基于单片机的智能调光系统设计(论文)

学院

本科生毕业设计（论文）

学 院： 电子与自动化学院

专 业： 电子信息工程

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大连理工大学城市学院本科生毕业设计（论文）

基于PIC单片机的智能调光系统设计

总计 毕业论文（论文） 45 页

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摘 要

智能照明行业自从上世纪90年代进入中国市场以来，受市场的消费

意识、市场环境、产品价格、推广力度等各方面的影响，一直处于缓慢

发展的态势。行业人士均认为，消费者对智能照明认识不足是市场处于

初级阶段是最主要的原因。近些年来，随着国民经济的快速发展，特别

是地产行业的高歌猛进，国内智能照明行业迅速发展，涌现出了各种技

术类型的厂家，市场上也出现了各种类型，别具特色的智能开关产品。

建筑设计行业正向着更舒适、安全和节约能源的方向发展，由于目

前室内传统照明布线麻烦、费电、安装困难、成本高等问题，智能调光

系统应运而生正成为智能家居的趋势之一，为此设计出节能、舒适、安

全的智能调光系统并投入实际使用，本文详细介绍了智能调光系统及设

计过程中的关键技术环节，包括系统网络设计、控制器CPU设计、可控硅

和光耦控制，描述了智能调光系统的主要应用，并讲解了结合TI公司的

Z-Stack协议栈来实现对室内所有灯节点的单控、全控、开关控制、256

级调光控制以及情景模式转换等功能，同时提出了一种室内多个LED灯节

点对定点精确调光的方案，从而达到使照明系统更加人性化、安全和节

能的设计目的。

关键词：智能调光系统；控制器；可控硅；光耦

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Abstract

Intelligent lighting industry since the 1990s to enter the Chine market,

affected all aspects of consumer awareness of the market, market

environment, product price, promotion efforts, etc., has been in the slow

development of the situation. Industry are of the view, lack of consumer

awareness of the intelligent lighting market in its infancy is the main reason.

In recent years, with the rapid development of the national economy,

especially the rapid development of the real estate industry triumph, the

intelligent lighting industry, the emergence of a variety of types of

technology manufacturers, the market also appeared in various types,

distinctive smart switching products.

Abstract with the development of society,architectural design also was

requested toward more comfortable safe and energy view of the

prent traditional interior lighting, it is electrical energy waste,troublesome

wiring, high system installation igent light-control system meets the

development demand,and it is also one of the trends of intelligent hou.A

intelligent light-control system with energy efficiency and safe was designed

and put into y the intelligent light-control system and its

demanding techniques were then the key techniques of system

were introduced,including the design of system network,the design of CPU

controller,technique of voltage controlled by silicon and optical

y the application of system were introduced and combined with

the TI Z-Stack protocol stack to provide the realization of all the interior

lights nodes in a single control, full control, switching control, level 256

dimming control and scenario mode conversion the same time, a

kind of interior multiple LED lamp node to point preci dimming scheme is

put forward to make the lighting system more humane, safe and

energy-saving design.

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Key words：；CPU controller；silicon；optical

intelligent light-control system

coupler

目 录

摘 要

.............................................................................................................. I

Abstract

........................................................................................................ II

目 录

......................................................................................................... III

第1章 绪论

............................................................................................... 1

1.1 设计的目的及意义 .......................................................................... 1

1.1.1 设计目的 ............................................................................... 1

1.1.2 设计的意义 ........................................................................... 1

1.2 设计的任务、重点研究内容和技术方案 .................................... 2

1.2.1 设计的任务 ........................................................................... 2

1.2.2 设计原则 ............................................................................... 2

1.2.3 设计的重点研究内容 ........................................................... 2

1.2.4 设计方案和章节安排 ........................................................... 3

第2章 照明系统

...................................................................................... 5

2.1传统照明系统 ................................................................................... 5

2.2 智能调光系统 .................................................................................. 5

2.3 智能调光系统与传统照明系统比较 .............................................. 5

2.3.1 单控电路系统比较 ............................................................... 5

2.3.2 双控电路系统比较 ............................................................... 6

2.3.3 控制方式比较 ....................................................................... 6

2.3.4 照明方式比较 ....................................................................... 6

2.3.5 管理方式比较 ....................................................................... 7

第3章 智能调光系统的硬件设计

..................................................... 8

3.1 PIC单片机 ........................................................................................ 8

3.1.1 PIC单片机简介 .................................................................. 8

3.2 PWM调光 ..................................................................................... 8

3.2.1 PWM调光简介 .................................................................. 8

3.2.2 PWM调光原理 .................................................................. 8

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3.2.3 PWM调光技术 ................................................................... 10

3.3 过零检测电路 ................................................................................ 11

3.3.1 过零检测电路简介 ............................................................. 11

3.3.2 过零检测原理图 ................................................................. 12

3.4 调光控制电路 ........................................................................ 14

3.4.1 调光控制电路简介 ............................................................. 14

3.4.2 调光控制电路原理图 ......................................................... 15

第4章 智能调光系统软件设计及实现

.......................................... 17

4.1 软件设计 ...................................................................................... 17

4.1.1 软件流程图 ....................................................................... 17

4.1.2 程序源代码 ....................................................................... 18

4.2 软件开发平台 ................................................................................ 19

4.2.1 软件开发平台介绍 ............................................................. 19

第5章 系统调试

.................................................................................... 21

5.1 工具介绍 ...................................................................................... 21

5.1.1 软件开发工具 ..................................................................... 21

5.1.2 硬件开发工具 ..................................................................... 22

5.2 设计调试时遇到的问题及解决 .................................................... 22

第6章 智能调光系统的应用和扩展

............................................... 23

6.1 智能调光系统的扩展应用领域 .................................................... 23

6.1.1 智能调光系统的扩展技术介绍 ......................................... 23

6.1.2 智能调光系统的实际应用 ................................................. 27

6.2 智能调光系统的发展前景 ............................................................ 30

第7章 基于Zigbee技术的智能调光系统

.................................... 36

7.1 基于Zigbee技术的智能调光系统 .............................................. 36

7.1.1 基于Zigbee技术的智能调光系统介绍 ............................ 36

7.1.2 Zigbee技术简介 ................................................................. 36

7.2 基于Zigbee技术的智能调光系统样例 ....................................... 37

7.2.1 硬件部分 ............................................................................. 37

