单片机光控人体感应灯参考文献.docx
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单片机光控人体感应灯参考文献
单片机路灯控制系统的设计
摘要：
随着社会需求和单片机应用领域的不断扩展，各类智能产品、控制系统都是以单片机技术为核心来进行开发设计的。
本系统采用STC系列单片机STC12C5A60S2和相关的人体检测设备设计智能灯控制系统，实现了能根据实际光线条件通过STC芯片的P2.0口控制继电器的开关来控制开关灯的功能，并通过按键来设置延时开灯的时间，掉电可以保存掉电设置时间。
关键词：
晶体三极管，人体感应模块，光敏电阻，STC单片机。
1、整体方案的设计
本电路主要利用单片机及少数外围元件组成光控人体感应节能灯，白天，由于光线照射，该灯始终处于关闭状态，一到晚上，在黑暗中，该灯只要收到一个人体红外信号，灯就自动点亮，而后人离开时，可以通过按键设置延时时间来控制灯的自动熄灭，可以达到节电的目的，其装置省去了能耗大、笨重、极易产生热量的电源变压器，具有结构简单、自耗电轻微、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。
根据设计要求，提出总体方案并画总体程图如如图1-1所示
人体感应电路
倒计时延时时间
图1-1
结合上面的框图，提出一下基本设计思路：
设计一个光控电路，主要用于检测外界光照信号；设计一个人体感应电路，主要用与检测人体红外信号；另外设计一个主控电路，用于接受各模块检测的光信号、人体红外信号、并对两者进行处理；最后设计灯电路，用于照明。
2、单片机介绍
2.1单片机概述
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU）、随机数据存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出电路（I/O口）等电路集成到单片芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。
有时还包括定时器/计数器，串行通信口、显示驱动电路（LCD或LED驱动电路）、脉宽调制电路（PWM）、模拟多路转换器以及A/D转换器等电路，并具有独立的指令系统[3]。
这些电路能在软件控制之下，准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
它能够单独地完成现代工业控制系统所要求的智能化控制功能。
单片机不同于单板机，芯片在没有开发出来以前，只具有功能极其强大的超大规模集成电路，如果再赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统。
单片机的使用需要用户了解其芯片的内部结构和相应的指令系统以及其他一些集成电路设计技术和系统设计所需要的理论技术。
在特定的程序控制下，就能使该芯片实现特定的功能。
然而，不同单片机的硬件结构和指令系统不尽相同，即它们的技术特征也不同，硬件特征主要和单片机芯片的内部结构有关，因此，设计人员必须熟练掌握其性能是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标（功能特性、控制特性和相关的电气参数特性等），这些信息我们可以从生产厂商的技术手册中得到。
指令特性则指我们熟悉的单片机寻址方式、数据处理和逻辑处理方法、输入/输出特性等。
开发环境包括指令的兼容性及可移植性，软、硬件资源等。
要利用单片机开发实际的应用系统，就必须掌握其硬件结构特征、指令系统和开发环境。
单片机控制系统已基本取代了以前复杂的电子线路或数字电路构成的控制系统，用软件来实现产品的智能化。
现在，单片机的控制范畴无所不在，其应用领域也越来越广泛。
单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它从根本上改变了传统的控制方法和设计理念，向着嵌入式系统方向发展。
随着嵌入式系统的快速发展和在各行各业的深入应用，人们的电子设备的小型化、智能化的要求也越来越高。
在航空航天、机械加工、工程控制、智能仪器仪表、家用电器、通信系统等领域，单片机都正在发生着非常重要的作用。
单片机应用技术业已成为现代电子技术应用领域十分重要的高新技术之一，是电子工程技术人员必备的知识技能，它能使你设计出更具智能化和方便的产品。
单片机及其应用系统之所以能发挥着如此重要的作用，归纳起来有如下的原因：
（1）单片机具有体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点，具有明显的优势和广阔的应用前景。
（2）单片机具有独立的指令系统，可以将我们的设计思想充分表达出来，使产品智能化。
（3）系统配置以满足控制对象的要求出发点，使得系统具有较高的性价比。
（4）应用系统通常将程序驻留在片内（外）ROM中，抗干扰能力强，可靠性高，使用方便。
（5）单片机本身并不具备开发能力，一般情况下，需要借助专用的开发工具在相应的开发环境下，进行系统的开发和调试，但最终形成的产品简单实用，成本低，效益高。
（6）单片机应用系统所使用的存储芯片可选用EPROM、EEPROM、OTP芯片或利用掩膜形式生产，便于批量生产和应用。
大多数单片机如51系列，开发芯片和扩展应用芯片相互配套，降低了系统成本。
（7）由于系统小巧玲珑，控制功能强、体积小，便于嵌入被控设备内，大大推动了产品的智能化。
单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。
单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。
通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件：
中央处理器、存储器和I/O接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
单片机经过1、2、3、4代的发展，以达到了32位单片机，是目前单片机的顶级产品，具有极高的运算速度。
随着微电子技术和集成电子技术的不断发展，单片机正朝着高集成度、低功耗、低电压、多功能方向发展。
STC系列单片是众多单片机中的一种，由于它们都是基于8051内核发展起来的，所以称51单片机，而本次设计就是基于51单片机完成的。
2.2单片机的主要功能及应用领域
现在的单片机功能越来越强大，集成度越来越高，有很多曾经的外围器件都已经在内部集成。
它的功能很多：
比较器；模数/数模转换器；PWM；多种多样的接口；LCD驱动；存储器等等。
同时它也是计算机—单片微型计算机。
部分单片机的计算能力已经比早期PC的CPU强大，速度也越来越快。
甚至也有类似双核CPU的设计出现。
因为能够运行程序，所以可以做很多的事情。
几乎您上网用的计算机能做的事情，它都同样能做。
只是能力没那么强大。
比如：
可以读写硬盘、可以接受按键输入、可以显示输出、可以驱动打印、您甚至可以给它接个鼠标。
当然这可能涉及一些接口的问题，但是CPU也不是直接做这些事情的。
它的输入输出，如前面所说，也是多种多样的。
可以是模拟量，也可以是数字量，标准的USB接口也已经集成在了单片机内部。
此外，单片机的体积小、价格低、可靠性高、适用面宽、有着其本身的指令系统等诸多优势，在各行各业都得到广泛应用。
单片机的应用领域可归纳为几个方面：
（1）智能化家用电器：
各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。
如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。
（2）办公自动化设备：
