基于51单片机的智能台灯的设计与应用学位论文.docx
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基于51单片机的智能台灯的设计与应用学位论文
编号
本科生毕业设计（论文）
题目：
基于51单片机的智能台灯
的设计与应用
物联网工程学院微电子学专业
二〇一四年六月
摘要
随着社会在不断进步，高科技含量决定着产品发展的新趋势和前景，智能化技术在电子产品领域的应用意义深远.电子产品的快速发展，家用电器也越来越智能化，目前已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能空调，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元.结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，使用更方便，安全可靠性也更高，效率更高，最重要的是它们为能源节约提供巨大的帮助.
智能台灯以专门感应人体红外信号的红外传感器为基础，这意味着仅当有人的时候，红外传感器才输出一个信号，经放大处理后达到单片机的输入门限电压，单片机开始运行，台灯自动点亮.当人离开的时候，单片机控制台灯自动关闭，以达到节约用电的目的.此外，单片机内的计时器将会计时一小时，在此之前如果人未离开，计时结束后，台灯上的蜂鸣器将会响起，提醒使用者应该离开休息一会儿，同时台灯将自动关闭，这个功能可以帮助保护使用者的视力.
关键词：
单片机；智能台灯；红外传感器；信号放大
ABSTRACT
Withtheprogressofsociety,thedevelopmentprospectofnewproductsdependsonitshigh-technologycontent.Aselectronicproductsbecomemoreandmoreadvanced,somedomesticapplianceseems‘intelligent’tosomeextent,andsometechnologyhasbeenappliedintoreallifeatpresent,suchassmartwashingmachine,smartair-conditionandintelligentinductioncooker,etc.Allofthemhaveacommoncharacteristic,thatis,theyalluseaMCU（MicroControllerUnit）astheir‘brain’.ComparingwiththosehouseholdapplianceswhichhavenoMCU,theyaremoreconvenient,safeandefficient.Moreimportant,theymakegreatefforttotheprojectofelectricalenergysaving.
Theintelligentdesklampdependonakindofinfraredsensorwhichcanperceivehumanbeings,thatmeans,itwilloutputasignalwhenthereissomeonenearit,thissignalwillbeamplifiedandreachthethresholdvoltagetotriggertheMCU,andthen,thedesklampwillbeautomaticallyopened.Whenyouleave,thedesklampwithbeshutdownbyMCU,thiswillhelpsavingelectricalenergy.Besides,theMCUwilltimingforanhour,ifyouhaven’tleftwhenthattimeisup,thebuzzeronitwillremindyoutotakearest,andthelightwillautomaticallyshutdownatsametime.Thisfeaturecanprotectyoureyesight.
Keyword:
MCU;IntelligentDeskLamp;InfraredSensor;SignalAmplification
第1章绪论
1.1研究课题的意义
随着科技的发展，人们的生活水平不断提高，高科技产品越来越普及，如何研发能够大大提高人们生活质量并且使用便捷的家用电器成为家电产业的重要研究领域．
台灯是人们在日常生活中必不可少的家用电器.相对于普通的日光灯，其功耗更小，亮度更集中，是人们在夜晚进行阅读和工作的得力助手，但是由于人们在离开时经常忘记关掉台灯，会造成很大的电力能源浪费.如果台灯离门较远，每当夜晚来临时，人们又要摸黑去开灯，非常不方便，也有一定的安全隐患.
虽然现在出现运用传感器和微控制器自动控制灯开启与关闭的技术，并广泛运用于建筑走廊等处所，但是在家居生活方面，自动控制灯具开关的系统却十分少见，而且功能不够完善，不够“智能”，比如楼道中的照明灯通常都是采用声音控制.采用声控的方法可以有效的检测声音信号，再通过中央处理单元控制灯的亮灭，但却无法做到精确识别和屏蔽干扰，当环境中有较多噪声时，如当有车经过或是有宠物的声响时，照明灯将不可避免的被噪声影响而产生不必要的点亮，这将造成很大的能源浪费.因此在这里通过研究以检测人体红外辐射为基础的传感控制电路，来解决目前自动控制电路的不足.
