家居智能照明控制器設計論文

1、 智能家居照明控制器 設計論文 班級： 電子102 組長： 組員： 指導老師: 2013電子大賽實訓 基于單片機的居家智能照明控制器的設計（E題）一、任務設計制作一個基于單片機的居家智能照明控制器。二、要求內(nèi)容：1. 功能一：所設計的控制器能實時根據(jù)房間照度，改變窗簾的開度；房間照度目標值可預置，預置范圍盡可能寬；控制精度10%。2. 功能二：可控制照明系統(tǒng)，補充房間照度。3. 能捕捉居家信息，必要時關閉功能二和功能二。4. 系統(tǒng)應充分考慮節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保。目標：1. 參閱有關文獻資料，設計電路；2. 仿真調(diào)試、系統(tǒng)演示；3. 完成實訓論文。1背景11.1智能家居的概念11.2智能家居控

2、制系統(tǒng)功能12總體設計22.1整體設計22.2系統(tǒng)設計方案22.3功能設計22.3.1紅外控制22.3.2光敏控制32.2.3A/D轉換42.2.4步進電機52.2.5PWM62.2.6數(shù)碼管顯示63硬件設計73.1紅外模塊73.2光敏模塊83.3A/D模塊83.4數(shù)碼顯示模塊93.5步進電機模塊93.6 PWM模塊104軟件系統(tǒng)114.1 keil與proteus軟件114.1.1 keil114.1.2 proteus11功能特點。這些功能是：114.1.3 keil與proteus的聯(lián)調(diào)124.2流程圖設計134.3代碼分析144.3.1 main.c：144.3.2 AD轉值程序154

3、.3.3 I2C總線164.3.4 PWM程序174.3.5 步進電機程序195環(huán)境實例搭建205.1各個功能模塊分解圖205.2整體實物圖215.3proteus仿真圖226總結227.參考文獻221背景1.1智能家居的概念智能家居（Smart Home）是以家為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ⒆詣踊?，智能化于一體的高效、舒適、安全、便利的家居環(huán)境。家居智能化技術起源于美國，最具代表性的是X-10技術，通過X-10通信協(xié)議，網(wǎng)絡系統(tǒng)中的各個設備便可實現(xiàn)資源的共享。因其布線簡單、功能靈活，擴展容易而被人們廣泛接受和應用。至今，X-10技術產(chǎn)品的銷售已超過兩億個，僅在美國一個國家，便有超過600萬個家庭在使用。

4、自動化的智能家居不再是一幢被動的建筑，相反，成了幫助主人盡量利用時間的工具，使家庭更為舒適、安全、高效和節(jié)能。智能家居是現(xiàn)代社會最熱門的話題之一，它的目標是通過網(wǎng)絡等信息通信技術手段實現(xiàn)對家居電器等的智能控制，使其能夠按照人們的設定工作運行，而不論距離的遠近。智能化與遠程控制是智能家居的兩大特點。目前，已經(jīng)有越來越多的機構和個人開始了對智能家居的研究 隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，特別是無線網(wǎng)絡的發(fā)展，網(wǎng)絡化智能家居系統(tǒng)可提供遙控、家電（空調(diào)，熱水器等）控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、防盜報警、 遠程控制、可編程定時控制及計算機控制等多種功能和手段，使生活更加舒適、便利和安全。 1.2智能家居控制

5、系統(tǒng)功能智能家庭控制系統(tǒng)的主要功能包括家庭設備自動控制、家庭安全防范二個方面。其中家庭設備自動監(jiān)控包括電器設備的集中、遙控、遠距離異地(通過 或Internet)的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)采集。(1)家用電器的監(jiān)視和控制，按照預先所設定程序的要求對熱水器、微波爐、視像音響等家用電器進行監(jiān)視和控制。(2) 熱能表、燃氣表、水表、電度表的數(shù)據(jù)采集、計量和傳送根據(jù)小區(qū)物業(yè)管理的要求所設置數(shù)據(jù)采集程序，通過傳感器對熱能表、燃氣表、水表、電度表的用量進行自動數(shù)據(jù)采集、計量，并將采集結果遠程傳送給小區(qū)物業(yè)管理系統(tǒng)。(3)空調(diào)機的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制，按照預先所設定的程序，根據(jù)時間、溫度、濕度等參數(shù)對空調(diào)機進行監(jiān)視、調(diào)

