摘要近年來,隨著社會的發(fā)展和科學技術的進步,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備及應用。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在家居智能化方面得到了越來越廣泛的應用。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設計,并應用于智能家居中。
關鍵詞智能家居 無線開關 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,家居設計在滿足安全、實用的基礎上,方便、美觀、人性化也成了設計者另一努力追求的目標。傳統(tǒng)開關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控制布線,家居布置更加美觀、隨意。而且無線開關具有開發(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設計,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 方案設計與實現(xiàn)
無線開關的設計與實現(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,設計復雜,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;紅外通信結構簡單,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器和綜合數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)絡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)工作的無線開關相互之間發(fā)生干擾而破壞無線開關工作的準確度。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。
無線開關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,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。本設計方案無線開關發(fā)射部分使用通用的紅外發(fā)射管即可;無線開關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 無線開關發(fā)射部分電路設計
無線開關控制信號發(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)字信號調制成某一頻率(本設計采用38K Hz載波)的脈沖序列,并驅動紅外線發(fā)射管,以光脈沖形式發(fā)送。無線開關發(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為單片機的復位引腳,采用按鍵與上電復位電路;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 無線開關接收部分電路設計
無線開關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換成電信號,再經(jīng)過放大,濾波等處理后送到解調電路,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 無線開關軟件設計與實現(xiàn)
單片機的控制軟件是設計無線開關收發(fā)器的關鍵。其設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的引導碼加一個1 ms的脈沖來表示,鍵碼“2”用一個3ms的引導碼加兩個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)行相應的命令。本設計采用中斷的方式實現(xiàn)。當無線開關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)。結束接收,根據(jù)累加器A中的脈沖個數(shù),執(zhí)行相應輸出口的操作來控制家居中被控制用電器的工作,比如將燈打開或關上。無線開關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 方案的調試與驗證
本設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。設計效果良好,達到智能家居中無線開關的設計要求。
4 結語
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、安全為主導的信息家電、智能家居、智能家庭技術的發(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,具有電路結構簡單、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,外形設計能更美觀的,將來一定能廣泛應用,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[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]趙建領.51系列單片機開發(fā)寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.
關鍵詞智能家居 無線開關 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,家居設計在滿足安全、實用的基礎上,方便、美觀、人性化也成了設計者另一努力追求的目標。傳統(tǒng)開關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控制布線,家居布置更加美觀、隨意。而且無線開關具有開發(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設計,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 方案設計與實現(xiàn)
無線開關的設計與實現(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,設計復雜,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;紅外通信結構簡單,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器和綜合數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)絡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)工作的無線開關相互之間發(fā)生干擾而破壞無線開關工作的準確度。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。
無線開關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,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。本設計方案無線開關發(fā)射部分使用通用的紅外發(fā)射管即可;無線開關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 無線開關發(fā)射部分電路設計
無線開關控制信號發(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)字信號調制成某一頻率(本設計采用38K Hz載波)的脈沖序列,并驅動紅外線發(fā)射管,以光脈沖形式發(fā)送。無線開關發(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為單片機的復位引腳,采用按鍵與上電復位電路;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 無線開關接收部分電路設計
無線開關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換成電信號,再經(jīng)過放大,濾波等處理后送到解調電路,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 無線開關軟件設計與實現(xiàn)
單片機的控制軟件是設計無線開關收發(fā)器的關鍵。其設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的引導碼加一個1 ms的脈沖來表示,鍵碼“2”用一個3ms的引導碼加兩個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)行相應的命令。本設計采用中斷的方式實現(xiàn)。當無線開關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)。結束接收,根據(jù)累加器A中的脈沖個數(shù),執(zhí)行相應輸出口的操作來控制家居中被控制用電器的工作,比如將燈打開或關上。無線開關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 方案的調試與驗證
本設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。設計效果良好,達到智能家居中無線開關的設計要求。
4 結語
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、安全為主導的信息家電、智能家居、智能家庭技術的發(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,具有電路結構簡單、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,外形設計能更美觀的,將來一定能廣泛應用,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[M].北京:高等教育出版社,2009.
[2]趙建領.51系列單片機開發(fā)寶典[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.
