智能家居灯光控制引 言随着科技的不断进步，人们对生活水平和生活质量的要求也相应的提高了，家居灯光的照明与人们的生活息息相关，本设计通过对老式家居灯光控制系统进行改造，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家庭灯光智能控制中的适用性、灵活性、先进性。通过对家庭灯光控制电路改造后，大大提高了人们的使用舒适感，使人们的生活提高了一个台阶。 本设计运用单片机作为红外发射和接收模块的主控芯片，采用8051系列单片机发射红外脉冲,通过单片机解码来控制继电器的开合,进而控制灯光的导通与断开，同时控制晶闸管的导通时间,来控制灯光的亮暗程度。这样一个遥控器就可以控制整个房间的灯光开关的开合与灯光的明暗程度，遥控器可以在房间内任意移动，用此方法，成本低，结构简单，体积较小，操作方便，只需按下相应的键盘按钮就能对灯光进行控制，方便实用，在各行各业均具有较广泛的用途，发展前景良好。 关键词：灯光控制、单片机、红外111111111111111111. 方案论证 1.1 系统功能定义根据设计要求，可以先大致勾勒出要完成设计，需要几个模块具有如下图所示的的功能，图1-1 发射接收框图1.2 总体方案 通过对系统功能的定义，可以将基于单片机的红外遥控控制采用单片机控制红外发射二极管发射脉冲，用一体化接收头接收，经单片机处理，执行相应的灯光控制功能。 整个系统控制将由AT89S52单片机芯片为核心构成，红外发射二极管发送脉冲，SM0038作为接收红外接收头，继电器作为控制灯管开关部分，晶闸管作为调光部分，流水灯作为模拟灯光控制部分。 设计任务：用单片机，红外发射二极管，一体化接收头等实现红外遥控控制继电器，晶闸管流水灯的导通与断开。设计要求：完成该系统的软硬件设计，学习掌握采用单片机进行红外遥控控制的设计方法提高学习新知识、新技能的能力，培养独立设计的能力。2.系统硬件电路设计2.1 系统硬件框图根据系统功能要求，可以先大致勾勒出完成任务所需的系统硬件框图如下：4*4键盘单片机红外发射图2-1 发射框图灯光控制单片机处理红外接收图2-2 接收框图发射模块按下4*4键盘相应的按键，单片机通过红外发射二极管发射相应的脉冲，接收模块通过SM0038接收脉冲，送入单片机，进行处理，从而去控制继电器，晶闸管，流水灯的导通与断开，留有几个P口作为功能的扩展。2.2 发射模块发射模块采用4*4键盘，单片机，红外发射二极管等器件来实现红外发射功能。2.2.1 键盘模块图2-3 键盘电路图矩阵式键盘的结构和工作原理：在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口线的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如上图所示在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。一个并行口可以构成4*4=16个按键，直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多区别就越明显。比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一个键9键，由此可见，在需要的按键数量比较多时，采用矩阵法来连接键盘是非常合理的矩阵式结构的键盘显然比独立式键盘复杂一些。识别也要复杂一些在上图中，列线通过电阻接电源，并将行线所接的单片机4个I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入端，这样当按键没有被按下时，所有的输出端都是高电平代表无键按下；行线输出是低电平一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。矩阵式键盘的按键识别方法 确定矩阵式键盘上任何一个键被按下通常采用行扫描法或者行反转法行扫描法又称为逐行或列扫描查询法它是一种最常用的多按键识别方法因此我们就以行扫描法为例介绍矩阵式键盘的工作原理1判断键盘中有无键按下 将全部行线X0-X3置低电平然后检测列线的状态只要有一列的电平为低则表示键盘中有键被按下而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中,若所有列线均为高电平则表示键盘中无键按下2判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后,即可进入确定具体闭合键的过程.其方法是:依次将行线置为低电平即在置某根行线为低电平时,其它线为高电平当确定某根行线为低电平后再逐行检测各列线的电平状态；若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。2.2.2主控模块一、主控模块功能分析 在本系统中，主控模块居于非常重要的地位。它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。它一方面控制着红外脉冲的发射，另一方面也控制着红外脉冲接收后的处理功能。最重要的是，遥控控制的主要模块由打片机控制，从而使整个系统进行正常的运转和工作。针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了AT89S52芯片，此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。