单片机小制作，DIY多头灯具分段控制器

为了方便和节能，现在很多家庭都会安装分段控制的吊灯，而且很多都是可遥控的。但是有孩子的家庭会发现，小孩经常顽皮地拿着遥控器切换灯玩，遥控器有时也不翼而飞。这个烦恼其实可以用一个简单的单片机搞定，您在家就可以自行制作。

从灯具中取下原有控制器

把灯具拆下取出控制器(见图3.1)。可以看到，简单的功能用了好多元件，要是用单片机不是简单好多吗?电路只包括整流电路、无线接收模块和继电器驱动电路。无线接收模块输出的信号经过2片74HC40系列的芯片处理后驱动9013控制继电器闭合。

图3.1 从灯具中取下的原有控制器

设计单片机控制器

我想实现的功能是开灯后默认点亮2支灯管，要切换灯管数目时只需要关掉开关又马上打开开关，可以按2、3、4、1支方式切换点亮灯管。这样一来就有两个问题需要解决了：一是开关断开后，电源也切断了，电容上的电荷很快被继电器线圈放完电，单片机无法继续工作;二是单片机如何得知开关被关了。图3.2所示是我设计的电路图，带着上面两个问题，我们分析一下电路。

图3.2 单片机设计电路原理图

单片机选用市场上常见的STC出品的12C2052AD，这款芯片在I/O上完全兼容AT89C2051，芯片功能上更扩展了丰富的功能，如I/O的强上拉、高阻，片内RC振荡及复位电路、片内EEPROM等。为了方便制作，我使用了片内的RC振荡及复位电路，这样一来少使用了复位电路及晶体振荡器。9V交流电压器整流后得到约12V的直流，一部分供给继电器驱动，一部分供给78L05稳压后得到5V供单片机使用。在78L05输出端使用一个4700µF(C2)电解电容。使用如此大容量的目的是，在主电源切断后，C1会被继电器线圈很快地放完电，而C2仍有电荷供单片机使用。VD3、R2、VD4构成一个断电检测电路。电源没有切断时，VD3半波整流后经过R2限流，再由VD4稳压在5.1V左右，电源切断时这里则为0V。使用这个电路的要点是C2的容量要远大于C1，这样才能保证在电源切断后P3.7引脚得到的是一个低电平，同时单片机在断电后一段时间后仍能保持工作。另外，P3.7引脚需要设置为高阻态，如果使用准双向模式就算VD3失电，P3.7仍然是处于高电平状态。单片机输出的控制信号通过内部强上拉后，经过10kΩ的电阻使得三极管B极电流在0.5mA，再经过100倍左右的放大，C级电流可以达到50mA，足以驱动继电器。因为电路安装在灯内，LED可以不要，只用于程序的调试作用。完成的电路实物图见图3.3。

软件编程

软件的编写也极为简单。上电后先设置I/O的上拉和高阻态。因为上电后I/O输出为高，所以在完成设置后把I/O拉低，这样就不会有上电瞬间4支灯管片刻间点亮的问题。程序会不停用P3.7引脚检测电源状态，一但电源失电，P3.7检测到为低电平时，这时会延时防抖，确认为失电后应马上切换到下一个灯管开关状态，灯会在1s后点亮。如果开关关闭时间过长，单片机也会因C2放电完成而终止工作，所有电路停止。所以在使用时，开关关闭再打开的时间间隔大约为1s，也就是开关关闭后马上又要打开，只有这样这电路才能正常进行切换。

图3.3 完成的电路实物图

组装

我们从图3.3所示的电路可以看到，它是直接在灯具原配的电路板上修改的，拆除无线接收及其他部分的电路，只保留继电器、继电器驱动电路、电源部分及接口，这样根本不修改原灯具便可以方便地按原路安装新的功能。此项制作要求制作者十分熟悉市电，安装时也一定要先切断电源。图3.4所示是点亮2支灯管的情形。使用学习到的电子知识来方便自己的生活，确实十分有意义。

