基于触摸控制的智能家居照明系统设计

《物联网技术》杂志
2021-10-13 15:57
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0 引 言
随着生活水平的提高,人们对于家居照明系统个性化、多样化的使用需求不断增加,而传统家居照明系统大多采用手动开关方式对灯具进行简单控制,既不能根据室内照度变化做出相应调整,也无法对同一室内的多组灯具实现集中控制 [1],更不能实现情景化照明。与此同时,随着触摸操作已经成为一种习惯式的人机交互方式,基于触摸方式控制的电子设备逐
渐深入人们的生活。
本文针对传统家居照明系统存在的问题和现代用户的实际需求,设计了一套基于触摸控制的智能家居 LED 照明系统。
1 总体方案

基于触摸控制的智能 LED 家居照明系统,主要包括电源模块、触摸控制模块、微处理器模块、LED 恒流驱动模块以及LED光源体等。用户通过触摸控制模块输入一系列控制信号,微处理器模块通过检测,识别触摸控制模块上特定区域内的有效触摸动作,根据设计功能要求,控制相应 LED 驱动模块的工作状态,从而实现智能化照明。系统总体方案如图 1 所示。


系统中烟雾传感器监测周围烟雾及 CO、SO2 等气体浓度, 防范火灾及有毒气体对人体的损害,提升家居环境安全性 ;光 敏传感器可感知外界环境的光照变化,进而实现灯光强度的自 适应调节,达到节能环保的目的。此外,系统应用中还可加装 特定传感元件,通过对系统程序段作相应修改,满足某些特 殊场合的实际需求。 

2 系统硬件设计 

2.1 触摸控制模块 

触摸显示屏作为人机交互的接口,操作界面是否简洁美 观、触摸操作是否准确流畅,影响着整个控制系统的控制性能。

本系统选用北京迪文科技有限公司的 DMT64480T05 6_01WT 型串口 LCD 显示模块作为触摸控制显示终端。该款 显示屏为 5.6 英寸 640×480 像素真彩色 TFT 四线电阻触摸屏, 工作电压范围为直流 4.5 ~26 V,使用方便(仅 DIN、DOUT 及 BUSY 三根数据接口),显示内容丰富、清晰,具有触摸控 制输入功能,同时支持 6×6 矩阵键盘接口。 

该款触摸屏和微处理器模块之间采用串行(UART)通信, 波特率默认值为 115 200 b/s,可以通过触摸控制模块内部定 义的 0XE0 指令在 1 200 ~ 921 600 b/s 之间进行调整 [2]。其串 口数据帧由 5 个数据块组成,如图 2 所示。


在实际使用时,用户仅需按照显示终端规定的数据帧格 式发送相关控制指令,即可实现汉字、数字以及点线图形的显 示,并且完成全屏清屏、部分清屏、反色、实时时钟显示等功能。本系统所设计的人机操作主界面如图 3 所示。 

系统上电时,触摸控制显示终端首先完成校准、清屏等 操作,然后进入用户操作界面。界面上部相应位置显示系统 标题、当前日期和时间等信息。


界面中下部为功能设置区域,主要包括红、绿、蓝三色 光源体的独立控制以及为满足不同生活场景的需要,对不同光 源体的集中控制选项。例如当触摸“跳变”选项时,三色光源 体会逐个、依次点亮,在三色光中来回切换,实现梦幻般的照 明效果。除此之外,还可以设置为“渐变”、“频闪”、“PWM” 调光等模式,其变化速率均可以通过触摸屏右侧“增加”、“减 小”两个选项进行调节,从而满足用户的个性化、多样化需要, 实现情景化照明。 

2.2 微处理器模块 

根据系统处理速度、通道扩展、高性价比及升级维护 简便等需求,设计时综合考虑选用支持在应用中编程(In Application Programming,IAP)的 STC15F408AD 芯片作为 系统微处理器。

该芯片采用增强型 8051 内核,单时钟 / 机器周期,高 精度 R/C 时钟,内部集成 8 KB Flash 程序存储器和 512 B SRAM,且还具有 8 通道 10 位高速 ADC,3 路 PWM 输出, 充分满足系统设计需求。在本系统中,该微处理器单元主要 完成触摸信号识别、光强、烟雾检测、光源体控制等功能。 

2.3 LED 恒流驱动模块 

LED 驱动电路影响着整个照明系统的可靠性和稳定性。 

目前,LED 驱动一般采用恒压和恒流两种方式。恒压驱 动方式虽然相对简单,但不利于保持输出光强的稳定性,驱 动电压轻微的变化都会造成输出光通量的大幅度变化。因此, 本系统设计采用 RT8482 芯片,实现 LED 光源体的恒流驱动。 具体电路如图 4 所示 [3,4]。


