基于单片机的灯控系统设计毕业论文.docx
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基于单片机的灯控系统设计毕业论文
基于单片机的灯控系统设计
摘要
随着人们生活水平的不断提高,人们对生活环境的舒适程度要求也越来越高。
当一天繁忙的工作结束之后,需要一个轻松舒适的环境来让人们放松心情。
而灯光在家庭环境中占有很大一部分,能够随意控制灯光成了人们共同的要求。
本文阐述了遥控技术的发展和应用,为我们的生活带来的诸多方便之处。
在遥控技术中主要阐述了红外遥控技术在本设计中的应用。
在本设计中,通过红外遥控和单片机的相互结合设计的灯光控制系统,该系统是基于单片机的控制系统,用遥控的方式对系统灯光进行控制。
本人设计了遥控接收模块,过零检测电路,电源电路,调光控制电路等几个重要部分。
本设计主要解决了信号的接收和处理,通过各部分电路控制灯光亮度的调节。
该系统设计简单,维护方便,制作成本不高,特别适应于家庭使用。
关键词单片机8051红外遥控双向可控硅
Lightingcontrolsystembasedonsinglechipdesign
Abstract
Withthecontinuousimprovementoflivingstandard,people'slivingenvironmentsdemandmoreandmorecomfort.Whenafterabusydayofwork,youneedarelaxedandcomfortableenvironmenttoallowpeopletorelax.Thelightinginthehomeenvironmentplaysalargepart,tofreelycontrolthelightshavebecomeacommonrequirement.
Qexpoundedontheremotecontroltechnologyinthedevelopmentandapplicationoflife,weprovidefortheproductionandlivelihoodofthemanyconvenient,remotecontroltechnologyinthemainpaper,theinfraredremotecontrolinthedesignoftheapplication.ThispaperisthroughremotecontroltechnologyandMCUin-targetedlightingcontrolsystem,Thesystemisbasedonthecomputer'scontrolsystem,remote-controlledmannertocontrollightingsystem.Thisarticleisdesignedremotecontrolreceivermodule,thezerodetectioncircuit,powercircuit,dimmingcontrolcircuit,andseveralimportantparts.Thisdesignsolvesthesignalreceivingandprocessingpartofthecircuitthroughthecontroloflightbrightnessadjustment.
Thesystemisdesignedtobesimple,easymaintenance,lowproductioncosts,especiallysuitableforhomeusing.
KEYWORDSInfraredremotecontrol80C51SCR
3.5.1双向可控硅的介绍16
前言
随着人们生活质量的提高,人们对住宅装饰愈来愈讲究,新潮家具配上豪华灯具,不但给人以富丽堂皇的感觉而且可使人们在劳累之余有个舒适的休息环境,灯具已不是单纯的室内照明工具,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。
生活中常常遇到这些问题,当在看电视或看书时,并不需要太强烈的灯光,就可以用调光系统来调节灯光强度。
因此,设计一个可以便捷地控制灯光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。
智能不是昂贵和不实际的代名词,而是方便。
智能灯光控制,能控制不同生活区域、不同场合的各种照明效果,提高生活品质。
当今的发展,室内的电视、台灯、地灯、鱼缸照明、夜灯、廊灯、吧台灯等开关与床头灯调光开关均集中安装在床头柜处。
由于开关较多且固定在一个位置,想开灯时必须先看清开关下面的标记才能正确开灯,有时为开一盏灯竟把所有的开关都按了一遍,使用时极为不便。
现在都采用微动开关轻触式集中控制面板。
但是开关多且固定仍不是十分方便。
本人采用8051系列单片机将原来固定的机械式开关改用红外线遥控,利用红外线技术来发送信号。