图3.4 安装后的点亮效果

单片机实例分享，感应式收纳桶

几年前和电子系的朋友一起研究电路，做些小作品，那时真的很开心。记得在学校时，和他们一起做过一个小制作——感应式垃圾桶。当然，那时做得很简陋，用蒙牛的纸盒包装做外壳，用步进电机和一条细线来驱动纸质的盖子，用一体化的人体感应模块(买来时几十元)做传感器。这次为什么又会做类似的一个东西呢?因为一次在超市购物时，我买了瓶木糖醇口香糖，送了个漂亮的收纳桶(见图14.1)。这让我想起了以前一起参与动手制作的朋友们，可能是对过去学校生活的怀念吧，我决定用这个收纳桶再做一个感应式垃圾桶。

图14.1 买口香糖赠送的收纳桶

感应式收纳桶能做些什么呢?有用吗?每次我跟朋友说起这个制作时，他们往往会问这个问题，如何回答这个问题呢，就让我们一起动手来实现一下吧。

主要部件及材料

本制作的主要材料只有3个：ATmega8单片机、9g舵机和光电传感器(见图14.2)。

图14.2 单片机、舵机、光电传感器

(1)单片机大家也可以选择51单片机，如STC12C2052AD，只要带A/D转换即可。不带A/D转换的单片机也能实现功能，不过感应距离可能只有1cm。

(2)除了9g舵机，大家还可以选择微型舵机，这样会美观些。

(3)光电传感器我用的是TCRT5000，这个型号我不是特意挑选的，仅仅是我在淘宝上买电子零件时挑选的比较便宜的(不到1元)，顺带买了3个。你也可以选择RPR220或LTH1550-01光电传感器。不过，我目前也没条件实验它们的效果。这两个传感器的光电特性和我目前用的，可能会有感应距离上的差别。

(4)电源我使用的是4节1.2V的充电电池，你完全可以使用单片机下载线的电源而不用电池。

(5)在这次制作中，我固定各个部件用的是热熔胶，这么做能确保当我有新想法时也可以很容易地通过加热拆下它。

制作过程

准备好零件和工具就可以开始进行制作了。

先焊接好单片机插座、插针，这是为了让器件拆卸方便。在反面用有绝缘外皮的连线连接相应的电气位置(见图14.3)，要根据原理图连接，不然提供的程序你可要自己修改。然后，用热熔胶把万用板、电池盒、收纳桶固定下来。这时你就可以通过ISP下载线给ATmega8单片机烧录程序了。

图14.3 制作好的电路实物

最后再固定传感器和舵机到合适的位置，这样你就可以调整它们到最佳的状态。传感器我放到了收纳桶最上方的位置。如果有3个传感器，分别成120°放置的话，可能感应的效果就更完美了。

至此，“善解人意”的收纳桶就做好了，当手在传感器上方15cm左右的距离时，收纳桶的盖子就能自己打开。当手离开至距离20cm左右，它又会自动关盖了。

电路原理

这个制作的电路原理图如图14.4所示。电路中没有晶体振荡器，其实原来我在外部使用了12MHz的晶体振荡器，但后来发现这个制作不需要就取消了。通过ISP下载线设置，使用ATmega8单片机的内部8MHz RC振荡器。电源除了给单片机VCC供电外，还要给单片机内部的AD供电，AD的供电引脚分别为AVCC和AGND。

图14.4 电路原理图

为了更简化电路，通过程序设置，我让AREF引脚连接到内部的AVCC。这样设置后，可以节省外部参考电压源。为了使采集到的电压更稳定，应该在AREF引脚上接个电容到GND。

普通舵机的控制信号由singal接收，接收信号通常是频率为50Hz的PWM波(见图14.5)。通过调整高电平的宽度实现位置的调整，高电平的宽度就代表了舵机相应的角度，通常1500μs的高电平长度是舵机的中立点，1000μs对应-90°的位置，2000μs就对应90°的位置了(由于舵机的齿轮比不同，这个角度也不是绝对的)。这样，程序产生不同长度的高电平就能控制舵机拉杆的位置了，也就能拉动收纳桶的盖子了。

刚拿到TCRT5000传感器时，区分它的4个引脚还真花了我不少时间，结构如图14.6所示。首先可以明确的是，蓝色透明的是发射管，黑色不透明的是接收管。

图14.5 PWM波长短控制舵机角度

图14.6 TCRT5000传感器结构图

1. 如何区别发射管的 a 引脚和 k 引脚

毕竟它发射的是红外光，人的眼睛看不到。后来一次偶然的机会，笔者发现，打开手机的摄像头就能看到它发的红外光了，不过在屏幕上显示的是淡紫色的。通过这种方法不仅能确认a、k引脚，还能确定它是否完好。

