LED智能控制的初步研究

摘要

21新世纪人类社会已进入信息时代、信息化、网络化。数字化成为信息时代的网络和数字传播新技术对广告及广告业产生了前所未有的革命性影响。微电子技术、计算机技术的快速发展,致使智能化的控制系统逐步进入到人类的视野,LED的智能化是目前研究的新方向。

本文从国外LED智能控制的研究现状出发,针对动态智能广告的实际需要,设计了一套动态广告LED系统。介绍了该系统的相关概念,以单片机为核心,红外线人体传感器为检测方式,构建了整个LED智能控制广告系统。以LED和投影仪为控制对象,精确检测人对商品的是否感兴趣从而控制LED和投影仪实现动态广告 。

1绪论

微电子技术、计算机技术的飞速发展,随之而来的是带动了led智能控制系统的发展。CPU的高性能化和低成本、低体积的特性都逐步使智能化成为可能。控制系统也必然会从人工化过渡到智能化,在精度、速度等方面也会有较大幅度提高。智能化的控制将渐渐走进人们的生活,不仅仅单纯的应用在广告业,在智能家居、农业、医疗等领域也有较大应用前景。

1.1研究背景

信息时代的网络和数字传播新技术对广告及广告业产生了前所未有的革命性影响。科技的注入使得广告变的更加具有互动性和活力型,同时互动广告实质上就是互动营销的前提,广告不仅仅在品牌宣传方面做出一定的贡献,同时正因为其互动性,使得顾客有了一定的新奇感和充足的体验感,这样在当今的销售中是一种新的体验式销售模式。

所以要想更具体地体现出互动广告的核心——互动性,必须融入当今的电子技术及传感技术。即通过对应的传感模块采集到人的位置或者动态,将信号传输至控制模块,进而达到宣传广告的变化性及动态性,把人作为主动因数,广告因对人的感知而发生改变。

基于红外感应的互动广告系统就是将感应技术、自动控制技术及上位机运算等技术应用到广告系统当中,将人作为信号触发着,利用红外传感器识别路过的行人对于设置商品是否感兴趣,自动化的控制系统控制LED灯光进行动作,同时经过控制模块的处理将该信息传送至上位机,上位机控制投影仪进行不同场景的投影。该装置将人的动态运动引起的投影效果的动态变化表现出来,增加动态广告的新奇性和突出性。

LED即发光二极管,是一种用途非常广泛的固体发光光源,是具有节能、环保、小尺寸、快速、鲜艳多色彩、长寿命、启动时间短、无紫外线输出、工作电压低和使用安全等优点的新型光源。LED这个看起来很简单的器件已经逐步发展成为照明行业的主流产品,大功率LED、超高亮度LED都已经实现,在日常的使用上LED也逐渐成为主流产品,日常照明灯具的发光效率已经没有LED的发光效率高,目前正常和日常照片灯具抢夺日常照明市场,从未来趋势来看,很有很可能LED会取代其他照片灯具主宰市场。

人体红外线传感器的原理就是根据人体自身发射出的不可见光红外线可以被红外线探头检测到,而设计出的一种检测人体的传感器。其主要应用于自动化行业的各种的各种装置中,并且也日益使用在日常生活中,比如在宿舍楼道里的自动开关一部分就是使用的红外线人体传感器、厕所的自动冲水也采用了该传感器。

1.2研究现状和发展趋势

微电子技术、计算机技术的飞速发展,随之而来的是带动了led智能控制系统的发展。CPU的高性能化和低成本、低体积的特性都逐步使智能化成为可能。控制系统也必然会从人工化过渡到智能化,在精度、速度等方面也会有较大幅度提高。智能化的控制将渐渐走进人们的生活,不仅仅单纯的应用在广告业,在智能家居、农业、医疗等领域也有较大应用前景。

在国外,在广告领域的巨头BBDO、DDB、智威汤逊、欧洲RSCG等公司最新的项目就是智能广告,其根本就是采用了数字化的自动化技术来控制灯光、声音、机械的运动,来达到广告的目的。而国内这类的智能广告较少,技术也不是十分成熟,需要进一步的发展和推动。相信智能广告在中国还有这较大的发展前景。

未来的发展趋势上,智能广告有着极大的潜力,动态的灯光、声音、运动的机械带来的视听感觉要远远超过传统的静态广告。一成不变的灯光照射、语音介绍等早已经让消费者麻木。脱离开广告领域来看,智能化的控制也存在大多数的领域中,如果让机器控制的更加精准,反应更加快速,控制更加人性化是未来的发展放心。因此在未来智能化的控制有着极好的发展前景。

