智能台灯控制器本科毕业设计论文

本科毕业设计（论文）( 2013届 ) 题 目： 智能台灯控制器 学 院： 职业技术教育学院 专 业： 应用电子技术教育 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 合作导师： 职称： 完成时间： 2013 年 4 月 28 日 成 绩： 智能台灯控制器浙江师范大学本科毕业设计(论文)正文一 绪论21.1 研究背景21.2研究的意义31.2.1在节约电能方面的意义31.2.2对使用者的眼镜保护和坐姿调整41.3 系统的设计要求51.4研究内容5二、AT89C51单片机的选择及功能简介62 .1 系统的组成及硬件设计62.2 AT89C51单片机简介72.3主要功能特性72.4 引脚结构及功能说明8三、传感器的选择及功能介绍103.1热释电红外传感器103.1.1概述113.1.2热释电红外传感器工作原理113.2光敏电阻123.2.1概述133.2.2光敏电阻工作原理13四、硬件电路原理及设计134.1 光照检测电路的设计154.2 LED灯控制电路设计154.3 单片机最小系统164.3.1 时钟电路174.3.2 复位及复位电路18五 系统软件设计195.1 开发语言简介195.2总体程序框图205.3主程序流程图21 5.4单片机程序22 5.5智能台灯测试结果24六 总结26参考文献27 智能台灯控制器 摘要： 随着时代的进步和发展，单片机和传感器技术已经普及到我们生活、工作、科研等各个领域，已经成为了比较成熟的技术。本文将介绍一种基于单片机、红外热释电传感器、以及LED灯组成的智能台灯控制器，从硬件和软件两方面介绍了AT89C51的智能台灯控制器的设计，并对硬件原理图和程序作了简洁的描述。本控制器的主要功能为当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，自动感应开灯；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。当人离开时则自动关灯，达到节约能源的目的。关键词：AT89C51；光敏电阻；LED ；红外传感器Intelligent Lamp ControllerAbstract: With the era of progress and development, microcontroller and sensor technology has spread to live, work, research and other fields, has become a relatively mature technology. This article introduces a microcontroller, pyroelectric infrared sensor, LED lights, and a smart lamp controller-based AT89C51 intelligent lamp controller design, both hardware and software, and hardware schematics, and procedures concise description. The main function of the controller when the body within the scope of the lamp and the ambient light intensity is weak, auto-sensing lights; when the body is too close to the desktop lamp auto-sensing warning to correct posture, in a certain period of time not to leave the desktop automatically turns off. Automatically turn off the lights when people leave, to achieve the purpose of energy conservation.Keywords: AT89C51 the photoresistor ；LED ；infrared sensor1 绪论1.1 研究背景社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用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。随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机， 智能电饭锅，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，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。随着智能控制理论和人类智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的家用电器会更多地出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多地改进现行家用电器，而且将会产生全新的家用电器。家用电器因为单片机的加入而走向智能化，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着家用用电器的发展越来越方便、舒适。随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能化。虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的台灯已经感受到产品更新换代的威胁。与其他的智能化家用电器一样，智能化台灯有许多普通按键台灯所无法比及的优势，智能化台灯一方面可以更节省电能，有利于环保，另一方面可以纠正使用者的坐姿，预防脊椎变形和眼睛近视。同时，智能台灯在黑暗的时候自动外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。