一种交互式彩灯设计

西 安 邮 电 大 学毕 业 设 计（论 文）题目：一种交互式彩灯设计院 （系）：自动化学院专业：电气工程及其自动化班级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 西安邮电大学本科毕业设计(论文) 选题审批表申 报 人 职称教授学院自动化学院题目名称一种交互式彩灯设计题目来源科研教学其它题目类型硬件设计软件设计论文艺术作品题目性质实际应用理论研究（为什么申报该课题）交互式的彩灯对于增强氛围设计具有重要价值。完成一种交互式的彩灯设计。题目至少具有以下几个功能：1.根据外界光照情况，自适应调整光亮程度；2.倾倒后自动灭；3.可手动调节不同颜色；3.人在附近时自动打开。要求详细阅读相关文献，完成简述基于单片机的交互式彩灯设计。对学较熟悉单片机开发设计；有 C 语言程序设计基础。生知识与能力要求（本题目应完成的工作，题目预期目标和成果形式）预期完成一种交互式的彩灯设计。目标第 1 周 按照要求，查找文献并提交开题报告第 2 周第 6 周 掌握开发技术，时间进行系统硬件设计第 7 周第 12 周 系统软件设计。撰写、修改毕业论文第 13 周 准备毕业答辩相关事宜第 14 周 论文相关的其他工作。进度系（教研室）主管院主任年 月日长年 月 日签字签字西安邮电大学本科毕业设计（论文）开题报告学号 姓名 导师 题目一种交互式彩灯设计选题目的（为什么选该课题）随着人们生活环境的不断改善和美化，现在许多场合可以看到彩灯。首先，其丰富的灯光色彩、低廉的造价以及控制简单等特点使其得到了广泛的应用。另外，彩灯的亮度高、色彩鲜艳，使它在公众多媒体显示领域成为一枝独秀，因此市场发展空间非常巨大。另外，交互式彩灯也应用在很多硬件配置上，比如语音控制与信号显示，还有美观硬件的作用。我们生活中处处可见，其对我们生活质量的提升有着重要作用。我设计了一种非常智能而且方便的交互式彩灯，对增强氛围设计具有重要价值。前期基础（已学课程、掌握的工具，资料积累、软硬件条件等）已学课程：数字电路与设计，模拟电路，电路基础，单片机原理及应用，电力电子技术，自动控制元件，电气控制及 PLC 应用，微型计算机控制原理，自动控制原理，过程控制原理，MATLAB与控制系统仿真，Auto CAD 设计，组态控制技术，电力系统自动化装置，工业控制网络，电气设备故障诊断技术，工业网络通信技术，开关电源技术。掌握的工具： 熟练运用 Processing、Arduino 等开源软、硬件编程 熟悉 C/C+编程语言、AT89C52单片机 熟练使用 Microsoft Office、WPS Office 等办公软件 熟悉 Auto CAD、Protel 等制图软件资料积累：1宋凯丽，赵广涛.基于单片机的八路彩灯设计2符子根.多路彩灯控制器的设计3郝文延.家用红外彩灯的设计与实现4郭丽颖.基于 Multisim 的彩灯循环闪烁电路设计与仿真软件条件：processing、Auto CAD、C 语言、Protel、Microsoft Office。硬件条件：超声波传感器、倾斜开关传感器、光敏电阻传感器、按钮、Aduino 开发板。要解决的问题（做什么）（1） 根据外界光照情况，自适应调整光亮程度。（2） 倾倒后自动灭。（3） 可手动控制彩灯亮灭。（4） 人在附近时自动打开。工作思路和方案（怎么做）思路：交互式彩灯设计的关键技术在于信息采集时需要对倾斜开关传感器，超声波传感器，光敏电阻传感器进行范围设定、倾倒时对彩灯的保护、传感器的连接位置，如光敏电阻传感器离彩灯的距离等等问题。加上 Aruino 单片机和 processing 语言即可实现彩灯的控制。我们可以多做几次实验，来在实践中测量和检验我们的作品，光照传感器需要离彩灯距离最远，超声波传感器可以离彩灯稍微近一些，角度传感器离彩灯距离最近，因为它需要实时测量彩灯的摆放角度。对于传感器的保护方面我也准备用一些金属线来固定它们。方案：在开始做本课题，需要认真复习模拟电路、数字电路、电路基础的基本知识，了解超声波传感器、角度传感器、光照传感器的结构设计，处理采集的数据，完成课题需要熟练操作掌握 Arduino 单片机的开发应用。第一周：复习数字电路、模拟电路、电路基础知识，查找相关资料。第二周至第三周：查阅有关各模块采集的原理和掌握 Arduino 的各个模块，并完成开题报告。