现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。
如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。
（3）商业营销设备：
在商业营销系统中已广泛使用的电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。
（4）工业自动化控制：
工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。
如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。
在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。
（5）智能化仪表：
采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。
如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。
（6）智能化通信产品：
最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。
（7）汽车电子产品：
现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。
（8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：
单片机的应用更是不言而喻。
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。
以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。
以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。
这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。
随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。
2.3单片机的发展趋势
随着微电子技术和集成电路技术的迅速发展，目前各个公司研制出了能够适用于各种领域的单片机。
高性能单片机芯片市场也异常活跃，采用新技术，使单片机的种类、性能不断提高，应用领域迅速扩大[4]。
单片机的改进和发展归纳起来有以下几个方面：
（1）CPU的改进：
现在CPU开始采用双CPU结构，提高了芯片的处理能力。
（2）存储器的发展：
增大了片内存储器容量；片内采用EEPROM和Flash可在线编程，读/写更方便；采用了编程加密技术。
（3）内部资源增多：
片内资源越丰富，产品的体积就越小，可靠性就越高。
（4）I/O接口形式增多，性能提高。
（5）引脚的多功能化：
单片机现在普遍采用管脚复用的设计方案。
（6）低电压和低功耗：
单片机制造时普遍采用CMOS工艺。
3、硬件电路设计
3.1STC12C5A60S2单片机简介：
STC12C5A60S2单片机是以51内核为主的系列单片机，STC单片机是宏晶生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8—12倍，内部集成MAX810专用复位电咱。
4路PWM8路高速10位A、D转换，针对电机控制，强干扰场合。
STC12C5A60S2单片机引脚如下图：
STC12C5A60S2单片机主要性能
●高速：
1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍
●宽电压：
5.5～3.8V，2.4～3.8V
●低功耗设计：
空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）
●工作频率：
0～35MHz，相当于普通8051：
0～420MHz---实际可到48MHz，相当于8051：
0～576MHz
●时钟：
外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置
●16K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
●512字节片内RAM数据存储器
●芯片内EEPROM功能
●ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器
●10位ADC，8通道,STC12C5A60S2系列为8位ADC。
4路PWM还可当4路D/A使用
●2个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器。
4路PCA还可再实现4个定时器
●硬件看门狗（WDT）
●高速SPI通信端口
●全双工异步串行口（UART）,兼容普通8051的串口
●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集
4组8个8位通用工作寄存器（共32个通用寄存器）
有硬件乘法/除法指令
●通用I/O口（27/23/15个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）
可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。
3.2光敏电阻介绍:
光敏电阻是一种特殊的电阻，其阻值随着光线强度的变化而变化。
其工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。
为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。
光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。
当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。
入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。
它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
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。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
光敏电阻的原理结构如图所示。
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[9]。
图4-3光敏电阻原理图
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。
3.3人体检测模块介绍
红外热释电处理芯片BISS0001:
BISS0001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。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
电子爱好者社区C_\-i（t#^_|
特点电子爱好者社区7`L~.x0~%LX
CMOS工艺
*k6B;F_C
p_Q_x0 数模混合
z.u_W1l&q"ec_hN0 具有独立的高输入阻抗运算放大器电子爱好者社区_b/bB_x_d
内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰
9u'c5G"M_t+?