目前已有专门用来感应人体红外辐射波长（约为9.5um）的红外传感器，这便为自动控制照明灯系统提供性能优良的信号采集模块.本课题设计了以51单片机为基础，通过红外传感器检测人体红外辐射信号来控制台灯开启关闭的电路系统.当有人出现在红外线传感器的探测范围内，并且满足一定其它设定条件（如光照强度较暗）时，信号采集模块可以提供一个有效的激励信号，经过运算放大电路和滤波电路放大滤波后的信号进入中央处理单元，通过相应指令控制灯的开启与关闭.51系列单片机作为一种通用型单片机，可以通过外接模块如传感器、存储器等来实现许多功能，本课题运用51单片机的内部计时模块来实现其他的功能，例如在一定时间人未离开桌面，则发出警告并自动熄灭，当人离开时红外传感器产生的信号将通过51单片机控制灯自动关灯，以达到节约能源的目的.
1.2智能家电的历史和发展概况
在介绍智能家电的历史和发展之前，需要引入一个新的概念——智能家居.智能家居是以住宅为平台，通过设计将电子线路技术、网络通信技术、自动控制技术以及其他相关技术融入到与生活密切相关设施中的一种技术，它能够帮助提升家居的便捷性和舒适性，同时又能达到环保节能的目的.
智能家电是智能家居中很重要的一部分，它主导着智能家居的发展方向，也承载着智能家居的主要技术.由于人们还没有完全认识到智能家电为我们的生活带来的巨大改善，以及市场消费观念还未完全形成，智能家电的发展还是较为缓慢.但随着智能家电市场推广措施的进一步落实，消费者对智能家电认识的深入，智能家电市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明.
智能家电在中国的发展历程约有20余载，从人们最初的梦想，到如今真真切切走入我们的生活，经历了一个漫长而又艰难的发展过程.智能家电在中国的发展可以概况为四个阶段，分别是萌芽期、开创期、徘徊期和融合演变期[1].萌芽期（1994年到1999年）又称智能小区期，这是智能家电在中国的第一个发展阶段，这时整个行业还处在一个认知的阶段，国内还没有出现专门生产智能家电的厂商，仅有几家从事智能家电代理销售的公司，产品也大多不是销售给中国用户.随着国内企业对国外技术的学习和自主创新，我国的智能家居行业步入了开创期（2000年到2005年），国内先后注册了五十多家智能家电生产企业，当时主要集中在北京、上海、深圳、厦门等地.智能家电的市场营销、技术培训体系逐步完善起来，在此阶段，国外智能家电产品基本没有进入国内市场.但是国内市场发展过快，一些问题也随之而来，自2005年以后，由于智能家电企业的野蛮成长和恶性竞争，给智能家电行业带来了很大的负面影响，智能家电行业进入徘徊期（2006到2010年），许多厂商过度“包装”智能家电，夸大智能家电的功能，而实际产品却达不到宣传的效果，产品的不稳定导致较差的用户体验.同时厂商们只顾着快速扩张代理商的覆盖范围来提高自己的市场占有率，却忽略了对代理商最基本的培训和服务保障，导致了代理商经营困难，售后服务难以保证.用户和媒体开始质疑智能家电的实用性和可靠性，在消费上也变得更加谨慎，市场的增长开始减缓，甚至部分地区出现销售额下降的现象.在2006和2007这两年，大约有20多家智能家电生产企业因经营不善退出市场，各地代理商结业转行的也不在少数.许多坚持下来的智能家电企业，在这两年也经历了缩减规模的痛苦.就在这一时期，国外的智能家电品牌却暗度陈仓，悄然进入中国市场，目前活跃在市场上的国外智能家电品牌都是这一时期进入中国市场的，如LEGRAND、Honeywell、SchneiderElectric等.国内部分存活下来的企业也逐渐找到自己的发展方向，成为工业智能控制的厂家.
虽然国内厂商把方向瞄准了工业控制，但从未放弃过智能家居的梦想.进入2011年以来，市场有了明显增长的势头，智能家电市场的增长说明智能家电行业进入了一个新的拐点，由徘徊期进入一个很重要的时期——融合演变期（2011年到如今）.在该阶段，智能家电进入一个相对快速的发展阶段，同时吸取了过去的教训，国内厂商们将协议与技术标准主动互通和融合，形成一个新的行业标准，这大大缩短了研发周期，也规范了产品的标准，减小了研发的困难.预计在接下来的五到十年，将是智能家电行业快速发展的时期，也是最不可琢磨的时期，智能家电行业作为提高生活质量，拓展消费市场的制高点，是国内各企业竞相争夺的战略高地，如果有谁能够掌握智能家居的技术，那么他将掌握人们未来的生活方式!
