摘要近年來,隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步,人類開始邁入數(shù)字化的智能社會,開始出現(xiàn)了各種各樣的智能化設(shè)備及應(yīng)用。家居智能化成為了一個越來越熱門的話題。它給人們的生活帶來了巨大的改變,智能家居主要是由中央處理器自動控制與無線控制兩個部分組成,日益成熟的無線控制技術(shù)在家居智能化方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文介紹了一種基于AT89S52單片機實現(xiàn)的簡單低成本無線開關(guān)設(shè)計,并應(yīng)用于智能家居中。
關(guān)鍵詞智能家居 無線開關(guān) 單片機
中圖分類號:TP2文獻標識碼:A
1 引言
隨著社會生活日益改善以及科技水平的發(fā)展,家居設(shè)計在滿足安全、實用的基礎(chǔ)上,方便、美觀、人性化也成了設(shè)計者另一努力追求的目標。傳統(tǒng)開關(guān)是通過裝修時布線來實現(xiàn)控制,不論用明線還是暗線的形式裝修,都會造成線材成本高,線路布局固定,布線繁瑣,開光位置固定等結(jié)果。這不但影響了居家的美觀,增加了裝修成本;而且給喜歡隨便改變居室布局的人帶來了極大的不便,開關(guān)會成為想改變家具位置卻又無法逾越的障礙。在此背景下,無線遙控開關(guān)蘊育而生,它滿足了家居智能化、人性化的要求,房間里沒了繁雜的開關(guān)控制布線,家居布置更加美觀、隨意。而且無線開關(guān)具有開發(fā)簡單、物美價廉、安裝容易、操作簡單、控制功能可升級等優(yōu)點,也可以解決開關(guān)線路老化帶來的安全隱患。用單片機實行可編程的無線開關(guān)設(shè)計,既可實現(xiàn)一個遙控器對多個電燈或其他用電器的控制,也可實現(xiàn)多個遙控器對同一用電器的控制,大大方便了現(xiàn)代化的家居生活,給智能家居的實現(xiàn)提供了簡單可行的解決方法。
2 方案設(shè)計與實現(xiàn)
無線開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)方法有多種。目前主要的無線通訊方式可分為射頻、紅外及藍牙等。藍牙實現(xiàn)成本高,設(shè)計復(fù)雜,主要是用于手機等。紅外通信相比其它無線通信具有不少明顯優(yōu)點:紅外線適用于大部分短距離數(shù)據(jù)傳輸場合;紅外線不受無線電干擾;紅外通信結(jié)構(gòu)簡單,耗電少;能穩(wěn)定地進行高速數(shù)據(jù)通信。也就是說,只要紅外無線通信組件能內(nèi)置在便攜式信息終端中,那么不用隨身攜帶解調(diào)器和綜合數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)終端連接器以及連接纜線,也能進行數(shù)據(jù)通信。而且因為紅外無線通信對非透明物體的穿透性極差,不能透過墻壁,所以紅外傳輸被限制在室內(nèi)。這種限制使信號易于傳輸卻又可以防止在不同房間內(nèi)工作的無線開關(guān)相互之間發(fā)生干擾而破壞無線開關(guān)工作的準確度。綜上所述,紅外無線通信可以達到很高的聚集能力,而且它們的設(shè)計可以簡單化,因為在不同房間內(nèi)的紅外信號的傳輸并不需要協(xié)調(diào)。
無線開關(guān)以紅外線作為控制信號的載體,通過紅外通信實現(xiàn)無線控制,系統(tǒng)主要由無線紅外發(fā)射系統(tǒng)電路和無線紅外接收系統(tǒng)電路兩大部分組成。紅外通信是一個非常成熟的技術(shù),目前市場上有很多專用于紅外線傳輸?shù)男酒?可以采用這些集成的芯片實現(xiàn)紅外線通信功能。本設(shè)計方案無線開關(guān)發(fā)射部分使用通用的紅外發(fā)射管即可;無線開關(guān)接收端采用一體化紅外接收頭TSOP1738。編碼發(fā)射與接收控制器采用AT89S52單片機實現(xiàn)。
2.1 無線開關(guān)發(fā)射部分電路設(shè)計
無線開關(guān)控制信號發(fā)射電路主要由AT89S52芯片、矩陣鍵盤和紅外發(fā)光二極管組成。發(fā)送端采用脈沖個數(shù)編碼方式,將鍵碼用二進制數(shù)表示,然后將待發(fā)送的二進制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率(本設(shè)計采用38K Hz載波)的脈沖序列,并驅(qū)動紅外線發(fā)射管,以光脈沖形式發(fā)送。無線開關(guān)發(fā)射部分電路如圖1所示。其中,P1口作為鍵盤輸入端口;第9腳RESET為單片機的復(fù)位引腳,采用按鍵與上電復(fù)位電路;第28腳P2.7作為紅外遙控碼的輸出口,用于輸出38K Hz載波和編碼;18、19腳接12M Hz晶振。
