什么是人体感应智能照明控制器.docx
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什么是人体感应智能照明控制器
什么是人体感应智能照明控制器
1引言
在科学技术不断进步和能源利用日益紧张的状况下，节能减排自然成了社会所关注的焦点，因此各种智能节能产品层出不穷。
本设计正是为了响应节能减排的号召。
灯具作为千家万户不可缺少的用品，节能自然是基本要求。
因为难免会出现人离开了，但是忘记关灯情况，本设计所设计的智能光控人体感应灯正是为了解决这一问题。
这个光控人体感应灯可以广泛的应用在生活中的方方面面，比如安装在家里，楼道里，或者作为路灯使用也是不错的选择。
其目的都是为了节能。
它是一个利用单片机控制的小型设备，同时拥有光控模块和人体感应模块。
在白天或者是光照强度较高的情况下，由于有光控模块，所以该设备会始终保持关闭。
当夜幕降临或者光照强度低到预设的程度时，人体感应模块检测到有人靠近，就会立即启动照明电路。
当照明电路启动，又检测到人已经离开，则会经过预设好的短暂延迟之后自动关闭照明电路。
值得一提的是，通过调节光控模块，可以满足各种光照条件下的照明需求。
随着单片机技术的日益成熟，以及光控技术和人体感应技术的完善，使得本设计变得可以实现。
目前，经过设计与制作调试，本设备已经能够正常完成所有预设的功能。
能够切实做到人来灯亮，人走灯灭的功能。
2人体感应灯整体方案设计
这款设计主要是使用单片机和一些不同功能的模块共同组成的具有光控效果和人体感应能力的节能灯。
白天，因为有足够的光线强度进行照射，灯的自控开关会一直处于敞开状态，灯会是关闭的；晚上的时候，光线较弱，灯的自控系统会通过红外线感应人体信号，灯就会自动点亮。
在人要离开的时候，可以通过按键的设置来设置灯在自动熄灭时的延迟时间，这样，在人们离开以后，灯会根据感应信号的消失，在特定的时间时会自动熄灭，以此来达到节能的目的。
该设计改变了原有的设计思路，从而达到了节能降耗的目的，并且使用简单、灵敏、广泛使用性强。
详细模块框图如图1所示。
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图1系统模块框图
3总体工作方案电路图
将各模块的电路图连接起来组成总体工作电路图如图2所示。
该设计的主体思路：
在环境光线暗时，光敏电阻的阻值会无限制的增大，相当于是一条断路，在与该电阻相串联的一条支路上分的电压会减小并且连接在比较器的负端；在另外一条串联电路中，有滑动变阻器的支路，相比较分得的电压就会增大；在经过单片机进行电压数据比较时候，会根据数据来确定继电器的闭合和断开。
在红外系统检测到人体信号时，感应模块就会输出高电压，同时输送到单片机的P2.4端口和P1.0端口，在两个端口同时接受到数据时，在经过系统的检测，满足相应的条件时，从而控制继电器来点亮灯。
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图2总体电路图
4人体感应灯硬件电路设计
4.1STC12C5A60S2单片机
STC12C5A60S2单片机是基于51内核为基础的集成线路系统，单独的STC系统是建立在时间/机器周期为主体的芯片结构，属于名副其实的智能、低耗、抗干扰的新型单片机，不仅传承了原有8051的系统有点，提高了运作效率，而且内部配置了性能卓越的MAX810专用复位系统，更在4路PWM8路高速10位A、D转换的支持下，进一步提升了感应灵敏性和抗干扰能力。
STC12C5A60S2单片机最大优势就是运行速率快，在有限时间内，增强型的8051要比普通的8051快10倍以上；STC12C5A60S2的运行电压可调空间广，在5.5V--3.8V之间；耗能低，此设计可根据实际需求进行空闲和工作控制，大大节省了能源利用；以及更高的工作频率，其最高工作频率可达576MHz。
另外，该单片机具备全双工异步串行口（UART）,兼容8051串口，可快速实现指令融合和高速SPI通信等功能。
4.2光控模块
4.2.1光敏电阻
光敏电阻，顾名思义，就是对光线变化具有感应，从而对自身电阻值而产生变化的电阻。
它工作的主要原理就是自身有内光电效应。
这种电阻制作简单，在半导体光敏材料的两端装上电极引线，并且装在一个密封的管壳里就可以构成,如图4所示。
基于不同半导体导电能力的差异性出发，可有效根据载流子数目加以判定，因为载流子是半导体的核心部件。
