基于單片機(jī)的紅外遙控開關(guān)燈裝置設(shè)計(jì)

王銘佳，李雪松，王高樂

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》國辦發(fā)（﹝2015﹞36 號）文件中提到堅(jiān)持創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，創(chuàng)業(yè)帶動(dòng)就業(yè)是社會進(jìn)步發(fā)展的大趨勢，提高自身競爭力，主動(dòng)適應(yīng)發(fā)展大趨勢，繼續(xù)推進(jìn)素質(zhì)教育，抓住創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重點(diǎn)，提高人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

“重要規(guī)劃項(xiàng)目”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目是教育部推進(jìn)高等教育體制改革的重中之重。近幾年來立項(xiàng)數(shù)量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，截至2017年，立項(xiàng)總數(shù)達(dá)到177 042 項(xiàng)。積極響應(yīng)創(chuàng)新發(fā)展，主動(dòng)適應(yīng)時(shí)代發(fā)展大潮，勢在必行。

1 裝置設(shè)計(jì)

對現(xiàn)有遙控開關(guān)燈裝置進(jìn)行改進(jìn),目的是解決特殊人群（老弱病殘?jiān)校┦謩?dòng)控制開關(guān)不便，以及開關(guān)一經(jīng)安裝位置固定、家用遙控?zé)艟叱杀靖叩葐栴}。主要涉及電子信息技術(shù)領(lǐng)域、儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可脫離燈具以及燈具開關(guān)的控制開關(guān)裝置，可紅外遠(yuǎn)程遙控完成燈具開關(guān)操作包括無線紅外控制器和兩個(gè)執(zhí)行集成件，如圖1所示，兩執(zhí)行集成件上均設(shè)有L 型桿，L 型桿的一端豎直插入執(zhí)行集成件中且與執(zhí)行集成件滑動(dòng)連接，執(zhí)行集成件包括用于調(diào)整L型桿的高度的升降裝置、用于控制升降裝置的微控制器、與無線紅外控制器進(jìn)行信息傳遞的紅外接收模塊、蓄電池；本設(shè)計(jì)采用一個(gè)可遠(yuǎn)程控制的機(jī)械按壓結(jié)構(gòu)，能夠在原有的墻壁開關(guān)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行遠(yuǎn)程按壓，成本低，能夠方便人們的使用。

圖1 控制系統(tǒng)整體方向圖

隨著愛迪生發(fā)明白熾燈，開關(guān)裝置逐漸出現(xiàn)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，接通電路，使電流流過，開關(guān)斷開，形成斷路，又稱開路，此時(shí)，電流是不允許流動(dòng)的。生活中，開關(guān)是指控制燈亮滅的重要裝置，但有時(shí)燈的開關(guān)安裝在一些不便利的位置，在夜晚時(shí)也并不容易手動(dòng)打開開關(guān)，不便于人們的日常生活，因此需要提供新的技術(shù)方案來解決這些問題。

隨著科技不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程遙控技術(shù)空前發(fā)展，紅外遙控技術(shù)被應(yīng)用于生活中的諸多領(lǐng)域。紅外遙控技術(shù)憑借其抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸可靠、功耗低、成本低、易實(shí)現(xiàn)、不影響周邊環(huán)境、不干擾其他電器等顯著優(yōu)點(diǎn)日益發(fā)展壯大，它的應(yīng)用前景十分廣闊。

如中國專利號CN207611269U 發(fā)明專利中公開了一種紅外遙控?zé)艟唛_關(guān)的裝置，其工作原理如下：對紅外遙控裝置發(fā)送紅外線信號，該裝置就會控制H 電橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)就會驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而傳動(dòng)齒條移動(dòng)，齒條與開關(guān)面產(chǎn)生摩擦力使得齒條前端安裝的刮板對開關(guān)面產(chǎn)生向下的壓力，控制燈具的開與關(guān)。

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，該裝置能夠有效地克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的開（關(guān)）燈的煩瑣程序，同時(shí)便利了大學(xué)生的宿舍生活更能夠?yàn)樘厥馊后w（老弱病殘）提供便利。

將單片機(jī)與紅外遙控裝置結(jié)合在一起達(dá)到控制燈的開關(guān)目的。如：將被遙控的裝置安裝于開關(guān)上，該裝置在接收到紅外信號后能夠根據(jù)所接受的指令在與開關(guān)接觸其中的一端發(fā)生突起，對開關(guān)面產(chǎn)生向下的壓力，按下開關(guān)使燈打開；當(dāng)該裝置再次收到指令后與開關(guān)接觸的另一端發(fā)生突起對開關(guān)面產(chǎn)生向下的壓力從而達(dá)到關(guān)燈的目的。該裝置可調(diào)節(jié)安裝尺寸適用于不同型號的開關(guān)，在替代手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，并不會阻礙人手動(dòng)控制燈的開與關(guān)。