6、節(jié)和控制。(4)照明設備的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制按照預先設定的時間程序，分別對各個房間照明設備的開、關進行控制，并可自動調(diào)節(jié)各個房間的照度。(5)窗簾的控制，按照預先設定的時間程序，對窗簾的開啟/關閉進行控制。2總體設計2.1整體設計本次居家智能照明系統(tǒng)是以51單片機為中心，紅外、光敏傳感器為環(huán)境信息采集源，從而智能控制環(huán)境中的光照強度的智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了可以調(diào)節(jié)LED燈的片高度，還可以調(diào)節(jié)室內(nèi)窗簾開度，環(huán)保又節(jié)能。另外還有一個數(shù)碼顯示器，方便使用者了解當前亮度。數(shù)值從0-255，分別表示從亮到暗的程度。2.2系統(tǒng)設計方案根據(jù)設計要求，系統(tǒng)提供了包括了核心控制模塊，紅外模塊，光敏模塊，A/D模

7、塊，步進電機模塊，LED模塊，數(shù)碼顯示模塊等等。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。紅外模塊核心控制模塊（51單片機）數(shù)碼顯示模塊步進電機模塊LED模塊A/D模塊光敏模塊圖1.系統(tǒng)的整體框圖2.3功能設計2.3.1紅外控制運用紅外模塊，判斷環(huán)境中是否有人，從而判斷是否需要打開該智能系統(tǒng)。具體過程如下：紅外模塊通電后有一分鐘左右的初始化時間，在此期間模塊會間隔地輸出0-3次，一分鐘后進入待機狀態(tài)。當人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。注意事項：1.其采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A元B元）位于較長方向的兩端，當人體從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達雙

8、元的時間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏，當人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應不靈敏或不工作；所以安裝感應器時應使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應。為了增加感應角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應，但左右兩側仍然比上下兩個方向感應范圍大、靈敏度強，安裝時仍須盡量按以上要求。2.應盡量避免燈光等干擾源近距離直射模塊表面的透鏡，以免引進干擾信號產(chǎn)生誤動作；使用環(huán)境盡量避免流動的風，風也會對感應器造成干擾。3.觸發(fā)方式選擇：H可重復觸發(fā)本系統(tǒng)采用的也是紅外傳感的一種應用，如

9、圖2所示，介紹下現(xiàn)今的紅外傳感器。圖2.紅外傳感器 2.3.2光敏控制運用光敏模塊檢測周圍環(huán)境的亮度與光強，將光源信號轉換成電子信號，以模擬量電壓的形式輸出。該模塊的特點是靈敏度可調(diào)（圖3中藍色數(shù)字電位器可調(diào)節(jié)），采用LM393芯片作為比較器比較，工作較穩(wěn)定。模擬量輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉換，可以獲得環(huán)境光強更精準的數(shù)值。關鍵元件：光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，

10、從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。如圖3所示 圖3.光敏電阻及其結構2.2.3A/D轉換從光敏模塊得到模擬量輸出AO和A/D模塊的ANT0相連，將模擬信號傳入A/D模塊，通過AD轉換，將信息轉換為數(shù)字量，獲得環(huán)境光強精準的數(shù)值，傳送到單片機內(nèi)。本系統(tǒng)中AD與單片機的輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。功能參考圖如圖4。圖4.A/D轉換的功能示意圖2.2.4步進電機圖5.步進電機圖6. 2相勵磁2相勵磁：每一瞬間都有兩個線圈同時導電，特點是力矩大、震動較小，每次勵磁轉動角度是標稱角度。2.2.5PWMPWM：脈寬調(diào)制?；驹恚嚎刂品绞骄褪菍δ孀冸娐烽_關器