智能型电器产品由于它们的巨大优势将渐渐进入人们的生活中。台灯不仅在功能上日趋向智能化，同时在外观上已逐步向组合化、装饰化、情趣化方向发展。组合化是随着人们生活节奏的加快，一些方便实用、新颖、美观的组合台灯正在市场上兴起，有闹钟与台灯组合的，有小型取暖器与台灯组合的，有微型电讯与台灯组合的，还有把笔架、文具盒、像片框与台灯组合的等等，使台灯更具有实用性。装饰化，装饰化台灯注重装饰效果，体现鲜明的艺术特色，使台灯成为一件具有实用性的艺术品。由于这些台灯不但具有现代工艺性，而且式样多变，工艺精湛，造型也別具匠心。质料上不再是单一塑料制品，还采用不锈钢、铜、玻璃等材料制成，风格各异。有乳白、橘黄、草绿、玫瑰红、湖绿等颜色，消费者可按房间装饰风格及家具风格来选购不同款式、质料的台灯，使台灯与室内布置形成一个完善的艺术整体。情趣化，情趣化台灯往往以小巧玲珑、想象丰富等特点而颇受青少年青睐。基于以上背景，我们提出了基于单片机的智能岩体声发射监测仪的设计。1.2研究的意义 1.2.1在节约电能方面的意义我国政府非常重视节能和节约。1997年11 月 1日我国颁布了中华人民共和国节约能源法，节能已经是法律上的规定，是我国重要国策之一。北京2008年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运” 的方针，充分体现政府节能，节约的决心！国家发改委提出了“电机系统节能工程”、“建筑节能工程”、“绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2. 4亿吨标准煤的目标。2006年1只将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”，2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”06501892005 要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少50%。广大电气技术工作者只有认认真真研究节约电能的理论和技术，幵发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。照明节能意义重人，我网照明耗电 大体占全国总发电量10%12%，2003年我国总发电量为18500亿度，按12%计，照明 耗电达2220亿度。据资料报道，问前城市照明（指景观照明和功能照明的统称），年用电量约占全国总发电量的4%5%。照明节能主要从三个方面入手：选用高效节能的电光源和灯具；选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；配置适宜，先进照明控制装置。目前我国城市公共照明毎年开支达数百亿元。应积极推广釆用国际上流行的全数字 智能路灯节能控制技术：即智能光源降压稳压调光技术。它的技术思想为：在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；后半夜车稀人少时，控制路灯保持较低的照度的照明。在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和椎广，节电率高于30%。我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工人楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统”，在城帘道路照明应用巾运行效果优良。今后尚需政府 的行政支持。智能节能台灯最大的优点就是省电和方便。方便不用多说了，来之则亮去之则暗， 不用动手。省电是比较重要的，现在全世界都缺少电能。2003年，美国和加拿大大面积停电。我国也是，每到夏天就有很多省市拉闸限电。如果用上我们的智能台灯，那么假设一天我们可以节省10min的开灯时间，灯上装的是10W的节能灯泡（一个10W的节能灯泡相当于40W的白炽灯泡)。节省的电能为10W600S = 6000J，个月(30天) 就能节省180000J，一年就能节省2190000J的电能，相当于0.6千瓦时。不要小看这个 0.6千瓦时的电能。如果全国人都能每年节省0.6千瓦时的电能，那么每年全国会省下 7.8亿千瓦时的电能，这7.8亿千瓦时的电能相当节省接近4亿人民币，4亿人民币可以建造多少所希望小学，可以救助多少无家可归的孤儿，可以圆多少贫穷的孩子无法圆的上学梦啊！更重要作用的是环境保护。大家都知道我国有70%的电能来自火力发电厂， 而火力发电厂少发一度电（就是1千瓦时）会减少1千克的CO2排放。那么节省3.9亿 度的电能就等于少向人气排放39万吨的CO2，而CO2是温室效应的罪魁祸首。就是因为全球向大气排入过多的CO2，导致了温室效应的加剧，海平面上升，大片的土地被淹没，气候变暖，降水和土壤湿度进一步减少，气候逐渐干旱，土地沙漠化和草原退化将变的更加严重。智能节能台灯在节约电能的同时也保护了自然环境，一举两得。1.2.2对使用者的眼镜保护和坐姿调整近年来，我国青少年近视发病率节节上升，发病人数居全球首位，达到历史空前水平。全国政协委员、沈阳何氏眼科医院院长何伟呼吁，关注我国青少年视力健康，切实加强中小学生近视眼的防治工作刻不容缓。何伟委员告诉记者，目前我网共有四亿多近视眼患者，以13亿人口计，约每3个人中就有1个是近视眼，特别是青少年近视的发病率居世界第二，人数居世界第一，且渐趋低龄化，中小学生近视检出率为53.8%(城 市60.7%、农村30.7%)，髙中以上学生更是高达70%。近视正严重危害青少年的健康成长，同时影响我同高素质人才职业的筛选，缩小特殊职业人员的选取范围，更是对实现我国二十一世纪健康目标的严重挑战。多年来近视眼病在我国、日、韩和东南亚地区特别严重，时时影响着青少年的学习、健康、工作和生活。近年来我网近视眼患病率已上升到世界第二位，仅次于日本，总数量居世界第一。近视眼病的防治是一种世界性的重大难题，迄今没有治愈的有效药物和方法。市售的药物和器具只能起到一定的调理和缓解作用，而手术和激光治疗有严格的年龄限制，而且还包含着严重的隐患和风险。