基于單片機(jī)的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

李曉妹 吳慧敏

(河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 河南中牟 451450)

引言

如今隨著節(jié)能環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng)，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)因?yàn)檩^高的能源損耗已經(jīng)不再適應(yīng)于時(shí)代發(fā)展的需求。在生態(tài)文明建設(shè)的前提和背景下，智能照明系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生并獲得了長(zhǎng)久的發(fā)展和進(jìn)步，較之于傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)，不僅在技術(shù)層面上進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，還極大地便捷了人們的生活。智能照明控制系統(tǒng)在ZigBee技術(shù)的支持下，將單片機(jī)作為控制單元，按照一定的方式連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別、采集和轉(zhuǎn)換，并且完成相應(yīng)的顯示和評(píng)估，在控制程序的作用下調(diào)節(jié)和控制設(shè)備，發(fā)揮照明系統(tǒng)的實(shí)效。

1 基于單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如今智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要元器件是單片機(jī)，其主要的工作原理是感應(yīng)器識(shí)別和檢測(cè)周圍發(fā)生的信號(hào)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)然后傳輸給單片機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，建立有效的負(fù)反饋控制，將外部光線的強(qiáng)弱作為反饋信號(hào)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)照明設(shè)備的作用，不但能夠保持正常的照明效果，還能根據(jù)外部環(huán)境和實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)亮度并且起到節(jié)約資源的作用。在此基礎(chǔ)上提出了軟件設(shè)計(jì)的主要原則，對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行細(xì)致地探討和研究推動(dòng)照明系統(tǒng)的發(fā)展。智能照明系統(tǒng)較之于傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)具備能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)、操作性簡(jiǎn)便等多種優(yōu)勢(shì)，因此一經(jīng)推出便受到各界的關(guān)注和認(rèn)可，大范圍的應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)和生活中。首先其在傳統(tǒng)的照明上進(jìn)行了革新，充分地融入了節(jié)能環(huán)保的理念和思想。智能照明系統(tǒng)在運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了一個(gè)完善的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，能夠有效識(shí)別周圍環(huán)境因素的變化，根據(jù)人類的實(shí)際需求完成自我調(diào)節(jié)，經(jīng)過對(duì)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用以及原有技術(shù)的改進(jìn)，使得自身效用得到充分地發(fā)揮，增加了可靠性和可行性。智能照明控制系統(tǒng)在ZigBee技術(shù)的支持下，將單片機(jī)作為控制單元實(shí)現(xiàn)了嵌入式技術(shù)與通訊技術(shù)的有效結(jié)合，系統(tǒng)的中間層選用嵌入式處理器進(jìn)行控制，在短距離通信技術(shù)的作用下能夠根據(jù)用戶的現(xiàn)實(shí)需求以及外界環(huán)境對(duì)智能照明系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控。

站在實(shí)際的角度考慮因?yàn)橹悄苷彰飨到y(tǒng)的使用周期比較長(zhǎng)，在此期間企業(yè)或者個(gè)人的需求會(huì)發(fā)生大幅度的改變，就需要對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。在傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)之中要滿足上述條件通常要經(jīng)過比較復(fù)雜的操作。但是智能照明系統(tǒng)只需要對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，便可以簡(jiǎn)化調(diào)整過程。這些節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的支撐下能夠進(jìn)行信息的傳輸與交流，也就是能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的信息順利傳輸。比如外界信息通過傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸給傳感器，傳感器識(shí)別之后傳輸給中繼器節(jié)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行分類并且按照類別將之保存在存儲(chǔ)器之中，值得注意的是此時(shí)文件的格式為JSON格式。在有效網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)上，將上述文件傳輸?shù)椒?wù)器節(jié)點(diǎn)之上。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)在對(duì)文件進(jìn)行處理之后再將反饋文件傳輸?shù)街欣^器節(jié)點(diǎn)，此時(shí)對(duì)文件進(jìn)行分析和處理，然后在ZigBee技術(shù)的支撐下獲得控制信號(hào)，并將之傳送到傳感器節(jié)點(diǎn)，最終完成照明亮度的調(diào)節(jié)和控制。

2 基于單片機(jī)的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)。本文所述的智能照明系統(tǒng)選用CC2530芯片，其具備節(jié)約能源，造型簡(jiǎn)單等突出性優(yōu)勢(shì)，最為關(guān)鍵的是其包含一個(gè)Flash儲(chǔ)存器，可以在線編程，有效減少了系統(tǒng)所占有的資源和材料，并且還能夠構(gòu)建一個(gè)能夠充分符合系統(tǒng)要求的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)設(shè)計(jì)主要包含中央處理器，存儲(chǔ)器，待遇，定時(shí)裝置等數(shù)個(gè)模塊的選擇和設(shè)計(jì)。就CC2530芯片來(lái)說(shuō)，其額定電壓為1.8V的直流電，對(duì)電力資源的損耗比較低，與之同時(shí)電池的使用周期能夠大幅度地延長(zhǎng)。其內(nèi)部含有四個(gè)定時(shí)器，分別進(jìn)行不同的工作，比如充當(dāng)計(jì)數(shù)器，發(fā)射PWM波形等。并且其還能夠發(fā)送多種時(shí)鐘信號(hào)，保障通信協(xié)議能夠準(zhǔn)確的發(fā)揮其功能。除此之外，CC2530芯片還包含大量的外部設(shè)備，可以進(jìn)行程序編寫，為軟件設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造和開發(fā)應(yīng)用程序提供了一個(gè)平臺(tái)，能夠結(jié)合實(shí)際需求編寫所需要的各種高級(jí)程序。其有許多能夠連接外部設(shè)備的I/O引腳，其中的一個(gè)引腳就代表一個(gè)輸入/輸出端口，其通過連接外部寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的功效。

