“遥控调光灯”设计与总结报告

《遥控调光灯的设计》
设
计
报
告
学院:xxxxxx
班级：xxxxxx
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日期：xxxxxxx
目录
摘要 (3)
第一章系统的结构及功能介绍 (4)
引言 (4)
1.1 系统设计任务与要求 (4)
1.1.1 设计任务 (4)
1.1.2 设计要求 (4)
1.2 系统结构介绍 (4)
1.3 系统的工作原理 (5)
1.3.1 红外线遥控原理 (5)
1.3.2 光亮度采集 (5)
1.3.3 灯光控制器 (5)
1.4 系统设计方案论证 (6)
1.4.1 从机设计方案 (6)
1.4.2 主机设计方案 (6)
1.5系统设计方案选定 (7)
1.5.1 从机方案选定 (7)
1.5.2 主机方案选定 (7)
1.6 系统的特点和使用说明 (7)
1.6.1 系统特点 (7)
1.6.2 系统使用说明 (7)
第二章系统硬件电路设计 (8)
2.1 从机红外遥控单元电路设计 (8)
2.2 主机控制单元电路设计 (8)
第三章系统软件设计 (9)
3.1 从机遥控功能软件流程图 (9)
3.2 主机控制功能软件流程图 (10)
第四章系统测试 (12)
4.1 测试仪器 (12)
4.2 测试方法……………………………………………………………………………………12.
4.2.1 检测红外线的发射与接收 (12)
4.2.2 检测PWM的输出占空比 (12)
4.3 测试结果 (12)
4.4系统功能及指标参数分析 (13)
第五章设计总结 (13)
参考文献 (13)
附录 (14)
附录1 元件明细表 (14)
附录2 电路图纸 (14)
摘要：
随着现代建筑和照明技术的发展,传统的照明设计方法已经不能解决实际场景对照明效果的不同需求,简单的控制方式更不便于管理和维护。

红外线无线遥控调光灯，以节能环保为目的，与现代通信技术、计算机技术、控制技术等相结合的智能照明技术,满足了“绿色照明”的设计要求,具有较大的发展空间。

本文主要介绍了遥控调光灯的基本原理和硬件电路设计，由主机和遥控从机两部分组成。

本系统基于红外线无线遥感技术，以高亮度LED灯为光源，以AT89S52单片机为从机的核心器件实现红外线远程控制，以ATMEGA16L单片机作为主机的核心器件主要负责调光，采用PWM节能法来实现对LED灯启停、亮度等多种工作状态进行快速而准确地控制。

电路结构简单、成本低、操作方便、遥控距离在8m左右，可广泛应用于家庭照明。

关键字：红外线无线遥控，节能环保，LED灯，PWM节能法
第一章
系统的结构及功能介绍
引言：
近年来,全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出,人们迫切希望应用节能环保的新技术。

当今绝大部分照明控制系统都是利用各类普通的手动开关来控制灯具的开关状态，其亮度调节也是通过普通的调光开关进行相应的调节，每次操作都必须走到开关处才能完成。

在日常生活中，人们往往因离电灯开关较远，即使在暂时不需要照明的时候，人们也懒得去熄灯，任其亮着，直到睡觉前或外出才关灯。

这种情况非常普遍，从而造成电能的大量浪费。

基于上述原因，为了更方便生活，本文设计出了一遥控调光灯，其不仅可以遥控开、关灯，还能根据需要任意调节灯光的亮度，有记忆存储功能，可分为睡眠/工作两种模式。

此外，本设计还有一大亮点——采用高亮度LED灯作为光源。

半导体照明以寿命长、节能、环保等显著优点而倍受人们关注,被认为是21世纪最有价值的新光源。

为满足控制需要，本系统从机部分采用AT89S52单片机为核心控制器件，通过按键控制红外线遥控来控制LED灯的开关和亮度调节；主机部分以ATMEGA16L 单片机为核心控制器件，利用自带的A/D转换功能将光敏二极管采集到的数据进行转换，从而通过控制PWM来准确而快速地控制灯启停与亮度的调节。

本设计的主要特点：
1、采用高亮度LED灯作为光源；
2、采用PWM调光方式更节能；
3、电路结构简单、成本低、易操作；
4、LED灯，具有寿命长、安全、节能环保、耐闪烁、色彩多样、调控方便等显
著特点；
5、本系统具有记忆存储功能，分为睡眠/工作两种模式。

