基于2ASK調(diào)制解調(diào)的智能照明系統(tǒng)設計

高家寶+靳鵬飛+邵炳乾+劉開堯

摘 要： 設計采用二進制振幅鍵控（2ASK）調(diào)制解調(diào)技術(shù)，以AT89C52作為微控制器的智能照明系統(tǒng)，包括智能照明系統(tǒng)硬件電路設計和軟件設計兩大部分。該文著重設計了系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊、紅外傳感檢測、功耗檢測、繼電器控制等電路，使設計的系統(tǒng)具有對組內(nèi)照明燈的開關控制、調(diào)光控制、功耗顯示等功能，所有功能均可遠程和本地實現(xiàn)。該系統(tǒng)作為2ASK在智能家居系統(tǒng)方面的一個典型應用，在實際運行中得到了比較滿意的效果。

關鍵詞： 2ASK調(diào)制解調(diào)； AT89C52； 智能照明系統(tǒng)； 功耗檢測

中圖分類號： TN915.05?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）20?0095?03

Design of an intelligent lighting system based on 2ASK modem

GAO Jiabao， JIN Pengfei， SHAO Bingqian， LIU Kaiyao

（College of Applied Science and Technology， Hainan University， Danzhou 571730， China）

Abstract： An intelligent lighting system based on 2ASK modem is designed， which takes AT89C52 as micro?controller. It mainly includes hardware circuit design and software design of the intelligent lighting system. The circuits of wireless transceiver module， infrared sensor examination， power consumption detection and relay control are designed emphatically in the hardware design. The intelligent lighting system has the functions of switching control， dimming control， power consumption display for intra?class floodlights， which can be realized by remote and local control. This system as a typical application of 2ASK in the smart home system has got some satisfactory results in the actual operation.

Keywords： modulation and demodulation of 2ASK； AT89C52； intelligent lighting systems； power consumption detection

0 引 言

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和社會的不斷進步，基于無線網(wǎng)絡的智能家居控制系統(tǒng)應運而生。智能照明系統(tǒng)作為智能家居控制系統(tǒng)的一個重要的子系統(tǒng)，充分利用電子技術(shù)、通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡將建筑物內(nèi)的各種照明器具有機連接在一起，實現(xiàn)有效的管理和控制[1?4]。由于ASK具有調(diào)制解調(diào)設備簡單、成本低廉、工作可靠等優(yōu)點[5?6]，本文選擇了數(shù)字通信技術(shù)2ASK作為智能照明系統(tǒng)的通信技術(shù)。在深入研究通信協(xié)議的基礎上，提出了相應的照明系統(tǒng)解決方案，并設計開發(fā)產(chǎn)品。本系統(tǒng)具有對組內(nèi)照明燈的開關控制、調(diào)光控制、功耗顯示等功能，所有功能均可遠程和本地實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 系統(tǒng)硬件框圖設計

結(jié)合微處理器和無線通信技術(shù)為核心的家居系統(tǒng)是未來智能家居的發(fā)展趨勢[7?8]，本次設計的系統(tǒng)是基于AT89C52單片機和315 MHz ASK調(diào)制的智能照明控制系統(tǒng)。建立智能照明控制系統(tǒng)，硬件是關鍵和基礎，它對整個照明系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制和測量的準確性以及燈泡功耗的檢測都有直接的影響[9?10]。

無線照明系統(tǒng)的主控模塊硬件組成如圖1所示，它由控制器、ASK無線收發(fā)電路、LCD1602顯示屏等部分組成；無線照明系統(tǒng)的從控模塊硬件組成如圖2所示，它由控制器、ASK無線收發(fā)電路、LCD12864顯示屏、繼電器控制、A/D轉(zhuǎn)換等部分組成；主控模塊由6 V干電池供電；從控模塊由50 Hz/24 V交流電供電，50 Hz/24 V交流電直接通過變壓器將市電轉(zhuǎn)換后獲得，方便在室內(nèi)應用，另外，該模塊的5 V直流電是50 Hz/24 V交流電經(jīng)過整流電路和三端穩(wěn)壓器LM7805之后獲得。

控制器采用AT89C52芯片，其具有32個雙向I/O口，3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷，2個串行中斷，可編程UART串行通道，由于其兼容標準MCS?51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲單元，所以在智能控制行業(yè)中有著廣泛的應用。

圖1 主控模塊硬件組成框圖

圖2 從控模塊硬件組成框圖

1.2 系統(tǒng)核心電路設計

圖3為系統(tǒng)功耗檢測電路，照明燈的電流交流信號由1 Ω高精度電路采樣，采樣到的交流信號經(jīng)過整流橋整流，再由電容C8，C9進行濾波取得交流信號的平均值，最終將紋波較小的直流信號送入A/D轉(zhuǎn)換芯片PCF8951進行處理。模擬量電信號經(jīng)過A/D數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可以由微處理器處理的二進制數(shù)字量信號，微處理器處理及算法修正后將該照明系統(tǒng)的電流有效值和電壓有效值送至LCD12864液晶顯示屏顯示，使用戶能夠直接地查看到當前電路的功耗。

圖3 功耗檢測電路

2ASK通信部分的發(fā)射電路采用高頻三極管2SC3357、三極管J3Y、晶振R315、電阻、電容、電感和天線等來實現(xiàn)，具體電路如圖4（a）所示；2ASK通信部分的接收電路采用三極管2SC3356、雙運算放大器LM358、電阻、電容、電感和天線等來實現(xiàn)，具體電路見圖4（b）。