11、件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。調(diào)整占空比的大小實現(xiàn)調(diào)整燈光的亮度。優(yōu)點：PWM經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強。2.2.6數(shù)碼管顯示用0-255的數(shù)值表達當前光照強度，0表示最亮。使用單片機外設的三個七段數(shù)碼管顯示由A/D模塊傳送的數(shù)字量值。由于當前任意時刻都要顯示3個數(shù)字，需要數(shù)碼管進行動態(tài)掃描顯示3位數(shù)。動態(tài)掃描實際上執(zhí)行的是動態(tài)顯示，由于動態(tài)速度很快，人眼分辨不出是動態(tài)顯示，看上去是靜態(tài)顯示。優(yōu)點是，在不影響顯示效果的前提下，節(jié)省了IO端口。例如，如圖6所示，8位數(shù)碼管顯示01234567圖7.數(shù)碼管顯示3硬件設計3.1紅外模塊圖8.

12、紅外模塊電路圖3.2光敏模塊圖9.光敏模塊電路圖3.3A/D模塊引腳功能： 圖10.A/D模塊中主要元件PCF85913.4數(shù)碼顯示模塊圖11.數(shù)碼管顯示電路圖3.5步進電機模塊圖12.步進電機電路圖3.6 PWM模塊 圖13.PWM4軟件系統(tǒng)4.1 keil與proteus軟件4.1.1 keilkeil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（u

13、Vision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。4.1.2 proteusproteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件（該軟件中國總代理為廣州風標電子技術）。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿

14、真單片機及外圍器件的工具。功能特點。這些功能是：1原理布圖2PCB自動或人工布線3SPICE電路仿真革命性的特點1互動的電路仿真：用戶甚至可以實時采用諸如RAM，ROM，鍵盤，馬達，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真處理器及其外圍電路：可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型。上編程，再配合顯示及輸出，能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等，Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。4.1.3 keil與proteus的聯(lián)調(diào)步驟1. 1、將KeilC51（u2、u3均可）、Prot

15、eus6（94、95均可）都安裝好；2、下載兩個軟件，一個是Proteus的Vdmagdi.exe，另一個是授權后的Prospice.dll（兩個文件鏈接地址看下面）3、先運行Vdmagdi.exe安裝Keil接口，然后將Prospice.dll覆蓋在Proteus的安裝文件夾下的Bin中如：D:Program FilesLabcenter ElectronicsProteus 6 ProfessionalBIN；4、打開Proteus，在【菜單】【Debug】下拉菜單中選【User Remote Debug Monitor】（在該項前打勾）；5、打開KeilC51，點擊【菜單】【工程】【為目

16、標XX設置選項】，在【調(diào)試】標簽下選擇右邊的【使用U】單選，并在下拉框中選【Proteus VSM Simulator】仿真設備；6、在Proteus側做好硬件連線，Keil側寫好軟件，點擊Keil【調(diào)試】【運行】。4.2流程圖設計 開始紅外模塊判讀有沒有人光敏模塊采集光照強度數(shù)碼管顯示數(shù)字量numAD模塊轉換為數(shù)字量numN 結束num150YY光照過強，步進電機模塊反轉關閉窗簾光強過低，步進電機模塊正轉拉開窗簾 光敏模塊采集光照強度光敏模塊采集光照強度AD模塊轉換為數(shù)字量numAD模塊轉換為數(shù)字量num num150光照仍然過強，PWM模塊調(diào)暗LED光照仍然過低，PWM模塊調(diào)亮LED4.3

17、代碼分析4.3.1 main.c：#include#includedelay.h#includei2c.h#includedisplay.h#includeturn.h#includeAD.h#includePWM.hsbit LED=P17;unsigned char num;void main(void)Init_Timer0();while(1)if(LED=1)num=ReadADC(0); /調(diào)用ReadADC(),獲取室內(nèi)光照強度值TempData0=DuanManum/100; /使用7段數(shù)碼管顯示當前光照強度值 TempData1=DuanMa(num%100)/10; Tem