1.3论文主要内容

论文主要从实际出发,针对快速发展的智能控制行业做出的基础的研究,以广告行业为应用行业,设计以单片机为核心控制器,采用c语言,采用了人体红外传感器等器件最终实现了智能LED控制以及投影控制的初步智能广告系统。本项目中主要完成了如下工作:设计过程中完整的给出了器件选型方案、系统硬件连接图、完整的算法流程图以及梯形图算法的实现。
第一章主要收集分析了智能控制研究背景,以及该项目的研究现状和发展趋势。具体讲述了在广告领域的应用,以及文章的整体结构。
第二章主要记述了智能控制系统的整体设计需求分析,以及总体设计结构,在最后详细的分析了各个模块硬件的选型,传感器、单片机等;
第三章主要记述了智能控制系统硬件设计过程,从系统模块划分,然后单片机最小系统设计、传感器模块电路设计、电源模块设计,以及通信串口模块电路设计,详细的分析了设计原理,并且给出了电路。
第四章主要记述了智能控制系统的软件设计过程,软件设计主要分为传感器软件设计、单片机控制软件设计、以及PC端控制软件设计。这里详细的分析了单片机的算法,以及串口通信的软件实现。
第四章主要总结了该项目中完成的工作,以及缺点不足,并给出了未来还需要继续研发的方向。
2系统总体设计
2.1系统需求分析
智能控制系统所要实现的基本功能以及需要注意到基本问题如下:
1实现利用传感器对人进行检测,分析出人是否对于商品有兴趣。在传感器方面需要考虑传感器的检测距离、检测的灵敏度问题、检测精度问题、误动作问题,在分析时需要考虑到数据误差问题、数据错误问题等;
2 实现外挂多个传感器进行检测。多个传感器需要考虑多传感器协同工作问题,信息传输问题等。
3 实现单片机智能控制根据人是否感兴趣LED的亮灭。LED需要考虑多种LED驱动电路设计、电源供电问题。
4实现单片机与上位机通信,根据人是否感兴趣播放动态视频。 需要考虑到串口通信电路问题、通信反应延时问题、上位机软件问题。
综上所述,本文设计系统是一个以单片机为核心控制器的,可以根据传感器检测人对目标商品的兴趣来控制商品对应的LED亮灭以及投影广告的播放。

2.2系统总体结构
系统总体结构如图所示,包括红外传感模块、控制模块、上位机模块、投影仪投射模块,LED驱动模块。
红外传感模块,该模块内部集成了滤波电路、放大电路、红外探头、菲涅尔透镜等部分。功能是直接将红外线探头检测的人体信号经过滤波、放大等手段处理后精确的判断是否有人经过,达到检测人对商品的兴趣。
控制模块,功能为通过传感器信号来将控制信号发送给上位机模块。采用单片机作为处理器,利用串口通信与上位机相连,红外线传感器模块的数字信号。具体工作流程如下:控制模块上电后,首先进行自动初始化操作,防止上一次的数据干扰到本次运行,接下来检测串口是否打开,能否与上位机通讯,如果不能的话则继续检测,要是可以的话,开始接受传感器模块信号,单片机接受到传感器信号后将其转化成模拟信号通过串口将信号送给上位机。
上位机模块,功能为将控制模块发送的控制信号,投影仪投射模块播放广告,并能通过使用上位机软件人为选择与控制,达到变化播放内容的功能,采用一般PC机即可。
投影仪投射模块,功能为根据上位机控制播放广告。采用一般投影仪即可。
LED驱动模块,功能是根据单片机信号控制LED亮灭,LED种类繁多采用适合目标商品的LED即可。驱动部分需要考虑几种情况,区分不同功耗的LED。
所述控制模块的输入端连接在红外感应模块输出端,输出端连接在上位机的232端口,所述上位机的VGA端口连接终端投影仪输入端口,红外传感器能感应到是否有人经过,控制LED的变化,同时经过控制模块的处理将该信息传送至上位机,上位机控制投影仪进行不同场景的投影。