红外线技术是最近几十年发展起来的一门新兴科技。
红外线是十分丰富的波谱资源,目前在工业、农业、国防、医疗卫生等方面得到了广泛的应用。
这样一个红外线遥控器再结合单片机就可以控制室内的灯光开启,美观且实用即大方便的使用。
1无线遥控技术的介绍
1.2遥控技术的概述
遥控技术是对受控对象进行远距离控制和监测的技术。
它是利用自动控制技术,通信技术和计算机技术而形成的一门综合性技术。
一般都是指对远距离的受控对象的单一的或两种极限动作进行控制的技术,在人们的生产生活中具有广泛的应用空间。
随着电子技术、计算机和传感技术的迅速发展,遥控技术在现代工农业生产、日常生活、科学研究、国防建设等领域得到了广泛的应用,并取得可喜的成果。
如今遥控技术已经普遍应用于各类家用电器中。
例如电视遥控、电灯遥控、空调遥控等。
这类应用提高了家电的功能和档次,给使用者带来极大的方便。
设有遥控功能的电视机使使用者不用离开座位就能实现对音量,节目切换的调节。
遥控是操作者和被操作者之间对负载非接触式的一种自动控制方式。
1.2遥控技术的发展历史和现状
早在20世纪20年代,就有了遥控系统的雏形,人们试图利用遥控技术来控制无人驾驶飞机,但由于技术不够完善,没有得到实际运用。
直到第二次世界大战末期,德国首先制成了V-1和V-2导弹以及无线电指令制导的防空导弹,才使遥控技术进入了使用阶段。
20世纪30年代,无线电遥控技术首先用于天气预报,研制出第一部无线点测候仪,可以测量高空中的温度、湿度、大气压力等气象参数并通过无线电波传送到地面。
20世纪40年代,由于军事山的需要,飞机、导弹的研究进展非常迅速,必须采用遥控技术进行测量与控制。
从20世纪50年代起,美国和前苏联都积极开展卫星、导弹研制工作,使遥控技术得到了飞速的发展。
1957年苏联发射了第一颗人造地球卫星,标志着遥控技术进入一个新的阶段。
1969年美国“阿波罗-11”将送上月球,实现了载人登月的往返飞行,从而将遥控技术推向一个新的高度。
从技术方面,也经历了几代的发展,在晶体管出现以前,遥控装置都是由电子管组装而成的,由于受到的容器和载重的限制,通常只用电子管组装。
这种接收机易受外界干扰而发生误控及失控事件,因此在普及与提高方面受到限制。
上个世纪60年代初就有了全晶体管化的单通道遥控装置,其接收机仅有火柴盒那么大,地面遥控距离只有200M左右。
60年代中期又出现了多通道晶体管化遥控设备,对遥控技术发展起到了较大的推动作用。
20世纪70年代中期,集成电路的问世,特别是20世纪80年代至今,大规模、超大规模集成电路飞速发展,将微处理器引入遥控测系统,给遥控测带来了革命性的变化,使遥控遥测技术得到了一次又一次的飞跃[15]。
1.3遥控技术的发展前景及应用
十年来,遥控技术在电子技术、计算机技术、通信理论、电子元器件发展的基础上,得到了极其迅速的发展,应用前景广阔。
今后发展趋向主要表现在以下几个方面:
(1)提高系统的适应能力,以满足各种不同用途的需要。
以前的遥控系统,大都是按照特定的任务设计的,其性能完全由系统的硬件所决定。
系统传输信号的数目、信息速率、采样频率以及各种参数基本上固定的。
虽然在一定程度上能通过更换硬件或某些接线来改变工作状态,但其变化范围有限,不能适应多方面的需要。
为此,就要求发展一种灵活通用的可编程序遥控系统,这种系统具有较强的自适应能力与实时性能,能够根据不同用途的需要,随时改变系统的工作状态。
(2)采用先进的信息处理方式和新的多路信号的传送方法,以提高信息传输的高可靠性和稳定性。
(3)采用先进的元器件及工艺设计,以提高可靠性,减小设备体积、重量,降低成本及系统消耗。
(4)遥控技术在计算机、通信技术、传感器技术等科学发展的基础上,应向超时空、大容量、多媒体、智能化的方向发展。
(5)遥控技术应综合多学科技术解决我国的技术难题。
如我国一年中,煤矿发生多起瓦斯爆炸事故,夺走许多煤矿工人的宝贵生命,如果采用地下无人采煤遥控系统,系统包括采煤机操作系统,煤块向上运输提升系统,有害气体浓度监督测、报警、吸收处理及转化系统。
有这样一套完整的生产自动线,再也不会发生人身事故了。
这种设想,经过广大技术人员的科技攻关,不久的将来变为现实[15]。
无线遥控的出现,首先应用在军事上。
二次世界大战中,由于战争的需要,出现了无线电遥控的坦克、鱼雷快艇、无人驾驶飞机和导弹。
战后,随着计算机技术和集成电路的出现,不仅无人驾驶飞机、火箭、导弹、人造卫星等离不开无线电遥控,而且在军事训练中也广泛应用无线电遥控设备。
在工业生产方面,无线电遥控技术也大有用武之地,炼油厂、发电厂等大型联合企业,工艺流程复杂,牵涉的范围广,人工操作管理难以准确及时地掌握远处设备的运行情况,容易产生误差和造成不稳定。
采用遥控和其他相应的装置后,设备可以按照预定的工作程序准确运转,提高工作效率和产品质量。
