摘 要

智能家居是利用通信、控制、综合布和其他技术通过应用软件和智能移动终端连接日常家庭，从而使家居更智能化、功能多样化，并且使用者可以实现远程控制，当前，红外遥控器已经被广泛的应用在了我们生活中的各种家用电器上，但目前市场上可以通过红外控制来实现开关与定时关闭的照明灯非常少，基于此，本文探讨了基于单片机的智能家居红外遥控照明灯开关的设计。本设计采用STC89C52单片机作为主控芯片， 包括了红外接收解码电路、红外一体化接头、晶振电路、数码管显示电路等模块。通过软件编程实现了利用红外遥控器远程开启关闭照明灯，并实现通过设置时间来定时关闭照明灯的功能，这样的红外遥控照明灯开关最终产品成本低，功能全，发挥出了智能家居的最大功能，能引导人们更好地将红外通信技术广泛而有效地运用起来，具有一定的商业价值及现实意义。

关键词：单片机；红外遥控；照明灯

Abstract

Smart home refers to the use of communication, control, integrated wiring and other technologies to connect everyday homes through application software and smart mobile terminals, so as to make homes more intelligent and versatile, and users can achieve remote control, current, infrared The remote controller has been widely used in various household appliances in our lives, but currently there are very few lamps on the market that can achieve switching and timing closure through infrared control. Based on this, this paper explores a microcontroller-based approach. Smart home infrared remote control lighting switch design, this design uses STC89C52 microcontroller as the main control chip, including the infrared receiver decoding circuit, infrared integrated connector, crystal oscillator circuit, digital tube display circuit and other modules. Through software programming, the use of infrared remote control to remotely turn on and off the lights and realize the function of turning off the lights at a certain time by setting the time, this kind of infrared remote control light switch has the advantages of low cost, full function, and maximum smart home use. The function can guide people to use infrared communication technology more widely and effectively, and has certain commercial value and practical significance.

Keywords: SCM; Infrared remote control; Lighting

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2智能家居红外遥控照明灯开关研究现状分析 1

1.3研究内容和方向 2

1.4预期目标 2

1.5本章小结 3

第2章 智能家居红外遥控照明灯开关总体设计方案 4

2.1系统功能分析 4

2.2 主控单片机的选择 5

2.3 智能家居红外遥控照明灯开关的总体设计方案 5

2.4 红外遥控系统主要结构 5

2.4.1 红外遥控系统的信号调制 6

2.4.2 红外遥控系统的信号发射 6

2.4.3 一体化红外接头 7

2.5 本章小结 7

第3章 智能家居红外遥控照明灯开关的硬件电路设计 8

3.1 红外接收解码电路的方案论证与选择 8

3.2 红外一体化接收头HS0038分析 8

3.3 HS0038解码原理 9

3.4 晶振电路 9

3.5 数码管显示模块电路设计 11

3.6 本章小结 12

第4章 智能家居红外遥控照明灯开关软件设计 13

4.1 IIC通信协议 13

4.2 主程序设计 14

4.3 红外通信模块的程序设计 14

4.4时钟模块的程序设计 14

4.5 数码管显示模块的程序设计 14

4.6 本章小结 14

第5章 系统功能测试 15

5.1 定时功能测试 15

5.2 档位设置 16

5.3 本章小结 16

第6章 总结与展望 17

6.1 总结 17

6.2 展望 17

参考文献 19

附录A 智能家居红外遥控照明灯开关整体电路图 20

附录B 主程序代码 21

附录C 红外通信模块程序 22

附录D 时钟模块 27

附录E 数码管显示模块程序 29

致谢 32

第1章 绪论

1.1研究的目的及意义

智能家居是指利用通信、控制、综合布线等技术，将生活中常见的家用电器或者家居产品与智能移动终端相关联，通过软件或遥控设施整合管理，让人们的家居生活更加舒适安全。使家居产品更加智能和个性化。本设计采用STC89C52单片机控制红外信号，实现遥控开启，关闭家用照明灯具有定时关闭功能。

相较于老式家局产品，智能家居才方方面面都得到了很大的改善，它在传统家居产品的基础上提供宜居，安全，高档的居家生活空间，提升人们的生活品质。家居也从刚开始的单纯地为人类提供方便变成了与现代通信、AI等结合的智能产品，在原来的基础上实现了人与家居可以产生交互的智能产品。家居在为人类提供方便，提供舒适的居住条件的同时也实现了可以帮助人们合理的控制时间甚至是控制资源的使用。