圖1發(fā)射部分電路圖
2.2 無線開關(guān)接收部分電路設(shè)計
無線開關(guān)接收電路主要由電源電路、AT89S52芯片、紅外一體化接收管和開關(guān)控制部分組成。接收電路利用紅外線接收管將接收到的光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電信號,再經(jīng)過放大,濾波等處理后送到解調(diào)電路,使之還原成為二進制數(shù)字信號,用于數(shù)據(jù)處理或保存。無線開關(guān)接收部分電路如圖2所示。
圖2接收部分電路圖
2.3 無線開關(guān)軟件設(shè)計與實現(xiàn)
單片機的控制軟件是設(shè)計無線開關(guān)收發(fā)器的關(guān)鍵。其設(shè)計重點是要解決收發(fā)數(shù)據(jù)的同步及發(fā)射部分發(fā)送控制數(shù)據(jù)的調(diào)制。根據(jù)常用的紅外編碼協(xié)議,遙控碼采用脈沖個數(shù)編碼,鍵碼“1”用一個3 ms的引導(dǎo)碼加一個1 ms的脈沖來表示,鍵碼“2”用一個3ms的引導(dǎo)碼加兩個1ms的脈沖來表示,以此類推,不同的脈沖個數(shù)代表不同的發(fā)送控制編碼。無線開關(guān)中各個控制碼數(shù)據(jù)幀間隔大于10 ms。編碼發(fā)送程序流程圖如圖3所示。
考慮到51單片機的中斷系統(tǒng),無線開關(guān)接收程序部分既可以采用軟件查詢法,又可以采用中斷的方法來實現(xiàn)。查詢法是指查詢輸入引腳的電平變化,采用延時的方法,根據(jù)延時的長短和已知的脈沖寬度進行比較,判斷各部分接收是否正確,分辨鍵碼并執(zhí)行相應(yīng)的命令;而中斷法是通過外部中斷INT0,采用定時器定時,根據(jù)定時器的記錄值和已知的信號格式比較,判斷各部分接收是否正確,分辨鍵碼并執(zhí)行相應(yīng)的命令。本設(shè)計采用中斷的方式實現(xiàn)。當無線開關(guān)接收器接收到脈沖幀數(shù)據(jù)時,傳送給接收單片機,第1位碼的低電平將啟動中斷程序,實時接收數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)幀接收時,P3.3口同時計數(shù)高低電平的脈沖個數(shù)。結(jié)束接收,根據(jù)累加器A中的脈沖個數(shù),執(zhí)行相應(yīng)輸出口的操作來控制家居中被控制用電器的工作,比如將燈打開或關(guān)上。無線開關(guān)接收器識別接收編碼程序流程圖如圖4所示。
圖3編碼發(fā)射子程序流程圖
圖4接收編碼子程序流程圖
3 方案的調(diào)試與驗證
本設(shè)計方案通過實物焊接并完成了測試驗證,在10米的距離內(nèi),發(fā)送機發(fā)送的數(shù)據(jù)都能被接收機接收并識別。設(shè)計效果良好,達到智能家居中無線開關(guān)的設(shè)計要求。
4 結(jié)語
智能家居早在上世紀八十年代起源于美國,特別是近年來,以實用、方便、節(jié)能、高效、安全為主導(dǎo)的信息家電、智能家居、智能家庭技術(shù)的發(fā)展,對推動家居智能化蓬勃興起,提高人民生活水平起了不可磨滅的作用。在需要數(shù)據(jù)交換但又不是很大,且實時性要求又不是很高的情況下,使用紅外通信控制方式,既可以得到無線開關(guān)控制帶來的便利,又可以避開采用無線電高頻電路可能引發(fā)的一些問題。本文選用了自定義紅外通信協(xié)議控制的系統(tǒng)方案,具有電路結(jié)構(gòu)簡單、功能易擴展、軟件編程靈活多樣、低成本、低功耗等優(yōu)點。如果穩(wěn)定性能進一步提高,外形設(shè)計能更美觀的,將來一定能廣泛應(yīng)用,并為我們的生活提供巨大的便利。
參考文獻
[1]李全利,遲榮強.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]趙建領(lǐng).51系列單片機開發(fā)寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.