第四周至第六周：编写部分程序，设计硬件电路并用软件进行调试。第七周至第九周：开始设计搭建信号放大、滤波、检波的硬件电路以及对彩灯包装设计，软件上对各模块进行调整，使之能够独立的正确运行。第十周至第十一周：对系统进行整体测试调试，解决问题，完成课题的设计。第十二周至十四周：完成论文撰写，准备论文答辩。指导教师意见签字年 月日西安邮电大学毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名性别学号专业班级课题名称指导教师意评分（百分制）：指导教师(签字)：年月日见评阅教师意评分（百分制）：评阅教师(签字)：年月日见验收小组意评分（百分制）：验收教师(组长)(签字)：年月日见答辩小组意见评分（百分制）：答辩小组组长(签字)：年月日评分比例指导教师评分() 评阅教师评分 ()验收小组评分() 答辩小组评分()学生百分制成绩等级制成绩总评成绩答辩委员会意见毕业论文(设计)最终成绩(等级)：学院答辩委员会主任(签字)：年月日目录摘要IABSTRACTII引言11 绪论21.1 开发背景21.2 课题研究的目的及意义31.3 LED 彩灯国内外研究现状及发展32 整体方案设计43 系统硬件设计53.1 主控制器的选择53.2 LED 彩灯模块的选择63.3 按钮的选择73.4 感知人在附近的传感器83.5 倾倒后自动熄灭传感器的选择93.6 根据外界光线强度自动控制彩灯的亮灭的传感器的选择104 系统软件设计124.1 主控制器及程序设计124.1.1 主控制器Arduino124.1.2 主控制器的通信124.2 超声波传感器及程序设计144.2.1 超声波传感器144.3 倾斜开关传感器及程序设计154.3.1 倾斜开关传感器154.3.2 倾斜开关传感器的通讯164.4 光敏电阻传感器及程序设计174.4.1 光敏电阻传感器174.4.2 光敏电阻传感器的通讯185 测试与调试205.1 作品功能测试206 结论与展望22致谢23参考文献24摘要我们所处的 21 世纪，人民生活已经逐渐步入了小康生活，想要拥有更好的生活质量，我们需要更新的科技作品来代替以往的生活必需品。这些东西的使用大大方便了我们的日常生活。我这次也以方便人们生活为主要设计方针，针对我们现在使用的彩灯，设计了一种交互式彩灯，可以使人们使用更加智能的控制彩灯，比如当人们在彩灯附近时，彩灯自动开启，当彩灯倾倒或者倾斜时，彩灯自动熄灭，还有当外界光照强度大时彩灯能够自动熄灭，从而实现了人与彩灯的交互，节省电能。这样既优化了我们的生活方式，同时也节约了很大的能源。我在这次设计中，主要采用了三种传感器和一个主控制器来控制 LED RGB 彩灯，主控制器为 Arduino Mega or Mega 2560，传感器分别为超声波传感器、倾斜开关传感器、光敏电阻传感器。实现智能控制的主要方式为先通过传感器接收信号，然后在传感器发送信号给 MCU（Arduino），MCU 接收信号并处理信号，最终做出彩灯是否亮暗的决断。此产品造价低廉，控制精确，能很大程度上方便人们的生活方式。这样的彩灯应用领域非常广泛，只要需要彩灯装饰的地方或者照明的地方都可以使用，市场前景可观。关键字：智能控制；传感器；交互；LED RGB 彩灯；MCUIABSTRACTWe are in the 21st century, peoples life has gradually into a well-off life, want to have a better quality of life, we need to update the science and technology works instead of the previous daily necessities.The use of these things greatly facilitate our daily life.This time I also convenient peoples life as the main design guidelines, in view of the lights we use now, design a kind of interactive lights, lights can make people to use more