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7.2.2 软件部分 ............................................................................. 39

结 论

......................................................................................................... 44

致 谢

......................................................................................................... 45

参考文献

.................................................................................................... 46

附 录

......................................................................................................... 48

附录A：主控板原理图 ....................................................................... 48

附录B：实物图 ................................................................................... 48

第1章 绪论

1.1 设计的目的及意义

1.1.1 设计目的

设计基于PIC单片机的智能调光系统，设计实现PIC单片机调节

220V交流白炽灯光强，可以结合我们生活中的不同用光需求，实现便捷

调光，节能环保。此设计可根据需求扩展改进成适用于更多领域的调光

系统，主要运用于家庭及医院、学校、机场、酒店等公共场所。

1.1.2 设计的意义

我国是一个资源紧缺的国家，但在日常的生活中，人们并没有意识

到这一点。以室内照明为例，在很多公共场合中都采用手动开关，经常

出现没有及时关灯的现象，从而造成能源的浪费，也会缩短灯具的使用

寿命。针对这一现象，有必要研究一种智能照明控制系统。利用智能调

光系统调节灯光，以保持室内光照度，既能使室内有最佳照明环境，又

能达到节能的效果。

实际应用：

①主要运用于家庭及医院、学校、机场、酒店等公共场所，以满足

实际生活中人们不同的用光需求，达到舒适、节能的目的。

②智能调光系统具有很强的灵活性，经过稍微的改动，即可以实现

更多所需求的功能，如在硬件上添加红外或RF模块可以实现无线控制，

添加光照传感器可自动调节光照强度，软件上进行更多方案的制定，可

实现不同的情景模式等。

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1.2 设计的任务、重点研究内容和技术方案

1.2.1 设计的任务

硬件：完成智能调光系统的硬件设计，包括：交流过零检测电路和

调光控制电路。

软件：完成软件设计，包括：过零中断和PWM输出控制调光。

1.2.2 设计原则

可行性和适应性：保证技术上的可行性和系统的可适应性

实用性和经济性：贯彻全面应用，坚持实用、经济的原则

标准性和开放性：为了能够满足所选用的技术和设备的协同运行能

力、系统投资的长期效应以及系统功能不断发展的需求。必须严格追求

系统的标准性和开放性。

成熟性和先进性：既应该采用先进的技术、理念和方法，又要注意

结构、设备的相对成熟。不仅能反映当今的先进水平，而且还具有发展

潜力，能够适应未来多年内的发展趋势。

稳定性和可靠性：在考虑技术新进和开放性的同时，还应从设备性

能、技术措施、系统管理、系统结构等方面着手，保证系统运行的可靠

性和稳定性，为了使之能最大程度上减少故障时间。

易维护性和可扩展性：因为系统需要达到不同扩展需求，必须尽量

使用最简洁的方法，最低的投资，实现系统的扩展和维护。

保密性和安全性：设计过程中既要达到到信息资源的共享，更需要

注意信息的隔离和保密，为此系统应充分根据不同的网络通信环境和不

同的应用，采取不同措施，包括系统安全机制、数据存取的权限控制等。

1.2.3 设计的重点研究内容

在硬件上，重点要研究光耦隔离元件和可控硅、电阻的选取，交流

过零检测电路及整体电路设计的最佳方案，例如过零检测电路中的光耦

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和电阻会影响到过零检测的精度，在光耦选定的情况下，不同大小的电

阻也会一定程度的影响到过零检测的脉冲宽度，脉冲宽度也会一定程度

上影响到调光范围，所以，要设计一个优秀的调光电路，元器件的选择

很重要。

在软件上，需要重点研究的内容是实现通过单片机采集220V交流

电过零中断来输出对220V交流白炽灯进行PWM控制，在软件设计上需

注意许多细节，如打开灯具时需控制可控硅不导通，避免在按下开关时

使灯具马上工作于220V交流电的过压状态，否则会严重影响灯具的使

用寿命。

1.2.4 设计方案和章节安排

设计方案：

使用PIC系列单片机作为核心处理芯片，用两片光耦实现220V交

流电的零点过零检测，给单片机一个过零信号，单片机通过接收到的过

零信号来控制可控硅的导通角，从而调节白炽灯的亮度。

章节内容安排如下：

第1章， 绪论。介绍智能调光系统的设计意义，主体方案和设计

制作背景。

第2章， 照明系统。介绍传统照明系统和智能照明系统的特点和

差别。

第3章， 智能调光系统的硬件设计。介绍PWM调光原理和硬件电

路设计。

第4章， 智能调光系统的软件设计。介绍PWM调光的程序原理和

程序框图、开发环境。

第5章， 系统调试。介绍设计过程中使用的工具，说明设计过程

中遇到的问题及解决方法。

第6章， 智能调光系统的扩展和应用。介绍智能调光系统的扩展

技术和显示生活中的应用领域。

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第7章， 基于Zigbee技术的智能调光系统。介绍基于Zigbee技

术的智能调光系统。

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第2章 照明系统

2.1 传统照明系统

传统照明系统将照明分为一般照明、局部照明、混合照明等，按照

一定标准的光照强度与其他指标进行系统设计。在照明的控制方式上大

多以手动方式为主，大多数仅仅能实现简单的开关、调光控制。例如利

用设置在灯具配电回路中的手动开关元件控制配电回路的通断，实现开

关控制功能；利用设置在灯具配电回路中的手动调节元件调节配电回路

的电气参数，实现调光控制功能。

传统照明控制方式具有功能简单，有效直观，造价低廉的特点，但

布线相对复杂。

2.2 智能调光系统

调光技术具有以下优点：

（1）灵活性强。照明系统可以满足各种要求及空间的变化。

（2）节能环保。在本系统中使用PWM调光方式，相比其它调光方

式和传统照明方式PWM调光更加节能环保。

（3）舒适度高。根据需要选择适当的照明光照度，使学习、生活、

工作环境更加舒适。

2.3 智能调光系统与传统照明系统比较

2.3.1 单控电路系统比较

传统照明单控电路特点：控制开关直接在负载回路中;当负载较大

时，需相应增加控制开关的容量;当开关离负载较远时，大截面电缆用

量增大;只能实现简单的开关功能。

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总线式智能照明电路开关特点：负载回路连线接到输出单元的输出

