智能控制灯设计和实现电气工程专业

1、 智能灯控制系统目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc7091 第一章 绪论 PAGEREF _Toc7091 1 HYPERLINK l _Toc7 1.1选题的目的及研究意义 PAGEREF _Toc7 1 HYPERLINK l _Toc28940 1.2主要任务要求 PAGEREF _Toc28940 1 HYPERLINK l _Toc42 1.3主要模块的论证选择 PAGEREF _Toc42 2 HYPERLINK l _Toc14270 1.3.1 单片机芯片的选择 PAGEREF _Toc14270 2 HYPERLINK l _Toc32750 1

2、.3.2 红外检测模块的选择 PAGEREF _Toc32750 2 HYPERLINK l _Toc16776 1.3.3 光照检测模块的选择 PAGEREF _Toc16776 2 HYPERLINK l _Toc14701 1.3.4 蓝牙无线通信技术模块的选择 PAGEREF _Toc14701 2 HYPERLINK l _Toc14863 第二章 硬件电路的设计 PAGEREF _Toc14863 3 HYPERLINK l _Toc25573 2.1系统的功能及体系结构设计 PAGEREF _Toc25573 3 HYPERLINK l _Toc29984 2.2主要模块电路的设

3、计 PAGEREF _Toc29984 3 HYPERLINK l _Toc8042 2.2.1 STM32F103C8T6单片机主控芯片 PAGEREF _Toc8042 3 HYPERLINK l _Toc10255 2.2 高亮LED灯照明电路（高电平有效）设计 PAGEREF _Toc10255 5 HYPERLINK l _Toc21317 2.2.1高亮LED灯基本介绍 PAGEREF _Toc21317 5 HYPERLINK l _Toc12065 2.2.2 照明模块硬件电路 PAGEREF _Toc12065 5 HYPERLINK l _Toc15429 2.3 红外检测

4、模块电路设计 PAGEREF _Toc15429 5 HYPERLINK l _Toc18203 2.3.1 E18-D80NK-N基本介绍 PAGEREF _Toc18203 5 HYPERLINK l _Toc4744 2.3.2 红外检测模块硬件电路 PAGEREF _Toc4744 6 HYPERLINK l _Toc10879 2.4 光照检测电路设计 PAGEREF _Toc10879 6 HYPERLINK l _Toc23684 2.5 蓝牙无线通信技术设计 PAGEREF _Toc23684 7 HYPERLINK l _Toc21318 2.5.1 JDY-30 SPP蓝牙

5、基本介绍 PAGEREF _Toc21318 7 HYPERLINK l _Toc31616 2.5.2蓝牙无线通信模块硬件电路 PAGEREF _Toc31616 7 HYPERLINK l _Toc1155 第三章 软件程序设计 PAGEREF _Toc1155 8 HYPERLINK l _Toc11994 3.1 系统整体软件设计 PAGEREF _Toc11994 8 HYPERLINK l _Toc16484 3.2 蓝牙无线软件设计 PAGEREF _Toc16484 9 HYPERLINK l _Toc30730 3.3 红外检测软件设计 PAGEREF _Toc30730 1

6、0 HYPERLINK l _Toc29307 第四章 系统的调试 PAGEREF _Toc29307 11 HYPERLINK l _Toc11370 4.1硬件测试 PAGEREF _Toc11370 11 HYPERLINK l _Toc6792 4.2 系统程序调试 PAGEREF _Toc6792 11 HYPERLINK l _Toc30050 4.3 实物数据分析 PAGEREF _Toc30050 12 HYPERLINK l _Toc29204 第五章 结语 PAGEREF _Toc29204 14 HYPERLINK l _Toc2556 参考文献 PAGEREF _Toc

7、2556 15 HYPERLINK l _Toc9734 附录 PAGEREF _Toc9734 15 HYPERLINK l _Toc31317 附录一：程序清单 PAGEREF _Toc31317 15 HYPERLINK l _Toc18707 附录二：系统整体原理图 PAGEREF _Toc18707 17 摘要本系统由STM32F103C8T6单片机核心电路、红外检测电路、光敏检测电路、高亮 LED灯电路和电源电路以及手机蓝牙 APP组成，拥有自动与手动两种模式。在自动模式下可以通过红外传感器检测是否有人，采用光敏电阻构成的电路检测周围环境光的强度变化， 从而自动实现灯的开启与关闭。