除了遗传原因，诱发学生患近视眼病的报源有多种，必须从诱发的所有根源上做起，才能真正防止。我国的中小学生之所以出现这么严重的近视问题，原因是他们在平时在灯下学习或做作业的时候不注意坐姿，由于离光源太近，久而久之使视力下降，出现了近视眼。目前市场上出售的调光台灯多为手动式，即根据使用者的需耍，用手转动调光旋钮，改变 台灯的亮度，里然有节约用电的作用，但无防近视功能。为使中、小学生在灯下看书或做作业时，不能离灯过近，若超过规定(即调定)的距离，灯光便自动变暗乃至熄灭，而离开规定距离，灯光则自动变亮，我们设计了一种智能台灯。它可以在使用者看书写字姿势不正确或者距离台灯太近的时候，灯光会慢慢变暗提醒你纠正，直到你坐姿完全正确为止。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，这个功能都是台灯报据人体探测电路的输山信号来控制，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跑离光源太近，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 系统的设计要求1.3.1 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89C51处理过程。1.3.2 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。1.3.3 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，89C51启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮，并同时屏蔽掉热释电传感器1。1.3.4 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，信号处理电路同时向89C51发送信号，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的控测范围内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。1.4研究内容随着智能化技术的飞速发展，智能化家用电器的日益普及，作为千家万户日常使用的家用小电器-智能节能台灯也应运而生。智能台灯是利用单片机的本文设计是选择AT89SC51作为控制芯片。将硬件设计分为传感器及信号处理部分、以80C51组成的中央 处理单元、提醒电路及灯光控制电路。对各部分功能作用予以详细说明。软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。本文第一章为绪论，阐述了结合了单片机的智能化技术在家用电器领域中的应用， 详细介绍了智能节能台灯研究的意义及未来台灯的发展趋势。第二章对中央控制单元做了详细的介绍，选择了AT89C51作为控制器，对其功能、 特性做了详细说明。第三章对传感器的概念及其特性进行简单的介绍，对本文设计用到的热释电红外传 感器和光敏电阻的工作原理及其特性进行详细的说明。第四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，单片机最小系 统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，说明其功能作第五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 第六章是本论文的总结2 AT89C51单片机的选择及功能简介2 .1 系统的组成及硬件设计我们设计的智能台灯控制器是由中央处理器AT89C51、光敏检测电路、红外检测电路，声音提醒电路以及灯光控制电路所组成。本文将从硬件和软件两方面介绍台灯控制系统的设计，对硬件设计和程序设计作了详细的描述。硬件框图如图2-1所示。主要由三部分组成：（1）传感器及信号处理部分：检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89C51组成的中央处理单元：处理信号并发出控制命令。（3）提醒电路及灯光控制电路 ：给出提醒信号并根据80C51给出的命令控制灯光。图2-1 系统框图2.2 AT89C51单片机简介AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)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ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89C51有如下特点：40个引脚，4K Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM), 32个外部双向输入/输出（I/O) 口，5个中断优先级2 层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT) 电路，片内时钟振荡器。此外，AT89C51设计和配置了振荡频率讨为0HZ并通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU哲停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。2.3主要功能特性 8031 CPU 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足 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2.4 引脚结构及功能说明 图2-2 AT89S51单片机引脚图本次试验的单片机AT89351釆用PDIP封装形式，引脚结构如上图2-2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位漏级幵路双向I/0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FLASH编程时，P0 口作为原码输入 口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。