当光敏电阻接受光照刺激时，半导体内电子趋于活跃状态，从而释放自身能量，这时电子会向自由电子装换，过程中伴随着空穴的产生，电子—空穴对就会降低电阻阻值。
光照越强，电子—空穴对就越多，阻值越低，形成正比关系。
一旦光敏电阻接通，就会有电流产生，而且电流大小和光照强度是呈正比的，光照强，通过光敏电阻的电流就越强，反之则相反。
如果光照变弱或消失，则电流相应减小，电阻凸显出来。
基于以上光敏电阻两端电流的变化趋势可知，电流大小和光照强度是呈正比的，只要有光线存在的地方，就会产生电流，而且随强度不断增大，实现了光电转换的功能。
光敏电阻就是普通的回路装置，直流电或交流电都可以使用。
光敏电阻又被称为光导管，它是对光线进行感应的一种光电元件，它是由半导体制作而成，它是利用内光电原理工作的，在光照射时，会使它的阻值变小，这种现象叫做光导效应。
一般都是采用敷、喷、烧结等多种不同的方法在绝缘衬底上安装很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，安装在可以透光的密封的套管内，防止受潮影响光敏电阻的灵敏度。
光敏电阻的原理结构如图所示。
在没有光照时，光敏电阻的阻值很高，在受到光照时，价带中的电子吸收光照中的能量，在价带中活跃到导带中，从而在价带中产生带正电荷的空穴，也可理解为电子—空穴对的起源，另外，电子—空穴对的介入，会不同程度的影响光敏电阻中载流子数量，载流子数量的减少势必影响电阻阻值。
由图3所示，光照消失，电子—空穴对复合，光敏电阻恢复原值。
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图3光敏电阻原理图
大量实践证明，光敏电阻只要通电，就会形成微弱电流，而在光照强度的刺激性，表现越来越明显，实现了光电转换的功能。
光敏电阻就是普通的回路装置，直流电或交流电都可以使用。
4.2.2光控模块设计
光控模块汇集了关敏电阻和分压型滑动变阻器的设计优势，如图4所示。
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图4光控模块
其光控模块工作机理：
当所处环境光线较强时，光敏电阻自动调节其阻值，并与相应滑动变阻器匹配，同时刺激单片机P1.0采样。
单片机中安置了AD转换器，可随时进行数模转换，这时光控模块可根据采样信息，进行联通或断开动作。
4.3人体检测模块
4.3.1红外热释电处理芯片BISS0001
所谓的红外热释电处理芯片BISS0001，指的是一款传感性能卓越的集成线路，凭借内部热释电红外传感器和外接元件，充分发挥了他独立感应处理功能。
一方面它能随时随地控制各类户外灯、自动门、烘干机和中央空调等装置，尤其是在公共场合，例如高级宾馆、大型商场、公司库房及别墅走廊等重要领域，另一方面还可高效应用于自动报警系统或安全区域照明等。
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通过热释电处理芯片原理可知，CMOS采用了16脚DIP封装，与阻抗运算放大器有机融合，并且匹配了延时继电器和封锁定时器，完全的独立数模混合系统，如图5所示。
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图5热释电处理芯片图
通常意义上的热释电效应，是根据物体表面温度的高低而产生的电荷有规律的运动现象。
而热释电传感器就是基于温度变化而设计的敏感性器具。
是由带电丰富的陶瓷元件或压电晶体组成，其光滑外表面作为电源的正负机。
当外界环境中有温度ΔT变化时，系统就会有电荷ΔQ移动，形成短暂的电压ΔV。
同时，传感器中安排一个特定的管道进行阻抗装换，防止大阻抗的干扰。
热释电效应中产生的电荷ΔQ，大部分会和空气离子抵消，也就是我们常见的温度恒定，传感器无动作想象。
然而当带有温度的人体进入检测范围，由于人体和环境温度的差异性，此时产生ΔT；假如人体保持不动，温度无变化，传感器也就没输出。
因此，此种设计只适用于活动的人体或动物检测。
4.3.2工作原理
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0 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都属于芯片BISS0001的基本构件，他们共同组成了数模高效集成电路。
根据图6可方便的进行工作原理领悟，不可重复触发工作方式下的波形。
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图6不可重复触发状态下的波形
