基于单片机控制的智能台灯Word文件下载.docx

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从而使你养成良好的读书写字姿势，保护好视力防止近视眼，这个功能都是台灯根据人体探测电路的输出信号来控制，如果晚上工作学习太累不小心趴在台灯下睡着了，台灯的传感器检测到你距离光源太近，经提醒电路暗灯提醒未离开则在单片机程序控制下自动熄灭台灯，同时起到了省电的作用。

1.3论文研究的内容

本文设计了一种智能化台灯，一方面可以更节省电能，另一方面可以纠正使用者的坐姿。

同时智能台灯在黑暗的时候自动开关灯的功能也让使用者使用起来更方便，省去黑暗摸灯的麻烦。

本文对智能台灯各部分功能作用予以详细说明。

软硬件设计均采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调试。

第一章为绪论，主要阐述了智能节能台灯研究的背景及意义。

第二章对所设计的系统功能及结构框图进行了详细的介绍，接着完成了各个模块功能的分析以及主要器件的选型。

第三章对智能节能台灯的硬件进行设计，划分成为传感器信号处理以及在其控制下的灯光控制电路和提醒电路，分别设计出电路结构，并说明其功能作用。

并对电路中所涉及到的芯片进行了简单的介绍。

第四章介绍了智能节能台灯的软件设计，根据硬件结构，先画出总的程序框图，结合台灯设计需要的效果，用C语言编出程序。

第五章对已经设计完成的系统硬件软件进行仿真与调试。

2系统方案设计

2.1系统功能定义

本文所设计的智能台灯主要有三项功能：

第一，当人体在台灯的范围内且光强较弱时，自动感应开灯；

第二，当人体太靠近桌面时，台灯自动感应，警告纠正坐姿，若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭；

第三，当人离开时则自动关灯，达到节约能源的目的。

根据系统设计要求，本系统所具有的功能如下图所示：

图2.1系统功能框图

通过对系统功能的定义，可以将基于单片机控制的红外智能台灯系统采用人体热释电红外线传感器RE200B作为感应人体红外线的测量器件，它与光敏电阻以及传感信号处理集成电路芯片BISS0001构成传感器及信号处理部分。

DAC0832数模转换芯片作为灯光控制电路的一部分实现由数字量到模拟量的转换。

74LS1383-8线译码器芯片、DAC0832数模转换芯片、LM324运算放大器共同组成灯光控制电路。

整个系统控制由AT89S51单片机为核心构成。

根据系统功能要求，完成设计任务所需的系统硬件结构框图如下图所示：

图2.2系统硬件结构框图

本系统组成如上图所示，主要有以下基本分组成：

1）以RE200B、BISS0001及光敏电阻组成的传感器及信号处理部分：

监测人体辐射红外信号及光强信号经过处理后变成可处理的数字信号；

2）以AT89S51为核心组成的中央处理单元：

处理信号并发出控制命令；

3）以74LS138、DAC0832及LM324组成的提醒电路和灯光控制电路：

给出提醒信号并根据AT89S51给出的命令控制灯光。

2.2系统功能模块分析

2.2.1中央控制单元

在本系统中，中央控制单元居于非常重要的地位。

它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。

它一方面控制着传感器及信号处理部分对外部环境进行实时监测，另一方面也控制着提醒电路和灯光控制电路工作。

从而使整个系统进行正常的运转和工作。

针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了AT89S52芯片，AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元[1]。