2.1.2 外圍電路設(shè)計(jì)。CC2530芯片是整個(gè)系統(tǒng)控制單元的核心，要以之為基礎(chǔ)連接外圍電路，構(gòu)建一個(gè)完善的控制系統(tǒng)。外圍電路包括傳感器的連接，RF射頻電路等。在此之中，RF射頻電路的功能為接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其內(nèi)部具有RC晶振，反應(yīng)比較靈敏，在反應(yīng)過程中不需要占用大量的資源，并且具備突出的優(yōu)勢(shì)。本文選用nRF2401芯片，其和藍(lán)牙的功能比較接近但是較之進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)。當(dāng)接收到外界傳來(lái)的信號(hào)時(shí)，單片機(jī)對(duì)該信號(hào)實(shí)施處理并傳輸?shù)较乱粋€(gè)環(huán)節(jié)。除此之外，VCC為單片機(jī)提供電源，此處為一個(gè)去耦電路，其經(jīng)過濾波器對(duì)于波形的穩(wěn)定和改變作用，在接口處輸送一個(gè)穩(wěn)定的直流電，電壓為3.3V。晶體振蕩電路的輸出對(duì)于智能照明電路的設(shè)置具備重要作用，其能夠影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制精度，因此必須要保障晶體振蕩電路接收到的電流是穩(wěn)定的，可以采取在接口處添加一個(gè)電阻，具體的數(shù)值小于0.5Ω，達(dá)到穩(wěn)定電流的目的。時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)主要是在單片機(jī)上設(shè)置各晶振電路，該電路包括振蕩器和30fp的電容，能夠穩(wěn)定調(diào)節(jié)振蕩頻率和幅度，保障CC2530控制電路能夠順利工作的前提下供給精密度較高的時(shí)鐘。與之同時(shí)，在帶通濾波電的設(shè)計(jì)中，要結(jié)合整個(gè)控制系統(tǒng)的特性最大幅度地增加去耦電容的數(shù)量，保障電源能夠相互適應(yīng)、共同協(xié)作，為控制系統(tǒng)供給高質(zhì)量的電源電壓。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能照明系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)完成之后，要著重于實(shí)施軟件設(shè)計(jì)，在此過程中，要對(duì)各個(gè)部分的功能具有一個(gè)明確的劃分與定位。根據(jù)以上敘述，我們可知系統(tǒng)的硬件是呈現(xiàn)模塊化結(jié)構(gòu)的，那么其軟件的各個(gè)部分的功能也是相互獨(dú)立彼此協(xié)調(diào)的。在明確系統(tǒng)軟件主要框架的基礎(chǔ)上，優(yōu)化其細(xì)節(jié)設(shè)置，保障整個(gè)系統(tǒng)功能的順利實(shí)施。首先要設(shè)置系統(tǒng)的功能程序，且能夠確保各個(gè)子程序能夠分工協(xié)作，并且能夠依照現(xiàn)實(shí)情況的改變及時(shí)做出調(diào)整，及時(shí)檢測(cè)出程序的問題并且精準(zhǔn)定位，實(shí)現(xiàn)便捷化高效率操作。在軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通常的做法便是在編制程序之前，根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能畫出軟件流程圖，進(jìn)而為后續(xù)的編寫和調(diào)試打下良好的基礎(chǔ)，極大地提升效率。除此之外，還要優(yōu)化資源的配置，能夠最佳的發(fā)揮資源的效用，特別是要重視RAM分配工作。假如運(yùn)用C51實(shí)施程序的編寫那么此時(shí)其自帶的KEIL51便能夠自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的合理配置，對(duì)于傳統(tǒng)的分配方式效率更高，效果更好，能夠有效推動(dòng)編程工作。單片機(jī)接收到光電檢測(cè)信號(hào)，也就是其周邊的光照程度和效果，該信號(hào)傳輸?shù)矫}寬調(diào)制電路，調(diào)節(jié)脈寬觸發(fā)定時(shí)器，對(duì)觸發(fā)時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)接著發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，實(shí)施照明的調(diào)節(jié)和控制。在智能照明控制系統(tǒng)中還要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，也就是要實(shí)現(xiàn)和通信技術(shù)的聯(lián)系，在程序的設(shè)計(jì)中要結(jié)合于通信模塊的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離的狀態(tài)下對(duì)照明的控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)閱纹瑱C(jī)成本較低、功能比較全面，智能照明系統(tǒng)普遍選用其作為主要的控制元器件能夠改進(jìn)原來(lái)的照明系統(tǒng)的一系列缺陷，比如不易維護(hù)，操作繁瑣，消耗大量的能源，智能照明實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的現(xiàn)代化發(fā)展。其能夠根據(jù)外界的光照強(qiáng)弱以及人類的需求進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，十分便捷，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路主要是明確其具體的所要實(shí)現(xiàn)的功能，然后選擇合適的元器件進(jìn)行硬件部分的設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上編制行之有效的操作程序，實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)。使得整個(gè)照明系統(tǒng)不但具備傳統(tǒng)的照明功效，還做出了突出的改進(jìn)和進(jìn)步，是人類技術(shù)史上的又一次突破和發(fā)展。