的需要，目前灯光的控制主要还是手动形式，逐个控制所有的灯具，这样不仅麻烦而且效率低下，也不符合现代舒适生活的标准。

因此，设计一个可以便捷地控制灯光、同时还提供场景组合等功能的智能化灯光系统不仅具有实用价值，而且还具有广阔的市场前景。

单片机是一种广泛应用于各种产品的半导体器件。

对于我们来说单片机已经不是一个陌生的东西了，单片机又称为微控制器MCU（MicroControllerUnit），它可以很容易地将计算机嵌入到各种仪器和现场控制设备中，因此单片机又称为嵌入式微控制器（EmbeddedMCU）。

嵌入式系统的应用越来越广，我国从事嵌入式系统开发的人员也越来越多，而单片机是嵌入式系统的核心单元。

近年来，除了各种类型的工控机外，各种以通用微处理器构成的计算机主板模块，以通用微处理器为核片内扩一些外围控制功能单元电路构成嵌入式微处理器，甚至以单片形态的PC机等，都实现了嵌入式应用，成为嵌入式系统的庞大家族。

随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。

因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。

应用在各个领域,特别是在实时系统中的运用，将操作系统嵌入到单片机当中去，实现特殊的处理功能。

AT89S51/LS51单片机是低功耗的、具有4KB在线可编程Flash存储器的单片机。

它与通用80C51系列单片机的指令系统和引脚兼容。

片内的Flash可允许在线重新编程，也可使用通用非失性存储器编程器编程。

它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上，形成了功能强大、使用灵活和具有较高性能价格比的微控制器。

遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制，常用的方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。

无线电遥控既是利用无线电信号对被控物体实施远距离控制。

无线电遥控不可避免的须占用一定的无线电频率资源，造成电磁污染；常规的有线遥控需进行专门的布线，增加了投入；而红外线、超声波遥控则受距离所限。

现有的遥控方式中，还有载波通信控制手段和基于无线寻呼的遥控方式。

载波方式即通过电力线传递信息，该方式只能局限于同一变电所、同一变压器所辖范围内。

因此也存在距离问题，应用范围有限。

基于无线寻呼的遥控方式利用了现有的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱。

而且，随着寻呼网的全国联网，其遥控的距离基本不受限制。

但该方式的受控方动作滞后于控制方的操作，不具备实时性，而且不具备很高的可靠性。

第1章系统分析与设计实现

1.1课题的背景，意义

发展中的光源

传统的灯具，如聚光灯、散光灯等，作为灯光系统中最基本的元素，目前随着计算机技术、数控技术和光电技术等的发展，受到极大挑战。

传统的灯具只是为再现拍摄对象提供必要的照度，并让光束投射到被摄物体上，通过人物和环境的刻画，曲折地表现自己的创作意图。

而新近发展起来的各种新型灯具，如效果灯、电脑灯等，其运用方式逐步突破了沿袭几十年的传统模式，使灯光创作走上直接表现自我的道路，使灯具和光束本身也是艺术欣赏的一部分，以直接展示自身的美。

尤其是电脑灯的出现，彻底改变了灯光效果的静止状态，使灯光跨入艺术表演的行列，使灯光艺术从表现环境的艺术发展成为一种具备自我表演功能的艺术。

光的开关控制和调光控制的发展方向

近几年来，文化艺术领域取得了前所未有的巨大发展，国内演艺娱乐市场也是空前的繁荣。

各类演出团体的迅速发展和电视产业的迅猛发展，也使得各大中型城市的各类演出场所及各类大小演播室得到快速的崛起；具有不同艺术特色的多功能的艺术中心，大剧院，会堂，体育馆等场所得到了大力的修建或改造完善，使得这样的文艺场所星罗棋布于国内。

为了满足电视节目的需要，原来传统的几百平方米的演播室逐步向大规模多功能综艺性的上千平方米的超大型演播室发展，加上各种数字化、网络化、智能化的影视灯光设备的应用，使得电视节目也变得更加丰富多彩。

舞台演出离不开舞台灯光的配合，演艺市场的空前繁荣及计算机技术的日新月异，使得灯光控制技术也取得了迅速的发展；可控硅技术的进步及新型抗干扰扼流圈的出现，使调光器技术从模拟时代、全数字时代，全数字半网络时代到现在全数字光纤网络时代的发展只用了短短几年的时间；调光器技术的发展也使得灯光控制的表现手法更加多样化。