intelligent control, such as when people in the vicinity of the lights, lights automatically open, when lights dump or tilt, lights out automatically, and when the outside light intensity big lights automatically go out, so as to realize the interaction of the people and lights, save electricity.Such a design on the one hand, convenient for our daily life, on the other hand also save on electricity.In this design, I mainly adopted three sensors and a main controller to control the RGB lights, main controller for the Arduino Mega or Mega 2560, sensor respectively ultrasonic sensors, tilt switches, sensors, photosensitive resistance sensor.To realize intelligent control of main way first through the sensor signals, and then the sensor sends a signal to the MCU (Arduino), MCU receives the signal and process the signal, eventually make the lights are bright dark determination.This product cost is low, the control precision, can greatly convenient peoples life style.This optimization both our way of life, but also save a lot of energy.Such lights application field is very broad, as long as the need to lights decoration and lighting can be used, the market prospect is considerable.Key words: RGB lights; Intelligent control; The sensor; interaction;MCUII一种交互式彩灯设计引言电子产品在现代社会的应用已经非常普遍了，它和我们的生活息息相关；手机、电视、电脑等等非常多的产品，我们越是用高科技来做这些产品，这些产品才会越来越更方便的被我们使用。我国政府目前对城市照明与装饰非常重视，在全国各大城市，彩灯的使用已经非常的多了，尤其在晚上的时候我们可以用才等来进行照明与城市装饰，每逢过年过节彩灯的使用更是为我们的城市和家中添加了不少喜庆的氛围；当然彩灯也应用在很多工厂和铁路和交通上，每个灯的颜色都会代表一种信息，例如红色一般会代表警告信息，这些都是非常重要的。这这次我主要做了一种交互式智能彩灯，此彩灯的控制采用了很多方式，比如人在附近自动打开；光照强度过于强时，彩灯自动熄灭；当彩灯倾斜时，彩灯自动熄灭。这些智能控制方式大大方便了我们在日常生活中对彩灯的使用。不用接触既可以控制其的亮灭，这种控制方式在现在还没有普及，还在不断的研究中。下面让我们来一起研究一下如何实现智能控制与交互。1一种交互式彩灯设计1 绪论1.1 开发背景科技发展的同时照明灯也在发展，从以前单一的白炽灯，发展到现在多样化的彩灯，彩灯的发展丰富了我们的日常生活，使我们在晚上的时候还可以悠闲散步，丰富了我们的精神世界。与此同时彩灯的生产和出口也成为了一个非常有前景的方向，据调查中国即将成为照明电器的出口大国。