端，控制开关用五类线与输出单元连接。负载容量较大时仅需考虑加大

输出单元容量，控制开关并不受到影响;开关距离较远时，只须要加长

控制总线的长度，节省大截面电缆用量;总线式智能照明电路可通过软

件设置多种功能（定时、开/关、调光等）。

2.3.2 双控电路系统比较

传统照明双控电路特点：用两个单刀双掷开关、开关之间连接照明

电缆实现双控;进行多点控制时增加开关之间的电缆连线，往往线路安

装非常复杂，工程施工非常困难。

总线式智能照明系统双控电路特点：实现双控时只需要简单地在

控制总线上并联一个开关;进行多点控制时，可以依次并联多个开关，

开关之间只需要用一条五类线连接，线路安装相对简单。

2.3.3 控制方式比较

传统控制需要采用手动开关，而且需要一路一路进行开关操作，控

制方式也只有开和关，必须由工作人员到每个开关处对每条线路进行控

制，开关距离较远的，控制起来就较为麻烦了;智能照明系统控制，采

用低压二次小信号进行控制，控制方式多、功能强、范围广、自动化程

度高，可以实现场景的记忆功能和预设功能，操作时按一下控制面板上

提前设置好的一个按键就可以启动一个灯光场景（各照明回路中的灯根

据预设的亮度规则改变亮度来搭配组成一种灯光效果），不同照明回路

根据预定规则自动变换到相应的预设状态。场景预设功能也可以通过其

他控制方式如远程遥控等控制手段实现。

2.3.4 照明方式比较

传统控制方式单一，只有开和关;智能照明控制系统采用“调光模

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块”，通过灯光的调光在不同使用场合产生不同灯光效果，营造出不同