在农林渔业生产方面,人们可以采用遥控的方式,定时定量的给庄稼浇水、喷洒农药;对养鸡养猪场,可以采用遥控一条龙的饲料加工、生产、自动送料喂养系统。
遥控检测鸡舍温度,可以提高产单率。
可以采用遥控技术定时、定量喂养,检测鱼的新鲜程度和生长情况。
随着社会的飞速发展,使用方便的遥控技术已经深入到我们生活的各个领域。
不仅仅是在各类家电中的应用,在一些趣味航模比赛中,模型飞机飞翔在蔚蓝的天空中,时而滑翔,时而急转,时而俯冲,这些都不是飞行员完成的,而是地面上的运动员通过遥控的方式控制模型的飞行。
当然,遥控技术的运用远远不止这些,期待遥控技术能为我们的生活带来更多的方便与惊喜!
2总体设计方案
2.1设计要求
它是一个室内用的灯光控制系统,人们手持遥控器就可以对室内的灯光进行控制。
要求能够在室内简便的安装,应用。
在设计本系统中,成本是必须考虑的条件。
要求成本不能太高,一般的家庭都能够承担的起的费用。
主控制芯片的选择
方案1:
选择ATMEGA16单片机作为核心控制芯片。
ATMEGA16单片机属于高性能、低功耗的8位AVR®微处理器,16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力,即RWW),512字节EEPROM,1K字节SRAM,32个通用I/O口线,32个通用工作寄存器,用于边界扫描的JTAG接口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口,8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP封装)的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个SPI串行端口,以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。
方案2:
选择80C51系列单片机作为核心控制芯片,STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器周期的单片机,是高速/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。
44个通用I/O口,片上集成1280字节RAM,有4个16位定时器,2个时钟输出口。
另外,有EEPROM功能,外部晶体12M以下时,复位脚可直接1K电阻到地。
A/D转换,10位精度ADC,共8路,转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)18.通用全双工异步串行口(UART),由于STC12系列是高速的8051,可再用定时器或PCA软件实现多串口。
ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器可通过串口()直接下载用户程序,数秒即可完成一片[8]。
此次设计中,以上两款单片机都能够完成设计需要。
但是ATMEGA16的程序实现没有AT80C51系列单片机灵活,且此系列单片机价格比较低廉。
鉴于以上原因,本次设计采用AT80C51系列单片机作为核心芯片。
2.3遥控方式的选择
系统要求只要人们手持遥控器就可以控制室内所有灯光,所以我们就需要一种遥控传输信号的方式,要求使系统信号传输快,传输信号准确,成本比较低。
无线遥控就是信号的传输是利用无线方式进行的,为了使远方的被控对象按照要求去动作,控制端必须向被控端发出一个动作信号或如何工作的命令,这个命令就是遥控指令。
例如,调整电机的启动与停止、正反向、升速与降速等指令。
遥控指令又分连续指令和断续指令。
数值连续变化的指令为连续指令,如控制石油管道流量和压力的指令;数值断续的指令叫做断续指令,如照明电灯的开与关的指令。
无线通信的实现有三种方案:
蓝牙通信、红外无线遥控、使用短距离无线数传器件。
对于蓝牙方案,虽然此技术在当今社会有很大的发展,有很多优点,由于成本一直偏高,所以本系统将不考虑蓝牙方案。
红外线通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接,尤其是嵌入式系统。
由于红外线遥控器具有结构简单、制作方便、成本低廉、抗干扰能力强、工作可靠性高等一系列优点,是近距离遥控,特别是室内遥控的首选方式。
因此本人选择红外线的无线通信方案。
红外线遥控的特性主要有几点。
红线遥控具有独立性,由于红外线为不可见光,因此对环境影响很小红外线的波长远小于无线电波的波长,所以,红外遥控不会干扰其他家用电器,也不会影响邻近的无线电设备。
特性与可见光相似性,由于靠近可见光的红外线边缘,它的直线传播、反射、折射、和被物质吸收等物理特性与可见光非常相似。
无穿透障碍物的能力。
具有较强的隐蔽性,因红外线为不可见光,具有很强的隐蔽性。
外线遥控的距离,一般为几米至几十米或更远一点。
基于上述分析,本次设计采用红外遥控设计。