国内彩灯的需求也在逐年增高，彩灯在国内的市场也是巨大的，很多场合都需要彩灯，例如：机场、铁路、交通等基础设施建设，还有一些公共场合，例如：广场、绿地等等。还有一些民用的地方，例如家里、咖啡厅等等。发展速度很快。经过市场分析得知人们对彩灯的需求还将继续上升，这时彩灯的技术含量也应该适当的提高，使用应该更加方便化，这样才能更容易被人们所接受，在当今社会我们应该适应社会潮流，是我们的日常用品更好的为我们服务。从而提高我们的生活质量。我们可以观察到现在彩灯已经使用到很多大小城市中，它起到了量化城市和装饰的双重作用。现在的彩灯大部分都是 LED 灯，它是由发光二极管组成的，它的内部是半导体材料，可以将电能转化为光能，它有寿命长、亮度高、省电、驱动电压低等优点。将 LED 灯与其他材料结合在一起比如玻璃可以做成漂亮的作品。新的五年计划显示城市亮化和美化工作已经是各级政府发展经济的重要途径，我国正在加大城市亮化和美化工作。目前国内的城市亮化工作很多彩灯都是定点定时开灯，无法做到以具体情况而定而打开或者关闭彩灯。还有很多城市的照明灯并不是 LED 灯，这样造成了巨大的电力能源浪费，所以现在实时智能控制彩灯成为了一种新的控制方式，这样既节约了人力和物力，又节约了能源。由于 LED RGB 彩灯的颜色非常多样化，同时又有一系列的优点，比如控制方便等等。由于市场上的彩灯控制大多都采用 LED RGB 彩灯，这种彩灯已经占据了很大的市场。尤其是在城市装饰中得到了更加广泛的应用。市场上现在控制彩灯的控制器大多都是使用单片机来控制彩灯的亮灭，我这次也采用了一种单片机的型号 Arduino Mega or Mega 2560，这种单片机是集合开源的软件和硬件项目，做一些交互产品使用这样的单片机是在合适不过了。通过 Arduino 软件编程和硬件连接我们可以使传感器和彩灯之间做一种交互，而我们与传感器做一种交互，进而我们与彩灯便可以做一种交互，实现交互式彩灯的设2一种交互式彩灯设计计。现在很多控制器控制模式单一，使亮灯的模式也比较固定，这样控制彩灯会使彩灯的亮灯效果大大降低。所以我们需要对 LED RGB 彩灯的控制器做一定的选择，还应该对控制方式及传感器做一定的选择以便更好的控制彩灯。1.2 课题研究的目的及意义随着人民生活质量的提高，全彩的 RGB 彩灯应用的领域越来越多，比如娱乐场所，用彩灯的闪烁来使气氛更加轻松。在一些发达城市，彩灯的设计包括高楼的墙壁都安装有彩灯，彩灯已经深入到我们生活的方方面面，我们更好的设计彩灯来使彩灯更好的应用与当今社会。一种交互式智能彩灯主要采用数字集成器件所构成的控制器 Arduino Mega or Mega 2560，可以在不同场合智能的控制 LED 彩灯，比如 KTV、咖啡厅、还有都市夜景照明与装饰。还可以在节日装饰于家中增加节日欢乐氛围。1.3 LED 彩灯国内外研究现状及发展LED RGB 彩灯的照明亮度高，发光效率高、多种发光颜色、无污染、响应速度快、驱动电压低等优点已经得到了国外政府的高度重视，用 LED RGB 彩灯取代以前的照明方式，一直在不断地进行着。我国政府也在不断加大城市照明建设，各个城市为了发展相关产业经济，已经不断地加大城市 LED RGB 彩灯的装饰与照明建设，现在 LED RGB 的控制方式多样化，更加方便的控制方式已经显得很重要了，智能控制彩灯的方式将会是现在和以后彩灯行业一个重要方向，当然节能控制也是很重要的。3一种交互式彩灯设计2 整体方案设计本次交互式彩灯设计，彩灯采用 LED 全彩彩灯，供电电压为 5V，主控制器（MCU）使用 Arduino Mega or Mega 2560；Arduino 单片机是一种开元硬件，加上传感器的使用可以智能的实现彩灯控制，模块可以划分为电源模块，传感器模块，Arduino 模块，LED 彩灯模块，按键控制模块。这次 Arduino 单片机是本次设计的中心，所有的功能都要通过它来实现，我们通过软件编程来控制传感器的接收范围，例如我们通过接收倾倒传感器发送过来的值来判断彩灯是否倒下，进而就可以判断应该熄灭或者继续亮，这样我们就可以实时的智能控制彩灯，方便我们的生活，由于 Arduino 只需一条传输线就可以实现信号的传输和接收。方便了我们的编程。我们需要学习 Arduino 的软硬件知识来完成设计。