呂清松++許峰川++張璐++賈子畏++吳茂成++許宜申

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)家居照明系統(tǒng)存在的控制方式單一、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)光及場(chǎng)景變換等問題，文中設(shè)計(jì)了一套基于觸摸屏控制的智能家居LED照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括電源模塊、觸摸控制模塊、微處理器模塊、LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊及LED光源體等，同時(shí)，該系統(tǒng)還具有煙霧報(bào)警、亮度自適應(yīng)調(diào)整等功能。測(cè)試及實(shí)際效果表明，該系統(tǒng)能夠有效識(shí)別用戶輸入的觸摸控制信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的照明參數(shù)智能調(diào)節(jié)LED光源體的照明效果，實(shí)現(xiàn)情景化照明，從而有效提升家居照明系統(tǒng)的舒適性與藝術(shù)性。

關(guān)鍵詞：家居照明系統(tǒng)；觸摸屏；LED；情景化照明

中圖分類號(hào)：TP39；TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著生活水平的提高，人們對(duì)于家居照明系統(tǒng)個(gè)性化、多樣化的使用需求不斷增加，而傳統(tǒng)家居照明系統(tǒng)大多采用手動(dòng)開關(guān)方式對(duì)燈具進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，既不能根據(jù)室內(nèi)照度變化做出相應(yīng)調(diào)整，也無法對(duì)同一室內(nèi)的多組燈具實(shí)現(xiàn)集中控制[1]，更不能實(shí)現(xiàn)情景化照明。與此同時(shí)，隨著觸摸操作已經(jīng)成為一種習(xí)慣式的人機(jī)交互方式，基于觸摸方式控制的電子設(shè)備逐漸深入人們的生活。

本文針對(duì)傳統(tǒng)家居照明系統(tǒng)存在的問題和現(xiàn)代用戶的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一套基于觸摸控制的智能家居LED照明系統(tǒng)。

1 總體方案

基于觸摸控制的智能LED家居照明系統(tǒng)，主要包括電源模塊、觸摸控制模塊、微處理器模塊、LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊以及LED光源體等。用戶通過觸摸控制模塊輸入一系列控制信號(hào)，微處理器模塊通過檢測(cè)，識(shí)別觸摸控制模塊上特定區(qū)域內(nèi)的有效觸摸動(dòng)作，根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，控制相應(yīng)LED驅(qū)動(dòng)模塊的工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)智能化照明。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)中煙霧傳感器監(jiān)測(cè)周圍煙霧及CO、SO2等氣體濃度，防范火災(zāi)及有毒氣體對(duì)人體的損害，提升家居環(huán)境安全性；光敏傳感器可感知外界環(huán)境的光照變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燈光強(qiáng)度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。此外，系統(tǒng)應(yīng)用中還可加裝特定傳感元件，通過對(duì)系統(tǒng)程序段作相應(yīng)修改，滿足某些特殊場(chǎng)合的實(shí)際需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 觸摸控制模塊

觸摸顯示屏作為人機(jī)交互的接口，操作界面是否簡(jiǎn)潔美觀、觸摸操作是否準(zhǔn)確流暢，影響著整個(gè)控制系統(tǒng)的控制性能。

本系統(tǒng)選用北京迪文科技有限公司的DMT64480T05 6_01WT型串口LCD顯示模塊作為觸摸控制顯示終端。該款顯示屏為5.6英寸640×480像素真彩色TFT四線電阻觸摸屏，工作電壓范圍為直流4.5～26 V，使用方便（僅DIN、DOUT及BUSY三根數(shù)據(jù)接口），顯示內(nèi)容豐富、清晰，具有觸摸控制輸入功能，同時(shí)支持6×6矩陣鍵盤接口。

該款觸摸屏和微處理器模塊之間采用串行（UART）通信，波特率默認(rèn)值為115 200 b/s，可以通過觸摸控制模塊內(nèi)部定義的0XE0指令在1 200～921 600 b/s之間進(jìn)行調(diào)整[2]。其串口數(shù)據(jù)幀由5個(gè)數(shù)據(jù)塊組成，如圖2所示。

