智能家居系统设计家用智能照明系统设计.docx

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智能家居系统设计家用智能照明系统设计

智能家居系统设计—家用智能照明系统设计

摘要

从“电力”的出现，到人们使用白炽灯作为照明工具，再到如今普遍的LED照明，说明着人们不断在追求更高的生活。

科技是无止境的，人们对生活的追求也不会满足于现状。

由于现在生活水平的不断提高，人们的生活节奏越来越快，不少人学习、工作完后希望回到家中有一个更方便、更舒适的居住环境。

因此，智能家居走进了人们的生活里。

智能照明系统是智能家居组成中的一部分，和一开一关、电路实现功能简单的传统照明系统相比，它有着更人性化、方便性的优点，它可以自动地控制灯的开关和灯光的强度。

通过与传统照明系统的比较，不难发现，智能照明系统在未来一定会得到广泛的应用。

本设计分为硬件和软件两部分，采用AT89C51单片机作为硬件核心，用它来接收指令作为主控制器，加上光敏电阻、HC-SR501人体红外感应模块、继电器等元器件来设计一套普通家用智能照明控制系统。

作为驱动硬件工作来实现相关功能的软件部分，将采用C51语言来编写程序。

关键词：

智能照明、自动、单片机

Intelligenthomesystemdesign—Intelligentlightingsystemdesign

Abstract

Fromtheemergenceof"electricity"totheuseofincandescentlampsaslightingtools,andnowtothewidespreadLEDlighting,itshowsthatpeopleareconstantlypursuingahigherlife.However,technologyisendless,andpeople'spursuitoflifewillnotbetakethingsastheyare.Asaresultofthecontinuousimprovementoflivingstandards,people'spaceoflifeisgettingfasterandfaster,manypeoplehopetoreturnhomeafterstudyandworktohaveamoreconvenientandcomfortablelivingenvironment.Therefore,thesmarthomeshouldbeborn.

Intelligentlightingsystemisapartofthesmarthome,comparedwiththetraditionallightingsystemwithsimplefunctionsofoneonandoneoffcircuit,ithastheadvantageofmorehumanizationandconvenience,itcanautomaticallycontroltheswitchofthelampandtheintensityofthelight.Comparingwiththetraditionallightingsystem,itisnotdifficulttofindthattheintelligentlightingsystemwillbewidelyusedinthefuture.Thisdesignisdividedintohardwareandsoftwaretwoparts,theAT89C51MCUasthehardwarecore,withittoreceiveinstructionsasthemaincontroller,plusphotosensitiveresistor,hc-sr501humaninfraredsensormodule,relayandothercomponentstodesignacommonhouseholdintelligentlightingcontrolsystem..Aspartofthesoftwarethatdrivesthehardwaretoachievetherelevantfunctions,theC51languagewillbeusedtowriteprograms.

Keywords:

intelligentlighting，automatically，AT89C51

3.2设计思路4

4.2AT89C51单片机的最小系统6

4.3.3信号处理器件BISS00019

4.5按键电路11

4.6LED灯指示电路11

5.1KeiluVision5软件13

6设计改进及抗干扰措施15

6.2.2软件抗干扰措施15

1前言

“智能家居”这一词很早就已经出现了，上世纪比较发达的欧美等地，一直在寻求着人们居住方式的突破。

由于自动化的技术不断发展，他们想要建造一种能实现全自动控制的家居。

而世界上首栋完整型、具有真正意义的智能家居，是20世纪80年代初在美国哈特佛市建成的。

此后，世界上陆续建造出来一些较先进的智能家居。

到现在，智能家居的数量已经有不少了，能实现的功能也比较多。

但是对于整个世界的普通住宅来说，智能家居的规模又显得还小。

随着近些年智能家居的兴起，使得其中的智能照明技术也迅速发展起来。

1.1本设计的研究目的和意义

目的：

通过本设计研究出一套普通的家用智能照明系统。

它可以实现全开或全关，可以自动开关或者手动强制开关。

在白天下，没人时灯具保持关闭状态。

在晚上探测到有人时，灯具打开。

在人走后，选择延时一段时间关闭灯具。

意义：

科学技术的不断发展，必定会不断的改变人们的生活方式，不断的提高人们的生活水平。

随着“智能化”这一概念不断地深入到人们的心中，智能照明系统未来必将会得到广泛的应用。

因此，本设计主要是想向人们介绍一下智能照明系统的概念，并设计出一套简单的家用智能照明系统。

2智能照明系统的简介

2.1智能照明是什么？

智能家居是一个以物联网技术为核心的住宅，整个系统由一些子系统构成，如家庭布线系统、安防系统、照明控制系统等。

本设计研究的是智能照明控制系统，它是智能家居中必备的一个系统。

智能照明系统利用到无线通讯数据传输、扩频电力载波、电子感应等技术，可以对电路实现全天监控和自动调节功能，使电路达到预期设置运行效果。

它最大的特点就是“自动化”，能自动实现灯具的开关，自动调节灯具的亮度，自动选择灯光模式，而且使用者还可以实现远程无线控制开关。

智能照明系统主要由输入单元、执行单元、系统单元三部分组成。

输入单元就是将接受到的外部信号转换为网络传输信号，如本设计使用的开关、光敏电阻、传感器等。

执行单元就是接收网络传输信号，然后做出相应的控制动作。

本设计使用一个继电器去驱动输出电路来工作。

系统单元作为智能照明系统的核心，起到一个主控制器的作用，如本设计中的AT89C51单片机。

2.2智能照明在国内外的发展现状

当前，日、美、德有着全球LED照明产品的龙头企业，智能照明在欧美等一些发达国家已经有不小发展规模。

从1984年美国建造成世界上第一幢智能建筑后到现在2020年，一些发达国家包括德国、澳大利亚、日本等，在他们国内已经建造了不少套智能家居。

据统计，美国在几年前就已建造了四万多套智能家居。

从这不难发现，未来智能照明市场的份量大多还是会掌握在这几个国家手里。

我国其实很早就已经引入了智能照明这一概念，但发展至今，市场规模还是比较偏小，安装用户也比较局限。

究其原因，我个人认为有三点。

其一，虽然我国近些年科技发展迅速，但是智能照明产品在我国并没有得到很大的推广，人们对这一概念只是有着普通程度的了解。

其二，我国现在虽然有不少智能照明企业，其中包括企业转型、企业外扩类型的，但是这些企业大多都处于起步发展或者发展中的，想要用户接受它们的产品，尚且需要一些年头。

最后一个原因就是，智能照明是一个科技产品，它的定位属于高端层面上的，与传统LED照明产品相比，它的高价格是阻碍受众广的一个重要因素。

目前来看，智能照明系统在全球的普及度都还不高，在全球的市场都比较偏小，但是随着科技的发展，未来它必定会应景占据大规模的市场。

放眼世界，智能照明企业已经异军突起，如飞利浦、三安光电、利亚德、国星光电等等。

据业内数据统计，2020年全球智能照明的市场份额将达243多亿美元，预计2023年这一数据将会达到7000多亿美元。

从这些数据可以预测到，一个面向未来，与人们生活息息相关的行业，正在发展壮大。

2.3智能照明系统与传统照明系统的比较

传统照明系统一般只能实现单开单关，不能调节灯光的亮度，也不能远程无线控制开关。

特别是在一些大场所，如商场、酒店这些地方，灯具众多，如果一个灯具需要一个按钮开关来控制的话，不仅影响墙面的美观，而且打开和关闭也比较麻烦。

另外在楼道、厕所等地方，长期在无人状态下开灯也会造成一定的电能浪费。

智能照明系统能够有效解决这些问题，它可以实现对灯具的全开或全关，可以调节灯光的亮度，可以根据传感器来探测信号从而实现自动开关，还可以实现远程无线开关。

智能照明系统的出现无疑给人们的生活带来了很大的便利提高了人们的生活品质，与传统照明系统相比较，它有着一些传统照明系统不能比拟的优点：

（1）可以改善照明质量，丰富照明效果。

智能照明系统能实现全自动调光，也可以手动强制控制。

设计者可以根据不同的需求设计出不同的灯光模式，使用者在使用时可以通过APP端或者控制面板去遥控智能照明系统的工作模式，让它全开或全关，单开或单关。