随着互联网、物联网、人工智能的飞速发展，我们生活居住的或者正在使用的各种工具已然已经向着智能化发展。随着互联网技术的发展，网络通信，信息处理和家电控制已成为简单的操作和享受。成为了人们现在的愿望与追求。现在人们已经不满足于通过传统的手动按钮式开关来控制灯具，从而开发出一种更加专业化、智能化的照明控制遥控系统。自从人们发现了红外线以来，我们生活的方方面面都有着红外线的影子，有了红外线作为基础，各种远程控制系统的实现便有了基础，智能化的照明控制遥控系统便是应用了红外线作为通信的手段，这种利用红外线作为通信手段的系统具有性价比高、应用灵活的特点，一般都是只需要红外遥控器以及红外接头便可以实现远程控制。

1.2智能家居红外遥控照明灯开关研究现状分析

智能家居控制系统始于上个世纪八十年代，从最初最基础的最简单单一的单纯遥控控制模式到现在的融合了现代化技术，实现了人机交互等智能的功能。但是目前，无论是美国、欧洲还是韩国产品，都没有任何一种智能家居系统能够独立地完成上述功能。目前，红外遥控开关已经运用到了各种家用电器上，如空调、电视、冰箱等。但是当前的一些家庭用的遥控器之间的信号很容易产生相串的情况，例如，当我们按下空调的启动键时，电视就会启动，这是由于信号再传输时必须搭载在38KHz的载波上，当遥控器发射的数字编码脉冲相同，且搭载在了相同的载波上进行传输时，由于电器的红外接收头所能接收到的载波信号是相同的，由此就会出现红外信号相串的情况。

传统的家用照明灯的开关可以通过照明灯在安装时候线路的串并联来实现一个开关控制多个房间的电灯，在现代化的家居中，人们通过在照明的芯片上搭载红外接收电路，就可以接收到特定频率，搭载特定信号的红外线，这样一来，我们就可以实现使用一个红外遥控器来控制多个房间的照明灯乃至于空调等电器的开关，大大地省去了在装修接线时的麻烦。

红外遥控的技术上已经成熟，但是它们的功能还是比较单一，鉴于此，本文立足于现实生活，结合自己在大学中所学的知识，通过STC89C52 单片机设计出了红外遥控照明灯开关控制系统，对智能家居的控制系统进行了仿真，通过利用红外通信技术对照明进行控制。以提高自己对智能家居的认识和对红外线的应用，以克服传统方法的不足。

1.3研究内容和方向

本设计主要由软硬件两部分组成。

(1)软件部分：在红外一体化接收端利用一体化红外接头对所接收的红外信息进行滤波解码等一系列操作，将编译好的信息发送至单片机中，单片机根据接收到的信息分析信息的指令含义以此来实现对硬件电路智能控制的目的。软件部分的程序包括主程序、红外通信方法协议、定时程序、四位数码管显示电路等，软件部分的作用主要是在硬件电路基础上进行设计的，它为设计的运行制定了方法，通过编程，将我们的指令翻译成单片机可以听得懂的语言，实现了可以调节档位和定时关闭照明灯的功能。

(2)硬件部分：由红外接收解码电路、红外一体化接头、晶振电路、数码管显示模块电路部分组成，其中红外接收解码电路是由红外一体化接头与单片机STC89C52芯片组成，一体化红外接收装置将接收到的设置控制信号经过放大后将信号再传输到解码器中解码，随后单片机会接收到解码后的信号，单片机根据设定好的程序来对该信号进行判断，如果判断得出该信号是设置好的，那么便执行设定好的程序。晶振电路主要由11.0592MHz的晶振来实现，数码管显示电路采用的是TM1637四位显示数码管。

1.4预期目标

本设计的基本思路已经非常清晰明了，只要按照预期的要求进行研究，相信，没有意外的话，本设计完全可以实现所有的要求，使产品反应灵敏，显示方便，操作方便，并能满足较高层次的定时需求。

除了能满足以上照明灯控制的基本要求，还要达到以下要求：

1.能够实现遥控开启关闭照明灯；

2.遥控照明灯具有强光、中强光、弱光三个档位；

3.遥控照明灯可以自动定时关闭；

1.5本章小结

本章介绍了本次设计的背景，对国内外发展历程与研究现状进行了简要的叙述。通过在网上和咨询老师同时查阅了相关的文献资料，对本次毕业设计的有关的知识进行了初步的了解；分析智能家居红外遥控照明灯开关在实际应用中的作用与意义，找出现有系统的不足，总结了本文主要的研究工作；对设计的工作过程进行一个简单的概述。

