教室节能照明智能控制系统硬件系统电路设计方案.docx
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教室节能照明智能控制系统硬件系统电路设计方案
教室节能照明智能控制系统硬件系统电路设计方案
1.1单片机系统电路设计
1.1.1复位电路设计
AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
[5]
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。
只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。
时钟频率用12MHz时C取22uF,R取1KΩ。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。
本设计就是用的按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
时钟频率选用12MHz时，C取22uF,Rs取200Ω，R0取1KΩ。
如图1.1为复位电路图。
图1.1复位电路图
1.1.2时钟电路设计
AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。
单片
机的时钟产生方法有两种。
内部时钟方式和外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。
本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。
振荡晶体可在1.2MHz到12MHz之间选择。
电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。
所以本设计中，振荡晶体选择12MHz,电容选择65pF。
[15]
在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能
靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。
为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。
NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。
它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。
[16]如图1.2为时钟电路图。
图1.2时钟电路图
1.2人体红外检测电路设计
人体红外信号检测电路用来监控照明控制单元里是否有人进入。
通过检测是否有人体红外信号来实现这一功能。
人体辐射的红外线中心波长为910μm测元件的波长灵敏度在0.2～20μm范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
[20]
图1.3人体红外检测电路框图
如图1.3所示，该模块由三部分组成，包括：
菲涅尔透镜，热释电红外传感器以及相应的传感器信号处理电路。
人体热释红外信号通过菲涅尔透镜聚焦，传给热释电红外传感器PIR，然后PIR将物理信号转换为微弱电信号，接着PIR信号处理电路将微弱电信号进行处理，生产单片机可识别的数字信号。
最终有人时，PIR输出为高电平；无人时PIR输出为低电平。
这就是该电路模块要实现的功能。
图1.4人体红外检测电路图
硬件电路如图1.4所示。
热释电红外传感器（PIR）RE200B对人体信号进行检测，红外传感信号专用处理芯片BISS0001对所采集信号进行初步处理。
RE200B的D、G、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。
输出信号VO接单片机，供其读取。
采用热释电传感器的优势是成本低，不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性好，可流动安装,，敏度高、控制范围大。
热释电红外传感器利用热释电效应，能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号同时，它还能鉴别出运动的生物与其他非生物。
1.3可见光检测电路设计
如图1.5为可见光检测电路图。
图1.5可见光检测电路图
使用一个光敏电阻，电压比较器U3为电压比较器集成芯片LM339的一个单元，电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。
可调电阻用来设定与所要设定照度值对应的比较电位。
可调电阻用来设定与所要设定照度值对应的比较电位。
本设计使用了一个比较器集成电路模块LM339，它类似于增益不可调的运算放大器。
LM339是集成了四个比较器的芯片，尽管本次设计中只是用了其中的一个比较器，由于该芯片的价钱不高，而且留出多余的单元可以供今后系统功能扩展与增强使用，这也是硬件设计的基本原则。
图1.6LM339引脚图
图1.6为LM339引脚图，每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
a.当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
b.当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3～15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。
LM339最简单的应用是单限比较器。
图1.7（a）给出了一个基本单限比较器。
输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。
a.当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。
b.当输入电压Uin图1.7（b）为其传输特性。
图1.7单限电压比较器
（a）电压比较器接线图（b）电压比较器输出波形
1.4按键电路设计
如图1.8为本系统所设计的按键电路原理图。
图1.8按键电路图
该系统设计了三个独立式按键，它们的功能分别为S1强制控制照明系统的灯全亮、S2强制灯全灭、S3可以使系统退出这种强制程序，使系统回到自动监控的状态中。
这三个按键是分别接在单片机的P0.0、P0.1、P0.2三个端口上，由于P0口内没有上拉电阻，故外接三个上拉电阻。
按照图2-22中接法，这几个端口是低电平有效。
1.5LED照明电路设计
如图1.9为LED照明电路图。
图1.9LED照明电路图
任何仪器设备，如果有实时的信号指示，不仅能够帮助人们分析该系统是否在正常工作。
而且具有一种心理暗示，能够让人觉得踏实愉悦。
该照明系统设置了两个LED灯作指示灯，绿色LED亮时，表示系统处于自动监控状态：
黄色LED灯亮时，表示系统处于键盘强制控制状态，等待退出键S3使其退出强制状态。
1.6执行模块电路设计
如图1.10为执行模块电路图。
图1.10执行模块电路图
此设计使用了一个三极管Q2来控制继电器电路，继电器RL1线圈一端接+12V直流电源另一端与三极管集电极相连。
当单片机引脚输出高电平时，继电器RL1开关动作，电灯电路接通。
[4]二极管D5起续流作用。
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