智能台灯论文.docx
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智能台灯论文
《工程实践》论文
论文题目智能台灯
学生姓名吴
杨
银
石
专业自动化
班级自动化112
指导教师
职称副教授
二O13年11月
摘要
生活中，台灯是人们学习工作的必需品，可是人常常会因为忘记关灯离开，导致极大的电能耗费。
同时晚上房间较暗，人们摸黑去找台灯开关又显得尤为很困难，甚至有可能发生危险。
有了智能台灯，这些问题便迎刃而解。
智能台灯能够做到自动亮灭、自动调节亮度的功能。
当环境光线暗到一定程度，且周围有人存在的时候，台灯便会自动亮起，并且根据环境自动调节LED管发光强度，从而保护使用者的视力。
当使用者离开，或者环境光足够强的时候，台灯会自动关闭，减少电能的消耗，延长台灯的使用寿命。
本智能台灯项目使用STC公司生产的STC12C5A60S2单片机的作为核心处理系统，使用RE200B人体红外热释传感器结合BISS0001红外热释处理芯片，构成人体红外感应模块，可以对靠近的人体热红外信号做出反应并反馈信号给单片机处理；光敏电阻作为光敏传感器，作用是采集环境光信号，反馈给单片机不同的模拟电压值，通过STC12系列单片机内部自带的A/D转换功能实现单片机对环境光强弱的判断，从而进一步控制调节LED发光二极管的PWM占空比，调节台灯的发光强度。
关键词：
红外热释；STC12单片机；光敏电阻；PWM波；A/D转换；LED灯
Theintelligentdesklamp
Abstract
Life,studyandworklampisanecessityforpeople,butpeopleoftenforgettoturnoffthelightsbecausetheleftledtoagreatpowerconsumption.Meanwhiledarkroomatnight,peoplegotothedarklampswitchanditisparticularlydifficult,andmayevenbedangerous.Withintelligentlamp,theseproblemswillbesolved.
Intelligentlampcandoautomaticlightoff,automaticallyadjustbrightness.Whentheambientlightisdarktoacertainextent,andthepresenceofpeoplearoundwhenthelampwillautomaticallyturnonandautomaticallyadjusttheLEDluminousintensitydependingontheenvironment,thusprotectingtheuser'seyesight.Whentheuserleaves,orwhentheambientlightisstrongenough,lampwillautomaticallyturnofftoreducepowerconsumptionandextendlamplife.
TheprojectusesintelligentlampproducedSTC12C5A60S2STCmicrocontrollerasthecoreprocessingsystem,usingRE200BpyroelectricinfraredsensorcombinedwithhumanBISS0001pyroelectricinfraredprocessingchip,constitutehumaninfraredsensormodulecanreacttobodyheatnearinfraredsignalsfeedbacksignaltothemicrocontrollerprocessing;photosensitiveresistanceaslightsensors,theroleistocollectambientlightsignal,thefeedbacktothemicrocontrollerdifferentanalogvoltagevaluebySTC12seriesMCUinternalbuilt-ina/DconversionMCUjudgmentonthestrengthoftheambientlighttofurtheradjusttheLEDlight-emittingdiodecontrolPWMdutycycle,adjustinglampluminousintensity.
Keywords:
infraredpyroelectric;STC12MCU;photosensitiveresistance;PWMwave;A/Dconverter;LEDlights
1引言
1.1项目概述
台灯作为自电气革命以来，逐渐覆盖几乎全世界家家户户的必需品。
随着照明技术的发展，台灯的发光源从白炽灯更新到荧光灯，再到现如今颇为流行的的LED灯，发光效率越来越高，照明能力也越来越强。
虽然发光源有了很大的性能升级，但是传统台灯的控制方法无非是手动按动一个机械开关，来打开关闭台灯或者是调节它的亮度。
这往往会造成因使用者忘记关灯，使台灯常亮而浪费电能，或者因为晚上摸黑找台灯开关不方便，甚至不知情被障碍物绊倒发生危险。
智能台灯就能很好的解决这个问题，人离开时他就会自行断电，人在附近自动点亮，更可以随着环境光自行调节亮度。