8、手动模式下可以通过手机蓝牙与此设备建立连接，使用手机APP, 手动控制灯的开启与关闭。软件部分采用C语言进行编写程序，主要程序包括主程序、蓝牙通信程序、数据测试程序等。系统简单易行、控制方便。 关键词： 单片机；LED灯；红外检测；蓝牙第一章 绪论1.1选题的目的及研究意义随着社会智能化越来越普及，程度越来越高，人们对一些家居物品的人性化以及智能化设计的需求越来越大，要求也越来越高。 在众多的产品中，人们更多着眼于安全方面，如电子锁、家居报警，而忽视了我们日常生活中使用频率极高的-灯具。 当人们忙碌一天回家时，灯已经感受到有人进入而智能的打开了家里的灯， 并且会随着当前环境自主的调和灯的亮度，

9、使人处于一个最舒适的灯光中； 而当人们已经休息却不想起身关灯时，这时他们就可以通过手机APP发送命令把灯关上，方便快捷更为贴心。智能化家居灯将从纯粹的智能功能的发展转向更注重人的行为的智能灯控，以人的行为、需求、视觉生理研究为基础，开发更具有科学含量人性化的的，以人为本的高效、舒适、健康，及经济环保为一体的智能化照明。 对此，我提出了基于单片机的智能灯的设计。1.2主要任务要求该设计主要实现如下功能：（1）自动模式红外检测：当红外传感器检测到有人时（最远可检测到80cm的距离），灯自动打开。如果检测范围没有人在，则灯就自动熄灭。光照检测：当屋内的光线越亮，并且检测人们在室内时，则灯会随着光照调

10、节亮度；当天气昏暗阴沉，或者下雨的时候屋内这时光线较暗，那么智能灯控制系统中的光敏电阻会检测到此时的光照情况，随时调整到适合的人们舒适的亮度。手动模式当把智能灯控制系统中的开关拨到蓝牙模式时，用户可以通过打开手机蓝牙，通过“蓝牙串口（SPP）”App，输入连接密码，连上智能灯的操作系统。通过手机屏幕发送命令（*号表示开启，#号表示关闭），来控制灯的打开和关闭状态。 1.3主要模块的论证选择1.3.1 单片机芯片的选择方案一：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，可以实现各种复杂的功能、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、但是开发规模较大。它采用并行的输入输出方式，虽然提高了系统的处理速度，但是C

11、PLD适合用来作为较大规模控制系统的控制核心。但此设计不需要复杂的逻辑功能，同时设计规模小，对数据的处理速度要求也不高，并且智能灯的设计我们从使用角度及经济角度考虑，最终放弃了此方案。方案二：本文所选控制芯片为STM32F103C8T6单片机， STM32系列处理器是一种基于 ARM7架构的32位、能够支持实时仿真、跟踪的一种微控制器。使用最新的、先进架构的内核，实时性能优异、功耗控制杰出、外设出众创新，并且最大程度的集成整合，十分易于市场产品的开发，可使其快速进入市场。综上所述，故选择方案二。1.3.2 红外检测模块的选择方案一： 采用红外线光电开关。由于红外线指向性强，穿透云雾的能力强，并

12、且在介质中传播距离远，因此红外线经常被应用于距离的测量、障碍物的探测等等。目前红外线技术已经广泛应用于家电中，有着高效节能，环保健康，洁净卫生，安全可靠等优势。红外线在家庭生活中已逐渐占据地位，此模块是纯模拟电路，简单稳定，经济适用。方案二：采用红外测距传感器对距离进行检测。 GP2Y0A21YK0F是测距传感器单元，是基于 PSD的微距传感器，输出信号为模拟电压，因此在工程测量等方面有较大的前景。 但成本较高，程序也较为复杂。故选择方案一。1.3.3 光照检测模块的选择本系统中选择光敏电阻作为检测光照的器件，是因为光敏电阻，是一种特殊的电阻。它的电阻和光线的强弱有直接关系，光强度增加，则电阻

13、减小； 光强度减小，则电阻增大。光敏电阻最大的优点就是检测的速度快，其速度是传统电阻检测设备的5-6倍，另外，它也比较适合一些环境比较恶劣的地方使用， 并且操作简单，经济实惠，效率高，完全能满足本次设计，是作为光照检测器件的不二之选。1.3.4 蓝牙无线通信技术模块的选择方案一：采用JDY-30 SPP蓝牙模块进行对灯的进一步智能化控制。JDY-30 透传模块是基于蓝牙3.0协议标准，具有功耗低且传输速率快，信号强、性能稳定、建立时间短等特性。数据传输比BLE蓝牙快、可达8K每秒以上的速率，支持多种串口和蓝牙芯片进行通信。方案二：采用BLE(即低功耗蓝牙)蓝牙模块进行对灯的进一步智能化控制。低