下面我来设计一个系统总框图如图 2-1 所示：传感器信息采集模块MCU 主控制彩灯状态电源模块 器开关模块图 2-1 系统总框图交互式智能彩灯的设计在国内外是一种尚处于发展中的智能设计，该设计的显著特点是在认真研究 LED RGB 彩灯的基础上，认真的编写程序代码下载到 MCU 中，MCU 来控制 LED RGB 彩灯的亮灭。首先必须要通电，使然后通过传感器控制灯的亮灭。一旦通电，MCU 便可以智能控制彩灯，传感器也开始工作。传感探测模块就开始不断地采集外部信息，送到 MCU 进行分析和决策彩灯的亮灭。当人在附近时我们可以通过超声波传来进行距离检测，进而传送信息给 MCU 进行控制。实现倾倒后自动熄灭的控制可以通过使用一个倾斜开关传感器，当倾斜开关传感器的倾斜角度超过垂直方向 17 度的时候，传感器内部断开，当角度小于 17 度的时候，传感器内部又闭合。这样我们可以设置角度的范围来控制彩灯的亮灭。对于实现外界光照强度自适应调整光亮程度，可以用光照传感器来测量外界光照情况，进而反馈给控制器，控制器来控制彩灯的光亮程度。4一种交互式彩灯设计3 系统硬件设计3.1 主控制器的选择方案一：80C51 单片机，如图 3-1 所示：图 3-1 80C51 单片机优点：可实现底层函数的控制。缺点：难以通过与上位机软件的结合实现可视化的作品，且编程相对复杂。方案二：Arduino 板本作品选用 Arduino 作为 MCU，它是单片机的一种，是一种开源软硬件结合的一种控制器，构建于开源的 simple I/O（单一 I/O） 接口版。它的输入和输出在一个串口上，而且他封装了很多程序，在一种相对容易的平台上进行编程，简化了编程的技巧和学习者的难度，入门简单。Arduino 并且可以和电子元件、开关以及各种传感器相连接，用来感知身边的环境，例如空气中的温度、光照和湿度，并且可以通过控制步进电机、LED等输出器件来影响环境。它不仅可以结合各器件做出互动作品，也可以独立运作为一个软件接口使用。Arduino 较以往的 51、52 单片机等传统单片机编程更加简单，它具有丰富强大的各类库，我们可调用函数库里的各类函数，使串口通信更加方便，更能够通过与 Processing 上位机软件的结合实现可视化的作品。如图 3-2 所示：图 3-2 Arduino 开发板5一种交互式彩灯设计缺点：无法实现内部中断。3.2 LED 彩灯模块的选择方案一：单色灯亮灯原理：通过给灯的正负极接入 5V 电源来使灯亮。如图 3-3 所示：图 3-3单色灯优点：控制简单，方便使用。缺点：颜色单一，不是非常美观。方案二：LED RGB 彩灯RGB 灯带定义：是指他其中有三个发光二极管，当三个二极管同时亮的时候，LED RGB 彩灯发白光。当三个发光二极管分别工作时可以分别发出红光、绿光和蓝光，当他们两两组合发光时还可以发出其他颜色的光，我们可以通过 Arduino 控制其发出跟种各样的的光，RGB 也就是红、绿、蓝的意思。如图 3-4 所示图 3-4 LED RGB 彩灯6一种交互式彩灯设计优点：彩灯的颜色多样控制和单色灯一样，有红绿蓝白四种颜色的变化，看起来颜色好看。缺点：价格贵一点。综上合以上考虑，最终选用方案二。3.3 按钮的选择方案一：轻触按键，立式四角不带自锁开关。如图 3-5 所示：图 3-5 不带自锁开关原理：此开关按下的时候接通，当按键自动弹起来的时候开关断开。优点：接线方便。缺点：不带自锁，不适合控制彩灯使用。方案二：立式六角带自锁开关。入伍 3-6 所示：图 3-6 带自锁开关原理：按下的时候接通，当再按一下开关才能关闭。优点：带自锁，适合控制彩灯使用。缺点：接线比四角的复杂点。综上合以上考虑，最终选用方案二。7一种交互式彩灯设计3.4 感知人在附近的传感器方案一：红外传感器。如图 3-7 所示：图 3-7红外传感器原理：当红外传感器发送红外到物体上时，物体能够产生温度或表面光子的变化，所以利用辐射来检测物体。据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。优点：红外接受距离的成本低，易制。缺点：红外传感器测量距离近的时候往往测量精度低。由于红外测距距离近，方向性差，灵敏度不高，所以考虑的时候选择了性能更加优越的材料。方案二：超声波传感器：如图 3-8 所示：图 3-8超声波传感器原理：通过发送和接收超声波来测量物体离超声波的距离，得出数据。优点：灵敏度高，接受测距距离广，达到非接触式的灵敏度高的要求。