二、 AT89S52芯片的功能特性 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器， 具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。其主要性能如下: l 与MCS-51单片机产品兼容 l 8K字节在系统可编程Flash存储器 l 1000次擦写周期 l 全静态操作：0Hz33Hz l 三级加密程序存储器 l 32个可编程I/O口线 l 三个16位定时器/计数器 l 八个中断源 l 全双工UART串行通道 l 低功耗空闲和掉电模式 l 掉电后中断可唤醒 l 看门狗定时器 l 双数据指针 l 掉电标识符图2-4 单片机引脚图在本实验中，单片机控制48KHZ红外脉冲的发射，和接收，并作出相应的处理。三、 红外发射二极管红外线发光二极管，发光元件的种类很多，依光谱大致可分为红外线发光元件及可见光的发光元 件。红外线发光元件，是以砷化镓(GaAs)的红外线发光二 极管（也称红外线发射二极管）为主体。 1.电流电压特性 红外线发光二极管其电气的电路符号及特性曲线，如图1所示。阳极（P极）电 压加正，阴极（N极）电压加负，此时二极管所加之电压为正向电压，同时亦产生 正向电流，提供了红外线发光二极管发射出光束的能量，其发光的条件与一般的发 光二极管(LED)一样，只是红外线为不可见光。一般而言砷化镓的红外线发光二极 体约须1V，而镓质的红色发光二极管切入电压约须1.8V；绿色发光二极管切入电压 约须2.0V左右。当加入之电压超过切入电压之后，电流便急速上升，而周围温度对 二极管的切入电压影响亦很大，当温度较高时，将使其切入电压数值降低，反之， 切入电压降低。 红外线发光二极管工作在反向电压时，只有微小的漏电流，但反向电压超过崩 溃电压时，便立即产生大量的电流，将使元件烧毁，一般红外线二极管反向耐压之 值约为36V，在使用时尽量避免有此一情形发生。 2. 响应特性 响应特性所指的是，红外线发光二极管加入电流后，至发光的时间般红外 线发光二极管的响应时间是随其制作方法不同而异。现在最快的是液体成长型红外 线发光二极管，其响应速度约在13uS ，亦即在适当调节下，其使用频率约在300KHz 以下。 3。包装与外型 红外线发光二极管的包装种类分为三种，透镜消除型、陶瓷型及树脂分子型， 其包装构造，如图6所示，若在使用环境上，用途上要求严格的话，应使用陶瓷型的最佳。红外线发光二极管的外型，如图所示。图2-5 红外发光二极管外形本设计中，遥控编码格式该遥控器采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为2个脉冲，最大为17个脉冲。为了使接收可靠，第一位码宽为3ms,其余为1ms,遥控数据帧间隔大于10ms，遥控码的发射当某个操作键按下时，单片机先读出该键值，然后根据键值设定的遥控脉冲个数，再调制成38KHz的方波由红外线发射管发射出去，从而达到红外脉冲的发射的目的。2.3接收模块 接收模块主要用到一体化接收头SM0038,74HC573,触发器，数码管，和处理部分的继电器，晶闸管，双向可控硅等器件。2.3.1一体化接收头本设计采用SM0038作为红外接收器件，根据接收红外脉冲的个数单片机进行相应的处理，如下图所示为一帧数据的接收。 图2-6 一帧遥控码波形图一、 SM0038主要特征SM0038是一种常见的红外接收头，是集合了接收，发达，解调为一体的红外接收头，一般红外信号经过红外接收头解调后，数据0和1的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输出脚链接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部间隔的时间从而获取数据，重点是找到数据0和1间的波形差别。二、一体化接收头的主要特征一体化接收头一般是接收，放大，解调一体头，接收头输出的是解调后的数据信号，单片机里面需要相应的读取程序。成品红外接收头的封装大致分为两种：一种采用铁皮屏蔽； 一种是塑料封装。均有三只引脚，即电源正，电源负，和数据输出。红外接收头的引脚排列因型号不同而不仅相同，成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用非常方便，但使用时注意成品红外接收头的载波频率，另外在遥控编码芯片输出的波形，在接收端收到的接收信号时，接收头收到的波形正好与遥控发射的波形想法，红外遥控常用的载波频率一般为38KHZ。2.3.2 显示模块一、74HC573芯片工作原理74HC573数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制,外形及内部逻辑图等如图所示。图2-7 74HC573外形图2-8 74HC573内部逻辑图功能表,操作条件，及最大值范围如下：表2-1表2-2时序波型变换图如下所示： 图2-9 时序变换波形图本设计中74HC573作为驱动数码管显示来使用，通过74HC573的所存功能实现数码管显示与状态所存。2.3.3 数码管工作原理数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。 静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控