的舒适的氛围。

2.3.5 管理方式比较

传统控制对照明的管理是人为化的管理;智能控制系统可实现能源

管理自动化，通过分布式网络，只需一台计算机就可实现对整幢大楼的

管理。

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第3章 智能调光系统的硬件设计

3.1 PIC单片机

3.1.1

PIC单片机简介

单片机（Peripheral Interface Controller）是一种用来开发和控

制外围设备的集成电路（IC）。一种具有分散作用（多任务）功能的CPU。

与人类相比，人的大脑就相当于CPU，PIC 共享的部分就是人的神经系

统。

单片机也是一个微小的计算机。

单片机有计算功能和记忆内存，PIC单片机就像CPU并且由

软件控制其运行。然而，处理能力相对一般，存储器容量也很有限，这

也取决于PIC的类型。但是它们的最大操作频率大约都在20MHz左右，

存储器容量用做写程序的大约1K—4K字节。

3.2 PWM调光

3.2.1 PWM调光简介

随着LED背光的节能、环保、高性能等优势的凸显，LCD屏的背光

逐渐从CCFL向LED切换，目前公司的液晶屏也逐渐从CCFL背光得型号

向LED背光的型号切换。两种背光的模式最大的不同在于驱动方式，CCFL

背光的屏的背光驱动需要逆变器提供高压，而LED背光的驱动方式相对

简单，只需要恒定的低压直流电源即可。但是无论是逆变器也好，还是

LED背光驱动电路也好，都会用到一种PWM调光技术，对背光的亮度大

小进行调节。这里汇总学习一下PWM调节的原理。

3.2.2 PWM调光原理

占空比(Duty Cycle or Duty Ratio)：了解PWM调光原理，先得

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了解一下占空比概念。占空比的解释可以归纳为如下几种：

1）在一串理想的脉冲序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲

总周期的比值。比如：脉冲宽度为1μs，信号周期为4μs的脉冲序列

占空比为0.25。

2）在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值。

3）在周期型的现象中，现象发生的时间与总时间的比。 其实归

纳一下也就是电路释放能量的有效时间与总释放时间的比。

调光比：调光比则是按下面的方法计算：Foper=工作频率；Fpwm=

调光频率；调光比率 = Foper/Fpwm，比如Foper=100khz;Fpwm=200Hz,

此时调光比就为：100k/200=500;这个指标在很多驱动芯片的规格书里

会说明的。

PWM调光：脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路

进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制

与变换及LED照明等许多领域中。通过以数字方式控制模拟电路，可以

大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片

上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。简而言

之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率

计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进

行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，所以满幅

值的直流供电不是完全有(ON)，就是完全没有(OFF)。电压或电流源是

以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的

时候旧是直流供电被加到负载上的时候，断的时候就是供电被断开的时

候。只要带宽足够，所有模拟值都可以使用PWM进行编码。

PWM调光原理如图3-1所示。

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图3-1 PWM调光原理

上图显示了三种不同的PWM信号。图1a是一个占空比为10%的PWM

输出，即在信号周期中，10％的时间通，其余90％的时间断。图1b和

图1c显示的分别是占空比为50%和90%的PWM输出。这三种PWM输出编

码的分别是强度为满度值的10%、50%和90%的三种不同模拟信号值。例

如，假设供电电源为9V，占空比为10%，则对应的是一个幅度为0.9V

的模拟信号。

3.2.3 PWM调光技术

下图是一个可以使用PWM进行驱动的简单电路。图中使用9V电池

来给一个白炽灯泡供电。如果将连接电池和灯泡的开关闭合50ms，灯泡

在这段时间中将得到9V供电。如果在下一个50ms中将开关断开，灯泡

得到的供电将为0V。如果在1秒钟内将此过程重复10次，灯泡将会点

亮并象连接到了一个4.5V电池(9V的50%)上一样。这种情况下，占空

比为50%，调制频率为10Hz。

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简单电路图如图3-2所示。

图3-2 简单电路图

大多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率

高于10Hz。设想一下如果灯泡先接通5秒再断开5秒，然后再接通、再

断开„„。占空比仍然是50%，但灯泡在头5秒钟内将点亮，在下一个

5秒钟内将熄灭。要让灯泡取得4.5V电压的供电效果，通断循环周期与

负载对开关状态变化的响应时间相比必须足够短。要想取得调光灯(但

保持点亮)的效果，必须提高调制频率。在其他PWM应用场合也有同样

的要求。通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

3.3 过零检测电路

3.3.1过零检测电路简介

零点检测的主要作用就是作为单片机的中断触发，过零检测的作用

可以理解为给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，可控硅

导通角的大小就是依据这个标准。也就是说白炽灯高、中、低、微亮度

都对应一个导通角，而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，

导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因此白炽灯的亮度就不一

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样。在过零检测模块中也特别介绍了几个重要的元器件，这也是整个系

统的不可或缺的核心部件，主要有光耦，施密特触发器。

本设计过零检测电路中使用两片TIL117光耦实现交流正反向过零

检测。

TIL117性能参数：

双列6脚封装，1个单元光敏晶体管耦合器，光反射侧：输入最大

电流=100mA,输入最大电压=3V耗散功率150mW,1.4V/16mA,光敏晶体管：

最大工作电压=30V，耗散功率=150mW,两侧耐受电压（DC/AC）=2.5KV。

TIL117如图3-3所示。

图3-3 TIL117

3.3.2 过零检测原理图

过零检测原理图如图3-4所示。

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图3-4过零检测电路原理图

过零信号波形如图3-5所示。

图3-5 过零信号波形

此电路得到的零点信号的下降沿这作为单片机的中断触发信号，单

片机以此为基准开始计时通过延时后发出一个脉冲信号来决定导通角

的大小从而改变了白炽灯的亮度。

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3.4 调光控制电路

3.4.1 调光控制电路简介

此电路得到的零点信号的下降沿这作为单片机的中断触发信号，单

片机以此为基准开始计时通过延时后发出一个脉冲信号来决定可控硅

导通角的大小从而改变了白炽灯的亮度。

本设计中调光控制电路使用MOC3023光耦和双向可控硅MAC97A6实

现强弱电隔离控制。

MOC3023性能参数：

双列直插6脚封装。输入驱动电压3V，电流50mA;数去驱动耐压为

交流250V，驱动电流3-5mA。

MOC3023如图3-6所示。

图3-6 MOC3023

MAC97A6性能参数：

I 0.6A V 400V

主要用于变频电路及调光、调速电路等，封装形式：TO-92(T2GT1)，

极限值：(Ta=25℃)，段态重复峰值电压VDRM=400V，VRRM=400V,通态平

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均电流IT（AV）=1A，通态（不重复）浪涌电流ITSM=10A，控制极平均

功率耗散PG（AV）=0.1W，最高结温Tj=110℃。

MAC97A6如图3-7所示。

图3-7 MAC97A6

3.4.2 调光控制电路原理图

调光控制电路如图3-8所示。

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图3-8调光控制电路原理图

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第4章 智能调光系统软件设计及实现

4.1 软件设计

4.1.1 软件流程图

软件流程图如4-1所示。

图4-1软件流程

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4.1.2 程序源代码

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit P12=P1^2;

int time;

sbit key1=P3^0;

sbit key2=P3^1;

void delay(uint x)

{

uchar i;

while(x--)

for(i=0;i<120;i++);

}

void main (void)

{

IT0 = 1; // Configure interrupt 0 for falling edge on /INT0 (P3.2)

EX0 = 1; // Enable EX0 Interrupt

EA = 1; // Enable Global Interrupt Flag

P1=0x55; //P1口初始值

time=0;

while (1)

{

if(!key1){

delay(20);

if(!key1){

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if(time<=17)

}

}

delay(20);

if(!key2){

if(time>=1)

}

}

}

}

time++;

if(!key2){

time--;

void ex0_isr (void) interrupt 0

{

P12=1;

P12=0;

}

delay(time);

4.2 软件开发平台

4.2.1 软件开发平台介绍

本系统利用Keil uVision集成开发环境调试程序，利用ISP工具

将程序下载到单片机中验证程序。

Keil uVision 集成开发环境（IDE，以下简称uVision）是一个基

于Windows操作系统的开发平台，包含了高效的编辑器、项目管理器和

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MAKE工具。uVision支持全部的的Keil 8051工具，包括C编译器、宏