2. 如何区别接收管的 c 引脚和 e 引脚

在确保发射管正常发射且用手遮挡的情况下，一端接高电平，另一端的电平也接近高电平，那么接近高电平的就是e引脚了。除去发射信号，此时已经判断出的e引脚应该就接近低电平了。原理是这样的：当有红外光照射到光电三极管时，c与e之间就会导通，导通电压在0.4V左右。

经过这样的判断与测试过程，大家是否自己也能编写相应的程序，来判断是否有物体接近传感器了呢?不过在这次应用中，我并没有让c引脚接高电平，从而判断e引脚的状态。因为这样的话，传感器的e引脚要接一个下拉电阻。而ATmega8单片机的引脚仅仅能设置上拉电阻。因此，为了简化制作，我通过程序设置传感器的e引脚输出低电平，传感器的c引脚通过ATmega8单片机的PC5上拉。这样，当手靠近传感器时，就会因为手反射回的红外光，而使得c引脚接近低电平。同样，红外遥控器对着它照射也会拉低c引脚。因此，在单片机的程序中，我们不能仅仅通过读取c引脚的电压值是否接近0来判断手是否靠近收纳桶。

程序编写

程序可以说相当简单，舵机仅仅用了10次循环来实现10次50Hz(其实舵机可以接收50～333Hz的频率)的PWM波，并延时产生相对应的高电平脉冲，从而实现舵机的运转。传感器的判断状态也就写了几十行的代码。单片机通过让发射管发射、关闭红外光，然后再检测传感器c引脚电压差的方法，来判断手是否靠近传感器。

由于程序不多且简单，我就直接贴出3个关键函数了。

void _00(void)

{

unsigned char i=0;

for(i=0;i<10;i++)

{

PORTB.1=1;

delay_us(1000);//1ms

PORTB.1=0;

delay_us(19000);

}

void _90(void)

{

unsigned char i=0;

for(i=0;i<10;i++)

{

PORTB.1=1;

delay_us(2145);//2ms

PORTB.1=0;

delay_us(18000);

}

这两个函数可以控制舵机转到两个极限的角度，起到拉升盖子的作用。_00( ) 这个函数的实际作用效果是打开盖子，而_90( ) 这个函数则是用于关闭盖子。大家可以调整PORTB.1=1语句后面的延时时间参数(延时时间就是高电平的时间)，来微调该舵机的两个相对位置。

void read_ir(void)

{

while(1)

{

PORTC.2=1;

delay_ms(2);

H=read_adc(5);

PORTC.2=0;

delay_ms(1);

L=read_adc(5);

if(H-L<=6||H

{count1++;count2=0;

if(count1>=20)

{count1=0;state=1;return;} }

if(H-L>=12&&H>L)

{count2++;count1=0;

if(count2>=20)

{count2=0;state=2;return;}}

看这个函数的名字，大家就能想到它的作用了吧?这是读红外传感器的状态函数，当全局变量state=1时，表示没有物体遮挡、盖子关闭。当全局变量state=2时，表示有物体遮挡、盖子打开。PORTC.2控制着传感器发射的状态，当PORTC.2=1时，关闭红外的发射，等于0时开启红外发射。由于我们是要判断手是否靠近传感器，如果简单地判断ADC的数值是否接近0的话，那是不行的，因为在阳光下，ADC的数值就接近0。所以，我们实际要判断的是物体靠近而引起的变化，即程序中的H-L。

由于开启和关闭传感器需要时间，ADC转换也同样需要时间，这段时间完全有可能因为你看电视机时换频道而错误触发(遥控器发射红外光嘛)，因此程序采样了20次。如果20次总计100ms左右的时间内，差值一致的话，则判断有人手靠近，否则从头再检测20次。这样就保证了稳定而可靠的感应。

大家可以通过修改H-L的值，来改变感应的实际距离。当H-L≥6时，感应的距离约为20cm。H-L的值并非和距离成线性关系，它在接近1时感应的距离最远，约30cm。但是你也不希望当手在30cm时，盖子连续不断地抖动开关吧。所以，在程序中我就设置H-L≤6(≤20cm距离)时就关闭盖子，当H-L≥12(≤15cm距离)时就打开盖子。

制作好的效果图如图14.7所示，相关程序可以到qq群657864614进行浏览。

图14.7 效果图

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