总体设计方案
比较上述主控制芯片,本设计采用芯片STC12C5A60S2单片机作为遥控调光灯的主控芯片,能够实时、准确、多点控制灯光的强度,不但有利于对光线的采集,更有利于节能减排。
本系统由红外接收电路,电源电路,过零检测电路和灯光调控电路组成。
选用适合的红外接收器件,经过接收放大和解调由输出端输出原始的红外信号,在单片机中写入对应的红外解码程序,进而进行相应的动作。
灯光调控电路运用了光电耦合器,双向可控硅等元器件,由调光程序发送脉冲经光电耦合器来驱动双向可控硅,利用双向可控硅的特性来调节灯光的亮度,总体方案框图如下图2-1。
图2-1调光灯系统设计框图
3系统的硬件设计
3.1单片机的最小系统模块电路图
80C51单片机的最小系统包括:
晶体振荡电路部分、复位开关电路部分和电源电路部分。
图3-1为80C51单片机的最小系统原理图。
图3-1单片机的最小系统
单片机STC12C5A60S2的介绍
(1)单片机STC12C5A60S2的简单介绍
STC12C5A60S2系列单片机[8]属于增强型8051CPU,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051。
●工作电压:
STC12C5A60S2系列工作电压:
(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压:
(3V单片机)。
●工作频率范围:
0-35MHz,相当于普通8051的0~420MHz。
●片上集成1280字节RAM。
●共4个16位定时器
●2个时钟输出口,可由T0的溢出在输出时钟,可由T1的溢出在输出时钟。
●外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块,PowerDown模式可由外部中断唤醒,INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)。
(2)单片机STC12C5A60S2引脚图及各引脚的功能
引脚图如图3-2:
图3-2单片机STC12C5A60S2引脚图
单片机最小模块中各部分电路介绍
(1)时钟电路
单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
51系列单片机的时钟可由内部方式或外部方式产生。
内部方式时钟电路外接晶体以及电容C1、C2构成并联谐振电路,接在放大器产生自激电路,一般晶振可在2~12MHZ之间任选。
对外接电容值虽然没有严格的要求,但电容的大小多少会影响振荡频率的高低、振荡器稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。
外接晶体时,C1和C2通常选择30pF左右;外接陶瓷谐振器时,C1和C2的典型值为47pF。
当采用外部方式时钟电路时,外部信号接至XTAL2(内部时钟电路输入端),而XTAL1接地。
由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的,故建议外接上拉电阻。
通常对外部振荡信号不特殊要求,但需要保证最小高电平及低电平脉宽,一般为频率低于12M的方波。
本次设计采用内部方式,如图3-3所示:
图3-3单片机时钟电路
(2)复位电路
复位即回到初始状态,是单片机经常进入的工作状态。
单片机的复位是靠外部电路实现的,在振荡器正在运行的情况下,RST引脚保持二个周期以上时间的高电平,系统复位。
在RST端出现高电平的第二个周期,执行内部复位,以上每个周期重复一次,直至RST端变低。
复位时,ALE和/PSEN配置为输入状态。
即ALE=1,/PSEN=1。
内部RAM不受复位的影响。
上电复位电路:
上点瞬间,RST端的电位与Vcc相同,随着电容的逐步充电,充电电流减小,RST电位逐步下降。
上电复位所需的最短时间是振荡器建立时间加上二个机器周期,在这段时间内,RST端口的电平应维持高于斯密特触发器的下阀值。
一般Vcc的上升时间不超过1ms,振荡器建立时间不超过10ms。
本次设计采用的复位电路如图3-4所示:
图3-4单片机复位电路
3.2红外接收模块
红外遥控基本原理
红外线又称红外光波,在电磁波谱中,光波的波长范围为~1000um。
根据波长的不同可分为可见光和不可见光,波长为的光波可为可见光,依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。
光波为的光波为紫外光(线),波长为0.76um~1000um的光波为红外光(线)。
红外光按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极红外4类。
红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的,波长为。