1.1 系统设计任务与要求
1.1.1 设计任务
以“环保、节能、成本控制”为主题，设计并制作一遥控调光灯。

1.1.2 设计要求
1、以高亮度LED为光源，以单片机为主控芯片；
2、系统分为主机和遥控从机，主机负责调光，从机负责远程控制，采用红外遥
控的方法；
3、遥控从机上要有四个按键，按键1，是开关，按一下灯开，再按灯关；
按键2，是低亮度；按键3，是中亮度，按键4，是高亮度。

4、主机也有调光功能，通过旋转亮度旋钮可以任意调节光的亮度。

1.2 系统结构介绍
遥控调光灯的设计，主要分成两个部分：从机和主机。

从机以AT89S52单片机为控制核心，通过按键控制红外遥控的方法来远程控制LED 灯的开关和亮度级别，当从机发射红外线时，工作指示灯会闪烁提示；主机以ATMEGA16L 单片机为核心，对接收到从机的命令后，接收到的不同指令而控制高亮度LED 灯（下文统一称为LED 灯）的不同亮度级别。

主机也有调光功能，通过旋转亮度旋钮可以任意调节光的亮度，通过主机上的按键也可以控制LED 灯的开关和亮度级别，还控制其他的装置实现不同的功能。

系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图
1.3系统的工作原理
1.3.1 红外线遥控原理
红外线遥控通常是将受控信号（二进制脉冲码）调制在38kHz 的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去的。

红外接收管是一种光敏二极管。

在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度（红外解码）。

当接收到从机的指令后，采用不同占空比的PWM 来控制LED 灯。

1.3.2 光亮度采集
光亮度采集，是通过光敏二极管对光线的敏感作用而实现的。

当外部光线越强，光敏二极管的阻值就越大。

ATMEGA16L 单片机通过自身的A/D 转换功能，通过检测光敏二极管的两端的电压变化，单片机将采集到的数据进行转换，从而输出不同的PWM 来控制LED 灯的亮度，就可以实现根据外部光线自动调整LED 灯的亮度。

1.3.3 灯光控制器
1、旋钮控制LED 灯亮度
通过主机上的LED 亮度控制旋钮控制LED 灯的亮度。

当旋钮转动时，其电阻
值改变，从而引起旋钮两端的电压值发生改变， ATMEGA16L通过自带的A/D转换通道采集旋钮两端电压值，将其转换后，进而控制输出不同占空比的PWM，达到控制LED灯亮度的效果。

2、按键控制LED灯亮度
通过主机上的按键也能控制LED灯。

第一种控制方式，其工作原理简单些，按下不同的按键，单片机根据采集到的数据输出不同的PWM，从而控制LED灯的亮度。

第二种控制方式，根据个人的需要，想把当前LED灯亮度在下一次使用中直接调用，可以使用按键将当前亮度存储起来，这个原理是通过光敏二极管采集当前的光线强度传给单片机，单片机得到一个数据后就产生一种PWM脉宽，当接收到存储按钮按下时，并将这两个数据存储起来，这样就可以根据需要直接调出适合自己使用的LED灯亮度。

1.4 系统设计方案论证
1.4.1 从机设计方案
方案一：
蓝牙通信:蓝牙主要用于短距离传输，芯片价格一直偏高。

方案二：
用专用芯片进行红外线的发射，HT6221为专用红外线编码发射芯片，可以有32个不同的编码，芯片内部已有固定的编码，外部元件只要一个455KHz的晶振和两片瓷片电容，上电后即可工作，价格便宜。

方案三：
用单片机直接进行红外编码发射，都采用软件编程实现，51系列单片机价格相对也比较便宜，可以采用软件控制，功能强大，编码灵活，安全性高。

1.4.2 主机设计方案
方案一：
AT89S52单片机+专用红外解码芯片+A/D转换芯片。

SN2501为专用红外线解码芯片，专用芯片有固定的解码方式，外部元件只要一个4M晶振和两片瓷片电容，上电后即可工作。

将解码数据输送到AT89S52单片机中进行处理，然后对LED灯进行PWM方式控制亮度。

主机上的亮度调节旋钮通过DAC0832的A/D转换芯片将模拟电压转换成数字信号，将信号传送到单片机中进行处理，然后对LED 灯进行PWM方式控制亮度。

方案二：
ATMEGA16L单片机。

采用单片机进行红外线解码，直接在单片机内部进行数据处理，产生不同的PWM对LED灯进行控制。

ATMEGA16L自带A/D转换功能，可以直接采集亮度调节旋钮两端的电压，处理成不同的数据，然后对LED灯进行
PWM方式控制亮度。

方案三：
以LPC2138 为主控芯片:其本身自带A/D转换功能，带大容量的32KRAM和512K FLASH ,内部资源丰富且系统稳定，芯片价格昂贵。

1.5 系统设计方案选定
权衡各方案的利弊并结合本次大赛主题“环保、节能、成本控制”综合考虑后，方案确定如下：
1.5.1 从机方案选定
系统采用方案三，用单片机直接进行红外编码发射，使接收红外线的解码一端的装置有更多的器件来选择。