而灯光系统网络化的全面应用及多网合一的网络灯光检测报告系统的出现，使智能化网络灯光控制系统和高科技、高技术的电子技术及计算机网络技术越走越近。

智能控制系统在灯光控制系统中的应用

物理层面而言，居家智能是一个多功能的技术系统，众多的功能子系统间还要具有协同配合的能力。

这些系统包括：

照明控制、电器控制、环境监测、视频监控、设施监控、家庭娱乐、背景音乐、通讯设施、门禁管理、健康监测、居家采购、花园自控、宠物监护、信息安全等等。

　　简要介绍智能照明控制系统在体育场灯光的控制方面的应用。

通过对体育场的各类照明灯具按不同的要求进行智能控制，可使其能适应不同环境的不同需求，达到不同的照明效果。

以某一体育场的设计为例，根据当地体育运动发展的情况，设计了开灯方案模式，有彩电转播模式、足球比赛模式、足球训练模式、文艺演出模式、清扫模式等，并可根据用户需要自行编辑。

整个场地共有204套2000W，80套400W的金卤灯，由分散在主体育场灯光控制室内的6个配电柜进行控制。

整个控制系统采用集中控制和管理，分散执行的方式，即中央监控中心（上层）和智能照明控制柜（下层）。

监控中心可进行整个场地照明控制和管理，循环与各台智能照明控制柜中的可编程照明控制器进行通讯联络。

一方面，将有关控制命令通过总线传输，发至各区域照明控制柜内的可编程控制器，让其接收相关的控制命令；另一方面，接收来自各区域照明控制柜内的可编程控制器向上转发的有关自动或手动状态，开灯或关灯状况等信号，（在要求高的情况下，还可巡检每只灯的状态及故障情况，对灯具工作时间进行统计，查阅每只灯的累计运行时间，在进行大型比赛前进行普查，及时将到达使用寿命的灯具换掉，）通过分类处理，在计算机屏幕上显示参数，对异常情况采取提示处理。

它可与其他BA系统通过接口集成。

智能照明控制柜则是具体执行监控中心计算机发出的各项控制命令，控制场地照明灯光以不同模式开灯，满足各项体育运动比赛或活动的要求，并巡回采集照明回路的开关状态参数等信号。

对于场地灯光，除了在监控中心的计算机上控制外，还可在现场的控制柜上进行手动按钮分组操作、控制。

因此，真正意义上的居家智能系统，应该是以技术为基础，以服务为手段，以客户需求（而不是以产品）为中心，以技术文化为灵魂，通过量身定制式服务，由居家智能专业服务商为不同的客人出品各具特色的个性化系统

智能照明控制系统的优点

智能照明控制系统与传统照明控制系统相比，在控制方式、照明方式、管理方式以及节能方面等均有不少优点。

首先在控制方式和照明方式上，传统照明控制采用手动开关，只有开和关，而且只能一路一路地开和关。

而智能照明控制采用调光模块，通过灯光的调光在不同使用场合产生不同的灯光效果，营造出不同的舒适的视觉氛围。

在控制上采用低压二次小信号控制，控制方式多，功能强，范围广，自动化程度高。

其次，智能照明控制系统由于使用了自动化照明控制，智能利用光照以及通过网络，只需一台计算机就可对整个大楼的照明实现合理的能源管理自动化，不仅减少了不必要的耗电开支，同时也降低了用户的运行维护费用，在节能方面可比传统照明控制节电20%以上。

另外，在智能照明控制系统中，由于可通过系统人为地设置电压限制，可以避免或降低电网电压以及浪涌电压对灯具的冲击，从而起到保护灯具，延长灯具使用寿命的作用。

而更值得一提的是智能照明控制系统是一个开放式的系统，通过标准网络接口可方便地与BAS系统联接，实现智能大楼的计算机系统集成。

结语

从以上对智能照明控制系统的介绍，我们知道智能照明控制系统不仅可以满足和实现不同的灯光效果要求，实现照明的高层次智能管理，改善工作环境，提高工作效率，还可节约能源，延长灯具寿命，减少用户维护费用。

随着建筑和照明技术的进步，照明和建筑融为一体，照明已成为建筑艺术的一部分，让我们大家共同努力，将更多、更好的智能照明控制系统应用到智能建筑的设计中去，营造出艺术、智能化的光环境，赋建筑与生命