本系统是基于51单片机为核心处理器的“智能台灯”，能判断周围环境光的强弱以及是否有人在附近活动，从而自行点亮熄灭，并且调节亮度。
1.2设计目的
智能台灯项目旨在制作一个具有可以判断是否有人还有根据光强调节发光亮度的的LED台灯，达到节约电能，方便使用和保护视力的作用。
同时不仅仅可以作为台灯使用的模块，在应用领域，可以植入到智能家居系统扩展应用在整个家庭照明控制上。
1.3设计任务
完成项目的方案设计，并在论证方案设计的可行性后设计出系统原理图，并完成系统的软硬件调试。
后期主要完成项目的演示、论文撰写和项目最后答辩。
本设计主要实现，通过人体热释红外和光敏电阻两个核心传感器共同作用下，单片机为系统处理器核心，控制LED发光二极管亮灭、点亮时间、明暗程度等效果。
根据当初对任务的划分以及各自的兴趣小组的任务划分如下
吴昊
单片机控制模块及软件设计
杨雪银承龙
照明电路设计
石商全
人体热释红外模块
1.4研究思路和方法
本课题基本思路是：
（1）结合人们的现代生活，以及产品设计的人性化设计理念，制定出智能台灯的基本功能。
（2）查阅相关资料，根据台灯需要实现的功能，画出系统工作原理框图。
（3）查阅相关资料，并分组讨论。
以确保产品设计的可行性、科学性。
（4）在的研究讨论后确定最后的系统原理框图。
（5）选择芯片和设计电路时考虑先仿真后制板，大大节约了制板失败花费的财力和精力。
（6）本设计将把工作重心放在产品功能的低成本，选用性价比高技术成熟的芯片，在此基础上对各个系统模块深入分析，以实现产品的最优性价比。
2项目总体方案设计
2.1系统设计方案
2.1.1系统控制
方案一：
采用纯模拟控制电路，使用运算放大器对光敏信号以及人体热释红外信号进行采集放大，通过比较器触发台灯的点亮或者让台灯熄灭，采用555定时器调整台灯点亮持续的时间。
方案二：
采用单片机为核心下的数字模拟转换控制电路，使用单片机作为信号处理以及控制信号输出的中枢，各模块之间由单片机相互联系和作用。
由于此项目仅采用5V供电，照明灯光使用LED发光二极管组，而控制LED的亮度而不使产生色差，最佳的方法就是使用PWM脉宽调制控制。
然而用纯模拟电路输出易控PWM电路设计困难，但是使用单片机就可以精准的输出不同占空比的PWM，能更加平滑的控制LED的亮度变化。
虽然外设电路结构比较复杂，但是单片机需要处理的数据并不繁重，所以我们选择价格比较低廉的MCS-51系列的单片机作为系统主控模块，最终采用的是宏晶公司生产的STC12C5A60S2单片机
2.1.2人体热释红外
方案一：
使用RE200B人体热释红外传感器，通过LM358进行两级信号运算放大，通过LM393电压比较输出电平决定是否使系统工作，点亮LED。
方案二：
通过相关资料查询，我们发现了一款具有较高性能的传感信号处理集成电路芯片BISS0001。
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炙灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
相比较技术的成熟和电路设计的可行性易操作性，选择方案二可以方便实现模拟信号输入，一位TTL电平输出的形式，方便于对单片机中断的触发。
同时芯片集成的RC延迟触发器，恰好实现了台灯所需要的延时关闭功能。
2.1.3光敏传感
由于使用光敏电阻是线形原件，采样模拟信号必须经过AD转换才可以给单片机使用。
方案一：
使用模数转换芯片ADC0804，将电压交给模数转换芯片，输出八位数字信号给单片机一组IO口，节约单片机的资源使用。
方案二：
使用STC单片机内部集成的10位AD转换，因为STC系列增强型51单片机多款内部集成AD转换，以单片机AVCC作为参考电压直接在单片机程序中内部进行转换操作。
最后考虑简化电路，尽量减少芯片使用数量从而节约成本，节约单片机IO资源，固选择方案二。
2.1.3照明方式
方案一：
使用白炽灯之类的电阻式发光体，通过线性调压调节亮度
方案二：
使用高亮度白色LED发光二极管组作为发光元件，通过驱动电路产生PWM驱动亮度变化
白炽灯发光效率低，极大部分能量损耗在热损，不符合项目节能的理念。
LED亮度高发光效率高，使用单片机驱动PWM输出控制简单方便，亮灭响应速度快，所需的电压低电流小。
考虑以上优势选择方案二。
2.2系统原理框图和工作原理
2.2.1系统原理框图
图2.1智能台灯统框图
2.2.2系统工作原理
本系统由传感器检测模块、单片机模块、LED发光二极管组模块组成。
传感器模块分为人体热释红外传感器检测模块和光敏电阻模块。
人体热释红外模块负责检测台灯周围是否有人存在，反馈给单片机以中断信号，控制台灯的亮灭；光敏电阻模块负责采集环境光线的强弱，反馈模拟电压信号给单片机，通过单片机10位A/D，最终使不同环境光强对应成不同数值，通过判断数值大小，下一步调节PWM占空比调节PWM驱动的LED发光二极管组的亮度。
单片机模块负责整个系统信号的处理，内部A/D转换，中断的响应以及PWM脉宽调制的输出。
LED发光二极管组模块负责驱动4*4的发光二极管组的工作状态。
3系统硬件设计
3.1各个单元电路的工作原理和实现的功能
3.1.1电源模块
图3.1电源电路原理图
在综合考虑了本系统功耗及成本问题后，我们采用了电子产品中常见的三端稳压集成芯LM1117。
LM1117组成的稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜完全符合本设计要求。