在實(shí)際使用時(shí)，用戶僅需按照顯示終端規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送相關(guān)控制指令，即可實(shí)現(xiàn)漢字、數(shù)字以及點(diǎn)線圖形的顯示，并且完成全屏清屏、部分清屏、反色、實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示等功能。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的人機(jī)操作主界面如圖3所示。

系統(tǒng)上電時(shí)，觸摸控制顯示終端首先完成校準(zhǔn)、清屏等操作，然后進(jìn)入用戶操作界面。界面上部相應(yīng)位置顯示系統(tǒng)標(biāo)題、當(dāng)前日期和時(shí)間等信息。

界面中下部為功能設(shè)置區(qū)域，主要包括紅、綠、藍(lán)三色光源體的獨(dú)立控制以及為滿足不同生活場(chǎng)景的需要，對(duì)不同光源體的集中控制選項(xiàng)。例如當(dāng)觸摸“跳變”選項(xiàng)時(shí)，三色光源體會(huì)逐個(gè)、依次點(diǎn)亮，在三色光中來回切換，實(shí)現(xiàn)夢(mèng)幻般的照明效果。除此之外，還可以設(shè)置為“漸變”、“頻閃”、“PWM”調(diào)光等模式，其變化速率均可以通過觸摸屏右側(cè)“增加”、“減小”兩個(gè)選項(xiàng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而滿足用戶的個(gè)性化、多樣化需要，實(shí)現(xiàn)情景化照明。

2.2 微處理器模塊

根據(jù)系統(tǒng)處理速度、通道擴(kuò)展、高性價(jià)比及升級(jí)維護(hù)簡(jiǎn)便等需求，設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮選用支持在應(yīng)用中編程（In Application Programming，IAP）的STC15F408AD芯片作為系統(tǒng)微處理器。

該芯片采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，高精度R/C時(shí)鐘，內(nèi)部集成8 KB Flash程序存儲(chǔ)器和512B SRAM，且還具有8通道10位高速ADC，3路PWM輸出，充分滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。在本系統(tǒng)中，該微處理器單元主要完成觸摸信號(hào)識(shí)別、光強(qiáng)、煙霧檢測(cè)、光源體控制等功能。

2.3 LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊

LED驅(qū)動(dòng)電路影響著整個(gè)照明系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

目前，LED驅(qū)動(dòng)一般采用恒壓和恒流兩種方式。恒壓驅(qū)動(dòng)方式雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但不利于保持輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)電壓輕微的變化都會(huì)造成輸出光通量的大幅度變化。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用RT8482芯片，實(shí)現(xiàn)LED光源體的恒流驅(qū)動(dòng)。具體電路如圖4所示[3，4]。

LED恒流驅(qū)動(dòng)模塊主要包括PWM調(diào)光單元、擴(kuò)流輸出單元以及過流保護(hù)單元等。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，微處理器模塊調(diào)整其對(duì)應(yīng)IO口輸出方波的占空比，從而改變驅(qū)動(dòng)芯片的工作時(shí)間，同時(shí)借助LED的余輝效應(yīng)和人眼的視覺暫留特性實(shí)現(xiàn)光源體的亮度調(diào)節(jié)。此外，該模塊還可以根據(jù)負(fù)載的變化，自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，滿足不同功率光源體的驅(qū)動(dòng)需要。

2.4 煙霧傳感器

本系統(tǒng)中采用QM-N10型氣敏半導(dǎo)體煙霧傳感器來實(shí)現(xiàn)煙霧及CO、SO2等有毒氣體的檢測(cè)。在潔凈空氣中，該器件的等效阻值約為幾十千歐，而當(dāng)接觸到煙霧或者有毒氣體時(shí)，其等效電阻值迅速下降，借助外圍電路實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)[5]。煙霧傳感器的電路原理圖如圖5所示。endprint

當(dāng)傳感器沒有檢測(cè)到煙霧時(shí)，電導(dǎo)率極小，在電阻R2的分壓作用下，U1A的2腳電壓微小。當(dāng)外界煙霧濃度增大，QM-N10的電導(dǎo)率隨之增大，A、B兩端的等效電阻值急劇下降，U1A的2腳電位逐漸升高，比較器U1A的1腳輸出端產(chǎn)生高電平到低電平的跳變，微處理器模塊檢測(cè)到該變化，實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)。其中，電位器RP實(shí)現(xiàn)檢測(cè)靈敏度的調(diào)節(jié)。