14、功耗蓝牙的发送和接受任务会以最快的速度完成，完成之后蓝牙BLE会暂停发射无线，等待下一次连接再激活；而SPP是持续保持连接。BLE虽然低功耗但传输速率慢，物理带宽只有1M，实际传输速度在 16KB 之间。因此在智能方面也应用广泛，但在智能家居方面时效低。故选择方案一。第二章 硬件电路的设计2.1系统的功能及体系结构设计本设计由STM32F103C8T6单片机控制电路、红外传感器电路、光敏电阻电路、高亮LED灯电路、电源电路、蓝牙模块、手机APP组成。1.当有人的时候，天越亮，灯越暗，天越暗，灯越亮。2.如果无人，则灯自动熄灭。3.通过拨动开关，拨动开关拨上，系统为1,2原有功能，拨动开关拨下，

15、则可以通过手机蓝牙APP控制灯的亮与灭。 本系统具体框图如下图所示：图2-1系统原理框图2.2主要模块电路的设计2.2.1 STM32F103C8T6单片机主控芯片STM32系列处理器是我们现在常用的一种单片机芯片，支持实时仿真和跟踪。选择此款控制芯片是因为本系统设计不仅成本低、功耗小并且具有优异的实时性能、出众创新的外设。芯片用3.3V供电，为了直观观察单片机上电的情况，外接了一个LED灯，来显示芯片是否已供电。单片机上有一个用作复位的引脚，想让单片机复位，只需要给引脚一个低电平即可。本次设计有两种复位思路，一个是刚上电对芯片进行复位，一个是按下按键使芯片复位。上电复位是由于电容电压不会突变

16、，上电后电容两端电压为零实现复位，过一会电容充电到高电平就使芯片正常工作了。还有一种方式是按键复位，按键按下后，电容电压开始释放，直至复位引脚变为低电平实现芯片复位。单片机的晶振选用的是外接的8M晶振。晶振的频率高会提高芯片的运行速度，但这也要求存储的速度要比较高来适应芯片的速度，同时也是增大了PCB板制作的难度。STM32芯片的程序下载选用的是SWD模式下的四线下载的方式，使用SWD接口就显得“清凉”多了，走线简约美观，只需引出GND，VCC， SWDIO，SWDCLK 四个引脚就够了。只需要将单片机上的SWDIO, SWDCLK两个引脚引出即可使用SWD模式的下载方式对单片机进行程序下载。

17、STM32最大的特点就是输入输出接口数量多。此款处理器还搭配了两个模数转换器，转换精度达到12个数据位，检测精度很高。图2-1 STM32单片机主控芯片2.2 高亮LED灯照明电路设计2.2.1高亮LED灯基本介绍在本设计中，选择白色高亮LED灯作为照明灯使用。其外壳是无色透明树脂封装，其发光体本身就能发出某一波长的光，从而呈现出某种颜色。并且超高亮 LED比一般 LED发光二极管的亮度高近百倍，是一种新型 LED灯。 白色高亮LED灯的优点如下。（1）它的使用寿命长，可靠耐用，节能减排，并且维护费用极为低廉，可连续使用105h，比普通的白炽灯泡使用时间长100倍；（2）它的高效率极高，其发光

18、效率可达到80%90%，几乎无其它耗损，并且LED灯比节能灯还要节能1/4，经济环保；（3）点亮速度快。2.2.2 照明模块硬件电路在本系统中， LED灯均为高亮LED灯，通过三极管驱动LED灯的亮灭，电阻为限流电阻，保护三极管。与单片机的1脚相连，当单片机的控制引脚为高电平时，三极管导通，此时，高亮LED灯亮。否则，高亮LED灯不亮。图2-2-2照明电路原理图2.3 红外检测模块电路设计2.3.1 E18-D80NK-N基本介绍E18-D80NK-N是E18-D80NK的升级版，传感器外部接线，在末端增加了杜邦头，方便用户使用。它是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接