關(guān)鍵詞智能家居 無線開關(guān) 單片機
中圖分類號:TP2文獻標識碼:A
1 引言
隨著社會生活日益改善以及科技水平的發(fā)展,家居設(shè)計在滿足安全、實用的基礎(chǔ)上,方便、美觀、人性化也成了設(shè)計者另一努力追求的目標。傳統(tǒng)開關(guān)是通過裝修時布線來實現(xiàn)控制,不論用明線還是暗線的形式裝修,都會造成線材成本高,線路布局固定,布線繁瑣,開光位置固定等結(jié)果。這不但影響了居家的美觀,增加了裝修成本;而且給喜歡隨便改變居室布局的人帶來了極大的不便,開關(guān)會成為想改變家具位置卻又無法逾越的障礙。在此背景下,無線遙控開關(guān)蘊育而生,它滿足了家居智能化、人性化的要求,房間里沒了繁雜的開關(guān)控制布線,家居布置更加美觀、隨意。而且無線開關(guān)具有開發(fā)簡單、物美價廉、安裝容易、操作簡單、控制功能可升級等優(yōu)點,也可以解決開關(guān)線路老化帶來的安全隱患。用單片機實行可編程的無線開關(guān)設(shè)計,既可實現(xiàn)一個遙控器對多個電燈或其他用電器的控制,也可實現(xiàn)多個遙控器對同一用電器的控制,大大方便了現(xiàn)代化的家居生活,給智能家居的實現(xiàn)提供了簡單可行的解決方法。
2 方案設(shè)計與實現(xiàn)
無線開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)方法有多種。目前主要的無線通訊方式可分為射頻、紅外及藍牙等。藍牙實現(xiàn)成本高,設(shè)計復(fù)雜,主要是用于手機等。紅外通信相比其它無線通信具有不少明顯優(yōu)點:紅外線適用于大部分短距離數(shù)據(jù)傳輸場合;紅外線不受無線電干擾;紅外通信結(jié)構(gòu)簡單,耗電少;能穩(wěn)定地進行高速數(shù)據(jù)通信。也就是說,只要紅外無線通信組件能內(nèi)置在便攜式信息終端中,那么不用隨身攜帶解調(diào)器和綜合數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)終端連接器以及連接纜線,也能進行數(shù)據(jù)通信。而且因為紅外無線通信對非透明物體的穿透性極差,不能透過墻壁,所以紅外傳輸被限制在室內(nèi)。這種限制使信號易于傳輸卻又可以防止在不同房間內(nèi)工作的無線開關(guān)相互之間發(fā)生干擾而破壞無線開關(guān)工作的準確度。綜上所述,紅外無線通信可以達到很高的聚集能力,而且它們的設(shè)計可以簡單化,因為在不同房間內(nèi)的紅外信號的傳輸并不需要協(xié)調(diào)。
無線開關(guān)以紅外線作為控制信號的載體,通過紅外通信實現(xiàn)無線控制,系統(tǒng)主要由無線紅外發(fā)射系統(tǒng)電路和無線紅外接收系統(tǒng)電路兩大部分組成。紅外通信是一個非常成熟的技術(shù),目前市場上有很多專用于紅外線傳輸?shù)男酒?可以采用這些集成的芯片實現(xiàn)紅外線通信功能。本設(shè)計方案無線開關(guān)發(fā)射部分使用通用的紅外發(fā)射管即可;無線開關(guān)接收端采用一體化紅外接收頭TSOP1738。編碼發(fā)射與接收控制器采用AT89S52單片機實現(xiàn)。
2.1 無線開關(guān)發(fā)射部分電路設(shè)計
無線開關(guān)控制信號發(fā)射電路主要由AT89S52芯片、矩陣鍵盤和紅外發(fā)光二極管組成。發(fā)送端采用脈沖個數(shù)編碼方式,將鍵碼用二進制數(shù)表示,然后將待發(fā)送的二進制數(shù)字信號調(diào)制成某一頻率(本設(shè)計采用38K Hz載波)的脈沖序列,并驅(qū)動紅外線發(fā)射管,以光脈沖形式發(fā)送。無線開關(guān)發(fā)射部分電路如圖1所示。其中,P1口作為鍵盤輸入端口;第9腳RESET為單片機的復(fù)位引腳,采用按鍵與上電復(fù)位電路;第28腳P2.7作為紅外遙控碼的輸出口,用于輸出38K Hz載波和編碼;18、19腳接12M Hz晶振。