基于單片機(jī)的紅外遙控開關(guān)燈裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，能夠自動(dòng)控制燈具開關(guān)的打開與關(guān)閉。燈的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了智能化，解決了人們在日常生活中尤其是夜晚開關(guān)燈的問題，方便了人們的日常生活。宿舍生活、家庭生活均可使用，也可為老年人、殘疾人、兒童提供便利。

2 技術(shù)方案

該基于微型單片機(jī)的遙控開關(guān)燈裝置外形設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示，是一款可脫離燈具以及燈具開關(guān)的控制開關(guān)裝置，包執(zhí)行集成件兩個(gè)（圖2中1、2））和一個(gè)無線紅外控制器3（圖中未畫出），其中一個(gè)執(zhí)行集成件1 接收紅外信號用于控制墻壁開關(guān)打開，另外一個(gè)執(zhí)行集成件2 接收紅外信號用于控制墻壁開關(guān)關(guān)閉。兩集成件均由紅外接收裝置4、微型單片機(jī)控制升降裝置5、L 桿6、USB 充電口8 組成。

圖2 外觀設(shè)計(jì)

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

兩集成件（1、2）背部含強(qiáng)力膠膠面7 可重復(fù)涂抹強(qiáng)力膠，從而將兩小集成件（1、2）固定在開關(guān)兩側(cè)。由無線紅外控制器（3）發(fā)射脈沖紅外光，經(jīng)集成件（1、2）接收對單片機(jī)產(chǎn)生升降信號，從而控制L 桿的升降，從而控制開關(guān)打開或關(guān)閉。

考慮到開關(guān)燈裝置成本是決定該裝置市場的重要因素，為大幅降低成本我們選擇升降裝置為推拉式電磁鐵。為了方便執(zhí)行集成件的安裝，執(zhí)行集成件1 的外壁上設(shè)有強(qiáng)力膠膠面，可直接粘接在墻壁開關(guān)的附近。為了方便執(zhí)行集成件的充電，執(zhí)行集成件1 上設(shè)有USB 充電接口。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

無線紅外控制器內(nèi)設(shè)有三極管振蕩電路和紅外線發(fā)射器電路，執(zhí)行集成件1 上設(shè)有L 型桿2，L 型桿2 的一端豎直插入執(zhí)行集成件1 中且與執(zhí)行集成件1 滑動(dòng)連接，所述執(zhí)行集成件1 包括用于調(diào)整L 型桿2 的高度的升降裝置、用于控制升降裝置的微控制器、與無線紅外控制器進(jìn)行信息傳遞的紅外接收模塊、蓄電池，L 型桿2 和升降裝置構(gòu)成一個(gè)機(jī)械按壓結(jié)構(gòu)，微控制器可采用單片機(jī)控制器，執(zhí)行集成件1 內(nèi)的電路包含接收電路、放大電路、檢波觸發(fā)電路以及可控硅自鎖開關(guān)電路。

由無線紅外控制器發(fā)射脈沖紅外光，經(jīng)相應(yīng)的執(zhí)行集成件1 接收，對微控制器產(chǎn)生升降信號，從而控制L 型桿2 的升降，控制墻壁開關(guān)打開或關(guān)閉，

單片機(jī)作為系統(tǒng)的計(jì)算與控制中心，在紅外遙控開關(guān)燈裝置中的處理量不大，但卻需要滿足體積小、成本低等特點(diǎn)，正因如此我們選擇STM32 單片機(jī)。意法半導(dǎo)體集團(tuán)（ST）推出的STM32 單片機(jī)是基于Cortex-M 內(nèi)核的32 位微控制器。STM32 單片機(jī)憑借它自身超低的價(jià)格、超多的外設(shè)、豐富的型號、優(yōu)異的實(shí)時(shí)性、極低的開發(fā)成本等優(yōu)勢，迅速發(fā)展并占領(lǐng)了極大市場，得到了眾多開發(fā)者的青睞。

STM32 單片機(jī)廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)、手持設(shè)備、報(bào)警系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域。STM32 系列型號多種多樣，根據(jù)性能可分為入門型、基礎(chǔ)型、增強(qiáng)型、高性能型，根據(jù)內(nèi)核不同可分為Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4 和Cortex-M7。在考慮成本的情況下，選擇最合適的F103 系列。