19、收头对反射光进行解调输出， 有效的避免了可见光的干扰。并且末端透镜的应用，也使得这一款传感器可以检测到1米以内人的距离（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同； 白色物体最远，黑色物体最近）。检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。2.3.2 红外检测模块硬件电路E18的1脚与单片机PC14（2脚）相连进行输出检测，外接5V电压，3脚接地。当检测到有人时，自身会产生相应的感应，然后单片机对这个信号进行采集，此时灯亮；当检测到周围无人时，灯关闭。图2-3-2红外检测模块接口原理图红外检测模块实物图如下图所示。图2-3-3红外检测模块实物图2.4 光照检测电路

20、设计选择光敏电阻作为检测光照的器件，光照愈强，阻值就愈低，在本系统中，通过串联一个电阻实现光敏电阻的分压，电阻为分压电阻，同时也保护光敏电阻，外接3.3v电压，与单片机PA0（4脚）相连，实现外界光照检测。天越亮，灯越暗，天越暗，灯越亮。其电路图如下图所示。图2-4光敏检测电路图2.5 蓝牙无线通信技术设计2.5.1 JDY-30 SPP蓝牙基本介绍蓝牙无线通信技术，使得人们可以通过手机，自动控制灯的开启与关闭。本系统采用JDY-30-SPP型蓝牙芯片，采用手机蓝牙终端进行无线匹配，在蓝牙信号范围内（最大范围10米）可实现对照明灯具的控制。在手机上安装蓝牙端口APP后，可搜索到“JDY-30-

21、SPP”，进行配对，输入密码，连接成功后即可进行通信，通过发送字段可控制灯的各个动作。下图为JDY-30 SPP蓝牙的引脚介绍。图2-5-1 JDY-30蓝牙引脚图2.5.2蓝牙无线通信模块硬件电路一、模块接口说明（1）RXD 串口输入，电平为TTL电平（2）TXD 串口输出，电平为TTL电平（3）GND 接GND（4）VCC 接3.3V-6V电压蓝牙模块的接口电路如下图所示。2-5-2蓝牙模块电路连接图第三章 软件程序设计C语言是目前使用最多的一门单片机开发语言，它的语言设计简单易懂。开发语句容易理解，和英文很相似，有的关键词完全可以和英文含义对上号。很多复杂的逻辑可以用C语言中简单的语句实

22、现。相比于汇编语言，C语言的优势非常明显，汇编语言非常难以理解，对于开发非常不适合，C语言的出现，让开发者更容易去完成软件设计。开发环境是Keil，专用单片机开发工具。3.1 系统整体软件设计本系统采用STM32F103C8T6单片机，同时拥有自动与手动两种模式。在自动模式下可以通过红外传感器检测是否有人，采用光敏电阻构成的电路检测周围环境光的强度变化， 从而自动实现灯的开启与关闭；手动模式下可以用过手机蓝牙与此设备建立连接，从而通过手机APP, 手动控制灯的开启与关闭。上述用流程图表示为图3-1。图3-1系统软件设计流程图3.2 蓝牙无线软件设计无线蓝牙操作通过AT指令完成。AT命令较为简单

23、，方案利用标准串口去完成接收发送AT命令，这样的方案实现简单，不需要复杂的设计做出了非常大的精简，转变为精简串口编程了。AT命令只需要串口进通信，将AT相关代码指令进行传输就可以完成GSM模块的控制操作，从而实现数据传输。系统输入模块流程图如图3-2所示。图3-2蓝牙通信软件设计流程图3.3 红外检测软件设计E18-D80NK-N遇到有障碍物则输出高电平，如果E18-D80NK-N前没有障碍物则输出低电平。上述用流程图表示为图3-3。图3-3蓝牙通信软件设计流程图第四章 系统的调试4.1硬件测试整体系统上电调试前，观察焊接的系统是否还存在问题。在本设计成功之前，首先进行排版，进行线路的布置和元

24、器件的搭建，一开始排线就出现了错误，导致整个线路出现严重故障，无法工作；而后第二次重新进行。上电调试，发现LED灯不亮，所以就要判断是灯故障，还是红外探测器出现故障，后经检查是一枚灯出现虚焊，所以导致接触不良；以及引脚错误，虚焊，少焊元器件焊接方向错误等等多而杂的问题，但是熟能生巧，多些细心，多请教老师，一次两次最终完成了本次成品设计。4.2 系统程序调试在搭建调试平台后，需要对软件程序进行调试，若程序调试没有问题，接下来开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止。软件调试步骤如下：（1）在Keil uVision5软件中先创建一个工程：单击