1.2总统设计分析

 随着人们生活质量的提高，灯具已不单纯是室内的基本照明工具，而且是建筑装饰的一种实用艺术品，当家里有各式各样的灯具之后，将它们精心地搭配在一起，达到最适合的气氛效果是高品质生活的需要，目前灯光的控制主要还是手动形式，逐个控制所有的灯具，这样不仅麻烦而且效率低下，也不符合现代舒适生活的标准。

    因此，设计一个可以便捷地控制灯光、同时还提供场景组合等功能的智能化灯光系统不仅具有实用价值，而且还具有广阔的市场前景。

参数

无线遥控器是系统最主要的人机界面，也是该系统最具特色的组成部分之一。

与传统的有线遥控器相比，它摆脱了线缆的束缚，体现了“以人为本”的要求。

◆工作频率范围：

260~434MHz，发射功率极低，无须批准；

◆直接控制指令发送：

实现对照明电器的开关控制和调光控制，对家电设备的开关控制；

◆时间控制和逻辑控制程序启动：

可以定时开启一些控制模式或按照一定的逻辑关系启动系统控制指令；

◆照明场景控制：

可以通过场景控制命令实现照明设备的群控，如开启一定数量的灯光创造一种特定的灯光氛围。

实现功能

１．可以通过手动或遥控器来控制电灯的开／关与调光。

２．用一个遥控器可控制接收主机。

３．每路接收器独立控制电灯，包括6路开关控制和2路调光控制。

4．可以直接代替普通开关而不必更改室内布线，使用非常方便。

产品主要特点：

1、遥控（手动）智能控制灯光，操作舒适方便；；

2、灯光渐亮渐暗，既可保护视力又可延长灯具的使用寿命；

3、省电节能，安全，远离强电线路，意外发生；

4、可营造多种适合于不同状态和场所的灯光环境，即调即用，可以随意改变视觉效果；

6、安装、调试、使用简单方便。

设计目标

设计一个智能化灯光控制器，安装在家中的各个房间，提供无线遥控、轻触式灯光控制、场景组合、预设存储等丰富功能。

通过手持遥控器来控制住宅内所有的灯光；通过遥控器上的场景设置按键，方便地设定灯光场景和迅速切换，可以通过面板上的轻触按钮控制灯光的开关和亮度，或者是多盏灯进入某种预设的场景，各灯光控制器通过RS485的总线与家庭以太网网络终端通信实现对灯光亮度的远程控制和查询。

该智能化灯光控制系统分为接收外来控制信号和执行控制操作两部分，为了接收控制信号，系统需具备无线接收功能和按键输入面板，为了对灯具执行控制，需要设计220V调光控制电路。

1.3系统设计方案

设计目标

设计一个智能化灯光控制器，安装在家中的各个房间，提供无线遥控、轻触式灯光控制、场景组合、预设存储等丰富功能。

通过手持遥控器来控制住宅内所有的灯光；通过遥控器上的场景设置按键，方便地设定灯光场景和迅速切换，可以通过面板上的轻触按钮控制灯光的开关和亮度，或者是多盏灯进入某种预设的场景。

该智能化灯光控制系统分为接收外来控制信号和执行控制操作两部分，为了接收控制信号，系统需具备无线接收功能和按键输入面板，为了对灯具执行控制，需要设计220V调光控制电路。

1.4方案论证

1.4.1MCU选择

方案一：

AT89S51

AT89S51单片机，能够正常地实现所要求的功能，抗干扰性能好、安全性强。

芯片ATMELAT89S51与Intel公司MCS-51系列单片机兼容，采用CMOS工艺制造，节电性能好。

AT89S51是一种带4K字节在系统可编程Flash存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，AT89S51是它的一种精简版本。

AT89S51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

方案二：

LPC2104

LPC2104是PHILIPS公司专为嵌入式应用提供的高性价比微控制器解决方案。

它采用ARM公司的16位/32位RISC结构，内核是ARM7TDMI-S，CPU操作频率可达60MHz，片上集成：

具有ISP和IAP功能的128KBFlash程序存储器、16KB静态RAM、2个UART、1个I2C串行接口、1个SPI串行接口，多达6路输出的PWM、2个定时器，分别具有4路捕获/比较通道、实时时钟及看门狗定时器等，能够与常用的外围设备实现无缝连接，功能强大，本文以LPC2104为核心，设计结构简单、性能稳定的智能灯光控制器。

