基于無線傳輸的光立方節能控制器設計

摘 要：文章針對傳統夜景光立方存在的控制線路安裝不易、易受腐蝕、維護成本高，費電等不足。提出了一種基于NRF24CL01無線傳輸的夜景光立方控制方案，主要由無線發送端、無線接收端以及燈光控制電路三大部分組成。系統主要功能是實現以無線的方式遠距離對夜景燈顯示圖案進行按鍵切換，并可依據環境光線的亮暗程度自動控制夜景燈啟動，實現節能目的。

關鍵詞：夜景燈；無線控制；節能

引言

隨著城市的發展，絢麗的建筑夜景正成為一個鮮明的城市名片。夜景燈對市容是提升，旅游業的繁榮，有著顯著效益。目前夜景燈的控制以有線形式為主，但由于控制線路長期暴露在露天環境下，在復雜多變的天氣條件下，無疑會使線路受到腐蝕及傷害，減少線路壽命。隨著近年來無線技術的迅速發展，越來越往小型化、智能化、便捷化發展，因此很多控制領域現在都廣泛采用無線方式。此外，在當今的信息化、網絡化時代，計算機已成為人們工作生活中不可缺少的基本工具，其中人們接觸最多的就是微型計算機。因此，設計一個可以通過無線方式控制燈光，并且可以智能控制運行狀態，不僅可以免去很多麻煩，還具有良好的市場應用前景。

1 系統方案設計

目前夜景燈的安裝位置高，不適合大規模布線。因此，文章采用NRF24短距離無線通信技術。該技術可以進行點對點通信，也可以進行多點通信，具有成本低廉，使用方便等特點。NRF24L01主要采用GFSK調制方式，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段。此外，其外圍電路設計簡單，芯片功耗低，在戶外傳輸距離可達到40～50米，滿足目前夜景燈的各種控制要求。

夜景燈控制器以STC12C5A60S2單片機為控制核心，光敏電阻電路根據環境亮度的變化向單片機發送信息。單片機將接收到的信息通過NRF24L01無線射頻模塊向接收端傳送，進而控制光立方電路的工作。控制人員也可通過按鍵電路傳遞觸發信息，然后經由單片機處理，無線模塊傳輸，最終切換光立方的顯示圖案。這既包含了本地自適應節能控制，也包含了遠程遙控功能。

2 系統收發端硬件設計

夜景燈光控制系統主要由命令發送端、命令接收端及光立方燈光控制電路三部分組成。發送端硬件電路有：STC12C5A60S2控制電路、光敏電阻檢測電路、按鍵檢測電路、電源電路、無線射頻模塊；接收端的硬件電路有：STC12C5A60S2控制電路、無線射頻模塊、電源電路等。

如圖2所示是單片機的外圍設計原理圖，其中單片機晶振電路的起振電容C1、C2一般采用是在15～33pF這個范圍內，因此本電路采用的20p電容；P0口為開漏輸出，當作為輸出口時需加上拉電阻，一般采用10K的排阻。其他IO口內部集成有上拉電阻，可直接作為輸出口。

圖3為光敏檢測電路，當有光照時，光敏電阻阻值下降，則V2>V3即反向端電壓大于同向端電壓，則比較器LM324輸出端輸出低電平0給單片機；當無光照時，光敏電阻阻值變大，則V2

光立方夜景燈采用512個led以8×8×8的形式排列，2個垂直的面各有64個底座進行固定，側面的的負極連接64跟線分別接到4片74HC15，底面的底座每行共接，然后接出8跟正極接到一片74HC245芯片。如圖4所示，最后整個光立方電路共有16根數據線分別與單片機進行相連。

3 系統軟件設計

3.1 系統整體工作流程

設備一上電，單片機初始化，無線模塊初始化，發送端初始化為發送模式，接收端為接收模式。發送端當有按鍵被觸發或者光敏檢測電路返回環境亮度數據時，才會執行發送函數，發送完命令后，等待下一次的被觸發。接收端等待來自發送端的數據，處于接收模式。當接收端接收到命令后，控制切換光立方電路。

3.2 發送端程序設計

發送端程序初始化后，進入主程序循環：程序不斷掃描檢測P2.7口（對應光敏檢測電路的輸出端），如果P2.7為1時（黑暗條件），則進入按鍵檢測程序。若按鍵按下的話，則把TxBuf數組賦值為相關序號，執行發送函數；如果P2.7為低電平0時（明亮條件），則把TxBuf數組賦值為相關序號，然后執行發送函數。

3.3 接收端程序設計

接收端程序初始化后，進入主程序循環：通過if語句檢測nRF2

4L01_RxPacket（RxBuf）函數，如果收到數據nRF24L01_RxPacket函數的返回值revale會置1。依據收到的命令RxBuf 數組執行display函數，光立方顯示對應的圖案或者關閉。

3.4 無線通訊程序設計

發送模式的過程：將寄存器中的PWR_UP設置為低電平；當單片機有數據要發送時，將接收節點地址和有效數據通過SPI接口寫入NRF24L01的寄存器。當CSN為低電平時，寫入寄存器內等待發送；設置CE為高電平時，啟動芯片進行發射。CE為高電平的時間至少要10us；啟動內部時鐘，MCU設置發送速度為1Mbps或2Mbps，無線發射數據。

接收模式的過程：將寄存器中的PWR_UP設置為高電平；設置所使用的數據通道、自動應答功能和有效數據寬度等；設置CE為高電平進入接收模式；130us后NRF24L01對空中信息進行檢測；若收到有效的數據段后，數據會存儲在RxBuf數組中，同時將RX_DR位置成高電平；若啟動自動應答功能，芯片會發送接收成功的應答信號；單片機設置CE腳為低，進入待機模式。

4 結束語

文章就目前夜景燈控制器存在的一些缺陷提出了一種智能化、便捷的無線夜景燈控制系統。分別從硬件和軟件兩方面對該系統進行詳細介紹，硬件部分主要包括：單片機控制電路、光敏電阻檢測電路、按鍵檢測電路、無線射頻電路、光立方電路等；軟件部分主要包括：NRF24L01程序、光立方程序、燈光控制程序、按鍵檢測程序等。

系統采取了模塊化設計的思路，將硬件和軟件都進行模塊化設計，降低了硬件和軟件的復雜性，進一步提高了系統的可靠性。該系統不但實現了無線遠距離對夜景燈顯示圖案進行切換，還能智能地根據白天與黑夜對燈光進行控制。因此，本系統具有較高的應用價值和實踐意義。

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