該2ASK通信電路具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠等優(yōu)點，不足之處是無線通信距離較短，可是已基本滿足于智能家居系統(tǒng)的應用。在本次設計2ASK無線通信的收發(fā)電路時，因為未加入編碼集成電路和解碼集成電路，所以2ASK通信電路具有較強的靈活性，方便與微控制器配合完成自定義的編碼和解碼，從而達到主控模塊控制從控模塊的目的。當無線發(fā)射電路停止數(shù)據(jù)信號發(fā)射時，發(fā)射電流降為零，節(jié)省功率。為了有效地發(fā)射和接收電磁波信號，天線阻抗必須較好的匹配[11]，根據(jù)無線收發(fā)電路的工作頻率是315 MHz，且對要求天線的尺寸不小于電磁波波長的[110]，確定天線的尺寸為15 cm。

2 系統(tǒng)的軟件設計

主控模塊主要是命令的發(fā)送者，其軟件設計流程圖如圖5所示，微控制器先進行一系列的初始化，為數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送做準備的。主控模塊實現(xiàn)的功能是檢測是否有按鍵中斷產(chǎn)生以及對按鍵中斷進行處理。

圖5 主控模塊軟件流程

從控模塊主要是信息的采集者和命令的執(zhí)行者。圖6為從控模塊軟件設計流程圖，微控制器先進行一系列的初始化，再進行A/D采樣計算出其功耗值一方面在液晶屏上進行顯示，同時由2ASK無線發(fā)送電路向主控模塊發(fā)送，以供人們了解當前的功耗值，更加方便地控制電燈亮度。

3 測試方案與測試結(jié)果

系統(tǒng)上電運行后效果良好，圖7為主控模塊和從控模塊的初始化結(jié)果。主控模塊的顯示屏LCD1602第1行顯示的為2個照明燈的亮滅狀態(tài)，第2行顯示的為2個照明燈的亮度等級；從控模塊的顯示屏LCD12864第1行顯示的為時間，第2行顯示的為2個照明燈的亮滅狀態(tài)，第3行顯示的是電壓和電流以及智能照明系統(tǒng)的總功耗，第4行顯示的為2個照明燈的亮度等級。

系統(tǒng)正常初始化后，調(diào)節(jié)照明燈的亮度有兩種方式：一是通過操作主控模塊的功能按鍵，以無線通信方式發(fā)送指令控制從控模塊實現(xiàn)調(diào)節(jié)照明燈的亮度；二是通過從控模塊的功能按鍵，以本地控制方式調(diào)節(jié)照明燈的亮度。圖8為以第一種方式成功調(diào)節(jié)照明燈亮度。

圖6 從控模塊軟件流程

圖7 主控模塊和從控模塊的初始化結(jié)果

圖8 照明燈亮度調(diào)節(jié)

經(jīng)過一系列測試驗證，該系統(tǒng)的其他功能均正常實現(xiàn)。紅外感應電路測試方案：當監(jiān)測到有人靠近主控模塊時，主控模塊通過無線發(fā)射電路向從控模塊發(fā)送指令，從控模塊由無線接收電路接收指令并發(fā)送給微控制器進行處理。其不僅能自動開啟照明燈，同時主控模塊和從控模塊的顯示屏同步顯示照明燈的狀態(tài)。功耗檢測電路測試方案：本系統(tǒng)僅加入了2盞照明燈，分別對開啟任何一個照明燈和同時開啟2盞照明燈兩種情況的電流有效值進行監(jiān)測，并將該電流有效值的模擬量由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再由微處理器處理，同時顯示屏同步顯示。

4 結(jié) 語

本文基于AT89C52微處理器為核心，以2ASK數(shù)字調(diào)制解調(diào)為無線通信技術(shù)設計了無線智能照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對組內(nèi)照明燈的智能開關控制，6級亮度檔位調(diào)節(jié)，功耗檢測等功能，在實際運行中取得比較滿意的效果，屬于2ASK數(shù)字調(diào)制解調(diào)在智能家居系統(tǒng)方面的初步應用，對此領域的研究起到了一定指導作用。另外，該系統(tǒng)具有較強的靈活性和可擴展性，例如加入語音播報相關狀態(tài)信息和增加照明燈數(shù)量。

參考文獻

[1] 傅煒鋼.基于DALI的智能照明系統(tǒng)設計[D].杭州：浙江大學， 2008.

[2] 單浩仁.基于DALI的智能照明系統(tǒng)硬件設計[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[3] 黃鵬飛.智能室內(nèi)照明：管理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學，2013.

[4] 崔陽，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用，2014（4）：123?125.

[5] 郭穎娜.一種FSK信號調(diào)制解調(diào)電路的設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29（1）：138?139.

（上接第97頁）

[6] 王斌，朱昌平，單鳴雷，等.水聲傳感網(wǎng)中的高效調(diào)制解調(diào)器的設計[J].聲學技術(shù)，2012（4）：436?441.

[7] 玉娟.智能家居借勢突圍從智慧城市到美麗中國[J].中國住宅設施，2013（z1）：86?87.

[8] 蔡雪佳，李旭，鄧楓.基于無線傳感網(wǎng)的嵌入式遠程測控系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（16）：96?99.

[9] 劉主鏈，宋躍，何志輝，等.無線模塊與GSM實現(xiàn)的智能遠程家居控制系統(tǒng)[J].計算機測量與控制，2011（9）：2133?2135.

[10] 劉志立.基于DALI的LED照明控制系統(tǒng)設計及可靠性分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2012.

[11] 樊昌信.通信原理[M].6版.北京：國防工業(yè)出版社，2006.