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摘要近年来,随着社会的发展和科学技术的进步,人类开始迈入数字化的智能社会,开始出现了各种各样的智能化设备及应用。家居智能化成为了一个越来越热门的话题。它给人们的生活带来了巨大的改变,智能家居主要是由中央处理器自动控制与无线控制两个部分组成,日益成熟的无线控制技术在家居智能化方面得到了越来越广泛的应用。本文介绍了一种基于AT89S52单片机实现的简单低成本无线开关设计,并应用于智能家居中。
关键词智能家居 无线开关 单片机
中图分类号:TP2文献标识码:A
1 引言
随着社会生活日益改善以及科技水平的发展,家居设计在满足安全、实用的基础上,方便、美观、人性化也成了设计者另一努力追求的目标。传统开关是通过装修时布线来实现控制,不论用明线还是暗线的形式装修,都会造成线材成本高,线路布局固定,布线繁琐,开光位置固定等结果。这不但影响了居家的美观,增加了装修成本;而且给喜欢随便改变居室布局的人带来了极大的不便,开关会成为想改变家具位置却又无法逾越的障碍。在此背景下,无线遥控开关蕴育而生,它满足了家居智能化、人性化的要求,房间里没了繁杂的开关控制布线,家居布置更加美观、随意。而且无线开关具有开发简单、物美价廉、安装容易、操作简单、控制功能可升级等优点,也可以解决开关线路老化带来的安全隐患。用单片机实行可编程的无线开关设计,既可实现一个遥控器对多个电灯或其他用电器的控制,也可实现多个遥控器对同一用电器的控制,大大方便了现代化的家居生活,给智能家居的实现提供了简单可行的解决方法。
2 方案设计与实现
无线开关的设计与实现方法有多种。目前主要的无线通讯方式可分为射频、红外及蓝牙等。蓝牙实现成本高,设计复杂,主要是用于手机等。红外通信相比其它无线通信具有不少明显优点:红外线适用于大部分短距离数据传输场合;红外线不受无线电干扰;红外通信结构简单,耗电少;能稳定地进行高速数据通信。也就是说,只要红外无线通信组件能内置在便携式信息终端中,那么不用随身携带解调器和综合数字数据网络终端连接器以及连接缆线,也能进行数据通信。而且因为红外无线通信对非透明物体的穿透性极差,不能透过墙壁,所以红外传输被限制在室内。这种限制使信号易于传输却又可以防止在不同房间内工作的无线开关相互之间发生干扰而破坏无线开关工作的准确度。综上所述,红外无线通信可以达到很高的聚集能力,而且它们的设计可以简单化,因为在不同房间内的红外信号的传输并不需要协调。
无线开关以红外线作为控制信号的载体,通过红外通信实现无线控制,系统主要由无线红外发射系统电路和无线红外接收系统电路两大部分组成。红外通信是一个非常成熟的技术,目前市场上有很多专用于红外线传输的芯片,可以采用这些集成的芯片实现红外线通信功能。本设计方案无线开关发射部分使用通用的红外发射管即可;无线开关接收端采用一体化红外接收头TSOP1738。编码发射与接收控制器采用AT89S52单片机实现。
2.1 无线开关发射部分电路设计
无线开关控制信号发射电路主要由AT89S52芯片、矩阵键盘和红外发光二极管组成。发送端采用脉冲个数编码方式,将键码用二进制数表示,然后将待发送的二进制数字信号调制成某一频率(本设计采用38K Hz载波)的脉冲序列,并驱动红外线发射管,以光脉冲形式发送。无线开关发射部分电路如图1所示。其中,P1口作为键盘输入端口;第9脚RESET为单片机的复位引脚,采用按键与上电复位电路;第28脚P2.7作为红外遥控码的输出口,用于输出38K Hz载波和编码;18、19脚接12M Hz晶振。
图1发射部分电路图
2.2 无线开关接收部分电路设计
无线开关接收电路主要由电源电路、AT89S52芯片、红外一体化接收管和开关控制部分组成。接收电路利用红外线接收管将接收到的光脉冲信号转换成电信号,再经过放大,滤波等处理后送到解调电路,使之还原成为二进制数字信号,用于数据处理或保存。无线开关接收部分电路如图2所示。
图2接收部分电路图
2.3 无线开关软件设计与实现