端口引脚第二功能P1.5MOSI（用于ISP编程）P1.6MISO（用于ISP编程）P1.7 SCK（用于ISP编程） 表1-1 P1口各引脚第二功能P1 口： Pl 口是一个内部提供上拉电阻的8位双向1/0口，Pl 口缓冲器能接收输出 4TTL门电流。Pl 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，Pl 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FLSH编程和校验时，Pl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 P, P2 口缓冲器可接收，输山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 当用了外部程序存储器或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 口输山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1/0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1-2 P3口各引脚第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2LNT0（外中断0）P3.3LNX1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0外部输入）P3.5T1（定时/计数器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）I/O 口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线。经过某种运算或变换后再写回到端门锁存器，只有读端门时才真正地把外部的数据读入到内部总线。上面图中的两个三角形表示的就足输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的不需要我们操心1然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错为什么看上而的阁如果不对端口置1端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为OQ为 1加到场效应管栅极的信号为1该 场效应管就异通对地呈现低阻抗，此时即使引脚上输入的信号为1也会因端口的低阻抗而使信号变低使得外加的1信号读入后不一定足1若先执行置1操作则可以 使场效应管截止引脚信号直接加到三态缓冲器中实现正确的读入由于在输入操作 时还必须附加一个准备动作所以这类l/O 口被称为准双向口 89C51的P0/P1/P2/ P3 口作为输入时都是准双向门接下来让我们再看另一个问题从图中可以看出这四个端口还有一个差别除了 P1 口外P0P2P3 口都还有其他的功能。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持83丁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:当疋八保持低电平时，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。3 传感器的选择及功能介绍3.1热释电红外传感器 本次设计智能节能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，要利用它釆集向来的信号去对灯光进行控制。热释电红外传感器本身釆集到的信号是很微弱的，感应的范围也很小，但是在它正面加上一个菲涅尔透镜以后，它的信号采集范围剩可以增大到20米左右。本次设计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跑离的红外信号，这就需要借助于菲涅尔透镜的聚焦作用。下面开始详细介绍热释电红外传感器的工作原理以及工作特性。3.1.1概述本系统采用的热释电传感器成品的引脚示意图如图2.7所示，引脚功能如下：数字1脚：电源负极数字2脚：信号输出，高电平有效，46V和工作电压有关数字3脚：电源正极 DC69VW1：灵敏度调整 W2：输出延时调整 5120秒图3-1 热释电红外传感器的引脚示意图它的技术参数如下：1、工作电压：DC69V2、电平输出：和电源电压相同3、感应角度：水平：90140度；垂直：1530度4、静态电流：小于750A5、无信号输出：0V6、感应距离：0.515米7、外形尺寸：28mm38mm 高25毫米（最高点）8、输出电平：46V与工作电压有关9、工作时间：可调5-120秒范围当探测器检测到异常的情况，由2脚输出一个高电平，发送到单片机上，单片机做出报警处理。3.1.2热释电红外传感器工作原理 热释电红外传感器和热电偶都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。通常，晶体内发极化所产生的朿缚电荷被来內空气屮附着在晶体 表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的 正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的 状况正比于极化程度。 热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它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T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷0,即在两电极之间产生一微弱电乐V。