基于单片机的红外遥控开关灯装置设计

王铭佳，李雪松，王高乐

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引 言

《国务院办公厅关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》国办发（﹝2015﹞36 号）文件中提到坚持创新创业，创业带动就业是社会进步发展的大趋势，提高自身竞争力，主动适应发展大趋势，继续推进素质教育，抓住创新人才培养的重点，提高人才培养的质量。

“重要规划项目”大学生创新创业项目是教育部推进高等教育体制改革的重中之重。近几年来立项数量呈现逐年上升的趋势，截至2017年，立项总数达到177 042 项。积极响应创新发展，主动适应时代发展大潮，势在必行。

1 装置设计

对现有遥控开关灯装置进行改进,目的是解决特殊人群（老弱病残孕）手动控制开关不便，以及开关一经安装位置固定、家用遥控灯具成本高等问题。主要涉及电子信息技术领域、仪器仪表技术领域，具体涉及一种可脱离灯具以及灯具开关的控制开关装置，可红外远程遥控完成灯具开关操作包括无线红外控制器和两个执行集成件，如图1所示，两执行集成件上均设有L 型杆，L 型杆的一端竖直插入执行集成件中且与执行集成件滑动连接，执行集成件包括用于调整L型杆的高度的升降装置、用于控制升降装置的微控制器、与无线红外控制器进行信息传递的红外接收模块、蓄电池；本设计采用一个可远程控制的机械按压结构，能够在原有的墙壁开关的基础上，进行远程按压，成本低，能够方便人们的使用。

图1 控制系统整体方向图

随着爱迪生发明白炽灯，开关装置逐渐出现。当开关闭合时，接通电路，使电流流过，开关断开，形成断路，又称开路，此时，电流是不允许流动的。生活中，开关是指控制灯亮灭的重要装置，但有时灯的开关安装在一些不便利的位置，在夜晚时也并不容易手动打开开关，不便于人们的日常生活，因此需要提供新的技术方案来解决这些问题。

随着科技不断发展，远程遥控技术空前发展，红外遥控技术被应用于生活中的诸多领域。红外遥控技术凭借其抗干扰能力强、信息传输可靠、功耗低、成本低、易实现、不影响周边环境、不干扰其他电器等显著优点日益发展壮大，它的应用前景十分广阔。

如中国专利号CN207611269U 发明专利中公开了一种红外遥控灯具开关的装置，其工作原理如下：对红外遥控装置发送红外线信号，该装置就会控制H 电桥驱动电机转动，电机就会驱动电机连接的齿轮转动，进而传动齿条移动，齿条与开关面产生摩擦力使得齿条前端安装的刮板对开关面产生向下的压力，控制灯具的开与关。

针对现有技术存在的缺点，该装置能够有效地克服现有技术所存在的开（关）灯的烦琐程序，同时便利了大学生的宿舍生活更能够为特殊群体（老弱病残）提供便利。

将单片机与红外遥控装置结合在一起达到控制灯的开关目的。如：将被遥控的装置安装于开关上，该装置在接收到红外信号后能够根据所接受的指令在与开关接触其中的一端发生突起，对开关面产生向下的压力，按下开关使灯打开；当该装置再次收到指令后与开关接触的另一端发生突起对开关面产生向下的压力从而达到关灯的目的。该装置可调节安装尺寸适用于不同型号的开关，在替代手动控制的基础上，并不会阻碍人手动控制灯的开与关。

基于单片机的红外遥控开关灯装置结构简单、安装方便，能够自动控制灯具开关的打开与关闭。灯的开关实现了智能化，解决了人们在日常生活中尤其是夜晚开关灯的问题，方便了人们的日常生活。宿舍生活、家庭生活均可使用，也可为老年人、残疾人、儿童提供便利。

2 技术方案

该基于微型单片机的遥控开关灯装置外形设计如图2、图3所示，是一款可脱离灯具以及灯具开关的控制开关装置，包执行集成件两个（图2中1、2））和一个无线红外控制器3（图中未画出），其中一个执行集成件1 接收红外信号用于控制墙壁开关打开，另外一个执行集成件2 接收红外信号用于控制墙壁开关关闭。两集成件均由红外接收装置4、微型单片机控制升降装置5、L 杆6、USB 充电口8 组成。

图2 外观设计

图3 内部结构设计

两集成件（1、2）背部含强力胶胶面7 可重复涂抹强力胶，从而将两小集成件（1、2）固定在开关两侧。由无线红外控制器（3）发射脉冲红外光，经集成件（1、2）接收对单片机产生升降信号，从而控制L 杆的升降，从而控制开关打开或关闭。

考虑到开关灯装置成本是决定该装置市场的重要因素，为大幅降低成本我们选择升降装置为推拉式电磁铁。为了方便执行集成件的安装，执行集成件1 的外壁上设有强力胶胶面，可直接粘接在墙壁开关的附近。为了方便执行集成件的充电，执行集成件1 上设有USB 充电接口。