LED 恒流驱动模块主要包括 PWM 调光单元、扩流输出 单元以及过流保护单元等。根据系统控制要求,微处理器模 块调整其对应 IO 口输出方波的占空比,从而改变驱动芯片的 工作时间,同时借助 LED 的余辉效应和人眼的视觉暂留特性 实现光源体的亮度调节。此外,该模块还可以根据负载的变化, 自适应调节输出电压的大小,满足不同功率光源体的驱动需要。 

2.4 烟雾传感器 

本系统中采用 QM-N10 型气敏半导体烟雾传感器来实现 烟雾及 CO、SO2 等有毒气体的检测。在洁净空气中,该器件 的等效阻值约为几十千欧,而当接触到烟雾或者有毒气体时, 其等效电阻值迅速下降,借助外围电路实现烟雾检测 [5]。烟 雾传感器的电路原理图如图 5 所示。


当传感器没有检测到烟雾时,电导率极小,在电阻 R2 的 分压作用下,U1A 的 2 脚电压微小。当外界烟雾浓度增大, QM-N10 的电导率随之增大,A、B 两端的等效电阻值急剧下降, U1A 的 2 脚电位逐渐升高,比较器 U1A 的 1 脚输出端产生高 电平到低电平的跳变,微处理器模块检测到该变化,实现烟 雾检测。其中,电位器 RP 实现检测灵敏度的调节。 

2.5 光敏传感器 

本系统采用光敏电阻作为环境光照强度的感知元件,其等 效阻值随着光照强度的大小而相应变化,具有灵敏度高、光谱 响应范围宽、体积小、寿命长等优点 [6]。电路原理如图 6 所示。



LM393 是宽电压比较器,通过调整可调电阻(VR1)的 阻值设定参考电压(阈值)的大小。当环境光照强度达不到设 定阈值时,DO 端输出高电平 ;当外界环境光照强度超过设定 阈值时,DO 端输出低电平,从而实现光照强度检测。另外, A0 端为模拟电压输出端,经过 A/D 转换,可以得到更精确的 环境光强数值。 

3 软件设计 

本系统软件设计过程中,采用 C 语言和汇编语言混合 方式进行应用程序编写,利用 Keil C51 集成开发编译环境、 STC-ISP 下载编程烧录软件进行系统调试开发。与此同时,为 了增强程序的可读性和可移植性,软件采用模块化设计,由主 程序、触摸控制显示子程序、烟雾检测子程序以及光强检测 子程序等模块组成。 

3.1 主程序总体设计 

系统主程序流程如图 7 所示。系统上电后,首先进行微 处理器初始化和触摸屏初始化等操作,然后进入主循环。主 循环接收、识别触摸信号,同时调用烟雾检测子程序和光强 检测子程序实现烟雾、光强检测。当触摸信号有效或烟雾浓度、 环境光照轻微超过设定阈值时,设置相应的照明模式,控制 LED 光源体的工作状态,实现智能化照明。



3.2 触摸控制显示子程序设计 

与传统的 LCM(LCD 显示模组)通过时序或者指令控制 进行显示的方式不同,迪文科技的该款触摸屏采用直接变量 驱动显示的方式,所有显示控件及操作均基于预先设置好的 变量配置文件来工作,一定程度上降低了用户进行二次开发的 难度。通过 PC 软件配置好控件文件(14.bin)下载到触摸屏后, 用户仅仅需要通过串口改写变量值即可实现显示控件的相应改 变。用户编程时仅需定时(或利用参数改变时的串口中断触发) 读取对应的变量值即可,从而实现触控信号的录入。


基于该款触摸屏的上述特点,编写了触摸屏的触摸控制 显示子程序,显示流程如图 8 所示。



微处理器模块接收串口发送过来的触控信号,进行识别判断后,驱动相应 IO 口输出占空比可调的电平信号,从而改变 LED 光源体的工作状态,实现触摸屏控制。
4 实验测试
系统测试过程中,采用12 V、24 V 两路开关电源为系统供电,驱动七块不同功率白色 LED 光源体以及红、绿、蓝三色 LED 灯条。搭建的系统实物效果如图 9 所示。
测试结果表明,系统能够有效识别用户输入的触摸信号,并按照预置的功能参数实现对 LED 光源体工作状态的控制。

此外,模拟发生火灾及外界环境光照强度不同情况的测试结果表明,系统能够及时有效地监测到外界环境中的烟雾浓度以及光照强度,并控制相应的 LED 光源体做出反应。


5 结 语

针对传统灯光控制系统存在的控制方式单一、无法实现 实时调光以及场景操作等缺陷,设计了一套基于触摸屏控制的 智能 LED 家居照明系统。最终整体联调测试表明,该系统能 够有效识别用户输入的触摸信号,并发出对应的控制命令,且 操作界面简洁美观,触控操作准确流畅,系统运行可靠稳定, 可满足用户多样化、个性化的控制需求。











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