此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。

2.2.2信号处理单元

传感器及信号处理部分对系统正常工作起着重要的作用。

本本系统中采用RE200B作为实时监测人体辐射红外信号的传感器，采用光敏电阻作为监测光强信号的传感器。

外部环境实时监测信号经传感信号处理集成电路芯片BISS0001处理后变成可处理的数字信号，交中央控制单元分析处理。

本次设计利用的传感器是热释电红外传感器。

传感器在电路中起着很大的作用，要利用它采集回来的信号去对灯光进行控制。

系统对热释电红外传感器的性能要求比较高，因为它采集回来的信号将直接影响灯光控制电路的控制行为。

首先，这种传感器要对人体发出的红外线感应很灵敏，而对其他的小动物发出的红外线不起作用。

其次是能够感应较远距离的红外信号，这就需要借助于菲涅尔透镜的聚焦作用。

热释电红外传感器RE200B是一种非常有应用潜力的传感器。

它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出[2]。

针对以上分析本系统采用热释电红外传感器RE200B作为监测人体红外线信号的传感器。

光敏电阻的重要特性是它的阻值大小随着环境光的改变而改变，当环境光比较强时，它的阻值减小，相反当环境光较弱时，它的阻值就会增大[3]。

本文的智能节能台灯设计也是利用了光敏电阻的这一特性，用它来感应环境光的强度。

若是环境光较强的时候，比如白天时，光敏电阻的阻值就很小，传感器信号处理电路会根据它的阻值进行相应的处理；

相反当环境光较弱的时候，比如晚上或者阴天时，它的电阻值就会变大，同时热释电红外传感器要是检测到有人在附近时，传感器信号处理电路就会把这些信号经过处理传到单片机控制电路，从而启动点亮台灯。

所以光敏电阻对环境光的检测在电路中也很重要。

对光敏电阻要求也很高，要对环境光比较敏感，及时把信号传送到信号处理检测电路。

传感器实时监测的信号为模拟信号，并不能直接被中央控制单元的单片机所识别这就需要在系统中添加一个能将传感器模拟信号变为数字信号的电路。

BISS0001就是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。

它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

它能将传感器的模拟信号迅速准确的转变为数字信号为单片机的正确控制起到很好的保证。

2.2.3灯光控制电路和报警电路

灯光控制电路及报警电路作为本系统的功能具体体现的重要模块实现对台灯灯光的控制以及防止过于靠近台灯报警的功能。

74LS138、DAC0832及LM324组成的提醒电路和灯光控制电路：

3—8线译码器74LS138和数模转换芯片DAC0832实现灯光慢慢变亮（暗）的过程。

LM324芯片作为放大器实现台灯的正常工作。

2.3本章小结

本章首先进行系统的方案论证。

根据对系统功能的定义，初步完成了系统软硬件的框图设计。

接着分别介绍了中央控制单元、传感器及信号处理单元以及灯光控制电路和提醒电路模块功能的分析以及主要器件的选型。

3.硬件电路原理及设计

3.1系统硬件电路工作原理

图3.1系统硬件组成框图

整个系统是以AT89S51控制下工作的。

其工作过程为：

当环境光比较强时，光敏电阻阻值比较小，信号处理电路检测到低电平信号，禁止热释电红外传感器工作，省去了AT89S51处理过程。

当环境光比较弱时，光敏电阻阻值变大，信号处理电路接收到高电平，从而启动热释电红外传感器工作。

热释电红外传感器1探测比较远的距离，当人体进入到传感器1的控测范围内且光强较弱时，信号检测电路处理信号，并向单片机发送一个中断，AT89S51启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮。

当环境光比校弱时，且人体过于靠近桌面，热释电红外传感器2检测到信号，同时了在热释电红外传感器1的控测范围内，信号处理电路同时向AT89S51发送信号，AT89S51处理信号根据优先级顺序，屏蔽掉热释电红外传感器1的信号，启动延时电路，发出警报使人离开，若在设定的时间内未离开桌面，则启动灯光控制电路，使灯慢慢熄灭。

当人体离开热释电红外传感器2的控测范围且在热释电红外传感器1的控测范围内时，灯光又慢慢变亮。

3.2功能模块电路工作原理

3.2.1传感器及信号处理

图3.2传感器及信号处理部分电路图

由红热释电红外传感器、光敏电阻、BISS0001组成的信号检测及处理电路。

红热释电红外传感器只对波长为10μm（人体辐射红外线波长）左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。

探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。

BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。

当外界光强较强时，光敏电阻阻值很小，BISS0001检测到低电平，从而封锁14脚，禁止传感器infare1的信号。

当外界光强较弱时，光敏电阻阻值很大，BISS0001检测到高电平，开启14脚；

infare1检测到人体信号时，产生微弱的信号输出，经R5、R1005、R4、C1、C6、C7组成的信号放大滤波电路。

R8、R9、C9和C10组成的延时电路。

信号经处理后从2脚输出。

环境光检测是比较重要的一个部分，其中关键的元件有两个，一个是光敏电阻，一个是10K的可变电阻（电位器）。

光敏电阻的检测能力的强弱（灵敏度）是根据那个可变电阻来控制的，有的人认为天色还挺亮的，灯就开了，那你就把电阻变大些，光敏电阻的灵敏度就下降了，这样就可以达到等天再暗些再开灯。