第一步，根据实际需要，在运算放大器OP1的监督管理下，实现信号的放大处理。
然后传给OP2，进行重复式放大，同时升高直流电位到VM（≈0.5VDD）后，将输出信号V2送到COP1和COP2的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。
基于系统中VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，因此，一旦VDD=5V，就会出现±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。
COP3是一个条件比较器。
当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。
当A端接“0”电平时，只要有Tx的存在，就可全程无视V2的变化，直到Tx运行结束，即不可重复触发模式。
而当Tx达到设定时间后，Vo自动断开继电器，恢复低电平状态，封锁时间定时器开始进行运行，无论封锁周期Ti受到何种感应，V2的变化都无法控制Vo的闭合，只能起到有效减少干扰程度或负载转换作用。
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&N+^0如图7所示，可重复触发状态下的波形。
波形在Vc=“0”、A=“0”期间，很显然信号Vs无法触发Vo定义为有效状态。
当Vc=“1”、A=“1”时，Vs不仅可重复触发Vo，而且可促使Vo在Tx内连续有效。
在Tx有效范围内，若Vs上跳变，则Vo会相应增加一个Tx周期；若Vs处于“1”，则Vo为有效状态；若Vs为“0”，Vo则在Tx结束后，变为无效，即使在封锁时间Ti内，Vs也无法触发Vo转变为有效状态。
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图7可重复触发状态下的波形
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4.3.3功能特点
人体感应模块具有全自动感应、光敏控制、感应封锁时间等功能。
同时还具有工作电压范围宽、低功耗、输出高电平信号等特点。
1.自动感应：
当环境满足人体红外或光源辐射时，则有电流干扰，而当环境无法满足时，电流自动反应，做出关闭电平动作，即输出低电平。
2.光敏控制：
可充分分解需求进行设置，并且系统内专门预留了位置，用来判断和区分感应条件，进行合理的光敏控制。
两种触发方式：
L不可重复，H可重复。
可跳线选择，默认为H。
A.不可重复触发方式：
当满足电流输出时，则进行设定时间递减，只要到达设定时间，系统则会自动进行高低电平的装换，此过程为不可重复、不可逆的。
B.可重复触发方式：
当环境满足高电平接通后，如果一直有信号干扰，则继电器一直保持闭合状态，只有当环境无法满足电路接通条件时，继电器才会安装设置在时间结束后，断开开关。
3.感应封锁时间（一般默认为3-4秒）：
感应封锁时间一般设置在高低压电平动作之后，即一个完整的感应过程之后，封锁所有信息感应区域，此时任何信号都无法接通继电器和电源。
此应用最大的优势在于，可以在感应时间和封锁区域内进行不同工作设置，既可研发间隔探测技术，又可减少负载压力，控制整个高低电平转换过程的各种干扰。
4.电压调节范围广：
工作电压维持在DC5V至20V之间，可调节范围广。
5.损耗小：
一般状态下电流保持在65微安，损耗小，特别适用于干电池供电系统，节约能源。
6.输出高电平信号：
有效连接各种类型电路，用途广泛。
4.4显示倒计时模块设计
此设计的显示倒计时模块采用了LED数码管为主体，三条闭合线路为辅助机构，共同完成时间设定。
段选接P0口，再接排阻。
位选分别接P2.7，P2.6，P2.5端口。
一旦接通延时继电器，数码管则进行设定时间递减。
当线路未接通，数码管则显示00。
显示电路如图8。
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图8显示电路
4.5控制模块
该模块主要采用单片机，其电路图如图9所示。
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图9控制模块
其功能模块的运行机理：
在现实运行环境中，一旦有人体红外信号或光源辐射时，即P2.4检测口出现电压干扰，此时，单片机P1.0口发出开关触动请求，另一端口P2.0则在P1.0的邀请下，做出联通动作，实现继电器闭合、灯泡发光控制。