正因为如此，国内优秀的家居企业越来越重视智能家电的开发，特别是对适应客户需求的智能家电的研究，一大批国内优秀的智能家电品牌正迅速崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚!
1.3本课题的研究内容、研究方法和实施方案
本课题运用红外传感器作为“智能控制”的基础，目前已知红外传感器可对人体红外信号做出响应，但是其响应的幅度和工作频率等参数将直接影响到信号采集放大电路模块的正常工作，因此合理选择红外传感器对电路的设计是十分重要的.要实现自动控制的功能，不仅需要掌握单片机的工作原理，还需要熟悉常用单片机的编程语言，完成该设计系统的单片机控制模块的程序编辑，尤其是对单片机的中断结构和计时功能必须进行更加深入的了解.
信号采集放大模块的具体要求：
设计出对人体信号采集放大的电路结构，并且要考虑到外部噪声的干扰，设计合理的滤波电路抑制干扰，在广泛借鉴各种设计的优点的同时，充分考虑设计中的各个环节，并运用仿真软件对电路进行仿真测试，最后制作实物对本课题的正确性进行验证.
自动控制模块的具体要求：
以51单片机为核心，蜂鸣器、八段数码管、发光二极管等元件构成外围电路，运用C语言或者汇编语言编写程序并在51单片机开发板上调试，模拟人来人走的情景，测试自动控制模块的响应能力和正确性，最后与信号采集放大电路相结合，实现具体的功能.
采用的研究方法：
通过阅读书籍掌握红外线传感器工作原理；选择合适的电气元件，绘制电路原理图；设计单片机控制台灯的点亮与熄灭的程序，并利用相关工具进行功能调试；将程序烧入进单片机中.
实施方案：
在课题的前期，大量阅读参考文献，了解当前热释电红外传感器的应用情况，对设计所需要的知识，包括红外传感器，51单片机等进行详细的了解；在课题的中期，通过对电路的分析，设计应用电路，重点在于信号的收集和电路的控制；在课题的后期，对设计的过程进行全面的整理，分析仿真的结果，对于设计过程中出现的问题进行分析总结，最后完成实物的制作以及论文的书写.
第2章硬件电路系统设计
2.1硬件系统的架构
本设计的硬件系统主要分为两部分，一部分为信号采集放大模块，另一部分为自动控制模块.信号采集放大模块以红外传感器和光敏电阻为基础，以运算放大器构成的滤波放大电路为核心，通过外加电容和调节电阻大小来实现稳定的滤波放大功能，要求当有人进入检测范围时能够输出一个稳定的高电平.自动控制模块以STC89C52RC单片机为核心，通过外接发光二极管、蜂鸣器报警电路和八段数码管搭建完整的台灯控制电路，该模块可以在有信号输入的时候开始计时，并在八段数码管上显示计时的时间，在达到设定的时间（如一个小时）后，产生一个激励信号开启蜂鸣器并关闭台灯.系统架构如图2-1所示．其中光敏电阻感应光信号，在光线较暗的情况下产生一个激励信号以开启红外传感器感应电路，红外传感器检测其监测范围内是否有人出现，通过放大滤波后产生一个有效的激励信号传送至单片机，此后通过单片机内部程序处理一系列的外围I/O信号.
图2-1系统总体设计图
2.2中央控制模块
中央控制模块俗称单片机，最初源于“SingleChipMicrocomputer（SCM）”，在单片机诞生时，因为它的组成与原理是基于计算机的，所以SCM是一个准确的、流行的称谓.随着SCM在技术上、体系结构上的进步，其主要作用已经是控制而不是计算了.国际上逐渐采用微控制器（MicroControllerUnit，MCU）来代替SCM，形成了单片机领域公认的、最终统一的名词.在国内因为单片机一词已约定俗成，故继续沿用.
单片机就相当于将组成微型计算机的各功能部件：
中央处理器CPU、随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）、只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）、可编程存储器（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM）、并行及串行输入输出I/O接口电路、定时/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机[2].单片机内部具体结构如图2-2所示.随着大规模集成电路技术的发展，单片机内还可包含A/D、D/A转换器、高速输入/输出部件、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件.