另外该系统还可以根据预设值来自动选择情景模式，例如在雨天灯光亮度大点，灯光颜色可以黄色白色混合交替使用，真正实现照明效果的多彩多样。

（2）可以提高灯具的使用寿命。

智能照明系统在布线上更加合理，在设计上也比只能一开一关的传统照明系统更加人性化，它能合理地安排、控制灯具的使用，有效地避免灯具过度打开。

另外，我们知道电路中会产生冲击电流，它会对灯具造成一定的影响，设计智能照明系统时可以利用软启动技术避免冲击电流带来的影响。

（3）管理、维护方便。

设计智能照明系统时，基本都是把预设的参数存储在微处理器的ROM中，而ROM是可以重复擦写很多遍的，加上整个系统由模块化构成，所以系统的维护和管理都比较方便。

（4）有一定意义上的节能。

智能照明系统可以实现自动开关、远程开关，可以通过传感器采集信号，实现人走灯灭、人少灯暗的功能。

特别是在大学教室，酒店楼道等场所里，通常会出现灯具在无人情况下一直开着的现象，造成不必要的电能浪费。

之所以说它在一定意义上能达到节能，是因为相对于传统照明系统，智能照明系统想要完好的运作，那么它的许多设备必须要时时刻刻运行，这也会损耗掉一部分电能。

如果一套大智能照明系统用在小的对象身上，将不会达到节能效果。

3系统设计的总体方案及思路

3.1总体方案

设计采用模块化思路，分为硬件和软件两部分。

硬件作为运行载体，构成整个电路，软件作为执行动力，能给硬件下达指令，驱动整个电路运行并实现相关功能。

在硬件设计的时候分为几个子电路模块来单独设计，最后组成一个完整的电路。

同样，在设计软件的时候也分为几个模块来编程，先编好头文件，然后给硬件定义参数，再根据想要达到的功能编写子程序和主程序。

3.2设计思路

首先明确本设计的内容和要求，根据需要实现的功能来展开设计。

本设计的思路就是先构建一个总体电路框架图，如图3.1所示，整个电路由单片机来控制，子电路有人体红外检测电路、光信号检测电路、按键电路等。

先把每一个子电路单独分开研究，确定子电路该选择哪种元器件，然后在仿真软件上选择元器件并连接成整个电路原理图，再把元器件的参数值改成符合电路要求的数值。

硬件部分完成后，开始分析电路需要实现的功能，构建软件流程图，按照流程图去编程。

在编程的时候使用专门的C51编程软件，编好后先调试代码，调试无错误后把生成的HEX文件加入到仿真软件的AT89C51中。

最后开始仿真，仿真有不行的地方再把问题出来处理，直到仿真能实现预设的功能，整个设计才算完成。

需要注意的是，本设计使用到的仿真软件是Protues8.6版本的，实际元器件在该软件元件库中没有找到的，需要用其他元件来代替，因此，仿真效果是不可能百分百达到实际效果的。

但是在设计得当的情况下，一般转换成实物电路基本是没什么问题的。

图3.1系统设计总体电路框架图

4系统硬件电路设计及元器件的选择

4.1AT89C51单片机的说明

“单片机”这一概念对于大多数理工科工作从业者应该都都比较熟悉，从上世纪80年代出现再发展到现在，已经出现了各种各样型号的单片机，由最初的4位、8位单片机到16位、32位，再到现在已经出现了300M高速单片机。

单片机实际上就是一个微型控制器，是一种集成电路芯片，它在一块半导体硅片上集成了CPU、RAM、ROM、I/O接口、定时器/计数器等功能。

单片机技术发展得非常快，目前在很多种领域都能被应用到，如智能控制工业、军事领域、农业、电子产品中都有被应用到。

它的优点很明显，体积小、集成度高、功耗低处理能力强等都是它所具有的优点。

51系列单片机是众多单片机类型中比较出名、应用也比较广泛的一种，该系列单片机是指对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称，目前单片机生产公司有很多，像Inter公司、ATMEL公司，还有我国国产宏晶，这些公司都有生产C51系列芯片。

本设计使用的单片机型号是ATMEL公司C51系列的AT89C51单片机，它是一种8位单片机，具有可重复擦写1000次的4K字节Flash存储器。

AT89C51和AT89C52单片机是很多年前开发出来的，目前已经被它们的升级版S系列取代了，也就是AT89S51和AT89S52。

AT89C51单片机有内部振荡器和时钟电路，有5个中断源和2个优先级，还有2个可以工作在定时方式也可以工作在计数方式的16位定时器/计数器。

它具有40个引脚，P0、P1、P2、P3口都是8位双向I/O口，占32个引脚。

VCC引脚接工作电源，GND用来接地。

RST引脚作为复位输入端。

其他引脚功能这里不做详细介绍，不同的单片机引脚的功能是有差别的，我们在使用的时候要查阅、了解引脚的具体功能。

这样有助于我们在布线的时候能正确连接单片机的引脚，而且编程的时候能正确定义引脚。

图4.1单片机引脚图

AT89C51单片机具有4个8位双向I/O口，即P0、P1、P2、P3口，双向就是接收数据、送出数据可以同时进行，而最初一些低级的芯片只能单向操作，这样不仅效率低下，而且数据在传输的时候有时间延迟，达不到想要的效果。