2.3系统硬件选型
2.3.1传感器模块
为了方便检测人对物体兴趣这里选择了高精度的人体红外传感器检测,型号为BISS0001,其具体性能参数如下表所示。
工作电压 DC 5V至20V
静态功耗 65微安
电平输出 可调(3秒~250秒)
封锁时间 最低0.5秒
触发方式 L不可重复,H可重复,默认值为H
感应范围 小于120度锥角,7米以内
工作温度 -15~+70度
具体介绍下该传感器模块的一些性能指标:
1拥有两种触发方式(可设置):低电平不可重复,高电平可重复。在模块电路板上通过跳线进行选择,不设置的情况为高电平可重复模式。
A.不可重复触发方式: 这是最基本的模式,如果传感器检测到人体,传感器输出高电平,经过封锁时间(可设置最少0.5s),则输出自动变为低电平,等待下一次检测到人体,在封锁时间内任何检测信息都无法干扰到输出结果。
B.可重复触发方式: 当检测到人体后同样也是输出高电平,但是区别就是在高电平持续这一段时间内,如果传感器再一次检测到人体,则自动延迟高电平时间,这个延迟时间长度还是开始这是的延迟锁定时间,如果再一次检测到人体则继续延迟,直到没有检测到人体信号,才会恢复到低电平,这就是可重复触发方式。
2.感应封锁时间(默认设置:0.2秒):这就是上文所说的延迟锁定时间,其存在目的是为了方便设计者设计消除在触发期间的其他外界干扰,导致的传感器误动作。
3.工作电压:工作电压最低5v。
4.功耗:工作电流只有65微安,功耗十分的低,可以用干电池进行供电。
5.信号格式统一:可方便与各类电路实现对接。
2.3.2单片机
单片机选用了51系列最常见的单片机,宏晶公司生产的51系列单片机型号为STC89C51。该单片机能占有国内大部分市场是因为其具有优良的性能、低廉的成本以及稳定性好,下面会详细介绍下这款单片机的性能指标。STC89C51单片机是8位CUP,整体上具有外部数据存储器寻址空间为64kB、外部数据存储器寻址空间为64kB、ROM为4k、RAM为128bytes。在I/O口方面其共有32条I/O口线,可以同时使用 4个8位并行I/O口输入输出。寄存器方面其拥有21个专用寄存器,在中断方面该单片机具有2个可编程定时/计数器,以及5个中断源,可以设置2个优先级。通信方面单片机具有一个通用异步接收发送器的串行I/O口(全双工)。需要连接外部晶振,效果最好的振荡频率范围为为6M—12M。
3硬件部分设计
3.1 单片机最小系统设计
51单片机的最小系统通常情况包含3个部分单片机、晶振电路、复位电路。最小系统意在能使系统工作的最基本部分。
晶振电路是负责为单片机提供稳定的震荡波形来作为系统基准信号,这里采用了11.0592MHz目的是为了在串口通信采用9600波特率的时候方便计算定时器。晶振电路的两侧有两个30pf的电容起到帮助晶振起振以及稳定频率的作用。30pf的数字是根据经验得来的数据。
复位电路由一个电容和一个电阻并联组成。存在两种复位模式,第一种方式是手动复位,如果电路正常运行状态的情况下,需要复位则按下复位按键,使电源可以通过电阻直接接到RST引脚上,给引脚一个高电平让系统复位。第二种模式是上电复位,刚给电片机上电的时候,根据电容不突变的原则RST引脚的电压有0快速到4.2v然后缓慢降为0v,可以实现上电复位,4.2v到0v的这个时间可以持续2个机器周期以上完成上电复位。
3.2 传感器电路设计
传感器部分采用HC-SR501模块,该模块内部集成了滤波电路、放大电路、红外探头、菲涅尔透镜等部分,不需要设计者考虑模块内部结构,也为模拟电路基础不是很好的设计者提供了方便。有3个外部接口,分别接地、电源、输出端。因为本设计中传感器电路无需驱动其他器件,因此不需要按照使用典型电路中的电路一样设计,可以直接连接在51单片机的I/O端口上,作为控制信号即可。
3.3 LED驱动电路设计
这里设计了两种方案,方案一目标针对低功耗的LED,其功率下导致其所需驱动电流小,无需多余驱动期间,方案二目标针对高功耗的LED,其电路就会相对复杂一些。
这里重点说下第一种方案,方案电路图如图所示。
LED直接通过一个上拉排阻将8个LED连接在单片机上,这样的优点是电路结构简单,节省电子元器件,稳定性好。缺点是无法驱动高功耗的LED,因为单片机引脚不能承受过多的电流,只能驱动低功耗的LED。
方案二,则是在方案一的基础上在每一个LED的后面添加一个三极管,作用是利用三极管的驱动能力来驱动高功耗的LED,成本就会高很多,并且电路也会相对复杂。
3.4 电源模块电路设计
电源模块部分如图3.4所示,STC89C51单片机所需的正常工作电压为5V。但是为了增强系统的扩展性满足日益低电压化的IC设计,同时采用LM1117低压差线性调压器完成从5V降压到3.3V。按照典型电路输入输出各加入一个10uf钽电容,实电压稳定,减少震荡发生。并在电源和地之间加入一个0.1uf的电容,其作用是去耦,滤除干扰信号。
与此同时电源供电也需要考虑到没有220v电源的情况,只有干电池要也可以让部分系统工作,因此设计中并加入一个开关用来选择用电池还是电源控制器,在取电方便的节点可以采用电源配置器供电可电源配置器得到5V电源。取电不方便的情况可采用电池供电4.5V,3节5号电池即可满足需求。
这里的部分系统指的是去除电脑以及投影仪的剩下系统部分,没有动态广告的播放只有动态LED的照明,这样也同样满足一些客户的需求。
图3-4电源模块电路图

