亮度自动调节台灯电路的设计.docx
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亮度自动调节台灯电路的设计
摘要
台灯亮度自动调节电路系统以STC12C5A60S2单片机为中央控制单元，通过光敏电阻等扩展模块，实现了根据外界光照强度变化台灯自动调节亮度的功能。
该设计主要实现了台灯亮度的自动调节，单片机通过光敏电阻来获取外界的光强信息并将该信息转换成数字信号。
通过红外模块系统判断台灯附近是否有人，无人时台灯不工作，有人在附近时，台灯会自动开启。
当人离开一段时间后台灯会自动关闭并作出提醒，这样便有效地节约了能源。
此外系统还带有时间显示的功能，通过按键调节可以对时间进行校正。
经过测试，各模块的功能均能正常实现，同时该系统还具有控制简单、反响灵敏等优点。
关键词：
STC12C5A60S2单片机；光敏电阻；PWM波；红外感应
Abstract
ThebrightnessautomaticadjustmentcircuitsystemoflampiscontrolledbySTC12C5A60S2,throughotherexpansionslikephotoresistormodule,brightnessofthelampcanbeautomaticallyadjustedaccordingtothatoftheoutside.Thedesignmakesitpossibleforthelamptoadjustit’sbrightnessautomatically,themicro-controllergetslightintensitynearbybythephotoresistorandtheinformationwillbeconvertedintoadigitalsignal.Infraredmoduleofthesystemjudgeswhethersomeoneisnearthelamp,thelampwillautomaticallyturnonwhensomeoneisnearbyandwillnotworkwhenitisnot.Whenpeopleleavesthedeskforsometime,thelampwillautomaticallyturnoffandmakeareminder,whicheffectivelysavesenergy.Inadditionthesystemalsohasthefunctionoftimedisplay,whichcanbecorrectedbykeys.Testsprovethatthefunctionofeachmodulecanbeachievenormallyanditiseasilytocontrolaswellasquick-witted.
Keywords:
STC12C5A60S2;Photoresistance;PWM;Infraredsensors
1绪论
1.1研究课题的背景与意义
在介绍本课题之前，需要引入一个新的概念——智能家居。
智能家居以住宅为平台，通过设计将电子线路技术、网络通信技术、自动控制技术以及其他相关技术融入到与生活密切相关设施中的一种技术，它能够帮助提升家居的便捷性和舒适性，同时又能到达环保节能的目的智能家电是智能家居中很重要的一局部，它主导着智能家居的开展方向，也承载着智能家居的主要技术由于人们还没有完全认识到智能家电为我们的生活带来的巨大改善，以及市场消费观念还未完全形成，智能家电的开展还是较为缓慢但随着智能家电市场推广措施的进一步落实，消费者对智能家电认识的深入，智能家电市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。
台灯是人们在日常生活中必不可少的家用电器，也在逐渐的走向智能化。
相对于普通的日光灯，其功耗更小，亮度更集中，是人们在夜晚进行阅读和工作的得力助手。
但是由于人们在离开时经常忘记关掉台灯，会造成很大的电力能源的浪费。
如果台灯离门较远，每当夜晚来临时，人们又要摸黑去开灯，非常不方便，也有一定的平安隐患。
虽然现在出现运用传感器和微控制器自动控制灯的开启与关闭技术，并广泛运用于建筑走廊等处所，但是在家居生活方面，自动控制灯具开关的系统还是很少见的，而且功能不够完善，不够“智能〞，比方楼道中的照明灯通常采用声音控制，采用声控的方法可以有效的检测声音信号，再通过中央处理单元控制灯的亮灭，但是却无法做到精确识别和屏蔽干扰，当环境中噪音较多时，如当有车经过时，照明灯将不可防止的被噪声影响而不必要的点亮，这将造成很大的能源浪费。
因此这里通过研究以检测人体红外为根底的传感控制电路，来解决目前自动控制电路的缺乏。
