基于觸摸控制的智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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，微處理器模塊通過檢測，識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。

系統(tǒng)中煙霧傳感器監(jiān)測周圍煙霧及 CO、SO2 等氣體濃度， 防范火災(zāi)及有毒氣體對人體的損害，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，通過對系統(tǒng)程序段作相應(yīng)修改，滿足某些特 殊場合的實(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景的需要，對不同光 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 體會逐個(gè)、依次點(diǎn)亮，在三色光中來回切換，實(shí)現(xiàn)夢幻般的照 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)比及升級維護(hù) 簡便等需求，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 程序存儲器和 512 B 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 完成觸摸信號識別、光強(qiáng)、煙霧檢測、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)方式雖然相對簡單，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。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 [5]。煙 霧傳感器的電路原理圖如圖 5 所示。

當(dāng)傳感器沒有檢測到煙霧時(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，微處理器模塊檢測到該變化，實(shí)現(xiàn)煙 霧檢測。其中，電位器 RP 實(shí)現(xiàn)檢測靈敏度的調(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。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 語言和匯編語言混合 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、煙霧檢測子程序以及光強(qiáng)檢測 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、識別觸摸信號，同時(shí)調(diào)用煙霧檢測子程序和光強(qiáng) 檢測子程序?qū)崿F(xiàn)煙霧、光強(qiáng)檢測。當(dāng)觸摸信號有效或煙霧濃度、 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)） 讀取對應(yīng)的變量值即可，從而實(shí)現(xiàn)觸控信號的錄入。

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。

此外，模擬發(fā)生火災(zāi)及外界環(huán)境光照強(qiáng)度不同情況的測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地監(jiān)測到外界環(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)。

5 結(jié) 語

針對傳統(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)測試表明，該系統(tǒng)能 夠有效識別用戶輸入的觸摸信號，并發(fā)出對應(yīng)的控制命令，且 操作界面簡潔美觀，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。