汇编器连接/定位器、目标代码、到HEX的转换器。uVision拥有下列特

性来加速嵌入式系统（单片机应用系统）的开发过程：

包含开发所需所有功能的源代码编辑器

配置开发工具设置的配件库

创建和维护项目的项目管理器

集成的MAKE工具可以汇编编译和连接用户的嵌入式应用

对话框形式的开发工具的设置

真正的源代码级的对CPU和外围器件的调试器

高级GDIAGDI接口用来在目标硬件上进行软件调试以及和

Monitor-51进行通信

与器件数据手册和开发工具手册和用户指南有直接的链接

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第5章 系统调试

5.1 工具介绍

5.1.1 软件开发工具

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语

言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可

维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏

汇编、库管理、连接器和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发

方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运

行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使

用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言

而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工

具也会令你事半功倍。

Keil公司是一家业界领先的微控制器（MCU）软件开发工具的独立

供应商。Keil公司由两家私人公司联合运营，分别是德国慕尼黑的Keil

Elektronik GmbH和美国德克萨斯的Keil Software Inc。Keil公司制

造和销售种类广泛的开发工具，包括ANSI C编译器、调试器、宏汇编

程序、库管理器、连接器、固件和实时操作系统核心（real-time kernel）。

有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。

其Keil C51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准，并支

持超过500种8051变种。

Keil公司在2005年被ARM公司收购。

优点：

1）Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代

码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

2）与汇编相比，C语言在结构性、功能上、可维护性、可读性上有

很明显的优势，C语言易学易用。用过汇编语言的开发者再使用C语言

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来开发软件，体会会更加深刻。

5.1.2 硬件开发工具

本设计中使用STC单片机开发板代替PIC单片机，下载器，万用板，

面包板，电烙铁，跳线。

5.2 设计调试时遇到的问题及解决

在白炽灯亮度调到特别暗的时候会出现闪烁，因为白炽灯在亮度非

常低的时候电阻明显变下，会使可控硅的控制电流得不到良好的保证，

所以在软件编程时约束了白炽灯的亮度调节区间，使本系统不会出现闪

烁状况。

因为本调光系统的过零检测电路采集到的信号是在零点附近采集

到的阶跃信号，所以在编程上，需在单片机接收到过零信号之后延时一

小段时间（几毫秒）再进行占空比调节，实际占空比调节区间远小于理

论占空比调节区间（10毫秒）。

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第6章 智能调光系统的应用和扩展

6.1 智能调光系统的扩展应用领域

6.1.1 智能调光系统的扩展技术介绍

智能调光系统可结合不同的控制模块、开关模块、现场面板、RF 遥

控器、照度传感器、人体红外感应器等，跟据不同的需求实现不同的功

能。

1)结合智能控制面板调光，使调光系统具有场景控制功能，代替繁

多的普通开关，让灯光的控制更简单，生活更有情趣。

智能触控面板(Keypad 型号：5006L、5005L)

智能触控面板如图6-1，6-2所示：

图6-1 智能触控面板

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图6-2 智能触控面板

主要特色包括：

触控式功能键，通过编程可以实现每个按键最多同时控制 960 个

回路。

蓝色背景光设计，美观现代，夜晚也可以很清楚的识别。

通过特殊磨砂处理的铝制面板，具舒适的质感；面板是由亚克力材

质制成的，可以配合安装场所的设计选择不同的颜色。

可根据用户需求随意更改触控面板按键的样式，图文识别，美观人

性。

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内建 CPU，LONWORKS ® 总线，FTT-10 网络通讯接口。

安装尺寸：5006L：L86mm*W86mm*H42mm 国标 86 安装底盒。

2)结合RF射频遥控器，进行无线调光，使调光系统更加便捷。

RF 射频遥控器（2.4G RF Remote Controller 型号：5508RF）

射频遥控器如图6-3所示：

图6-3 射频遥控器

性能指标：

处理器：PIC16

通讯方式：2.4G 超高频无线

有效距离：无障碍 50 米，隔墙 10 米

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电源规格：1.5V 3XAA 碱性电池

电池寿命：12~18 个月

3)结合2.4G 无线亮度感应器获取想要获取区域的环境亮度，再把获

取到的亮度信号通过无线方式发送给智能化系统，从而实现对灯光的自

动化控制。可在系统中添加触摸屏显示获取区域的当前光照强度值。

2.4G 无线亮度感应器（型号：7200RF）

无线亮度感应器如图6-4所示：

图6-4 无线亮度感应器

性能指标：

处理器：PIC16

通讯方式：2.4G 无线超高频

有效距离：无障碍 50 米，隔墙 10 米

照度探测：0~4000 勒克斯

取样时间：30 秒

电源规格：1.5伏 碱性电池

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电池寿命：12~18 个月

安装方式：无线，感应区域，螺丝固定。

4)结合触控屏，可随时控制检测多个地点的光照度。

触控屏如图6-5所示：

图6-5 触控屏

6.1.2 智能调光系统的实际应用

现代化的建筑对照明的要求越来越高，不但要求提供绿色、舒适的

光照，在不同的场合也需要不同的照明环境。传统的照明控制方式大多

采用开关手动控制，很难达到现代化建筑照明的要求,而且电 路十分

复杂，操作非常繁琐。随着用户要求的提高和技术的进步传统的照明控

制由于许多问题无法解决而逐步被智能照明控制取代，这已成为一种趋

势。下面介绍智能调光系统的一些应用领域：

1)家庭：使用RF遥控器实现便捷调光，也可使用控制面板制作多种

情景模式，还可加入智能家庭控制系统，使用触摸屏轻松控制光照强度，

得到舒适的光照环境。

智能调光系统在家庭中的应用如图6-6所示。

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图6-6 智能调光系统在家庭中的应用

2)酒店：酒店大堂、餐厅灯等公共区域可以在的不同位置安装 多

个触摸多场景面板，预设多个场景；面板具有清晰美丽的蓝色背光。面

板按键为触摸屏，可以任意定义图形和文字说明，并且也可以在使用中，

场景用途改变时，由酒店业主随时更改图文标识。酒店客房可以采用和

家庭类似的调光方式。一些常常无人的区域如走廊等区域可使用红外传

感器提前预知客人的到来，并逐渐的提高客人将要路过的区域内的光照

强度，相比大多数目前采用的传统声控灯更加舒适节能。

智能调光系统在酒店中的应用如图6-7。

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图6-7 智能调光系统在酒店中的应用

3）咖啡厅、餐厅：可预设多种模式供顾客选择。

智能调光系统在咖啡厅、餐厅中的应用如图6-8所示。

图6-8 智能调光系统在咖啡厅、餐厅中的应用

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4)智能会议室：结合RF遥控器或触摸屏实现无线调光，也可预设

多种模式选择。

智能调光系统在智能会议室中的应用如图6-9。

图6-9 智能调光系统在智能会议室中的应用

6.2 智能调光系统的发展前景

智能照明发展前景：

智能照明行业自从上世纪90年代进入中国市场以来，受市场的消

费意识、市场环境、产品价格、推广力度等各方面的影响，一直处于缓

慢发展的态势。行业人士均认为，消费者对智能照明认识不足是市场处

于初级阶段是最主要的原因。近些年来，随着国民经济的快速发展，特

别是地产行业的高歌猛进，国内智能照明行业发展迅速，出现了许多注

重技术类型的厂家，市场上也出现了不同类型，各具特色的智能化开关

产品。

目前智能灯控领域还没能形成大规模的全国消费市场，但事大部分

智能照明厂家正在努力引导消费者，在销售聚到的建设上也一直在摸索

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着适合这个行业的模式，满足消费者需求功能的产品正在不断增加，产