单片机的控制软件是设计无线开关收发器的关键。其设计重点是要解决收发数据的同步及发射部分发送控制数据的调制。根据常用的红外编码协议,遥控码采用脉冲个数编码,键码“1”用一个3 ms的引导码加一个1 ms的脉冲来表示,键码“2”用一个3ms的引导码加两个1ms的脉冲来表示,以此类推,不同的脉冲个数代表不同的发送控制编码。无线开关中各个控制码数据帧间隔大于10 ms。编码发送程序流程图如图3所示。
考虑到51单片机的中断系统,无线开关接收程序部分既可以采用软件查询法,又可以采用中断的方法来实现。查询法是指查询输入引脚的电平变化,采用延时的方法,根据延时的长短和已知的脉冲宽度进行比较,判断各部分接收是否正确,分辨键码并执行相应的命令;而中断法是通过外部中断INT0,采用定时器定时,根据定时器的记录值和已知的信号格式比较,判断各部分接收是否正确,分辨键码并执行相应的命令。本设计采用中断的方式实现。当无线开关接收器接收到脉冲帧数据时,传送给接收单片机,第1位码的低电平将启动中断程序,实时接收数据帧。在数据帧接收时,P3.3口同时计数高低电平的脉冲个数。结束接收,根据累加器A中的脉冲个数,执行相应输出口的操作来控制家居中被控制用电器的工作,比如将灯打开或关上。无线开关接收器识别接收编码程序流程图如图4所示。
图3编码发射子程序流程图
图4接收编码子程序流程图
3 方案的调试与验证
本设计方案通过实物焊接并完成了测试验证,在10米的距离内,发送机发送的数据都能被接收机接收并识别。设计效果良好,达到智能家居中无线开关的设计要求。
4 结语
智能家居早在上世纪八十年代起源于美国,特别是近年来,以实用、方便、节能、高效、安全为主导的信息家电、智能家居、智能家庭技术的发展,对推动家居智能化蓬勃兴起,提高人民生活水平起了不可磨灭的作用。在需要数据交换但又不是很大,且实时性要求又不是很高的情况下,使用红外通信控制方式,既可以得到无线开关控制带来的便利,又可以避开采用无线电高频电路可能引发的一些问题。本文选用了自定义红外通信协议控制的系统方案,具有电路结构简单、功能易扩展、软件编程灵活多样、低成本、低功耗等优点。如果稳定性能进一步提高,外形设计能更美观的,将来一定能广泛应用,并为我们的生活提供巨大的便利。
参考文献
[1]李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]赵建领.51系列单片机开发宝典[M].北京:电子工业出版社,2007.
关键词智能家居 无线开关 单片机
中图分类号:TP2文献标识码:A
1 引言
随着社会生活日益改善以及科技水平的发展,家居设计在满足安全、实用的基础上,方便、美观、人性化也成了设计者另一努力追求的目标。传统开关是通过装修时布线来实现控制,不论用明线还是暗线的形式装修,都会造成线材成本高,线路布局固定,布线繁琐,开光位置固定等结果。这不但影响了居家的美观,增加了装修成本;而且给喜欢随便改变居室布局的人带来了极大的不便,开关会成为想改变家具位置却又无法逾越的障碍。在此背景下,无线遥控开关蕴育而生,它满足了家居智能化、人性化的要求,房间里没了繁杂的开关控制布线,家居布置更加美观、随意。而且无线开关具有开发简单、物美价廉、安装容易、操作简单、控制功能可升级等优点,也可以解决开关线路老化带来的安全隐患。用单片机实行可编程的无线开关设计,既可实现一个遥控器对多个电灯或其他用电器的控制,也可实现多个遥控器对同一用电器的控制,大大方便了现代化的家居生活,给智能家居的实现提供了简单可行的解决方法。
2 方案设计与实现
无线开关的设计与实现方法有多种。目前主要的无线通讯方式可分为射频、红外及蓝牙等。蓝牙实现成本高,设计复杂,主要是用于手机等。红外通信相比其它无线通信具有不少明显优点:红外线适用于大部分短距离数据传输场合;红外线不受无线电干扰;红外通信结构简单,耗电少;能稳定地进行高速数据通信。也就是说,只要红外无线通信组件能内置在便携式信息终端中,那么不用随身携带解调器和综合数字数据网络终端连接器以及连接缆线,也能进行数据通信。而且因为红外无线通信对非透明物体的穿透性极差,不能透过墙壁,所以红外传输被限制在室内。这种限制使信号易于传输却又可以防止在不同房间内工作的无线开关相互之间发生干扰而破坏无线开关工作的准确度。综上所述,红外无线通信可以达到很高的聚集能力,而且它们的设计可以简单化,因为在不同房间内的红外信号的传输并不需要协调。