25、菜单栏中的“工程”，输入新建工程名，并保存；然后单片机型号是“STM32F103”。（2）新建用户源文件：在新建的空白文本中编写程序源代码，编码完成保存文件并文件拓展名“设计名称.c”，新文件创建完成。（3）程序编译和调试：单击编译按钮，系统会对文件进行运行，在输出窗口中可看到提示信息，如果有错误信息，则须按提示找出错误并改正，直到提示没有错误且实物功能均符合要求为止（Warning不需要管）。图4-2程序编译无误提示界面图4.3 实物数据分析本设计具有自动模式和手动模式两种。1.当有人的时候，天越亮，灯越暗，天越暗，灯越亮。2.如果无人，则灯自动熄灭。3.通过拨动开关，拨动开关拨上，系统为1

26、,2原有功能，拨动开关拨下，则可以通过手机蓝牙APP控制灯的亮与灭。当智能灯处于自动模式时(此时拨动开关拨上),蓝牙手动模式不工作。当无人，天气亮时，灯自动关闭；天暗时，则灯也处于关闭状态。实物演示如图4-3所示：图4-3自动状态实物图当红外探头检测到有人，天气亮时则灯仍旧处于关闭状态；当天气暗，高亮LED灯的照明情况随天气阴暗程度变化而有所变化，用手遮住光敏电阻，如下图4-4可视，天越暗，LED灯越亮。图4-4 LED灯变化实物图当智能灯处于手动模式时(此时拨动开关拨下),自动感应模式不工作。此时通过手机下载”蓝牙串口(SPP)”,搜索设备JDY-31-SPP,进行配对，输入密码(默认密码:

27、1234)连接。实物演示如图4-5所示：图4-5配对成功实物图当手机蓝牙与本设计成功配对连接后，通过屏幕发送*号，LED灯亮起，此时自动模式不工作。如图4-6所示图4-6 手动模式下LED灯亮起操作实物图当手机蓝牙与本设计成功仍旧处于连接状态，通过屏幕发送#号，LED灯关闭，此时自动模式不工作。如图4-7所示图4-7 手动模式下LED灯关闭操作实物图第五章 结语三年的大学生活进入最后的倒计时，四个月的准备，毕业设计终于到了划句号的时候，在这四个月里潜心做设计与论文的时间中，我收获良多，受益匪浅。 这几个月来，静下心，耐下性子来做好一件事是最锻炼我的。 没有耐心，缺乏细心一直是我的缺点。 在每一

28、次遇到困难时，我总会陷入情绪，难以走出，责怪自己无法专心的克服这些难题。 于是在老师的开导与指点下，不懂就问，不要怕问问题，去查阅资料，请教同学和老师， 没有攻克不了的难题，这些都使我受益匪浅，都将会成为我以后工作及生活，待人处事的好习惯。 人生路漫漫长河，岂非只有这么点小困难，总要学会面对解决。在本论文即将接近尾声之际，向我的指导老师致以衷心感谢和敬意。当我敲完最后一个字符时，这些文字对我早已不陌生，这段时间我感触颇多。虽然这其中没有什么值得特别炫耀特别成就的的作品，但对我而言，整个过程是辛苦的，是付出努力一点点用心完成的，同时也是宝贵的。参 考 文 献1曾非一.嵌入式软件开发技术研究MPC

29、860目标机底层软件的实现D.电子学,2014.2孙宝元、杨宝清.传感器及其应用手册M北京.3郑人杰.计算机软件测试技术M.北京:清华大学出版社,1992.4任强. 传感器选用原则M. 计量工作.2004.5李全利.单片机原理及应用技术M. 北京：高等教育出版社.2009. 3046 .6郑人杰.计算机软件测试技术M. 北京:清华大学出版社,1992.7胡汉才.单片机原理及系统设计M. 北京:清华大学出版社,2002.8张俊谟.单片机中级教程原理与应用J. 北京航空航天大学出版社.2002.9赵负图.传感器集成电路手册,第一版,化学工业出版社M.2004,590591.10陈宜建,杨全会,周利

30、.基于蓝牙技术的E智能照明系统J.信息技术,2016（10）：88-9011王业A,李正乾,赵鹏飞,等.基于蓝牙的无线智控全彩LED情景灯的设计J.电子制作，2014（15）：286-28712Silicon Storage TechnologyInc,SST39VF800A DatasheetJ.200113柯达,刘畅,郭杨.电子信息技术的应用特点与发展趋势J.附录附录一：程序清单#include led.h#include delay.h#include sys.h#include usart.h#include lcd.h#include #include timer.h#include lcd1602.h#incl