目前已有专门用来感应人体红外辐射波长的红外传感器，这便为自动控制照明灯系统提供了性能优良的信号采集模块。
本课题设计了以51单片机为根底，通过红外传感器检测人体红外辐射信号来控制台灯开闭的电路系统，当人出现在红外传感器的探测范围内并满足其他设定条件时〔如光照较暗时〕信号采集模块会传递给单片机一个信号，使台灯开启，这样就省去了抹黑开灯的麻烦。
台灯点亮后，可根据外界环境的亮度调节灯光的亮度，以到达人眼舒适的目的。
本课题还实现了其他功能，例如时间显示，在一定时间内如果没有检测到有人在台灯附近，那么会自动熄灭台灯，这样便节约了能源。
1.2本课题的研究内容及实施方案
本课题运用红外传感器作为智能控制的根底，通过传感器采集信息，经过A/D转换将信息传递给单片机，以实现自动控制的功能。
要实现自动控制的功能，不仅要掌握单片机的工作原理，还要熟悉单片机编程语言，尤其是对单片机的中断结构和定时功能进行深入了解。
本课题运用红外传感器作为智能控制的根底，通过传感器采集信息，经过A/D转换将信息传递给单片机，以实现自动控制的功能。
要实现自动控制的功能，不仅要掌握单片机的工作原理，还要熟悉单片机编程语言，尤其是对单片机的中断结构和定时功能进行深入了解。
实施方案：
在课题前期，大量阅读参考文献，对51单片机的知识做了较为系统地学习，同时也熟悉了光敏电阻的应用：
在课题中期，通过对电路的分析，设计应用电路，并分模块对系统进行调试：
在课题后期，对设计的过程进行了全面的整理，对设计中出现的问题进行分析总结，最后完成实物的制作和论文的书写。
1.3论文内容安排
〔1〕绪论。
对课题背景和意义做简单概述。
〔2〕整体方案设计。
设计系统总体框图，介绍方案的设计流程和设计内容，对各个模块方案进行比拟选择，比方：
单片机、时钟芯片、显示模块、光线采集模块等。
〔3〕硬件方案设计。
设计各个模块的硬件电路，包括单片机最小系统电路、光敏电阻电路、红外模块、蜂鸣器电路，液晶屏电路等，并对硬件电路的工作原理和与单片机的连接方法做了介绍。
〔4〕软件设计。
设计软件流程框图，介绍各个模块的工作过程，并简要说明了各个功能的实现方法。
〔5〕系统调试。
简介系统调试的内容和实物的实现，介绍编程软件KEIL和STC烧录器的使用方法，对硬件电路焊接和调试过程进行简要说明。
总结与展望：
对整个论文的总结，对本设计所做的工作以及存在的问题进行讨论和说明。
2整体方案设计
2.1整体逻辑框图
台灯控制模块
图2-1系统整体框图
框图2-1各个局部说明：
〔1〕控制芯片采用STC12C5A60S2，用来对光敏电阻模块和红外模块采集到的信息进行处理，并对台灯模块做出相应的控制。
〔2〕时间显示模块：
采用由时钟芯片DS1302，液晶显示屏1602和按键控制电路组成。
DS1302可实时提供时间日期的信息，单片机对该信息接收并将信息显示在1602上。
三个按键，分别为设置键，加减和减键，实现对日期时间的调整。
〔3〕台灯模块：
采用4*4的LED方阵制成台灯，每四个并联然后四列再并联，由单片机I/O口直接驱动。
台灯的亮度由单片机根据外界环境的亮度来调节。
〔4〕红外模块：
采用一对红外收发对管和比拟器组成。
红外对管获得外界信息〔是否有人〕，经比拟器LM393可直接将信息转换为数字信号0和1，单片机根据此信息对台灯进行相应的控制。
〔5〕光敏电阻模块：
由光敏电阻和比拟器组成，可获取外界的光照强度，光敏电阻的阻值随着光照的变化而变化，所以光强信息可通过光敏电阻的阻值表达。
单片机将此信号进行A/D转换，变为更直观的数字量，由此实现对台灯亮度的调节。
2.2方案论证
〔1〕控制芯片
方案一：
采用传统的AT89C51单片机，该单片机片内含2k字节的可反复擦写的只读程序存储器和128字节的随机数据存储器，使用较为简单，但是因为设计中需要对环境的亮度进行采集，所以必须外接A/D转换芯片，这样增加了设计的复杂度和本钱。
方案二：
选择STC12C5A60S2单片机，该单片机是增强型的51单片机，其代码与传统51单片机完全兼容，但速度是传统8051单片机的8-12倍。
而且自带8路10位A/D转换，可满足设计中的光线采集的功能。
综上考虑，采用方案二，选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。
〔2〕显示模块
方案一：
采用液晶显示屏LCD1602，该显示屏可显示数字和字符，且操作简单。
缺点是不能显示汉字。
方案二：
采用液晶显示屏LCD12864，该液晶屏可显示汉字和数字，但是占用接口较多。
方案三：
采用Nokia5510，这是最新的显示屏，综合了上述的优点。
缺乏之处是此液晶屏的屏幕太小。
考虑到本设计只需显示日期时间等根本的数字字符，而且作为时钟的显示应尽量清晰明显，所以采用方案一中的LCD1602.