第2章 智能家居红外遥控照明灯开关总体设计方案

根据家庭的家居照明灯使用的需求，此次设计的照明灯开关的操作应尽可能的简单，所需的按键应尽可能的少。本章具体分析该设计具体所要实现的功能并确定设计的各个部分的功能，为之后的设计奠定基础。

2.1系统功能分析

结合生活家居照明的实际要求，以及国内外发展历程与现状，最终确定所要设计的智能家居红外遥控照明灯开关需要实现以下功能。

因为开关是在日常生活中使用，产品是通过红外遥控器来进行控制，通过遥控器来进行控制灯的亮灭，来实现定时关闭的功能，通过以上分析，系统从实物角度主要分为单片机芯片，红外接收解码模块与定时显示电路这三大部分，包含控制模块、红外通信模块、显示模块、时钟电路模块这四个部分。控制模块主要是使用89C52单片机，通过单片机来收集电路的各种信息，分析电路的各种信息，并将之与软件程序中的设定进行比较，从而发出相应的控制信号来用于控制各个模块，使各个模块之间能够协同工作以达成我们设计的要求；红外通信模块是负责遥控器与单片机的通信，在红外通信模块，其主要是通过红外接收头来收集遥控器发出的红外信号，将信号经过一系列的处理再发送给单片机，它作为单片机与遥控器之间沟通连接的桥梁，联通了单片机与外部器件，使得本次设计的功能可以成功的实现；显示模块用于显示用户定时关闭照明灯的时间，在初始时，显示模块显示默认的定时时间，在按下相应的增加定时时间的按键后，通过红外接收电路将信号发送至单片机，然后单片机产生相应的动作，将定时的时间进行相应的增加，数码管便显示出定时的时间，在按下启动键后数码管便开始显示倒计时；时钟模块用于产生中断，由于本次设计选用的芯片为89C52，在52单片机中并没有硬件电路来产生PWM波，，PWM波即脉冲宽度调制，如果单片机自带硬件电路产生PWM波，那么我们便可以利用该脉冲来调制脉宽，通过调制信号的脉宽，便可以调节灯光的亮度，脉宽越宽，灯的亮度越大，鉴于选择的单片机不能自己产生PWM波，因此我们需要通过软件编程的方式，使得单片机可以产生PWM波，但是这样的一个缺陷便是在LED灯处于点亮状态时当按下遥控器的按键后，灯光会出现闪烁，时钟电路是利用外接晶振电路给单片机提供一个稳定的时钟信号，在该时钟信号的工作下，单片机会处于稳定的状态，其内部的运行不会产生紊乱。

2.2 主控单片机的选择

本次设计是基于51单片机的设计，在大学期间我们在学校开设的课程以及系主任的带领下对于单片机有过比较系统的学习，了解到了单片机的功能强大，以及其在嵌入式的学习中的地位，因此在开始制作本次毕业设计开始之前，经过查阅资料以及自己的积累的知识，选定STC89C52单片机作为该设计的主控单片机，选用该单片机是经过了反复的论证，是充分地考虑了所做设计的要求以及该型号单片机所能实现的功能，同时也是因为该单片机的价格较低，性价比高而且功能齐全。89C52单片机有32个外部双向四组输入/输出（I/O）端口^[1]。同时其自带两个外中断口。3个16位可编程定时计数器^[3]。2个全双工串行通信口，2个读写口线^[4]。选用89C52单片机可很好的满足该系统设计要求。

2.3 智能家居红外遥控照明灯开关的总体设计方案

根据照明灯开关的功能需求与89C52单片机的特性，智能家居红外遥控照明灯开关的总体设计方案的原理框图如图2.1所示

图2.1 总体设计方案原理框图

由上图可知该系统的单片机处于核心位置，出了单片机之外由主要由两部分组成，其中一部分是发射电路，在该部分通过遥控器进行红外发射，利用脉冲数对发送给38KHz载波信号的信号进行编码，并通过红外发射器发送信号，另一部分为接收与处理电路，在接收到信号后，单片机分析接收到的信号，然后输出相关的控制信号来控制灯的照明和换档。