18、pData2=DuanMa(num%100)%10; if(num 150)/光照過低，電機正轉，拉開窗簾zhengzhuan(); if(num 150)/光照仍然過低，調(diào)整占空比變大tiaoliang(); if(num 100) /光照仍然過強，調(diào)整占空比變小tiaoan();TR1=0;/關定時器1，避免其產(chǎn)生中斷影響其他程序4.3.2 AD轉值程序#includeAD.h/*- 讀AD轉值程序輸入?yún)?shù) Chl 表示需要轉換的通道，范圍從0-3返回值范圍0-255-*/unsigned char ReadADC(unsigned char Chl) unsigned char Val;

19、 Start_I2c(); /啟動總線 SendByte(AddWr); /發(fā)送器件地址 if(ack=0)return(0); SendByte(0x40|Chl); /發(fā)送器件子地址 if(ack=0)return(0); Start_I2c(); SendByte(AddWr+1); if(ack=0)return(0); Val=RcvByte(); NoAck_I2c(); /發(fā)送非應位 Stop_I2c(); /結束總線 return(Val); 4.3.3 I2C總線#include i2c.h#include delay.h#define _Nop() _nop_() /定義空

20、指令 bit ack; /應答標志位sbit SDA=P21;sbit SCL=P20;/*- 啟動總線-*/void Start_I2c() SDA=1; /發(fā)送起始條件的數(shù)據(jù)信號 _Nop(); SCL=1; _Nop(); /起始條件建立時間大于4.7us,延時 _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); SDA=0; /發(fā)送起始信號 _Nop(); /起始條件鎖定時間大于4 _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); SCL=0; /鉗住I2C總線，準備發(fā)送或接收數(shù)據(jù) _Nop(); _Nop();/*- 結束總線-*/void Stop_I2c

21、() SDA=0; /發(fā)送結束條件的數(shù)據(jù)信號 _Nop(); /發(fā)送結束條件的時鐘信號 SCL=1; /結束條件建立時間大于4 _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); SDA=1; /發(fā)送I2C總線結束信號 _Nop(); _Nop(); _Nop(); _Nop(); 4.3.4 PWM程序#includePWM.hunsigned char CYCLE=10;unsigned char PWM_ON;bit Flag;/*在調(diào)整窗簾后，光照強度仍然過低, 輸出PWM，調(diào)整占空比變大，增強LED1的亮度*/void tiaoliang(void)Fla

22、g=0;PWM_ON=10;while(!Flag) delay1(20000); PWM_ON-; if(PWM_ON = 0) Flag=1; /*在調(diào)整窗簾后，光照強度仍然過強, 輸出PWM，調(diào)整占空比變小，減弱LED1的亮度*/void tiaoan(void)Flag=1;PWM_ON=0; while(Flag) delay1(20000); PWM_ON+; if(PWM_ON = 10) Flag=0; /* 定時器1中斷服務程序：用于改變占空比*/void tim(void) interrupt 3 static unsigned char count;TH1=(65536-

23、100)/256; TL1=(65536-100)%256;if (count=PWM_ON) /決定高電平的個數(shù) LED1 = 1; count+;if(count = CYCLE) count=0; if(PWM_ON!=0) LED1 = 0; 4.3.5步進電機程序/2相勵磁法，每一瞬間有兩個線圈同時導通，特點是力矩大、震動較小，每次轉動角度是標稱角度void zhengzhuan() i=256; Coil_OFF while(i-) /正向 Coil_AB1 /遇到Coil_A1 用A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;代替 DelayMs(Speed); /改變這個參數(shù)可以調(diào)整電機轉速 , /數(shù)字越小，轉速越大,力矩越小 Coil_BC1 DelayMs(Speed); Coil_CD1 DelayMs(Spe