该单片机除了P0口没有内部上拉电阻外，其他3个口都具有内部上拉电阻。

因此P0口作为输出端时，必须外部接上拉电阻。

P3口除了用来当双向I/O口外，还可以作为AT89C51单片机的第二功能口。

第二功能说明如下所示：

表4.1P3口的第二功能

AT89C51单片机自问世以来，能受到广泛应用，能被教科书作为芯片来介绍，不仅是因为它体积小、集成度高、功耗低，而且它价格便宜，在一般要求不太高的电路中处理能力强，另外还可以通过引脚进行外部功能扩展。

本设计硬件部分就是以该单片机为出发点，通过对它的引脚的了解，去做进一步的设计。

具体就是在XTAL1、XTAL2这两个引脚接上电容、电阻、石英晶体构成时钟电路，在RST复位引脚接电容、电阻构成复位电路。

按键电路、指示灯电路，人体信号检测电路光信号检测电路和输出照明电路按照情况接在4个I/O口。

4.2AT89C51单片机的最小系统

单片机的最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

AT89C51单片机的最小系统除了单片机本身外，还包括时钟电路、复位电路、电源。

图4.2最小系统

复位电路目的就是让系统回到初始化。

当系统在运行的时候，有可能会出现卡机或者程序运行错误的情况，这时候就需要用到复位电路了。

它的工作原理是当RST引脚出现的高电平持续两个周期（即24个时钟振荡周期）以上，系统复位。

其中高电平持续的时间将由复位电路的RC值来决定。

有些单片机的RST引脚具有一个下拉电阻，此时可将电阻R去掉，此时高电平的持续时间将取决于电容C的充电时间。

一般为了保证系统遇到运行不良情况时能够正常复位，需要合理取RC的值或者电容C的充电时间，让RST引脚的高电平持续时间长一点。

单片机的复位方式有两种，上面介绍的上电自动复位是其中一种，另一种就是手动按键复位。

手动按键复位又分为电平触发和脉冲触发两种方式，本设计采用的是手动按键复位电平触发方式，该电路由一个按键和一个10uF的电容、10kΩ的电阻组成，如图4.2，RST端经这几个元件与直流电源接通，对于AT89C51来说，220Ω的R1可以去掉。

时钟电路：

单片机有外部时钟方式和内部时钟方式两种。

本设计采用内部时钟方式，当采用外部时钟方式时，XTAL2引脚不使用。

内部时钟方式的实现是利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚接上由一个石英晶体和两个电容组成并联谐振回路，让电路产生自激振荡。

本设计将采用晶体12MHZ，两个电容30pF的取值。

在安装实物的时候应该让电容和晶体应尽量靠近单片机处安装，这样可以减少寄生电容。

4.3热释电人体红外检测电路

4.3.1人体红外检测电路

图4.3是一种热释电人体红外检测电路，D、S、G分别为热释电人体红外传感器的接5V电源端、输出端、接地端。

中间是一个带16引脚的信号处理器件BISS0001。

该电路左侧是人体信号传感器，中间是人体信号处理集成电路BISS0001，右侧是晶体管和继电器组成的一个驱动负载工作电路。

其中BISS0001集成电路由运算放大器、状态控制器、延迟时间定时器Tx以及封锁时间定时器T1等构成。

当人体进入到传感器的探测范围后，传感器的探头产生一个输出信号，这个信号比较微弱而且不能被电路直接读取，这时候需要用到BISS0001对这个信号进行放大和转换。

具体工作原理如下：

BISS0001的14、15、16引脚分别为第一级运算放大器的同相输入端、反向输入端、输出端，引脚12、13分别为第二级运算放大器的输出端、反向输入端。

它的第一级运算放大器将该信号放大后再通过16引脚送到电容C3进行耦合，然后第二级运算放大器再将信号放大。

二级放大后的信号并不是电压信号，而单片机需要的是电压信号才能读取再执行指令。

BISS0001内部的电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器相当于一个信号处理电路，它将二级放大后的信号转换成一个有效触发信号Vc，Vc再启动延时时间定时器Tx后，控制信号输出端即引脚2输出信号Vo。

在本设计中，Vo送到单片机P3口的P3.7引脚中，当有人时即为高电平，无人或者人走后延时一会变为低电平。

图4.3电路中的R3是一个光敏电阻，光强时它的阻值小，光弱时它的阻值大。

R3阻值小的时候可以让引脚9保持低电平状态，禁止触发信号Vs。

电阻R6可以调节放大器增益倍数，一般建议10k，但实际使用时常选择3k，因为3k足够提高增益倍数还可以改善电路性能。

电容C7和电阻R9可以调节延时时间定时器Tx的输出延时时间，C6和R10可以调节封锁时间定时器T1的触发封锁时间。

另外BISS0001有两种工作方式，即可重复触发工作方式和不可重复触发工作方式。

当电路中的SW1接引脚1时BISS0001芯片处于可重复触发工作模式，此时当传感器探测到人体到电路输出高电平后，如果在延时时间段内继续探测到人体信号，则一直保持高电平，直到在延时时间段内没有探测到人体信号才延时将高电平变为低电平。