12MHz的晶振为常用元件，购买比较容易。

红外线发射载波和编码都能通过软件编写，编码比较灵活，使得红外线的编码具有一定得独特性，安全性也更高。

1.5.2 主机方案选定
系统采用方案二，ATMEGA16L单片机，直接用外部中断端口连接红外线接收头，通过软件解码，解码相对简单。

ATMEGA16L单片机自带8通道A/D转换功能可以使用一路A/D转换通道直接连接亮度调节旋钮，采集电压，输出控制PWM。

第二路A/D直接连接光敏电阻，外界环境光线变化，影响光敏电阻的阻值，引起其两端电压的变化。

因此，可以增设其他的功能。

1.6 系统的特点和使用说明
1.6.1系统特点
1、系统用单片机进行编码解码，实现的难度也比较大，但它的安全性能也非常的高，也可以灵活的改变红外线的编码；
2、系统具有自动调整LED灯亮度的功能，通过采集外界环境的光线亮度变化而自动改变LED灯亮度。

也可以将当前适合使用的LED灯亮度存储起来，下一次想使用这一亮度时，可直接通过按键控制LED灯实现；
3、系统有睡眠/工作状态。

1.6.2 系统使用说明
从机上设置有多个功能按键，按键主要设有：LED灯的开/关、低亮度控制、中亮度控制、高亮度控制、亮度存储、模式转换和睡眠/工作状态，7个功能键。

1、“LED灯的开/关”按键：该按键按一下灯开，再按灯关。

2、“低亮度”、“中亮度”、“高亮度”按键：三个按键，每个按一个按键都可以控制LED灯的一个亮度级别。

3、“亮度存储”按键：该按键按一下存储一次当前亮度。

4、“模式转换”按键：该按键按下，从自动模式转到直接调用模式，并调出
存储的过的LED灯亮度。

5、“睡眠/工作状态”按键：该按键按下，唤醒从机单片机进入正常模式。

主机上也设置了从机上的一些功能键，是为了防止从机丢失而无法进行控制。

还有一个亮度旋钮可以任意调节LED灯亮度。

第二章
系统硬件电路设计
2.1 从机红外遥控单元的电路设计
从机主要的功能是实现红外线远程控制LED灯的开关及亮度级别。

从机的硬件电路结构简单，功能的实现主要靠软件编程实现。

硬件电路主要由AT89S52单片机最小系统、按键和红外发射管组成，其原理框图如图2所示。

电路原理图如附录A图所示。

图2 从机电路原理框图
从机通过按键发送给单片机，单片机接收到不同的按键指令，从而使单片机通过红外线发送不同的指令编码。

按键主要设有：LED灯的开/关、低亮度控制、中亮度控制、高亮度控制、亮度存储、模式转换和睡眠/工作状态。

2.2 主机控制单元电路设计
主机主要是对LED灯的控制作用，通过产生不同的PWM脉宽信号传送给LED 灯，LED灯就会产生不同的亮度变化。

主机硬件电路的设计简易而又可以完成特定的功能，其原理框图如图3所示。

电路原理图如附录B图所示。

图3 主机电路原理框图
主机上可分为几个部分:
1、主机通过红外接收头接收从机的红外线编码调制脉冲，ATMEGA16L单片机直接与红外接收头相连接，通过内部软件将红外线调制脉冲进行解码，得到不同的指令数据，从而执行不同的操作；
2、主机上还有功能按键与单片机相连，可以通过按键直接控制主机进行操作；
3、通过光敏电阻对外部环境的光线亮度进行采集，单片机通过自身的A/D 转换功能，根据指令的不同而完成不同的功能操作；
4、主机有一定的存储功能，当需要指定的LDE灯亮度时，可以将此LED灯的亮度存储起来，当想在特定的环境中使用特定的LED灯亮度时，即可直接调用出来。

第三章
系统软件设计
3.1 从机遥控功能软件流程图
在从机遥控工作过程中，单片机在一分钟内没有检测到有按键按下时，就会自动进入省电模式，当检测到唤醒按键按下，单片机有进入正常工作模式，并判
断是哪个按键按下的。