同样的，如果你觉的天色已经很暗了，灯还不亮，那你把电阻调小些就可以了。

这样多调几次，你就能把智能台灯调到一个最理想的最适合你的状态。

3.2.2单片机控制下的灯光控制及报警电路

图3.3单片机控制下的灯光控制及报警电路

由单片机组成的报警及灯光控制电路。

当外部无任何中断时，89S51控制74LS138的使能控制端，使后面电路不工作。

当有中断一产生时，89S51启动74LS138，向P0脚低4位发送信号，控制灯慢慢亮。

当中断1和中断0同时产生时，89S51屏蔽掉中断1，启动74LS138向P0脚低四位发送数据，使灯光慢慢变暗。

这里采用74LS138控制DC832可以节省80C51的管脚，有利于扩展，以便于控制多盏灯。

采用DC0832可以有效地使灯实现阶梯形的变化[4]。

3.3主要器件介绍

3.3.1AT89S51单片机简介

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51单片机主要功能特性：

◆8031CPU与MCS-51兼容

◆4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

◆全静态工作：

0Hz-24KHz

◆三级程序存储器保密锁定

◆128*8位内部RAM

◆32条可编程I/O线

◆两个16位定时器/计数器

◆6个中断源

◆可编程串行通道

◆低功耗的闲置和掉电模式

◆片内振荡器和时钟电路

AT89S51单片机引脚结构及功能说明[5]：

图3.4AT89S51单片机引脚图

本次试验的单片机AT89S51采用PDIP封装形式,引脚结构如上图1.2所示。

各对应引脚功能如下：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

表3-1P1口各引脚第二功能

端口引脚

第二功能

P1.5

MOSI（用于ISP编程）

P1.6

MISO（用于ISP编程）

P1.7

SCK（用于ISP编程）

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

表3-2P3口各引脚第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；

当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出[5]。

AT89S51单片机定时中断功能

MCS—51系列的单片机一般有两个内部的16位定时器/计数器．分别称为T0和Tl。

这两个计数器分别是由两个8位的RAM单元组成的，即每个计数器都是16位的计数器，最大的计数量是65536。

那么这个定时/计数器是如何产生定时作用的呢?

举个例子，如果将时钟定时到1分钟，那么秒针计数到60次后，时钟闹铃就会响。

这里有个计数和定时之间的概念转化，时间表示为秒针计数值，即秒针每一次走动的时间正好是ls。

单片机中的定时器和计数器是复用的，计数器是记录外部脉冲的个数，而定时器则是由单片机提供的一个非常稳定的计数源。

定时器是由单片机的晶振经过12分频后获得的一个脉冲源。

当单片机的晶振为12MHz时，计数值1代表的时间就是1us。

计数器的容星是16位，也就是最大的计数值到65536，因此计数计到65536就会产生溢出。

当定时器/计数器计溢出时，就会使得相关的寄存器标志产生变化，单片机将由此I而产生定时中断，在中断服务程序中处理定时到而需要完成的任务。

AT89S51平时是掉电的，INT0或INT1的下降沿唤醒CPU。

当INT0出现下降沿之后恢复为高电平时，CPU被唤醒，执行完INT0的中断服务程序后，CPU进入掉电状态，这时INT1的下降沿唤醒CPU时，只执行INT1的中断服务程序，这时很正常。

而如果是INT0出现下降沿后保持为低电平时，CPU被唤醒，执行完INT0的中断服务程序后，CPU进入掉电状态，这时INT1的下降沿唤醒CPU时，先执行INT0的中断服务程序，然后才执行INT1的中断服务程序。

3.3.2热释电红外传感器RE2008介绍

图3.5热释电红外传感器实物图

图3.6热释电红外传感器内部电路图

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。

它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。

热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

热释电效应是指当一些晶体受热时，在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷，由于热变化产生的电极化现象。

热释电传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。

当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；

若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

人体都有恒定的体温，一般在37°

C左右，会发出10mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。

红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生电压信号。

被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出[6]。

3.3.3光敏电阻

光敏电阻的重要特性是它的阻值大小随着环境光的改变而改变，当环境光比较强时，它的阻值减小，相反当环境光较弱时，它的阻值就会增大，这是跟它本身的制作材料有关的[5]。

要了解光敏电阻是如何工作的，先要对它的组成材料和内部构造有一定的了解，下面介绍光敏电阻的一些特性。

图3.7光敏电阻实物图

光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；

入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。

当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

1、光敏电阻工作原理

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。

2、光敏电阻的分类

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

紫外光敏电阻器：

对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线；

红外光敏电阻器：

主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。

锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中；

可见光光敏电阻器：

包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。

主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