图2-2中央控制单元的内部架构图
2.2.1STC89C52RC型单片机
目前世界上单片机生产厂商很多，如：
Intel、Motorola、Philips、Atmel、SST、Winbond、Zilog等公司，本课题中使用的STC系列单片机是深圳宏晶公司的产品，其引脚如图2-3所示，它支持在线编程，烧录程序的时候不用再反复插拔单片机，使用方便，寿命较长.STC89C52RC型单片机在传承经典MCS-51内核设计理念的基础上，做了较多的技术改进与完善，使STC89C52RC芯片不仅具有传统51单片机具备的基础功能，还使单个芯片上拥有灵巧的8位CPU，功能上支持ISP（在系统可编程）与IAP（在应用可编程）等功能.STC89C52RC型单片机可为多种嵌入式控制应用系统提供更灵活、高效的应用系统解决方案.
该单片机具有6时钟/机器周期和12时钟/机器周期的两种工作模式，其指令代码完全兼容传统8051；3.3V~5.5V的宽范围工作电压；0~40MHz的可调工作频率，且实际工作频率可达48MHz；采用PDIP封装8K字节程序存储空间，片上集成有512字节数据存储器；拥有32个通用I/O口：
P0、P1、P2、P3，均为准双向口（弱上拉）；无需专用编程器和仿真器，可通过串口RXD（P3.0）和TXD（P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成较大程序的下载；内带2K字节EEPROM存储空间；具有3个16位定时器/计数器.即定时器T0、T1、T2；具有4个外部中断，触发方式可设置为下降沿中断或低电平触发，掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；通用异步串行口（UART），还可用定时/计数器编程实现多个UART；工作温度范围从0℃到75℃[3].
此外，STC89C52RC型单片机支持两种节电模式，一种为空闲模式，另一种为掉电保护模式.当STC89C52RC在空闲模式下工作时，中央处理器停止工作，允许随机存取存储器、串行I/O口、定时/计数器、中断控制器维持工作；当STC89C52RC在掉电保护模式下工作时，随机存取存储器的内容被保存，振荡器被冻结，单片机的一切工作停止，直到下一次中断或硬件复位才开始正常工作.
图2-3STC89C52RC型单片机引脚图
STC89C52RC的相关引脚定义如下：
1）VCC/GND：
两者为主电源引脚，GND为电源负端，一般视为接地；VCC为电源正端，STC89C52RC的VCC允许范围为3.3V~5.5V.
2）XTAL1/XTAL2：
这两个引脚为时钟电路的I/O端.XTAL1接外部晶体的一端，它是片内振荡器反向放大器的输入端.在采用外部时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引脚作为驱动端，其频率范围为0~40MHz；XTAL2接外部晶体的另一端，它是片内振荡器反向放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率.若采用外部时钟电路时，此引脚应悬空不用[4].
3）RST：
复位输入端.在该引脚输入两个机器周期以上的高电平将使单片机复位.
4）ALE/PROG：
该引脚具有两种功能，即地址锁存允许输出/编程脉冲输入端.在访问片外存储器时，ALE作为锁存扩展地址低位字节的输出控制信号（称允许锁存地址），在一个指令周期中将丢失一个脉冲.在不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，可供定时或其他需要使用，还可检测CPU是否已经工作.ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL（低功耗高速TTL）.在固化片内存储器的程序（也称为烧录程序）时，此引脚用于输入编程负脉冲.
5）PSEN：
片外程序存储器选通控制信号端.在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为程序存储器读选通信号.CPU在向片外程序存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效.由于现在基本不再使用片外程序存储器，所以这个引脚也就没有用了.
6）EA/VPP：
该引脚有两种功能，即内、外程序存储器选择/编程电源输入端.当EA端接高电平时，CPU从片内程序存储器0000H单元开始执行程序，当地址超过4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序.当EA端接低电平时，CPU仅访问片外程序存储器.即CPU直接从片外程序存储器0000H单元开始执行程序.在对片外程序存储器编程时，此引脚用于施加编程电压VPP.
7）P0口：
P0口是一个标准的双向8位并行接口，既可以作为通用I/O接口使用，也可以作为地址/数据线使用.由特殊功能寄存器P0管理P0口各位的工作状态，其地址为80H，各位地址为80H~87H.在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位数据，故这些I/O线有地址/数据总线之称，简写为AD0~AD7.在不做总线时，也可作为普通I/O接口使用.本课题采用P0口作为八段数码管字代码的输出口，由于P0口是漏极开路输出，在连接八段数码管时，需分别加上一个上拉电阻，同时可以防止LED数码管直接与高电位相连造成瞬间的大电流烧坏数码管.