用近红外作为遥控光源,是因为目前红外发射器件(红外发光管)与红外接收器件(光敏二极管、三极管及光电池)的发光与受光峰值波长一,在近红外光波段内,二者的光谱正好重合,能够很好地匹配,可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。
红外遥控的基本原理:
红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波;红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成,它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号,再送后置放大器。
发射机一般由指令键(或操作杆)、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。
当按下指令键或推动操作杆时,指令编码电路产生所需的指令编码信号,指令编码信号对载波进行调制,再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。
接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路(机构)等几部分组成。
接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来,并进行放大后送解调电路,解调电路将已调制的指令编码信号解调出来,即还原为编码信号。
指令译码器将编码指令信号进行译码,最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。
由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力,所以,在设计家用电器的红外线遥控器时,不必要像无线电遥控器那样,每套(发射器和接收器)要有不同的遥控频率或编码(否则,就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器),所以同类产品的红外线遥控器,可以有相同的遥控频率或编码,而不会出现遥控信号“串门”的情况。
这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便。
由于红外线为不可见光,因此对环境影响很小,再由红外光波动波长远小于无线电波的波长,所以红外线遥控不会影响其他家用电器,也不会影响临近的无线电设备。
红外线的接收过程
由于本次系统设计使用万能遥控器,所以红外发射过程可以不予考虑,只需最后编译程序时对相应的所需按键进行解码就行。
当红外线遥控器发出信号后,我们就要对这些和红外线信号进行接收。
对于红外线的接收过程是将红外线作为载波的控制信号通过光学滤波器后,由红外线光电管接收,由于红外接收器件接收的信号非常微弱,需要进一步放大才能实现遥控功能。
本设计采用红外遥控接收头,其将红外接收管,前置放大解调等电路集成在同一基片上,体积小,无外部元件。
密封性好,灵敏度高并且价格低廉。
它仅有三条管脚,分别是电源正极,地,以及信号输出端。
它的主要功能包括放大,选频,解调几大部分,要求输入信号需时已被调制的信号。
经过它的接收放大和解调会在输出端直接输出原始的信号。
从而使电路达到最简化,灵敏度和抗干扰性都非常的好,其外形和管脚如图3-5所示。
本设计的红外接收电路如图3-6所示。
图3-5红外接收头的外形及管脚图
图3-6红外信号接收电路
电源模块的设计
因为在为单片机等元件提供电源的电压必须是直流电,而我们采用的是交流电供电,所以在设计中必须有一电源电路来提供电路中所需的电源电压,如+5V,+12V等。
本次设计所采用的电源电路如图3-7所示。
图3-7电源设计电路图
桥式整流电路由变压器和四个二极管组成,四个二极管接成了桥式,在四个顶点中,相同极性接在一起的一对顶点接向直流负载,不同极性接在一起的一对顶点接向交流电源。
由于整流电路输出的直流电压脉动大,而本系统则需要稳定的直流电压,则需要相应的滤波电路,滤除脉动中的交流成分,再通过稳压器得到稳定的直流电压,以供系统需要。
其中稳压器本设计采用LM7805。
7805是常用三端固定电压集成线性稳压器,78XX系列为正电压输出稳压器,型号78XX系列中的XX数字表示集成稳压器的输出电压的数值,发V为单位。
如lm7806表示输出电压为正6V,lm7909表示输出电压为负9V。
用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便,电子制作中经常采用。
3.4过零检测电路的设计
过零检测电路的作用可以理解为给主控芯片提供一个标准,这个标准的起点是零电压,可控硅导通脚的大小就是依据
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