〔3〕时钟模块
方案一：
采用时钟芯片DS1302,通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路.提供秒分时星期日期月年的信息。
该芯片体积小，引脚也较少，操作起来十分方便。
方案二：
采用时钟芯片DS12C887.该芯片与DS1302功能类似，但操作稍繁琐，而且价格更贵。
综上考虑，采用方案一，选用DS1302芯片。
〔4〕红外感应模块
方案一：
选用一对红外对管。
红外对管价格廉价，电路非常简单，可通过比拟器直接输出上下电平。
方案二：
采用 RE200B人体红外热释电传感器。
该传感器能胜任本设计的要求，但是相对于光敏电阻来说价格更高。
综上考虑，采用方案一，采用红外对管来完成红外感应模块的设计。
〔5〕光敏感应模块
方案一：
采用光敏电阻作为感光器件。
光敏电阻可配合LM393组成简单的光照检测电路，优点是操作简单，价格廉价。
方案二：
采用BH1750FVI模块。
该电路是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，分辨率高，可探测较大范围的光照强度变化。
缺点是电路复杂，价格比光敏电阻高得多。
考虑到本设计中外界环境中光照变化一般不会太明显，光敏电阻完全可以胜任本设计的要求，所以采用方案一，选择光敏电阻作为光敏传感器。
综上所述，本设计采用STC12C5A60S2芯片作为主控制器，,用光敏电阻获取外界的光照强度，红外模块采用一对光电对管，使用时钟芯片DS1302来获取时间日期，并将其显示在液晶屏LCD1602上。
单片机可通过光敏电阻和红外模块传递的信息来实现对台灯的一系列控制。
3硬件方案设计
3.1STC12C5A60S2最小系统
STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）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专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。
下列图是STC12C5A60S2单片机最小系统原理图：
图3-1单片机最小系统
〔1〕供电电路：
38脚接电源5V，16脚接地，这样便完成了单片机的供电。
〔2〕复位电路：
复位电路由电阻C1和电容R1组成，复位电路使用以完成单片机的复位初始化〔复位单片机RAM和各个存放器的值的〕。
复位电路的原理是：
在单片机还没上电的时候，电容C1两个极板没有电荷，在单片机上电的瞬间，电容两端获得电压开始充电，充电时有电流通过电阻R1，所以在电阻两端产生瞬时电压，这个电压被加到单片机的RST端，单片机的RST端得到一个高电平便复位了。
随着时间的推移，C1充满电了，R1上就再没有电流通过，即两端没有了电压，单片机的RST引脚又由高电平变为低电平，此时，单片机开始工作。
单片机复位的条件是加在RST两端的高电平的时间不低于两个机器周期〔本设计单片机的晶振是12MHz〕，即：
R1*C1>=2μs
3.2.1光敏电阻的性质
光敏电阻器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。
在本设计中，所用到的是光敏电阻集成模块，该模块可直接输出模拟量，通过单片机的A/D转换得到其数值。
在调试时，先对不同光照环境下的光照强度转换成数字量显示在液晶屏上并做记录，然后根据对应的数值来调节PWM波的占空比。
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。
为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。
一般光敏电阻器结构如下列图所示。
光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片〔或树脂防潮膜〕和电极等组成。
光敏电阻器在电路中用字母“R〞或“RL〞、“RG〞表示。
图3-2光敏电阻器
〔1〕光敏电阻的光照特性
下列图表示CDS光敏电阻的光照特性。
在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。
不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件。
图3-3光敏电阻的光敏特性
〔2〕光敏电阻的光谱特性
光谱特性与光敏电阻的材料有关。
从下列图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值集中在在可见光区域，因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑。
图3-4光敏电阻的光谱特性
〔3〕光敏电阻的伏安特性
在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。
下列图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。
由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。
在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。
但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。
超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。
图3-5光敏电阻的伏安特性
〔4〕光敏电阻的稳定性
下列图中曲线1、2分别表示两种型号CDS光敏电阻的稳定性。
初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有到达平衡，所以性能是不够稳定的。
但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。
光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后到达一个稳定值后就不再变了。
光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。
图3-6光敏电阻的稳定性
3.2.2光敏电阻模块电路图
图3-7光敏电阻电路
3.3.11602简介
〔1〕字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
本课题用到的是长沙太阳人电子的1602字符型液晶显示器。
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大局部为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差异。
1602主要技术参数如下：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最正确工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
〔2〕1602引脚功能说明：
1602LCD采用标准的14脚〔无背光〕或16脚〔带背光〕接口，各引脚接口说明如表3-1所示:
表3-11602引脚说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器比照度调整端，接正电源时比照度最弱，接地时比照度最高，使用时可以通过一个103的电位器调整比照度。
第4脚：
RS为存放器选择，高电平时选择数据存放器，低电平时选择指令存放器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
〔3〕1602LCD的RAM地址映射及标准字库表
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否那么此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，下列图是1602的内部显示地址。
图3-81602LCD内部显示地址
1602液晶模块内部的字符发生存储器〔CGROM〕已经存储了160个不同的点阵字符图形，如上图所示，每一个字符都有一个固定的代码，比方大写的英文字母“A〞的代码是01000001B〔41H〕，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A〞。
3.3.21602与单片机连接图
1602的数据口接单片机的P0口，P2.0~P2.2是1602的初始化接口和使能端，第13脚与第16脚之间通过一个电位器来改变液晶屏的显示亮度。
图3-91602与单片机连接图
DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：
〔RST〕、I/O数据线、串行时钟〔SCLK〕。
时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mw.