8）P1口：
P1口是一个准双向的8位并行I/O口，主要作为通用I/O口使用，由特殊功能寄存器P1管理P1口各位的工作状态，其地址为90H，各位地址为90H~97H.STC89C52RC单片机的P1口除了可以作为一般的I/O接口，其中5位还有第二功能，见表2-1.由表可见P1.0、P1.1用于定时/计数器2，P1.5、P1.6、P1.7用于ISP功能，它的作用是把在PC上编号的程序通过所定义的这三根ISP接口线进行在线下载，即直接传输并固化到STC89C52RC单片机中的闪存中.固化时RST引脚要接到Vcc端，编程前首先要擦除该芯片，接入SCK引脚的时钟频率不能大于单片机频率的1/16.这种方法比使用一般的编程器廉价、方便.
表2-1P1口的第二功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出）
P1.1
T2EX（定时/计数器2的捕获触发和双向控制）
P1.5
MOSI（主机输出线，用于在系统编程）
P1.6
MISO（主机输入线，用于在系统编程）
P1.7
SCK（串行时钟线，用于在系统编程）
9）P2口：
P2口是一个准双向的8位并行I/O口，既可以作为通用I/O接口使用，也可以作为高8位地址线使用.由特殊功能寄存器P2管理P2口各位的工作状态，其地址为A0H，各位地址为A0H~A7H.在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8~A15.在不做总线时，也可以作为普通I/O接口使用.本课题中使用了P2.0~P2.3口通过电阻与PNP管的基极相连，PNP管的发射极与集电极分别接入电源和八段数码管的位选端相连，当P2.0~P2.3中有一位为低电平时，三极管导通，相应位选端被置高电平，对应位数码管显示数字.
10）P3口：
P3口是一个多功能的准双向8位并行I/O口，它的每一位既可以作为通用I/O接口使用，又具有第二功能，见表2-2.由特殊功能寄存器P3管理P3口各位的工作状态，其地址为B0H~B7H.本课题中使用了P3.0作为控制LED灯亮灭的输出端；P3.2口和P3.3口用做外部中断，P3.2和P3.3接入同一个信号接收端，分别用于控制灯的开启与熄灭；P3.4口与蜂鸣器回路连接，通过控制P3.4口的状态可以发出蜂鸣器警告.
表2-2P3口的第二功能
P3.0口的各位
第二功能的名称及作用
P3.0
RXD（串行口的输入端）
P3.1
TXD（串行口的输出端）
P3.2
INT0（外部中断0输入端，两种触发方式：
低电平触发和下降沿触发）
P3.3
INT1（外部中断1输入端，两种触发方式：
低电平触发和下降沿触发）
P3.4
T0（定时/计数器0中断的外部输入端）
P3.5
T1（定时/计数器1中断的外部输入端）
P3.6
WR（片外RAM写入选通控制端）
P3.7
RD（片外RAM读取选通控制端）
2.2.2数码管扫描电路
本设计中所使用的数码管为共阳数码管.当段选为低电平时，所对应的灯段点亮，各位的段选通过一个电阻与P0口相连，这里必须接电阻，防止发光二极管过功率烧坏.位选端通过PNP型三极管与电源相连，PNP型三极管的基极通过一个电阻与P2口相连，控制数码管显示数值的位，其电路如图2-4所示：
图2-4数码管显示模块
这里要特别注意数码管的位选端不能直接与P2口相连，在实际的电路调试中，若一开始将位选端与P2口相连，将会造成数码管各位显示的字段模糊，这是由于发光二极管属于二极管的一种，其发光主要是由于电子和空穴在该二极管的PN结处发生复合，并以光子的形式发出能量，当发出能量的波长恰好为某中可见光的波长时，就显示出该种颜色的光[5]，PN结的特性可知复合率和载流子的浓度等因素有关，因此必然和流过其内部的正向电流大小有关，而单片机的拉电流不足1mA，这就造成了流过各数码管LED灯的电流很小，亮度较暗，显示的字段难以分辨.而通过PNP管接地后，形成一个完整的回路，可以通过改变与LED灯串联的电阻大小来调节电流，在选择合适的阻值后，数码管各位均可正常显示.两位共阳数码管（四位共阳数码管即为两个两位共阳数码管并接）电路原理如图2-5所示：
图2-5两位数码管内部结构图
由图2-5原理图可知，当P2.0~P2.3口中的某一位为低电平时，其对应的PNP三极管导通，高电平VCC通过三极管输入到数码管对
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