无线开关以红外线作为控制信号的载体,通过红外通信实现无线控制,系统主要由无线红外发射系统电路和无线红外接收系统电路两大部分组成。红外通信是一个非常成熟的技术,目前市场上有很多专用于红外线传输的芯片,可以采用这些集成的芯片实现红外线通信功能。本设计方案无线开关发射部分使用通用的红外发射管即可;无线开关接收端采用一体化红外接收头TSOP1738。编码发射与接收控制器采用AT89S52单片机实现。
2.1 无线开关发射部分电路设计
无线开关控制信号发射电路主要由AT89S52芯片、矩阵键盘和红外发光二极管组成。发送端采用脉冲个数编码方式,将键码用二进制数表示,然后将待发送的二进制数字信号调制成某一频率(本设计采用38K Hz载波)的脉冲序列,并驱动红外线发射管,以光脉冲形式发送。无线开关发射部分电路如图1所示。其中,P1口作为键盘输入端口;第9脚RESET为单片机的复位引脚,采用按键与上电复位电路;第28脚P2.7作为红外遥控码的输出口,用于输出38K Hz载波和编码;18、19脚接12M Hz晶振。
图1发射部分电路图
2.2 无线开关接收部分电路设计
无线开关接收电路主要由电源电路、AT89S52芯片、红外一体化接收管和开关控制部分组成。接收电路利用红外线接收管将接收到的光脉冲信号转换成电信号,再经过放大,滤波等处理后送到解调电路,使之还原成为二进制数字信号,用于数据处理或保存。无线开关接收部分电路如图2所示。
图2接收部分电路图
2.3 无线开关软件设计与实现
单片机的控制软件是设计无线开关收发器的关键。其设计重点是要解决收发数据的同步及发射部分发送控制数据的调制。根据常用的红外编码协议,遥控码采用脉冲个数编码,键码“1”用一个3 ms的引导码加一个1 ms的脉冲来表示,键码“2”用一个3ms的引导码加两个1ms的脉冲来表示,以此类推,不同的脉冲个数代表不同的发送控制编码。无线开关中各个控制码数据帧间隔大于10 ms。编码发送程序流程图如图3所示。
考虑到51单片机的中断系统,无线开关接收程序部分既可以采用软件查询法,又可以采用中断的方法来实现。查询法是指查询输入引脚的电平变化,采用延时的方法,根据延时的长短和已知的脉冲宽度进行比较,判断各部分接收是否正确,分辨键码并执行相应的命令;而中断法是通过外部中断INT0,采用定时器定时,根据定时器的记录值和已知的信号格式比较,判断各部分接收是否正确,分辨键码并执行相应的命令。本设计采用中断的方式实现。当无线开关接收器接收到脉冲帧数据时,传送给接收单片机,第1位码的低电平将启动中断程序,实时接收数据帧。在数据帧接收时,P3.3口同时计数高低电平的脉冲个数。结束接收,根据累加器A中的脉冲个数,执行相应输出口的操作来控制家居中被控制用电器的工作,比如将灯打开或关上。无线开关接收器识别接收编码程序流程图如图4所示。
图3编码发射子程序流程图
图4接收编码子程序流程图
3 方案的调试与验证
本设计方案通过实物焊接并完成了测试验证,在10米的距离内,发送机发送的数据都能被接收机接收并识别。设计效果良好,达到智能家居中无线开关的设计要求。
4 结语
智能家居早在上世纪八十年代起源于美国,特别是近年来,以实用、方便、节能、高效、安全为主导的信息家电、智能家居、智能家庭技术的发展,对推动家居智能化蓬勃兴起,提高人民生活水平起了不可磨灭的作用。在需要数据交换但又不是很大,且实时性要求又不是很高的情况下,使用红外通信控制方式,既可以得到无线开关控制带来的便利,又可以避开采用无线电高频电路可能引发的一些问题。本文选用了自定义红外通信协议控制的系统方案,具有电路结构简单、功能易扩展、软件编程灵活多样、低成本、低功耗等优点。如果稳定性能进一步提高,外形设计能更美观的,将来一定能广泛应用,并为我们的生活提供巨大的便利。
参考文献
[1]李全利,迟荣强.单片机原理及接口技术[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]赵建领.51系列单片机开发宝典[M].北京:电子工业出版社,2007.