方案选择：

由于AT89S51是我们重点学习的单片机，它价格很低廉且和LPC2104一样能实现要求，故采用方案一。

1.4.2遥控电路

方案一：

红外

1）红外电路电路采用电视机万能遥控器，价格便宜，有现成的模块，使用方便。

红外遥控接收电路

2）般的红外接收头主要由CX2016A，PC1373等集成电路外加阻容元件，红外线接收管及滤波光片等组成，因而体积较大。

而新一代一体化红外遥控接收头SFH506-38与RPM-638CBR将红外接收管，前置放大解调等电路集成在同一基片上，内电路框图如图1所示，具有体积小，无外部元件，抗干扰性能好，接收角度宽、价格低等优点。

方案二：

2262/2272

2262/2272集成块遥控发射接收电路

PT2262/2272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，PT2262/2272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。

方案选择：

电视机万能遥控器价格便宜，且到处可见，使用方便，且红外一体化接收头只有三个引脚，电器简单，功能脚直接单片机I/O口。

故选用方案一。

2.4.3电器灯具开关控制

方案一：

电磁继电器开关控制

电磁继电器利用电流的磁效应做成的.电磁继电器实际上就是一个电磁铁,在电磁铁的基础上加上动触点和静触点用来接通和断开电路.电磁继电器优点是可用低电压控制高电压.小电流控制大电流.使用安全可靠.

方案二：

可控硅开关控制

晶闸管的主要工作特性

晶闸管的特点：

是“一触即发”。

但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。

控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。

那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?

使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源（图3中的开关S）或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。

如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断

方案三：

固态继电器开关控制

固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。

SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。

方案选择:

上述三种方法都能很好的实现电器灯具开关控制，但由于电磁继电器能直接用单片机的5V电压控制220V市电，而且电路很简单，又出于这种方法是我们很熟悉使用的一种方案一。

1.4.3光强的控制

灯光控制和调整主要体现在两方面：

一是亮度，即光强的控制，二是色彩的控制。

控制亮度的方法主要有两种：

一种是机械加减法，即通过控制点亮灯具的数量，来达到发光总强度的增大或减弱。

对于单灯，则可采用遮光板或可变光阑来改变灯具透光量；另一种方法是电气控制法，即使用各种不同的调光器，改变灯具的工作电压或电流，从而调整灯具的发光强度，这两种方法各有特点，第一种方法的优点在于不会影响色温，但调整不够方便。

第二种方法则操作简单，且能实现自动和程控操作，其缺点是在改变发光强度的同时，色温和显色性有较大变化。

从灯光的电气控制原理来说，可归纳为通断控制和发光强度控制两种，与此相对应的有开关控制和调光控制两种方法。

方案一：

用调光芯片

在电子镇流器出现后不久,人们就开始研究如何利用电子镇流器来实现荧光灯的调光.荧光灯调光提高了电子镇流器设计的技术含量,使之作为照明子系统而嵌入楼宇自动化控制中,同时在家庭智能化中也有着广阔的应用前景.

FM2822是上海复旦微电子股份有限公司最新开发而成的可调光电子镇流器专用集成电路.与其他公司的同类产品相比,如IR,Fairchild,ST,Microlinear等,FM2822在设计上有其独特的地方,可以简化外围系统的设计,大大增加了外围设计的灵活性.

方案二：

可控硅移相触发调压

例如：

MCU+过零检测＋普通光耦＋晶闸管

通过控制可控硅的导通角，可控硅的导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因此输出的电压有效值和功率就不一样。

方案三：

可控硅PWM（脉宽调制）调功

例如：

MCU+过零检测＋过零触发光耦＋晶闸管

首先用PWM（脉宽调制）方法用于可控硅控制是有条件的，即调制频率不能大于市电频率（50Hz），也就是周期不能小于20mS，否则就不能达到调制作用，调制频率超过市电频率时，可控硅即处于连续导通状态而不能达到调压目的。

只有调制频率低于市电频率才能起到调压目的，即限制市电的周波通过可控硅的数量而起到调压的目的。

因此用该种方法调制的电压周波数一定是小于50HZ，超过了人眼视觉暂留效应，此就是用于调光产生闪烁的原因。

该调压方法用在调功或对脉动电压不敏感的用途上尚可。

如果采用可控硅调压用在调光上，须采用移相的调制方法，可使光连续可调。

采用移相方法就需过零检测作为移相基点。

过零检测其实并不难，如果要求调压比不是很高采用简单的方法即可奏效；用一只三极管即可。

用单