2.4 红外遥控系统主要结构

人眼能够看见的光被称为可见光。其中红光的波长范围为0.62μm～0.76μm。红外光谱在红光外，其波长范围为0.76～1.5μm，大于红光波长^[7]。红外遥控指的是利用红外线来进行信息、指令、的传输的一种新型控制系统控制方法。由于红外线的穿透力强的特性，红外遥控具有抗干扰能力强，电路简单，编解码容易，功耗低，性价比高等优点。目前几乎全部是视频和音频设备的控制方法。

红外遥控控制系统主要由调制、发射和接收这三部分组成。其原理如图2.2所示，信号进过调制滤波，滤掉没有用的波。再通过放大器放大就可以输出想要的方波信号。这便是红外遥控的大致原理。

图2.2 红外遥控控制系统原理图

2.4.1 红外遥控系统的信号调制

将想要发送的数据与设置好的特定频率的载波进行“与”操作，便可以将信号附加在载波上进行传输，这样的一个过程便是调制。通过调制可以提高传输效率并且同时降低功耗。由于发射机中使用的455 kHz晶振，如图2.3所示，所使用的大多数载波是工作周期为1/3的38 kHz载波。因为一般使用的载波都是发射机中使用晶振的频率的十二分之一。所以载波的频率是455 kHz÷12≈37.9 kHz≈38 kHz。

图2.3 载波波形

2.4.2 红外遥控系统的信号发射

由于不同的设计的代码是不同的，所要发射的信息也是不同得的，因此商家设计出的不同的芯片便可以发射使代码信息等搭载不同频率的载波。由于发射系统，即遥控器，由电池驱动，这限制了芯片的选择。也就是说，选择的芯片必须具有低功耗。今天的大多数芯片都设计为在没有外部信号的情况下休眠，也就是说，它们只有在按下按钮时才能工作。这种设计可以降低芯片的功耗。同时，由于所使用的晶体应该具有足够的抗物理冲击性能，所以通常使用陶瓷谐振器来代替普通的石英晶体。尽管陶瓷谐振器的精度不高，但误差通常可以忽略不计。由于制作工艺的差距以及材料的差异，当加上适当的电压后。发光二极管便可以发出红外线而不是普通的可见光。

如图2.4a和图2.4b所示的LED驱动电路，图2.4a是最简单的驱动电路，选择元件时应注意两点：一是晶体管必须具有较快的开关速度;第二个是流过LED的正向电流，一般流过LED的最大正向电流为100mA，电流越大，发射波形的强度越大。在图2.4a的电路中，长时间的使用电池时流过LED的电流会减少。这将减少传输波形的强度并减少遥控距离。因此，图2.4a中的电路存在某些缺陷。图2.4b所示的发射极输出电路可以解决这个问题。这两个二极管将三极管的基极电压限制在1.2V左右，所以三极管的发射极电压固定在0.6V左右，因为发射极的电流IE基本不变。根据IE≈IC，流过LED的电流也基本不变。这解决了由于电池电压降低而导致遥控距离减小的问题。

图2.4a 简单驱动电路 2.4b 射极输出驱动电路

2.4.3 一体化红外接头

红外接收电路通常为集成式的元器件。无论红外发射器与接收器之间的距离如何，限幅器都将脉冲幅度控制在一定水平。交流信号进入带通滤波器。带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波、解调电路和积分电路进入比较器^[12]。比较器的输出是高电平和低电平。为了提高接收器的灵敏度，输出电平的高和低与发送端相反，即恢复与发送端相反的信号波形。本次设计具体使用的一体化红外接头在此不做过多赘述，在下一章中再具体说明。

2.5 本章小结

本章通过系统功能分析，提出了智能家居红外遥控照明灯开关总体设计方案即采用硬件和软件相结合的方法，硬件主控芯片为89C52单片机，遥控器选用现成的普通红外遥控器，选用HS0038作为红外接收与解码器件，分析了系统的实现功能与模块划分，并且确定了相关的设计思路、方法，为之后的模块化设计电路奠定了基础，为软件编程提供了基础的思路，指明了清晰的方向。

第3章 智能家居红外遥控照明灯开关的硬件电路设计

本章从硬件模块的角度，依次介绍了红外接收解码电路、红外一体化接头、晶振电路、数码管显示模块电路的原理及设计方法。

3.1 红外接收解码电路的方案论证与选择

为了实现开关的整体功能，红外解码部分是整个设计的核心部分，因为该部分负责接收红外遥控器产生的红外遥控编码脉冲，然后将信号和按键对应于接收到的红外遥控脉冲。本设计主要研究了两种常用解码方法，具体方法如下所示。

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