品功能和稳定性都已经得到了飞跃性的进展。经销商、生产商、集成商

以及装修公司等的区域销售经验也正在不断的累积。

智能调光系统的独特魅力：

1.全自动调光

智能调光系统可采用全自动状态工作。系统有多个基本状态，这些

状态会根据预先设定的时间自动相互切换，并且将光照强度自动调节到

最合适的状态。

2.自然光源的充分利用

可调节有控光功能的建筑设备(如百页窗帘)来控制调节天然光照，

还可以和灯光系统结合控制。外部天气变化使自然光照发生变化时，系

统会进行自动调节，无论在哪个区域或自然光源照度如何变化，调光系

统都能将室内的光照强度保持在预先设定的光照水平。

3.光照强度的一致性

当照明系统设计人员对新建的建筑物进行照明设计时，都会考虑到

随时间久了灯的具效率和房间的墙面反射率的衰退，所以，照明设计的

初始照度都会高于平均水平。这种设计不仅造成房间在同使用期(或两

次装饰的间隔期)的光照强度不一致，并且还会因为开始时光照强度高

而造成一定不必要的能源浪费。采用智能照明控制后，虽然照度还是偏

高设计，但是可以智能调光，系统将会按照预先设置的标准亮度使照明

区域保持恒定的光照强度，从而可以使房屋的照度不受灯具效率的降低

和墙面反射率衰退所影响。

4.光环境场景智能转换

智能调光系统可以提前设置不同的情景模式，根据用户不同的需求

只需要在控制面板上进行预设的操作即可切换不同的情景模式。用户还

可以通过可编程控制面板对情景模式进行实时调节从而适应不同需求。

5.节能

智能调光系统可以对许多常用光源(如日光灯、白炽灯、LED灯、、

霓虹灯、水银灯等)智能调光，使需要的区域在需要的时间达到合适的

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光照水平。及时关掉不需要光照区域的灯具，充分利用自然光源，系统