2.1 硬件设计

无线红外控制器内设有三极管振荡电路和红外线发射器电路，执行集成件1 上设有L 型杆2，L 型杆2 的一端竖直插入执行集成件1 中且与执行集成件1 滑动连接，所述执行集成件1 包括用于调整L 型杆2 的高度的升降装置、用于控制升降装置的微控制器、与无线红外控制器进行信息传递的红外接收模块、蓄电池，L 型杆2 和升降装置构成一个机械按压结构，微控制器可采用单片机控制器，执行集成件1 内的电路包含接收电路、放大电路、检波触发电路以及可控硅自锁开关电路。

由无线红外控制器发射脉冲红外光，经相应的执行集成件1 接收，对微控制器产生升降信号，从而控制L 型杆2 的升降，控制墙壁开关打开或关闭，

单片机作为系统的计算与控制中心，在红外遥控开关灯装置中的处理量不大，但却需要满足体积小、成本低等特点，正因如此我们选择STM32 单片机。意法半导体集团（ST）推出的STM32 单片机是基于Cortex-M 内核的32 位微控制器。STM32 单片机凭借它自身超低的价格、超多的外设、丰富的型号、优异的实时性、极低的开发成本等优势，迅速发展并占领了极大市场，得到了众多开发者的青睐。

STM32 单片机广泛应用于控制系统、手持设备、报警系统、暖通空调系统、医疗行业等领域。STM32 系列型号多种多样，根据性能可分为入门型、基础型、增强型、高性能型，根据内核不同可分为Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4 和Cortex-M7。在考虑成本的情况下，选择最合适的F103 系列。

ST 官方发布了标准外设库，直接调用外设库中的函数公式，可以方便地使用STM32 单片机的各种外设函数。只要了解了STM32单片机的库函数，它的开发操作就会变得易如反掌。

2.2 软件选择

系统软件采用C 语言编写，利用KEIL μViSion5 编译成HEX 文件，通过烧录软件将编译后的HEX 文件写入单片机。

STM32 库函数基本类似，可根据情况适当修改，部分程序为：

3 控制思路

如图4所示，为装置的部分控制电路，其中包含一个红外遥控接收头（IR）、两个RC积分电路、一个继电器控制系统，整个工作电路总共用到了11 只普通电阻，5 只8050 三极管，NPN 型的8050 三极管常见于各种高频放大电路中。

图4 遥控电路

分情况讨论，当无线红外控制器发出红外信号时，IR红外遥控接收头接收到红外线信号，右侧1 脚输出持续低电平脉冲，当无线红外控制器未发出红外信号时，IR 接收不到红外线信号，右侧1 脚则输出高电平，Q1 导通，Q2 截止，Q5 截止，继电器J 不工作。

3.1 遥控开灯过程

首先，分析无线红外控制器遥控开灯的过程。按住遥控器开灯按钮1 s 左右时间，由于最初设计选择电容C3 容量远远大于电容C2 容量，所以此时三极管Q2 基极电位升高速度大于三极管Q3 基极电位上升速度，导致Q2 导通，Q3截止，进而导致Q5 导通，继电器J 接点J-1、J-2 同时吸合，接通用后续装置。IR 不再接收到红外线信号，因电源经R11向Q5 提供偏置，故Q5 保持导通，J 仍继续吸合，达到短按遥控使装置接收到开灯信号。

3.2 遥控关灯过程

按住遥控器3 s 以上的按，遥控关灯，使IR 右侧输出低电平脉冲使Q1 输出高电平脉冲，经过D1 整流后在三极管处进行积分处理，最后使Q3 基极电位大于1 V，Q3 导通，Q3 发射极电位高，Q4 导通，Q5 基极电位低，导致Q5 截止，继电器释放，J-1、J-2 断开，实现长按遥控按钮实现关灯的目的。松开遥控按钮后，IR 不再接收红外信号，C2、C3放电，Q2、Q3 切断，电路再次进入等待状态。只有再次按下遥控按钮，电路才会反应，重复遥控灯亮信号的过程。

4 结 论

基于单片机的红外遥控开关灯装置结构简单，安装方便，在原有的墙壁开关的基础上，采用一个可远程控制的机械按压结构进行远程按压，能够自动远程控制灯具的墙壁开关的打开与关闭，灯具的开关实现了智能化，解决了人们在日常生活中尤其是夜晚开关灯的问题，方便了人们的日常生活；宿舍、家庭生活均可使用，也可为老年人、残疾人、儿童提供便利。

大环境下单片机发展前景乐观，智能化、物联网行业、嵌入式设备如火如荼，这些都离不开单片机。目前国家大力扶持5G，人工智能，自动化控制，电子，通信，或可孵化出大量嵌入式相关的新型企业，单片机嵌入式将大有可为。我国正在大力发展芯片产业，社会正在朝着万物互联的方向发展，单片机和嵌入式作为物联网技术的重要组成部分也将得到快速发展。