当SW1接引脚2时，为不可重复触发工作模式，该模式下当电路输出高电平后，不管在延时时间段内有没有继续探测到人体信号，延时时间过后高电平都将变为低电平。

图4.3人体信号采集电路图

4.3.2热释电人体红外传感器

热释电人体红外传感器（简称PIR）主要由传感探测元、干涉虑光片和场效应管匹配器三部分组成，它是基于热释电效应原理制成的。

由于该传感器单独检测到的范围比较小，通常会配套菲涅耳透镜来使用，以提高探测范围。

PIR工作原理：

自然界中有很多可见光，也有很多不可见光，我们人体会向外发出一种不可见光，即红外线。

红外线具有热效应，人体发出的红外线中心波长为9-10um，而PIR探测元件的波长灵敏度范围在0.2-20um。

因此，在制作PIR的时候，在其顶端装设一个滤光片，该滤光片可通过的波长为7-10um。

这样，人体辐射出来的红外线刚好从滤光片中通过，其他干扰光源将被滤光片吸收。

热释电人体红外传感器的可感测距离大概在2米之内，如果在一些大场所安装使用，肯定不满足要求。

因此，在实际使用中，通常会在探测器的前方装上一个菲涅耳透镜，该透镜起到一个聚焦作用，可以将探测到的信号放大到几十分贝以上，不装该透镜的情况下，PIR一般只能探测几米内人体的活动，当装上此透镜后，PIR可以探测到十几米内的人体活动。

热释电人体红外传感器由于其性能优的特点，在很多监测领域被应用到，如照明领域、安防领域、门禁领域等。

目前市面上很多热释电人体红外传感器都配套菲涅耳透镜，价格上有高有低，对于一般电路来说，一个低价格的足够满足电路的要求。

由于热释电人体红外传感器是敏感器件，容易受到温度和热源等一些其他干扰源的影响，所以我们在安装的时候要选择适合的位置，避开其他因素的影响。

如果安装位置不对，将会造成探测失灵。

以智能照明系统来说，装的时候不能太高也不能太低，避开阳光照射的地方，不能安装在靠近窗户的位置。

一旦安装不对，有可能造成电灯长期在无人下开着，或者探测不到人体信号而无法自动开灯。

4.3.3信号处理芯片BISS0001

BISS0001是一种具有传感器信号处理集成电路的芯片，采用16脚DIP及SOP封装，它的工作电压在2V-6V。

它内部由电压比较器构成的双向鉴幅器可以有效抑制干扰，而且由于它的运算放大器具有独立的高输入阻抗，可以和很多种传感器配套使用。

目前市面上有很多种人体红外感应模块，如HC-SR501人体红外感应模块就是由热释电人体红外传感器和BISS0001芯片再配一些电容电阻组成的，这种感应模块可以不发出任何辐射而接收信号，在智能照明和报警系统等领域上应用比较广泛。

图4.4BISS0001引脚

4.3.4HC-SR501人体红外感应模块

本设计采用HC-SR501人体红外感应模块作为人体信号检测器件，如下图，VCC接直流电源，该模块的工作电压为直流4.5V-20V，OUT是信号输出端，接AT89C51单片机的I/O脚，GND是接地端。

中间的CDS是光敏电阻焊接点，由于本设计有单独的光信号检测电路，因此不需要焊接光敏电阻。

RT是温度补偿电阻焊接点，它是用来补偿温度变化带给P传感器的影响的，本设计同样不需要焊接。

T和S分别是延时调节电阻和探测距离调节电阻，该模块的延时时间可以根据需要制成，一般延时范围在0.5S-300S，有的可以制成延时十几分钟，探测距离一般可调范围在3m-7m。

H是可重复触发端口，L是不可重复重复端口，基于本设计的功能要求，选择可重复触发模式的。

该感应模块的工作原理与图4.3的电路图工作原理一样，先由探头探测信号再由运算放大器逐级放大，再经信号处理器转换成有效信号。

模块的PIR采用的是双元探头（还有单元探头、四元探头），探头前面有一个菲涅耳透镜。

本设计在使用仿真软件进行仿真时，由于人体红外检测电路中的热释电人体红外传感器和BISS0001在元件库中无法找到，因此该电路选择了其他元件来代替。

在进行代替的选择上，根据供给单片机