圖1發(fā)射部分電路圖
2.2 無線開關(guān)接收部分電路設(shè)計
無線開關(guān)接收電路主要由電源電路、AT89S52芯片、紅外一體化接收管和開關(guān)控制部分組成。接收電路利用紅外線接收管將接收到的光脈沖信號轉(zhuǎn)換成電信號,再經(jīng)過放大,濾波等處理后送到解調(diào)電路,使之還原成為二進制數(shù)字信號,用于數(shù)據(jù)處理或保存。無線開關(guān)接收部分電路如圖2所示。
圖2接收部分電路圖
2.3 無線開關(guān)軟件設(shè)計與實現(xiàn)
單片機的控制軟件是設(shè)計無線開關(guān)收發(fā)器的關(guān)鍵。其設(shè)計重點是要解決收發(fā)數(shù)據(jù)的同步及發(fā)射部分發(fā)送控制數(shù)據(jù)的調(diào)制。根據(jù)常用的紅外編碼協(xié)議,遙控碼采用脈沖個數(shù)編碼,鍵碼“1”用一個3 ms的引導(dǎo)碼加一個1 ms的脈沖來表示,鍵碼“2”用一個3ms的引導(dǎo)碼加兩個1ms的脈沖來表示,以此類推,不同的脈沖個數(shù)代表不同的發(fā)送控制編碼。無線開關(guān)中各個控制碼數(shù)據(jù)幀間隔大于10 ms。編碼發(fā)送程序流程圖如圖3所示。
考慮到51單片機的中斷系統(tǒng),無線開關(guān)接收程序部分既可以采用軟件查詢法,又可以采用中斷的方法來實現(xiàn)。查詢法是指查詢輸入引腳的電平變化,采用延時的方法,根據(jù)延時的長短和已知的脈沖寬度進行比較,判斷各部分接收是否正確,分辨鍵碼并執(zhí)行相應(yīng)的命令;而中斷法是通過外部中斷INT0,采用定時器定時,根據(jù)定時器的記錄值和已知的信號格式比較,判斷各部分接收是否正確,分辨鍵碼并執(zhí)行相應(yīng)的命令。本設(shè)計采用中斷的方式實現(xiàn)。當無線開關(guān)接收器接收到脈沖幀數(shù)據(jù)時,傳送給接收單片機,第1位碼的低電平將啟動中斷程序,實時接收數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)幀接收時,P3.3口同時計數(shù)高低電平的脈沖個數(shù)。結(jié)束接收,根據(jù)累加器A中的脈沖個數(shù),執(zhí)行相應(yīng)輸出口的操作來控制家居中被控制用電器的工作,比如將燈打開或關(guān)上。無線開關(guān)接收器識別接收編碼程序流程圖如圖4所示。
圖3編碼發(fā)射子程序流程圖
圖4接收編碼子程序流程圖
3 方案的調(diào)試與驗證
本設(shè)計方案通過實物焊接并完成了測試驗證,在10米的距離內(nèi),發(fā)送機發(fā)送的數(shù)據(jù)都能被接收機接收并識別。設(shè)計效果良好,達到智能家居中無線開關(guān)的設(shè)計要求。
4 結(jié)語
智能家居早在上世紀八十年代起源于美國,特別是近年來,以實用、方便、節(jié)能、高效、安全為主導(dǎo)的信息家電、智能家居、智能家庭技術(shù)的發(fā)展,對推動家居智能化蓬勃興起,提高人民生活水平起了不可磨滅的作用。在需要數(shù)據(jù)交換但又不是很大,且實時性要求又不是很高的情況下,使用紅外通信控制方式,既可以得到無線開關(guān)控制帶來的便利,又可以避開采用無線電高頻電路可能引發(fā)的一些問題。本文選用了自定義紅外通信協(xié)議控制的系統(tǒng)方案,具有電路結(jié)構(gòu)簡單、功能易擴展、軟件編程靈活多樣、低成本、低功耗等優(yōu)點。如果穩(wěn)定性能進一步提高,外形設(shè)計能更美觀的,將來一定能廣泛應(yīng)用,并為我們的生活提供巨大的便利。
參考文獻
[1]李全利,遲榮強.單片機原理及接口技術(shù)[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]趙建領(lǐng).51系列單片機開發(fā)寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.
