基于單片機的紅外遙控開關燈裝置設計

王銘佳，李雪松，王高樂

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引 言

《國務院辦公廳關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》國辦發（﹝2015﹞36 號）文件中提到堅持創新創業，創業帶動就業是社會進步發展的大趨勢，提高自身競爭力，主動適應發展大趨勢，繼續推進素質教育，抓住創新人才培養的重點，提高人才培養的質量。

“重要規劃項目”大學生創新創業項目是教育部推進高等教育體制改革的重中之重。近幾年來立項數量呈現逐年上升的趨勢，截至2017年，立項總數達到177 042 項。積極響應創新發展，主動適應時代發展大潮，勢在必行。

1 裝置設計

對現有遙控開關燈裝置進行改進,目的是解決特殊人群（老弱病殘孕）手動控制開關不便，以及開關一經安裝位置固定、家用遙控燈具成本高等問題。主要涉及電子信息技術領域、儀器儀表技術領域，具體涉及一種可脫離燈具以及燈具開關的控制開關裝置，可紅外遠程遙控完成燈具開關操作包括無線紅外控制器和兩個執行集成件，如圖1所示，兩執行集成件上均設有L 型桿，L 型桿的一端豎直插入執行集成件中且與執行集成件滑動連接，執行集成件包括用于調整L型桿的高度的升降裝置、用于控制升降裝置的微控制器、與無線紅外控制器進行信息傳遞的紅外接收模塊、蓄電池；本設計采用一個可遠程控制的機械按壓結構，能夠在原有的墻壁開關的基礎上，進行遠程按壓，成本低，能夠方便人們的使用。

圖1 控制系統整體方向圖

隨著愛迪生發明白熾燈，開關裝置逐漸出現。當開關閉合時，接通電路，使電流流過，開關斷開，形成斷路，又稱開路，此時，電流是不允許流動的。生活中，開關是指控制燈亮滅的重要裝置，但有時燈的開關安裝在一些不便利的位置，在夜晚時也并不容易手動打開開關，不便于人們的日常生活，因此需要提供新的技術方案來解決這些問題。

隨著科技不斷發展，遠程遙控技術空前發展，紅外遙控技術被應用于生活中的諸多領域。紅外遙控技術憑借其抗干擾能力強、信息傳輸可靠、功耗低、成本低、易實現、不影響周邊環境、不干擾其他電器等顯著優點日益發展壯大，它的應用前景十分廣闊。

如中國專利號CN207611269U 發明專利中公開了一種紅外遙控燈具開關的裝置，其工作原理如下：對紅外遙控裝置發送紅外線信號，該裝置就會控制H 電橋驅動電機轉動，電機就會驅動電機連接的齒輪轉動，進而傳動齒條移動，齒條與開關面產生摩擦力使得齒條前端安裝的刮板對開關面產生向下的壓力，控制燈具的開與關。

針對現有技術存在的缺點，該裝置能夠有效地克服現有技術所存在的開（關）燈的煩瑣程序，同時便利了大學生的宿舍生活更能夠為特殊群體（老弱病殘）提供便利。

將單片機與紅外遙控裝置結合在一起達到控制燈的開關目的。如：將被遙控的裝置安裝于開關上，該裝置在接收到紅外信號后能夠根據所接受的指令在與開關接觸其中的一端發生突起，對開關面產生向下的壓力，按下開關使燈打開；當該裝置再次收到指令后與開關接觸的另一端發生突起對開關面產生向下的壓力從而達到關燈的目的。該裝置可調節安裝尺寸適用于不同型號的開關，在替代手動控制的基礎上，并不會阻礙人手動控制燈的開與關。

基于單片機的紅外遙控開關燈裝置結構簡單、安裝方便，能夠自動控制燈具開關的打開與關閉。燈的開關實現了智能化，解決了人們在日常生活中尤其是夜晚開關燈的問題，方便了人們的日常生活。宿舍生活、家庭生活均可使用，也可為老年人、殘疾人、兒童提供便利。

2 技術方案

該基于微型單片機的遙控開關燈裝置外形設計如圖2、圖3所示，是一款可脫離燈具以及燈具開關的控制開關裝置，包執行集成件兩個（圖2中1、2））和一個無線紅外控制器3（圖中未畫出），其中一個執行集成件1 接收紅外信號用于控制墻壁開關打開，另外一個執行集成件2 接收紅外信號用于控制墻壁開關關閉。兩集成件均由紅外接收裝置4、微型單片機控制升降裝置5、L 桿6、USB 充電口8 組成。

圖2 外觀設計

圖3 內部結構設計

兩集成件（1、2）背部含強力膠膠面7 可重復涂抹強力膠，從而將兩小集成件（1、2）固定在開關兩側。由無線紅外控制器（3）發射脈沖紅外光，經集成件（1、2）接收對單片機產生升降信號，從而控制L 桿的升降，從而控制開關打開或關閉。

考慮到開關燈裝置成本是決定該裝置市場的重要因素，為大幅降低成本我們選擇升降裝置為推拉式電磁鐵。為了方便執行集成件的安裝，執行集成件1 的外壁上設有強力膠膠面，可直接粘接在墻壁開關的附近。為了方便執行集成件的充電，執行集成件1 上設有USB 充電接口。