单片机软件控制流程图如图4所示。

在流程图中的低级显示、中级显示和高级显示是从机传输给主机的红外线编
码控制
图4 从机遥控功能流程图
3.1 主机控制功能软件流程图
主机采用A TMEGA16L单片机，内部功能强大。

红外接收头接收到数据时，通过单片机外部中断端口向单片机传送数据。

主机上的红外接收和按键同时扫描，只要一有指令输入时，单片机就会做出判断，执行相应的功能。

其工作流程图如图5所示。

流程图中的，低级显示、中级显示、高级显示分别是对LED灯执行低、中、高亮度级别显示，逐步显示为亮
度旋钮的任意调光显示。

图5 主机控制功能流程图
第四章
系统检测
4.1 测试仪器
系统使用到的测量仪器有：示波器、万用表、网络摄像头。

4.2 检测方法
4.2.1 检测红外线的发射与接收
首先检测红外发射管和红外接收管的好坏。

1、用网络摄像头观察上电后的红外发射管是否发出红外光；用示波器探头检测单片机给红外发射管的载波频率，载波一定要在38KHz-40KHz的频率上，才能将红外编码发射出去。

2、用示波器探头检测红外接收头的数据端，数据端口的电平会被拉低，即可在示波器上观察到，也说明红外线已经成功发射和接收到。

4.2.2检测PWM的输出占空比
直接用示波器接到单片机的I/O端口，当从机、主机有按键按下或者亮度旋钮旋动时就会产生不同占空比的PWM。

4.3 测试结果
1、从机用单片机实现红外编码，通过6个功能按键向主机发射不同的脉冲编码，主机通过单片机解码，进行数据处理产生不同的PWM控制LED灯的亮度。

其从机遥控实现功能如表1所示。

2、主机的控制功能实现红外线的解码及产生控制功能外，主机上也有按键，
主机可以脱离从机而独立工作，实现对LED灯的控制作用。

主机上还有一个LED 灯亮度旋钮，通过单片机的A/D转换功能，将旋钮旋转而产生的不同电压采集
处理，从而可以产生不同占空比的PWM实现对任意LED灯亮度的控制。

4.4 系统功能及指标参数分析
系统设计实现的功能可以完成我制作的技术要求，系统设计分从机和主要两大部分，主机负责调光，从机负责远程控制。

从机实现了红外遥控功能，从机上有四个按键，按键1，是开关，按一下灯开，再按灯关；按键2，是低亮度；按键3，是中亮度，按键4，是高亮度。

主机也有调光功能，通过旋转亮度旋钮可以任意调节光的亮度。

如所示。

同时系统的设计理念可以说是从几个方面出发:1、设计的低成本性；2、设计的安全性；
3、设计的便携性；
4、设计的使用简易性。

第五章
设计总结
本系统主要以单片机（AT89S52、ATMEGA16L）为主要控制芯片，采用光敏二极管采集光亮度，并运用PWM技术实现灯的亮度调节。

在设计过程中力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势——编程灵活方便来满足系统的要求。

在作品的制作当中，遇到的主要困难是红外线的编码与解码，遥控编码脉冲信号采用ppm码，ppm码通常包括三大部分，即引导码（起始码）、系统码（即识别码，用户码或设备码）和功能码（键位数据码）。

编码的安全性主要体现在了系统码和功能码的编程，在解码上也有自己的独特之处。

因此，单片机编码难以破解，接收端也不容易被其它红外发射装置所控制。

参考文献：
【1】《模拟电子线路基础》，华成英、童诗白著，北京：高等教育出版社，2006年；【2】《数字电子技术基础》，康华光著，北京：高等教育出版社，2005年；
【3】《通信电子线路基础》，严国萍、周龙占著，北京：科学出版社，2006年；
【4】《单片机基础》，李广弟、朱月秀、王秀山著，北京：北京航空航天大学出版
社，2001年；
【5】《AVR单片机C语言高级程序设计》，周兴华著，北京：中国电力出版社，2008
年；
【6】《热红外遥感》，田国良著，北京: 电子工业出版社, 2006年。

附录：
附录1 元件明细表
序号器件名称数量(单位：个)
1 AT89S5
2 1
2 ATMEGA16 1
3 光敏二极管 1
4 滑动变阻器 1
5 按键 13
6 高亮度LED灯 1（组）
7 红外发射和接收管 1（对）
附录2电路图纸
图一从机电路原理图
图二主机电路原理框图附录3 程序清单（详见附件）。