2.5 光敏傳感器

本系統(tǒng)采用光敏電阻作為環(huán)境光照強(qiáng)度的感知元件，其等效阻值隨著光照強(qiáng)度的大小而相應(yīng)變化，具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。電路原理如圖6所示。

LM393是寬電壓比較器，通過調(diào)整可調(diào)電阻（VR1）的阻值設(shè)定參考電壓（閾值）的大小。當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出高電平；當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度檢測(cè)。另外，A0端為模擬電壓輸出端，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，可以得到更精確的環(huán)境光強(qiáng)數(shù)值。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合方式進(jìn)行應(yīng)用程序編寫，利用Keil C51集成開發(fā)編譯環(huán)境、STC-ISP下載編程燒錄軟件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試開發(fā)。與此同時(shí)，為了增強(qiáng)程序的可讀性和可移植性，軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、觸摸控制顯示子程序、煙霧檢測(cè)子程序以及光強(qiáng)檢測(cè)子程序等模塊組成。

3.1 主程序總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行微處理器初始化和觸摸屏初始化等操作，然后進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)接收、識(shí)別觸摸信號(hào)，同時(shí)調(diào)用煙霧檢測(cè)子程序和光強(qiáng)檢測(cè)子程序?qū)崿F(xiàn)煙霧、光強(qiáng)檢測(cè)。當(dāng)觸摸信號(hào)有效或煙霧濃度、環(huán)境光照輕微超過設(shè)定閾值時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的照明模式，控制LED光源體的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)智能化照明。

3.2 觸摸控制顯示子程序設(shè)計(jì)

與傳統(tǒng)的LCM（LCD顯示模組）通過時(shí)序或者指令控制進(jìn)行顯示的方式不同，迪文科技的該款觸摸屏采用直接變量驅(qū)動(dòng)顯示的方式，所有顯示控件及操作均基于預(yù)先設(shè)置好的變量配置文件來工作，一定程度上降低了用戶進(jìn)行二次開發(fā)的難度。通過PC軟件配置好控件文件（14.bin）下載到觸摸屏后，用戶僅僅需要通過串口改寫變量值即可實(shí)現(xiàn)顯示控件的相應(yīng)改變。用戶編程時(shí)僅需定時(shí)（或利用參數(shù)改變時(shí)的串口中斷觸發(fā)）讀取對(duì)應(yīng)的變量值即可，從而實(shí)現(xiàn)觸控信號(hào)的錄入。

基于該款觸摸屏的上述特點(diǎn)，編寫了觸摸屏的觸摸控制顯示子程序，顯示流程如圖8所示。

微處理器模塊接收串口發(fā)送過來的觸控信號(hào)，進(jìn)行識(shí)別判斷后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)IO口輸出占空比可調(diào)的電平信號(hào)，從而改變LED光源體的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)觸摸屏控制。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試過程中，采用12 V、24 V兩路開關(guān)電源為系統(tǒng)供電，驅(qū)動(dòng)七塊不同功率白色LED光源體以及紅、綠、藍(lán)三色LED燈條。搭建的系統(tǒng)實(shí)物效果如圖9所示。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效識(shí)別用戶輸入的觸摸信號(hào)，并按照預(yù)置的功能參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED光源體工作狀態(tài)的控制。

此外，模擬發(fā)生火災(zāi)及外界環(huán)境光照強(qiáng)度不同情況的測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地監(jiān)測(cè)到外界環(huán)境中的煙霧濃度以及光照強(qiáng)度，并控制相應(yīng)的LED光源體做出反應(yīng)。

圖9 系統(tǒng)實(shí)物效果圖

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)燈光控制系統(tǒng)存在的控制方式單一、無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)光以及場(chǎng)景操作等缺陷，設(shè)計(jì)了一套基于觸摸屏控制的智能LED家居照明系統(tǒng)。最終整體聯(lián)調(diào)測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠有效識(shí)別用戶輸入的觸摸信號(hào)，并發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制命令，且操作界面簡(jiǎn)潔美觀，觸控操作準(zhǔn)確流暢，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定，可滿足用戶多樣化、個(gè)性化的控制需求。

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