ST 官方發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫，直接調(diào)用外設(shè)庫中的函數(shù)公式，可以方便地使用STM32 單片機(jī)的各種外設(shè)函數(shù)。只要了解了STM32單片機(jī)的庫函數(shù)，它的開發(fā)操作就會變得易如反掌。

2.2 軟件選擇

系統(tǒng)軟件采用C 語言編寫，利用KEIL μViSion5 編譯成HEX 文件，通過燒錄軟件將編譯后的HEX 文件寫入單片機(jī)。

STM32 庫函數(shù)基本類似，可根據(jù)情況適當(dāng)修改，部分程序?yàn)椋?/p>

3 控制思路

如圖4所示，為裝置的部分控制電路，其中包含一個(gè)紅外遙控接收頭（IR）、兩個(gè)RC積分電路、一個(gè)繼電器控制系統(tǒng)，整個(gè)工作電路總共用到了11 只普通電阻，5 只8050 三極管，NPN 型的8050 三極管常見于各種高頻放大電路中。

圖4 遙控電路

分情況討論，當(dāng)無線紅外控制器發(fā)出紅外信號時(shí)，IR紅外遙控接收頭接收到紅外線信號，右側(cè)1 腳輸出持續(xù)低電平脈沖，當(dāng)無線紅外控制器未發(fā)出紅外信號時(shí)，IR 接收不到紅外線信號，右側(cè)1 腳則輸出高電平，Q1 導(dǎo)通，Q2 截止，Q5 截止，繼電器J 不工作。

3.1 遙控開燈過程

首先，分析無線紅外控制器遙控開燈的過程。按住遙控器開燈按鈕1 s 左右時(shí)間，由于最初設(shè)計(jì)選擇電容C3 容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電容C2 容量，所以此時(shí)三極管Q2 基極電位升高速度大于三極管Q3 基極電位上升速度，導(dǎo)致Q2 導(dǎo)通，Q3截止，進(jìn)而導(dǎo)致Q5 導(dǎo)通，繼電器J 接點(diǎn)J-1、J-2 同時(shí)吸合，接通用后續(xù)裝置。IR 不再接收到紅外線信號，因電源經(jīng)R11向Q5 提供偏置，故Q5 保持導(dǎo)通，J 仍繼續(xù)吸合，達(dá)到短按遙控使裝置接收到開燈信號。

3.2 遙控關(guān)燈過程

按住遙控器3 s 以上的按，遙控關(guān)燈，使IR 右側(cè)輸出低電平脈沖使Q1 輸出高電平脈沖，經(jīng)過D1 整流后在三極管處進(jìn)行積分處理，最后使Q3 基極電位大于1 V，Q3 導(dǎo)通，Q3 發(fā)射極電位高，Q4 導(dǎo)通，Q5 基極電位低，導(dǎo)致Q5 截止，繼電器釋放，J-1、J-2 斷開，實(shí)現(xiàn)長按遙控按鈕實(shí)現(xiàn)關(guān)燈的目的。松開遙控按鈕后，IR 不再接收紅外信號，C2、C3放電，Q2、Q3 切斷，電路再次進(jìn)入等待狀態(tài)。只有再次按下遙控按鈕，電路才會反應(yīng)，重復(fù)遙控?zé)袅列盘柕倪^程。

4 結(jié) 論

基于單片機(jī)的紅外遙控開關(guān)燈裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，在原有的墻壁開關(guān)的基礎(chǔ)上，采用一個(gè)可遠(yuǎn)程控制的機(jī)械按壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程按壓，能夠自動(dòng)遠(yuǎn)程控制燈具的墻壁開關(guān)的打開與關(guān)閉，燈具的開關(guān)實(shí)現(xiàn)了智能化，解決了人們在日常生活中尤其是夜晚開關(guān)燈的問題，方便了人們的日常生活；宿舍、家庭生活均可使用，也可為老年人、殘疾人、兒童提供便利。

大環(huán)境下單片機(jī)發(fā)展前景樂觀，智能化、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)、嵌入式設(shè)備如火如荼，這些都離不開單片機(jī)。目前國家大力扶持5G，人工智能，自動(dòng)化控制，電子，通信，或可孵化出大量嵌入式相關(guān)的新型企業(yè)，單片機(jī)嵌入式將大有可為。我國正在大力發(fā)展芯片產(chǎn)業(yè)，社會正在朝著萬物互聯(lián)的方向發(fā)展，單片機(jī)和嵌入式作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分也將得到快速發(fā)展。