3.5 通信串口模块电路设计
CC2530通过RS232与上位机通信,如图3.5所示。串口通信因为是自身规定的标准,采用的TTL电路之前的电气标准,其将+5V~+15V为逻辑0,-5V~-15V为逻辑1,而TTL电平是小于0.4V为逻辑0.3V~5V为逻辑1。因此串口不能直接和TTL电平(目前大规模采用的标准)相连接,必须使用电平转换芯片来完成这一工作。串口电平转换芯片选择的是MAX3232,MAX3232配备专有的低漏失电压发射器输入状态,通过双电荷泵,在3.0V至5.5V供压下,表现出真正的RS-232协议器件性能。芯片外面有4个0.1uF电容,用来产生RS232接口所需电压。
4软件部分设计
4.1传感器软件设计
传感器部分的软件设计这需要考虑到其延迟锁定情况以及触发方式即可,因为其实纯数字化的红外线人体传感器模块,内部都已经集成好了相关期间,在使用过程中,一旦检测到人直接会从输出端发出高电平或者低电平,我们只需要考虑单片机方面的识别即可。
4.2 单片机控制软件设计
软件部分,流程图如下,核心就是单片机对于红外线传感器返回数据的处理,来识别不同的情况。其中涉及到两种算法,传感器的的位置是与商品平行放置的,一排三个传感器,距离相聚50cm,第一种算法是判断与传感器垂直走过来的人的感兴趣程度,如果某一传感器保持触发状态则表明有兴趣,如果只是路过则无兴趣。第二种算法是判断与传感器平行的人走过去的感兴趣程度,根据两个传感器的触发时间差以及传感器距离可以测试人行走速度,从而判定是否感兴趣。具体见表格。
4.3 PC端控制软件设计
上位机部分是用VB编写,是同学帮助完成的,这里只简单说下其实现功能,能自由选取播放路径,实现用户通过账户密码登入,串口选择等。具体如下图所示。

结论
本设计基于单片机技术实现了智能控制系统构建,人体红外检测模块作为检测传感器。整体平台可以稳定运行,并且具有较好的可靠性和扩展性。本设计主要完成工作如下:
1) 通过查找文献资料以及分析数据,基本了解智能控制的研究趋势和研究现状;
2) 基本完成了基于单片机的LED智能控制系统设计,包括软件设计、硬件设计,并且提供了较为成熟的算法。
本次设计主要涉及到了硬件电路设计、c语言编程。通过本次毕业设计,使自身得到了大幅度的提高,实践灵活应用了之前所学的专业课知识,也锻炼自身自学新领域的能力,极大的提高自己独立研发的能力,为今后的工作与学习打下了良好的基础。
整个系统完成之后,由于时间及能力的问题,发现系统还有很多不足。
硬件部分,硬件电路一旦涉及到模拟电路则所学知识略显不足,无法满足实际应用需要,很多滤波电路只能按照前人的常用经验来参考电容电阻值,自己无法独立完成分析,并且整个设计中也在尽量规避模拟电路。
软件部分,上位机部分还无法独立完成编写,在单片机的编程只是初步的研究,还需要进一步研究,如何提高检测效率,提高检测精度,更高效的完成控制。
此外,该系统功能还有待扩展,将声音也归入其中,并且研究如何降低成本。上位机可以制作的更加人性化,功能更加丰富。

参考文献
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[4] 彭为,黄科,雷道仲.单片机典型系统设计实例精讲[M].北京:电子工业出版社,2006.

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