缺点：当人走到彩灯下面与传感器有很大角度偏差的时候，测量到的距离和实际距离就会有偏差，需要通过一定的软件程序调试，达到接受距离值精确且各个琴键之间互不干扰。8一种交互式彩灯设计综合以上考虑：选择方案二。3.5 倾倒后自动熄灭传感器的选择方案一:角度传感器（高精度 6 轴惯性导航模块）。如图 3-9 所示：图 3-9角度传感器原理：通过角度的变化来判断 RGB 彩灯是否倾倒，进而发送指令给 Arduino 实现彩灯的智能控制。优点：角度传感器可以通过角度的变化来控制彩灯的亮灭，它的测量精度高，在它其中有加速计，可以读取加速计得到的一些数据在串口输出，方便了用户使用。缺点：由于这样的模块在供电时需要电平转换模块 RS232，所以使用的时候需要多加一个模块，增加了造价。方案二：倾斜开关传感器。如图 3-10 所示：原理：一旦倾斜开关传感器感测出有按键信号的情况下，LED RGB 彩灯熄灭，反之它就会点亮。图 3-10倾斜开关传感器9一种交互式彩灯设计优点：造价低，使用简单，测量结果精确。缺点：小角度不是特别灵敏。综合以上考虑：选择方案二。3.6 根据外界光线强度自动控制彩灯的亮灭的传感器的选择方案一：温度传感器（热电偶传感器）原理：不同材料的导体组成闭合回路，当电路两边有温度差时，就会产生电流，从而产生电压差。这时电压会与温度产生一个函数，生成热电偶分度表。从而控制彩灯的亮灭。也就是说这样的一种关系会使温度成为一种测量指标，从而通过温度的变化来控制 LED RGB 彩灯的亮灭。下图 3-11 为温度传感器的实物图。图 3-11温度传感器优点：抗干扰能力强，可以用测量的电势差来计算当前温度。而且不需要给它提供电源，它的质量也很好，一般不会坏。缺点：它的灵敏度比较低，比较容易受到干扰，小范围温度的变化的量一般不太准。方案二：光敏传感器（光敏电阻）.如图 3-12 所示：原理：光敏电阻传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器，它是由一种半导体材料制作而成的，光线强度大的时候，光能会转化为电能，我们可以通过测量电阻的变化，来测量光线强度，从而控制彩灯的亮灭，其工作方式还是和 Arduino 单片机产生通信，最终实现智能控制彩灯的效果。10一种交互式彩灯设计图 3-12光敏传感器优点：光敏电阻使用起来很方便，稳定性好。缺点：耗材，受温度影响，响应有延迟，在毫秒到秒之间。综合以上考虑：选择方案二。11一种交互式彩灯设计4 系统软件设计4.1 主控制器及程序设计4.1.1 主控制器Arduino1）Arduino 简介：Arduino 语言具有使用类似 Java、C 语言的 Processing/Wiring 开发环境，它在与外界的交互上具有独特的优势，而我们的作品需 3 要频繁和环境进行交互，所以将 Arduino 作为本次作品的开发平台既降低了开发难度，也减轻了开发人员的负担。2）Arduino 的应用平台：Arduino IDE 具有跨平台的优势，不仅能在 Windows 上运行，还能在 MacintoshOSX、Linux 操作系统上运行，并且它支持多样的互动程序。3）Arduino 的用户：由于 Arduino 是一个开源的开发平台，很多使用者在使用的时候也会经常分享一些学习资料，所以我们可以根据他们提供的众多开源的示例代码、硬件设计深入的了解到底层的全部机理，当然在本次开发中我们也遇到了很多难以解决的问题，但通过 Arduino 社区我们的很多问题得以解决，在本次开发中，依靠 Arduino 其独特的开发优势和 Arduino 社区背后强大的资源，使得即使不懂编程的普通人，也可以做出很酷的东西。4）Arduino 编程：Arduino 的编程在大框架上有一个固定的语句模式，初始化的语句也比较固定，也对数字信号和模拟信号使用的端口做了自己的规定，其与 PC 的连接采用了 USB 连接，即插即用，不要再额外地安装任何驱动程序。我们一开始开发时对这个新的开发平台也不熟悉，但得力于 Arduino 框架的统一和底层的封装，我们在短时间的接触后，迅速上手，完成了相关功能的开发。4.1.2 主控制器的通信Arduino 主要是完成数据的处理和传输，而数据采集主要通过光敏电阻传感器、倾斜开关传感器、超声波传感器来完成的，Arduino 程序发送给上位机数据，上位机程序