b_j0 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器
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x0CA'^,a0 采用16脚DIP封装A_~1n2],c
F0
管脚图
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e8\_Hg_H'm_c_Xx
^0
管脚说明电子爱好者社区（J_UaL_l）a^_W
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳前沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。
3
RR1
--
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
--
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
--
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
--
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
--
工作电源负端
8
VRF
I
参考电压及复位输入端。
通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位
9
VC
I
触发禁止端。
当VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
--
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
--
工作电源正端
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
第一级运算放大器的输出端
_C_S3vN_p9z.ld_\0
;N#R5__n_v_Q0a;?
_o0
e_uQ
xcH0a__
p0
电子爱好者社区_zZ;P3c\.r'f 工作原理
_V.G-X）?
）Z_?
0 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。
电子爱好者社区_`4{_z_w[3I!
F
__%Ml"U.K4U+D0 以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。
不可重复触发工作方式下的波形。
_A5B2K{_Xd4M_w0 首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。
然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM（≈0.5VDD）后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。
由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±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，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。
当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。
在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
5p+w6o1?
&N+^0
_p+d_z_p_p#T_W'T'`_l$v@0 以下图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。
可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。
在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。
在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。
电子爱好者社区/x_a_h,z_[8v
4、各个模块的设计
4.1光控模块的设计
本模块设计主要采用关敏电阻串联一个滑动变阻器进行分压。
该模块的基本原理：
白天，光照较强；光敏电阻阻值较小与电阻比较分压较小，单片机P1.0口电压采样。
通过单片机内部自带的AD转换功能，进行数模转换，比较每次采样的数值不同来判断灯的开与关。
4.2人体检测模块采用及工作原理
热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。
早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。
热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。
它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。
除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。
比如：
在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。
电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。
开启监视器或自动门铃上的应用。
结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等……。
您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品。
或自动化控制装置。
热释电传感器基本知识
热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。
热释电传感器是对温度敏感的传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在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的电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高，在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会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则传感器无输出。
当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有ΔT输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。
所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。
由实验证明，传感器不加光学透镜（也称菲涅尔透镜），其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。
功能特点：
1.全自动感应：
当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平。
输出低电平。
2.光敏控制（可选）：
模块预留有位置，可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。
光敏控制为可选功能,出厂时未安装光敏电阻。
如果需要，请另行购3.两种触发方式：
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：
即感应输出高电平后，延时时间一结束，输出将自动从高电平变为低电平。
B.可重复触发方式：
即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围内活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。
4.具有感应封锁时间（默认设置：
3-4秒）：
感应模块在每一次感应输出后（高电平变为低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间，在此时间段内感应器不接收任何感应信号。
此功能可以实现（感应输出时间和封锁时间）两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
5.工作电压范围宽：
默认工作电压DC5V至20V
6.微功耗：
静态电流65微安，特别适合干电池供电的电器产品。
7.输出高电平信号：
可方便与各类电路实现对接。
使用说明：
1感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此时间模块会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。
2.应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避
免流动的风，风也会对感应器造成干扰。
3.感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右
或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探
头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被
探头双元所感应。
为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍
然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。
模块图如下：
4.3显示倒计时模块设计
显示电路采用三位位共阴LED数码管做为时间显示。
段选接P0口，再接221欧姆上接排阻。
位选分别接P2.7，P2.6，P2.5口。
每次开始倒计时延时关灯时，数码管就显示用户设置的时间。
如没开灯，数码管显示00。
显示电路如下图：
4.4控制模块的设计
但模块主要采用单片机；其电路图所示
该模块的工作原理：
当同时满足有人体红外信号与满足光信号时，即单片机的P2.4口检测到低电平，同时P1.0口采样得到的数值同时满足通过程序是单片的另一端口P2.0输出低电平作为驱动，控制继电器的通段来控制灯的开关。
当红外人体检测、光同时满足所设置条件时继电器工作控制外围灯亮，这时数码管显示所设置的
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