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Q会跟空气巾的离子所结合而消失，当环境温度稳走不变时，T=O,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T，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。被动红外探失，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都有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输3.2光敏电阻 光敏电阻的重要特性是它的阻值人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。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，比如晚上或者阴天吋，它的电阻值就会变大，同时热释电红外传感器要足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。要了解光敏电阻是如何工作的，先要它有一定的了解，下面介绍光敏电阻的一些特性。3.2.1概述 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。光敏电阻器一般用厂光的测量、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）内就激发出电子一空穴对，参与导电，使电路中电流增强。3.2.2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，并在价带屮产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子一空穴对增加了半导体材料中载流子的数问，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 产生的电子一空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。4 硬件电路原理及设计图4-1 原理图 整个系统是以80C51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80C51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，80C51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80C51发送信号，80C51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。4.1 光照检测电路的设计 本设计的光照检测电路设计采用光敏电阻元件检测外界光照的变化情况。将光照的强度转换成了一个连续变化的电压信号，我采用了比较器电路来判断电压信号的大小，进而判断光照强度的强弱。通过对比较器电路的设计和对比较电压的调整决定什么光照下可以开灯、什么光照下必须关灯。最后将这一控制信号送到逻辑判断电路，供逻辑判断电路使用。下面我们将对这部分内容进行详细介绍，其电路设计如图4-1所示。图4-1 光敏检测电路设计中我们采用LM358作为专用比较器，其输出为集电极开路输出，两个比较器的输入可直接并联，共用外接电阻，它可以双电源供电，也可以单电源供电。由比较器LM358的输入状态不同就导致了比较电压也随之不同。当光线比较强时，比较器的输出为低电平，这时比较器的比较电压很小，几乎为零。当光线由强变弱时，由前极放大电路输出的电压值由大变小，当低至比较电压以下时，LM358输出状态发生变化，从低电平变为了高电平，表示光线已经很暗了。同样的，当光线很弱时，比较器的输出为高电平，这时比较器的比较电压就稍大一些了，大概在0.8V左右（可通过R16调整），当光线由弱变强时，由前极放大电路输出的电压值由小变大，当高至比较电压以上时，LM358输出状态发生变化，从高电平变为了低电平，表示光线已经比较亮了，能够满足需要，可以关灯。根据这一信号送到逻辑判断电路去参与逻辑判断决定什么光照下可以开灯、什么光照下必须关灯。4.2 LED灯控制电路设计LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写。最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。总的来说，Led是一种半导体固体发光器件，有体积小、重量轻、亮度高、能耗低、寿命长、安全性高、色纯度高、方向性好、维护成本低、环保无污染等优点。本文设计采用三个LED灯代替台灯。LED灯控制电路设计图如图2.8所示。图中单片机P2.2脚输出的控制信号通过三极管9015放大后对发光二极管进行控制，光的亮暗程度通过PWM方法控制。 图4-2 LED灯控制电路设计4.3 单片机最小系统单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统包括：单片机、晶振电路、复位电路。前面已经提到单片机选用AT89C51。单片机及外围电路如图4-3所示。图4-3 单片机最小系统 4.3.1 时钟电路 AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图4-3（a）所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。图4-4（a）内部方式时钟电路 图4-4（b）外部方式时钟电路外部方式的时钟电路如图4-4（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。4.3.2 复位及复位电路 （1）复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表4-1 所示。表4-1 一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIP000000BSBUF不定IE0000000BPCON00000BTMOD00H（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图4-5所示。