DS1302重要性能指标：
〔1〕实时时钟,具有计算2100年之前的秒分时日期星期月年的能力;
〔2〕闰年调整的能力;
〔3〕串行I/O口方式使得管脚数量最少;
〔4〕宽范围工作电压2.0~5.5V；
〔5〕工作电压2.0V时,工作电流小于300mA;
〔6〕读/写时钟或RAM数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式；
〔7〕8脚DIP封装或可选的8脚SOIC;
〔8〕简单3线接口；
〔9〕与TTL兼容VCC=5V；
〔10〕可选工业级温度范围-40+85；
〔11〕与DS1202兼容；
〔12〕在DS1202根底上增加的特性：
对Vcc1有可选的涓流充电能力；
双电源管用于主电源和备份电源供给；
备份电源管脚可由电池或大容量电容输入
引脚：
DS1302一共有8个管脚，其中第1脚接5V电源，4脚接地，2脚和3脚跨接一个32.768KHz的无源晶振，该晶振为DS1302的正常工作提供脉冲；8脚为外部备用电源输入端，本设计使用一个3.3V的纽扣电池作为备用电源，当系统掉电后，备用电源立即给DS1302供电，可以防止DS1302内部时间信息的丧失；5脚、6脚、7脚为DS1302的3个控制端，5脚REST为复位端，低电平有效，6脚I/O为数据输入输出口，7脚CLK为串行时钟信号输入端，该时钟信号由单片机提供。
图3-10.DS1302管脚
DS1302芯片由于集成度高，使用时直接将3个控制端与单片机的I/O口相连即可，所以芯片与单片机的连接电路在此不再赘述。
3.5红外传感器
检测人是否在台灯旁需要红外传感器，本设计采用集成的红外模块来实现此功能。
该模块由一对红外收发对管和LM393组成。
在工作状态时发射管向外发射信号，当前端碰到遮挡物时信号会反射回来，被接收管接收。
接收的信号传给比拟器LM393，当反射信号强度到达设定的阈值时，LM393会输出一个低电平信号，并传递给单片机，说明前方有遮挡物。
可通过调节模块上的可调电阻来改变信号的阈值，以此改变模块的灵敏度。
红外模块的电路图如下：
图3-11红外模块电路图
3.6按键模块
本设计采用三个轻触按键来实现对日期时间的调节。
三个按键分别为设置键，加键和减键。
当按一下设置键时，液晶屏上的秒光标跳动，此时按加键或者减键可实现对秒的调节；按两下设置键，液晶屏上的分钟光标跳动，以此类推，便可以分别调整时间日期的显示值。
当调节年份后再按下设置键时，光标停止闪烁，回到正常显示状态。
本设计中按键一端连接单片机I/O，一端连接地。
3.7蜂鸣器电路
当人长时间离开台灯附近时，灯会自动熄灭，此时蜂鸣器会响起以作提示。
本设计采用的是无源蜂鸣器，蜂鸣器工作时需要的电流非常大，单片机的I/O无法直接驱动，一般由单片机的I/O口经三极管S8550驱动。
蜂鸣器电路图如下：
图3-12蜂鸣器电路图
其中10K电阻的作用是限流，防止电流过大烧坏单片机。
4软件设计
4.1整体软件流程图
N
Y
图4-1整体软件流程图
上电后，系统开始工作，液晶屏完成初始化，单片机控制时钟芯片将日期时间信息显示在液晶屏上。
此时红外模块开始不断扫描，检测台灯旁是否有人，无人时台灯不亮，检测到有人时，台灯亮起。
在此过程中光敏电阻模块不断获取外界光照信息并将信息传给单片机。
点亮台灯后，单片机根据外界环境的光照强度来调节台灯的亮度，本设计设置了三个亮度等级的模式。
4.2各子模块功能设计
4.2.1STC12C5A60S2单片机A/D转换模块
STC12C5A60S2单片机的A/D转换口在P1口〔P1.0-P1.7〕，有8路10位高位A/D转换器，速度可达250KHz〔25万次/秒〕。
8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。
上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。
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