2.1 硬件設計

無線紅外控制器內設有三極管振蕩電路和紅外線發射器電路，執行集成件1 上設有L 型桿2，L 型桿2 的一端豎直插入執行集成件1 中且與執行集成件1 滑動連接，所述執行集成件1 包括用于調整L 型桿2 的高度的升降裝置、用于控制升降裝置的微控制器、與無線紅外控制器進行信息傳遞的紅外接收模塊、蓄電池，L 型桿2 和升降裝置構成一個機械按壓結構，微控制器可采用單片機控制器，執行集成件1 內的電路包含接收電路、放大電路、檢波觸發電路以及可控硅自鎖開關電路。

由無線紅外控制器發射脈沖紅外光，經相應的執行集成件1 接收，對微控制器產生升降信號，從而控制L 型桿2 的升降，控制墻壁開關打開或關閉，

單片機作為系統的計算與控制中心，在紅外遙控開關燈裝置中的處理量不大，但卻需要滿足體積小、成本低等特點，正因如此我們選擇STM32 單片機。意法半導體集團（ST）推出的STM32 單片機是基于Cortex-M 內核的32 位微控制器。STM32 單片機憑借它自身超低的價格、超多的外設、豐富的型號、優異的實時性、極低的開發成本等優勢，迅速發展并占領了極大市場，得到了眾多開發者的青睞。

STM32 單片機廣泛應用于控制系統、手持設備、報警系統、暖通空調系統、醫療行業等領域。STM32 系列型號多種多樣，根據性能可分為入門型、基礎型、增強型、高性能型，根據內核不同可分為Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4 和Cortex-M7。在考慮成本的情況下，選擇最合適的F103 系列。

ST 官方發布了標準外設庫，直接調用外設庫中的函數公式，可以方便地使用STM32 單片機的各種外設函數。只要了解了STM32單片機的庫函數，它的開發操作就會變得易如反掌。

2.2 軟件選擇

系統軟件采用C 語言編寫，利用KEIL μViSion5 編譯成HEX 文件，通過燒錄軟件將編譯后的HEX 文件寫入單片機。

STM32 庫函數基本類似，可根據情況適當修改，部分程序為：

3 控制思路

如圖4所示，為裝置的部分控制電路，其中包含一個紅外遙控接收頭（IR）、兩個RC積分電路、一個繼電器控制系統，整個工作電路總共用到了11 只普通電阻，5 只8050 三極管，NPN 型的8050 三極管常見于各種高頻放大電路中。

圖4 遙控電路

分情況討論，當無線紅外控制器發出紅外信號時，IR紅外遙控接收頭接收到紅外線信號，右側1 腳輸出持續低電平脈沖，當無線紅外控制器未發出紅外信號時，IR 接收不到紅外線信號，右側1 腳則輸出高電平，Q1 導通，Q2 截止，Q5 截止，繼電器J 不工作。

3.1 遙控開燈過程

首先，分析無線紅外控制器遙控開燈的過程。按住遙控器開燈按鈕1 s 左右時間，由于最初設計選擇電容C3 容量遠遠大于電容C2 容量，所以此時三極管Q2 基極電位升高速度大于三極管Q3 基極電位上升速度，導致Q2 導通，Q3截止，進而導致Q5 導通，繼電器J 接點J-1、J-2 同時吸合，接通用后續裝置。IR 不再接收到紅外線信號，因電源經R11向Q5 提供偏置，故Q5 保持導通，J 仍繼續吸合，達到短按遙控使裝置接收到開燈信號。

3.2 遙控關燈過程

按住遙控器3 s 以上的按，遙控關燈，使IR 右側輸出低電平脈沖使Q1 輸出高電平脈沖，經過D1 整流后在三極管處進行積分處理，最后使Q3 基極電位大于1 V，Q3 導通，Q3 發射極電位高，Q4 導通，Q5 基極電位低，導致Q5 截止，繼電器釋放，J-1、J-2 斷開，實現長按遙控按鈕實現關燈的目的。松開遙控按鈕后，IR 不再接收紅外信號，C2、C3放電，Q2、Q3 切斷，電路再次進入等待狀態。只有再次按下遙控按鈕，電路才會反應，重復遙控燈亮信號的過程。

4 結 論

基于單片機的紅外遙控開關燈裝置結構簡單，安裝方便，在原有的墻壁開關的基礎上，采用一個可遠程控制的機械按壓結構進行遠程按壓，能夠自動遠程控制燈具的墻壁開關的打開與關閉，燈具的開關實現了智能化，解決了人們在日常生活中尤其是夜晚開關燈的問題，方便了人們的日常生活；宿舍、家庭生活均可使用，也可為老年人、殘疾人、兒童提供便利。

大環境下單片機發展前景樂觀，智能化、物聯網行業、嵌入式設備如火如荼，這些都離不開單片機。目前國家大力扶持5G，人工智能，自動化控制，電子，通信，或可孵化出大量嵌入式相關的新型企業，單片機嵌入式將大有可為。我國正在大力發展芯片產業，社會正在朝著萬物互聯的方向發展，單片機和嵌入式作為物聯網技術的重要組成部分也將得到快速發展。