运行节能效果非常明显。利用智能照明控制大约可以节约20—40%的电

能，大大降低了用户电费支出，也明显减轻了供电压力。

6.延长灯具寿命

大多数灯具损坏的主要原因是电网过压，只要适当降低工作电压就

可以延长灯具的使用寿命。智能照明控制系统采用软启动的方式，能控

制电网冲击电压，使灯丝避免过压带来的热冲击，能使灯具寿命延长2

—4倍，对于大量使用灯具和在安装困难的区域的灯具有着特殊的意义。

智能化与照明技术的结合，构建了高端的技术平台，将低耗、节能、长

寿命、运行节约、以人为本等绿色和可持续的人性化照明理充分展现在

人们的日常生活中。

智能照明的应用前景：

1.家居领域——提供舒适的生活空间

传统的照明开关的控制方式严重制约了现代人们的生活方式。随着

人民对生活水平需求的不断提高和科技的不断发展，人们对家居照明系

统提出了新的要求，除了要控制照明光源的发光亮度和时间，还要与家

居系统配合，对不同的应用场合营造相应的灯光场景，更要考虑管理智

能化和操作简单化和灵活性来适应未来照明布局方式和控制方式变更

等要求。一个优秀的智能照明系统可以提升家庭环境的品质，确保家庭

生活的舒适和健康。所以，智能开关必将代替传统开关，智能照明系统

必将代替传统照明系统，是智能家居未来发展的必然趋势。

在日常生活中，根据房间主人不同的需要，智能化照明设备可以通

过预设及储存不同的灯光场景，来调节房间内的灯光变化。比如有客人

或亲友来探访、聚会时，可能需要比较明亮的灯光，在欣赏音乐的时候，

就需要比较柔和的灯光;当要把客厅变为家庭媒体中心看电影时，则需

设灯光在8点钟打开(或者说按照到家的时间设置)，在8点以后你到家

时，灯光系统就会自动进入你设置好的工作状态，而且会按照特定的方

式来地调节室内的光照强度。

智能调光系统使人们生活在最舒适的状态，而与室内面积无关。随

着智能照明系统在市场中的推广，其越来越显示出优势，在这样的系统

带来各种各样的功能的同时，还给主人更舒适的生活空间。

2.办公领域——在节能中提高效率

办公环境大气而美观，明亮而舒适的灯光；走进会议室，智能的灯

光自动打开，通过预先编程的照明系统自动控制灯光的照度和数量，将

室内的光照调整到最合适的开会状态；会议结束离开房间，灯光自动关

闭；当窗外的自然光线在变化，室内的灯光也随之自动调整，自动自觉

节约电能，这就是当前先进的办公照明环境，现在已经开始在各大型的

办公楼里呈现。

办公空间代表了公司的形象。智能化办公，使办公室的工作环境更

舒适。在当今的快节奏社会，忙碌的上班族忙于繁琐的日常事务，简单，

灵活，舒适的办公环境会使他们感觉良好，有效提高工作效率。智能化

的办公室照明为办公室带来了便捷，人性化的设计，例如，在使用智能

自动调光系统的会议室有各种预先设定的场景，一个按钮就可以切换出

不同的照明模式的一个简单的推，作为办公室的工作人员需要提供最佳

的舒适度的照明，使之处于最佳工作状态的员工。

同时，良好的节能意识也能在智能化办公照明完美体现。智能化系

统的自动感应控制装置可以有效的利用自然光，使照明环境保持恒照

度，更可以自动关闭没有人员的区域的照明设备，将不必要的能耗降到

最低，最高可以达到75%的节能效果。

总之，舒适先进的灯光犹如美妙的音乐，于潜移默化之中影响人们的工

作状态。随着日常商务事务的日渐繁忙，人们在办公室呆的时间也越来

智能化照明能良好的应用在公共设施当中。随着科技的发展，在一

些路桥隧道内，已经用智能路灯代替了传统路灯，这种“精明”的路灯

不仅可以全天候亮灯，而且还能随着太阳光线的强弱而自动调节桥下灯

光的强弱，既人性化又节能。

目前，很多桥洞最普遍的问题就是桥下光线太暗，极易发生事故。

随着智能化照明开始在桥下试用，这种状况也得到了明显的改善。例如

应用了目前国际上普遍推广的LED智能无级控制灯系统，可使隧道灯的

发光强度早晨随着太阳的升起而渐渐减弱，午后又会随着太阳的偏西而

渐渐增强。

智能照明的发展方向：

1.品牌集成将是智能照明的发展趋势

品牌集成将是智能照明的发展趋势。将不同品牌的产品集中到一个

平台上的最大好处，就是可以将各品牌的最好产品集中到一个项目中

来，从而完善家居的智能化。事实上，市场上照明产品种类繁多，如果

要求所有的设备都是同一厂家的产品，或一个系统只能用同一个厂家的

所有产品配套，也是不现实的。而且，客户在性能和价格上也缺乏自主

权——要么全盘接受，要么只能全部放弃。统一的控制平台则能很好地

兼顾各方利益，客户可以选择任意产品，只要它在性能上也符合要求，

这样，客户在预算上也会有很大的主动性。

2.走向以人为本的科学化照明

智能化照明将从纯粹的智能功能的发展转向更注重人的行为的智

能照明。以人的行为、视觉功效、视觉生理心理研究为基础，开发更具

LED的颜色变化，并有不同的亮度层级，可提供额外逻辑来建立PWM波

长。模拟调光则是比较简单的电路，但不适用于需要恒定色温的应用。

另就调光响应时间来说，PWM调光由于其响应速度快，并且能够更加精

确地调光，因此在实际使用中应用得最为广泛。许多半导体业者便针对

PWM调光需求推出相关驱动IC。凌力尔特(Linear)电源产品部产品市场

总监TonyArmstrong便指出，现今的LED驱动器IC必须具有的一个关

键性能特色，亦即对LED 充分调光。而随着高亮度(HB)LED需求增加，

凌力尔特也推出相对应的产品，例如LT3956可透过TrueColor脉冲宽

度调变器(PWM)调光，可在达三千比一的调光范围中提供固定的LED色

彩。

智能技术和电子镇流器等新照明光源和照明技术的结合，将构筑崭

新的照明技术平台，其应用领域从智能家居照明到智能化的城市照明，

有无限广阔的前景，并且正在创造一种崭新的高技术和高科学思想含量

的照明文化。

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第7章 基于Zigbee技术的智能调光系统

7.1 基于Zigbee技术的智能调光系统

7.1.1 基于Zigbee技术的智能调光系统介绍

随着现代科学技术的发展和人们生活水平的提高，家庭智能、智能

家居等早已为大众所熟知，而智能照明系统作为家庭自动化的应用之

一，具有广阔的应用前景。目前，传统照明存在着一系列缺点, 如发光

效率低、使用寿命短、布线麻烦、系统可扩展性差, 远远不能满足现代

社会对高效、自动化和节能照明技术的现实需求。针对传统照明系统的

不足，采用无线通信技术是实现智能照明系统的理想选择。ZigBee 技

术作为一种新兴的近距离无线通信技术，具有短距离、低功耗、低速率

和高可靠性等特点, 因而是无线智能照明系统的最佳解决方案。为此，

设计了一种基于ZigBee 无线网络技术的智能照明系统，该系统采用

ZigBee 无线网络定位技术，房间内的每个照明设备就是一个无线节点，

系统可实现自组网，无线遥控节点可以整体对室内照度设置几种默认的

工作模式和整体任意调节亮度，也可以选择单个节点进行照度调节以及

开关控制；将遥控节点放在室内某一位置，然后设置需要的照度值，该

位置就能达到相应的照度值，并且不影响到其它区域的光照，实现室内

照明智能化。

7.1.2 Zigbee技术简介

ZigBee 是一种低功耗、短距离、低数据率的无线组网技术，ZigBee

技术是介于无线标记和蓝牙之间的技术方案工作组，主要用于近距离无

线连接，而且具有自己的无线电标准，即IEEE 802.15.4（ZigBee）技

术标准，这是IEEE无线个人区域（Personal Area Network，PAN） 工

作组所规定的一项标准。ZigBee 技术主要具有低功耗、短延时、短距

离、高安全、低速率、覆盖范围广、网络容量大等特点，并且具有廉价

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的市场定位，非常适合在照明系统中应用。一个基于ZigBee 的无线个