在日常生活中，楼道灯的控制也是基于此原理，当在黑暗中系统检测到人体红外或光信号时，单片机在相应模块的控制下，照亮整个楼道，这是数码管开始启动，进行时间递减，如果在设定的时间内，未检测到信号或光辐射，系统则会按照设定，断开继电器，关闭楼道灯，如果检测要信号，则会继续接通电路。
4.6按键电路设计
在本次设计中采用了按键合成轻触开关系统，其设计原理：
基于三个电路都为互不关联的开关模式，所以，采取分别接地措施，既可实现按键功能，又可简化连接，一举两得。
然后在三个按键处依次布置键的功能，用来连接P3.0、P3.1、P3.2 IO口。
这样就能轻松设置时间限制了，而且还能通过功能键进行时间调整，调节范围在0到100之间，单击一次设置键表示确定，单击两次则可返回时间设置命令，如此重复，加减时间瞬间即可搞定。
时间设定完毕后，则要进行一次单片机内部存储设置，目的是让系统保存这些数据，在停电状态下，我们的设置不至于失效。
如图10所示。
图10按键电路
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5焊接与调试
本电路采用了STC12C5A60S2单片机，该单片机管脚数量多且密集。
因此，在焊接的过程还是遇到了不少的麻烦。
稍有不注意就会将相邻的两个引脚焊接到一起，为了避免这种情况的发生，应该选用更为细小的焊头。
在焊接的过程中，应该注意焊点的美观，注意焊接的技巧，尽量使焊点平滑美观。
焊接完毕之后，随即进行调试，以确保所设计的功能能够正常运行。
经过调试，出现了一下几个问题。
1.强光环境下，仍然能够启动照明电路。
如图11所示，环境光照强度较高，当靠近设备时，灯自动被点亮。
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图11强光环境下出现故障
经过检查发现，出现该情况的原因是由于电位器的电压设置偏高，使得光敏电阻阻值偏低的情况下，也能分到足够的电压，从而触发照明电路。
解决方案：
在不同光照条件下调整电位器的设置，使其输出一个合适的电压，从而实现在弱光条件下才能触发照明电路的功能。
2.在弱光条件下，有人靠近该装置，仍然不能点亮照明灯。
如图12所示，在用黑色遮罩物将设备与周围环境隔开，避免光线影响的情况下，有人靠近设备，仍然不能点亮照明灯。
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图12有人靠近时出现故障
经过检查发现，出现该情况的原因是由于热释电模块的感应距离与范围有限，使得我需要在非常接近该设备的情况下才能被感应到。
解决方案：
在热释电模块上添加一个菲涅尔透镜，用以加强该模块的感应距离和范围。
3.调试按键电路是否正常工作如图12所示，其中图13（a）为设置状态，当处于设置状态时，LED灯会不停闪烁；图13（b）图为设置完毕状态，设置完毕后，LED灯会停止闪烁，并显示设置好的延迟时间。
若按下复位键，延迟时间则会恢复到预先设置好的初始延迟时间。
最终，在调试完毕后，该设备能够实现所有预先设计好的功能。
无人靠近时的正常工作状态如图14所示。
无人靠近时，LED显示000，人体感应模块红灯不闪烁。
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（a）设置状态（b）设置完毕状态
图13调试按键电路
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图14无人时正常工作状态
有人靠近时的正常工作状态如图15所示。
有人靠近时人体感应模块红灯亮起，照明灯立即被点亮，并且LED灯会显示预先设置好的自动熄灭延迟时间。
当处于照明灯被点亮的正常工作状态时，人体感应模块检测到人已离开，人体感应模块的红灯则会开始闪烁，LED灯显示的数字开始变化，进入倒计时状态。
当倒计时变为000时，人体感应模块的红灯会和照明灯同时熄灭。
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图15有人时的工作状态
总结
本设计结合单片机，光控模块，人体感应模块以及按键电路实现了人来灯亮，人走灯灭的功能。
经过最初的构思，设计与制作调试，至此，已全部完成。
由于本设计的主要功能是照明，所以它可以很好的应用到各种环境中。
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