图4-5 复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图4-6(a)所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。图4-6（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图4-6(b)所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图4-6(c)所示。上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统的复位电路采用图4-6（b）按键脉冲复位方式。5 系统软件设计前一章我们对本系统的硬件设计原理从整体到部分都进行了分析，如果把整个设计比喻为一个人，那么硬件部分就相当于人的躯体而软件部分才是人的灵魂。要使系统能够实现我们设计的功能，除了硬件部分的设计，还要编辑对应的软件。本章就是在前两章的系统硬件设计的基础上，设计了相应的软件系统。本系统软件编辑语言主要采用C语言，编辑环境为Windows集成开发环境，此环境使用方便，支持单片机种类更多。5.1 开发语言简介C语言是目前国际上广泛流行的一种结构化的程序设计语言，它不仅是开发系统软件的很好的工具，而且也是开发应用软件的很好的程序设计语言。C语言属于中级语言，因为它把高级语言的先进思想与汇编语言的控制和灵活性有机的结合起来。另外作为一种结构化语言，它可以把程序模块化，使大程序的设计简便，并且它有很好的移植性。用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，以研制出规模更大、性能更完备的系统。综合以上C语言特点，用C语言来编辑单片机程序，更为简单、明了、在硬件上也更易于实现。所以也可以称C语言是开发单片机系统的理想语言，用C语言进行AT89C51单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。5.2总体程序框图 图5-1 整个系统程序总框图 5.3主程序流程图 图5-2 整个系统程序流程图5.4单片机程序#include#include#include stdio.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit bz=P24;sbit led=P22;uint t0,t1;uchar floag=0;uchar y=0;/延时/void delay(uint delay) /延时函数 uchar i,j; uint v; for(v=delay;v0;v-) for(i=24;i0;i-) for(j=246;j0;j-); /中断初始化/void into_init()TMOD=0x11;TH0=(65536-60000)/256;TL0=(65536-60000)%256;TH1=(65536-60000)/256;TL1=(65536-60000)%256;TR0=1;TR1=1;ET0=1; ET1=1;IT0=1;EX0=1;EX1=1;IT1=1;EA=0;/主函数/void main()into_init();/中断初始化t0=0;led=0;delay(10000) ;/延时10SEA=1;/打开中断总开关while(1)if(t0=1000) /触发延时时间 t0*60mst0=0;/中断0 报警信号触发/void INTO_interrupt()interrupt 0uint i,t;t1=0;y+;if(y=5) /48s内触发5次，灯灭（靠近桌面太近，时间长，灯灭） y=0;led=0; /灯灭delay(1000);if(floag=1)/报警蜂鸣器驱动for(t=0;t=800)t1=0;y=0;5.5智能台灯测试结果 5.5.1单片机晶振两端波形 图5-3 单片机晶振波形 结论：频率正常，成功起振。5.5.2.人体靠近时所对应的波形 在照明不好的晚上，人体靠近台灯1m，但没有接近10cm时，探测器1检测到信号，经过处理后发送到单片机上，单片机控制光照电路，灯亮。 如图5.5.2（黄色波形） 图5-4 触发信号 当人体靠近台灯10cm时，探测器2检测到信号，经过处理后发送到单片机，单片机控制报警电路报警。如图4（蓝色波形） 图5-5 报警信号注：当人体靠近台灯10cm，报警过后仍然没有远离台灯，在48s后，台灯熄灭。六 总结 本课题的研发工作经过几个月的不懈努力，目前基本达到了预期的要求，可得到如下结论：（1）系统功能齐全，能实现自动开灯，当靠近时及时发出信息提示，有效的预防近视。（2）系统采用模块化的设计思想，从而使整个系统的功能更完善、灵活、可调。（3）系统硬件电路简单、安装方便、操作简单，可适用于各种类型的住宅和人群。参考文献1 吴英才，林华清.热释电红外传感器在防盗系统中的应用.传感器技术，20022 马忠梅.单片机的C语言应用程序设计(第3版) M.北京:北京航空航天大学出版社，20033 张洪润，张亚凡.传感器技术与应用教程M.北京：清华大学出版社，20054 李全利，仲伟峰，徐军.单片机原理及应用M.北京：清华大学出版社，20065 谢自美.电子线路设计、实验、测试M. 北京：华中科技大学出版社 ，20066 余小平，奚大顺.电子系统设计M.北京：航空航天大学出版社，20077 来清民.传感器与单片机接口及实例M.北京：航空航天大学出版社，20088 刘健，徐炜，伊均萍，刘良成.电路分析M.北京:电子工业出版社，20059李全利，单片机原理及应用，北京，清华大学出版社，2006.210位永辉;杨威， 基于BISS0001的智能台灯设计，电子元器件应用，2010，第7期 11 AT89C51 DATA SHEEP Philips Semiconductors 1999.dec 12Yang. 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