域网（WPAN）能支持高达254 个节点。如果外加一个全功能器件，也可

实现双向通信。ZigBee 采用自组网方式实现组网，在整个网络范围内，

节点之间以接力的方式通过无线电波来实现通信，通信效率非常高。

7.2 基于Zigbee技术的智能调光系统样例

7.2.1 硬件部分

无线节点模块：

本样例中的无线节点模块采用的微控制器为CC2431。CC2431 是TI

公司推出的带硬件定位引擎的片上系统（SoC）解决方案，能满足低功

耗ZigBee/IEEE 802.15.4 无线网络应用需要。CC2431 内部集成有增强

型8051 和2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）RF 射频收发器核心，因而所

需要的外围元件很少，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性

能。处于休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9 μA，可从硬件上支持

CSMA/CA 机制，还集成有ADC、AES 安全协处理器和USART 等片上外设

及丰富的I/O 口资源。无线节点模块的硬件结构框图如图1 所示，图中，

微控制器输出的PWM 控制信号经过光耦隔离控制接口后，再通过调光模

块或继电器，就可以实现LED 照明灯、220V交流白炽灯的开关、256 级

调光等功能控制。

无线节点硬件框图如7-1所示：

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图7-1 无线节点硬件框图

无线遥控模块：

遥控模块是ZigBee 网络中所需要的无线手持设备，可自动搜寻

ZigBee 设备，并加入到网络中建立通信关系，使自己成为其中的一个节

点，进而对整个照明系统进行遥控。遥控节点硬件框图如图3 所示，遥

控节点将键盘信息传至网络协调器后，网络协调器将响应相应的控制状

态，并发送至终端无线节点，最后由终端节点通过调光单元改变照明设

备的状态。另外，遥控器还带有亮度感测模块，可用于感测现场的亮度

信息。系统中的12864 液晶模块用于显示网络状态信息，电源部分采用

电池供电。

遥控节点硬件框图如7-2所示：

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图7-2 遥控节点硬件框图

7.2.2 软件部分

节点程序设计：

本样例采用的ZigBee 协议栈位于IEEE 802.15.4 物理层及数据链

路层规范之上，这种协议能够确保无线设备在低成本、低功耗和低数据

速率网络中的互通作用，ZigBee协议栈的体系结构包括ZigBee 应用层、

ZigBee 网络层、IEEE.802.15.4 MAC 层和PHY 层。节点类型规定有协

调器、路由器和终端设备三种，NWK 支持的网络拓扑有星型、树型和网

格型，系统采用网状拓扑结构。网络协调器作为中心控制平台。

网络协调器软件框图如7-3所示：

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图7-3 网络协调器软件框图

首先应初始化协议栈，建立新的网络，完成组建网络的工作，然后

就可接收各网络节点发送的数据，并对数据进行处理，再将相应的控制

信号发送至终端设备。在终端设备上，程序首先初始化CC2431 ；之后，

初始化协议栈，并开始发送加入网络的信号，等待给自己分配网络地址；

节点加入成功后，接收到协调器的数据便执行相应的操作。通过继电器

或调光模块等完成对光源的控制。

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终端设备软件框图如7-4所示：

图7-4 终端设备软件框图

终端节点在接收到不同的占空比值后，PWM 控制信号将在回调函数

中产生。室内整体照度的多级调节设置了几种不同的工作状态，占空比

值对应分别为：暗对应于0x1E ；柔和对应于0x3C ；普通对应于0x4B；

亮对应于0x50；高亮对应于0x5F。因为使用光耦隔离控制，要求调光信

号的频率不能太高，因此，要对定时器T4 及时钟频率进行配置。另外，

遥控节点可以通过键盘来控制整个网络的照明状态，还可根据亮度感测

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器实时监测遥控器所在区域的照度值，然后将实际测量值返回到协调

器，进而实现定点调光。应用程序会通过调用aplSendMSG() 函数发送

消息包。aplSendMSG()函数的定义如下：

aplSendMSG(

BYTE dstMode,// 目标地址的地址模式LADDR_UNION

* dstADDR,

// 目的地址的指针

BYTE dstEP,// 目标端点

BYTE cluster,// 簇号

BYTE scrEP,// 消息源端点

YTE* pload,// 用户数据缓冲区指针

BYTE plen,// 缓冲区字节数

BYTE tsn,// 消息的事务队列数

BYTE reqack// 如果非0 要求确认

节点定位调光：

室内灯光系统一般节点数较少，并且节点分布相对均匀，要求系统

定位精度比较低，定位调光采用根据接收信号强度数据的距离定位算

法。其原理是假设已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收信

号的强度，计算出信号的传播损耗，然后利用信号传播理论和信道经验

模型计算出距离。接收信号强度RSSI理论值可表示为：

RSSI=-(10lg+)

ndA

其中，代表信号传播常量，也叫做传播指数；代表距离发射器之间

n d

的距离；代表距离1 m 时的接收信号强度。当系统处于定点调光模式

A

时，室内所有灯节点同时给遥控节点发送相同强度的指示信号，遥控节

点根据接收信号强度RSSI 值计算出与发射节点之间的距离，最后由距

离最小的三个节点根据遥控模块的亮度感测器反馈值来完成定点精确

调光功能。

在室内搭建一套完整的调光系统，来对调光系统进行实际测试。测

试系统包括1个控协调器、4个终端设备、1个遥控节点，由所有的节点

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组成一个网状的WSN，在终端设备上连接LED 灯，将其均匀分布在各个

区域。

通过实际测试，遥控器能对室内所有灯具进行开关控制盒多级调

光。测试系统对室内照度整体设置了多种工作模式，从而任意调节各个

区域的亮度，也可以对任意LED灯进行单独调光。使用定点调光模式时，

用遥控器输入需要的照度值，实际测试结果是距离较近的LED灯能迅速

完成调光操作。照度值还可在液晶上显示出来。测试表明，定点精确调

光精度能达到98.5%，测试系统的各项功能均能很好的达到设计要求。

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结 论

本文介绍了基于PIC单片机的智能调光系统设计方案。该系统以PIC

系列单片机作为处理器，采用PWM调光方式实现对220V交流灯的亮度调

节。本详细介绍了智能调光系统及设计过程中的关键技术环节，包括系

统网络设计、控制器CPU设计、可控硅和光耦控制，描述了智能调光系

统的主要应用，并讲解了结合TI公司的Z-Stack协议栈来实现对室内所

有灯节点的单控、全控、开关控制、256级调光控制以及情景模式转换

等功能，同时提出了一种室内多个LED灯节点对定点精确调光的方案，

从而达到使照明系统更加人性化、安全和节能的设计目的。

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致 谢

行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时

光也即将敲响结束的钟声。我们即将毕业，站在人生的下一个转折点上，

感恩之情油然而生。在这里，我首先要感谢生我养我的父母，是你们为

我的创造了良好的学习机会；是你们，一直坚信不疑的支持着我们。如

果没有你们，就不会有我的今天。衷心的感谢你们。

在这四年里，老师们的谆谆教诲、同学的帮助使我在专业技能和为

人处事方面都得到了很大的提升。感谢大连理工大学城市学院在我四年

的大学时光中对我的教育与培养，感谢大连理工大学城市学院电子与自

动化学院的所有专业老师，没有你们的细心教导，就没有我们今天的满

载而归，感谢大学四年里曾经帮助过我的同学们。在制作毕业设计过程

中我曾经向老师们和同学们请教过不少的问题，老师们的热情解答和同

学的热心帮助使我的毕业设计能够顺利的完成。在此我向你们表示最衷

心的感谢。

参考文献

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[15] KEIKO pment of an Intelligent Lighting System Using LED

Ceiling Lights into an Actual onics and Communications in

Japan.2012 ,95(10).

附 录

附录A：主控板原理图

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附录B：实物图

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