芯片输入端采用一个104瓷片电容滤去输入端电压中的高频纹波，输出端同样采用了一个10UF电解电容和104瓷片电容分别滤去电源输出端的低频和高频纹波，以保证电源提供电能的稳定性。
电源输出端用一个1K电阻和发光二极管串联作为电源指示灯，弹簧开关做电源总开关。
3.1.2BISS0001人体热释红外检测模块
图3.2BISS0001和RB200B的人体热释红外模块
红热释电模块由红外传感器RE200B、BISS0001组成的信号检测及处理电路。
红热释电红外传感器只对波长为10μm（人体辐射红外线波长）左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。
探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，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具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。
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。
当infare1检测到人体信号时，产生微弱的信号输出，经R4、R7、R9、R8、C2、C3、C5组成的信号放大滤波电路。
R5、R7、R8和C1、C4组成的延时电路。
信号经处理后从2脚输出。
3.1.3光敏电阻模块
图3.3光敏电阻模块
本电路为光敏电阻模块，由光敏电阻和一个滑动变阻器串联而成，根据光敏电阻在光照强度不同的情况下，电阻值呈线性变化的原理，使之与滑变分压值产生变化。
不同的电压值反馈给单片机，通过内部集成A/D转换，判断出当前环境光线亮度。
阻容并联接入为了滤除一些杂波干扰。
具体如图3.3所示。
3.1.4MCU主控电路
图3.4单片机电路原理图
本电路为系统的主控电路原理图，本电路采用STC公司生产的STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。
STC12C5A60S2是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash。
并具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
完全能胜任本系统的信号处理和实现相关控制。
在单片机模块包涵电源接口，晶振模块和按键复位电路。
电路中，我们采用的是11.0592MHZ的晶体振荡器，采用两个22PF的电容作为晶振的起振电容。
系统复位电路采用的是按键手动复位，可以对系统进行死机防护。
3.1.5LED发光二极管组控制电路
图3.5LED发光二极管组
电路采用NPN型三极管按达林顿管方式做驱动电路，提高电流放大倍数，增加电流驱动能力。
16个白色草帽发光二极管串联限流电阻，三极管直接连接到单片机，通过TTL电平直接驱动控制其通断。
电阻起到限制二极管电流的作用，防止电流过大损坏发光二极管。
3.2印制板电路图
电路绘制，我们采用了Altium公司在的AltiumDesigner10电路绘图软件。
绘制的PCB板电路图如下所示。
电气走线宽度粗线为30mile到60mil。
通过合理布局，即保证了电路的美观，也让信号干扰较少到最小。
布线时候由于考虑到是手工印制覆铜板，为了避免腐蚀制板时出现断线需要重做的情况，尽量把线宽做的很粗，既可以减少干扰，又不容易腐蚀融断。
PCB图如3.7所示。
图3.7印制板电路图
3.3硬件电气原理图
下图为系统的电气原理图，整个系统共分为五个小模块：
1电源模块
2BISS0001人体热释红外检测模块
3光敏电阻模块
4LED灯模块
5单片机模块
图3.9硬件电气原理图
3.4产品材料清单型号、规格、技术参数、总价、成本等
3.4.1产品材料（器件、电路板、结构件等）清单型号
编号
型号
技术参数
数量
个/件
单价/元
1
RE200B
人体热释红外传感器，工作波长7-14μm，输出信号>2.5V
2
5
2
Stc12c5a60s2
Stc12c5a60s2是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
采用5V供电，最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
2
7
3
BISS0001
CMOS数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号与处理
4
3
4
8050
NPN型三极管
1
0.5
5
干电池
持续提供7.5V电压
1
20
6
电位器
503，305精密型电位器
10
0.5
7
自锁开关
自锁小功率开关
2
0.3
8
晶振
11.0592MHZ
3
0.6
9
按键
轻触开关
10
0.05
10
1117-5
电子电路中常用的芯片，电路内部有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜
2
2
11
发光二极管
草帽LED
20
0.1
12
瓷片电容
104，103，22
30
0.05
13
电解电容
22UF，10UF电解电容，32V有效耐压值。
30
0.1
14
铜板
普通电路单面铜板
2
15
15
排针
普通常用排针
5
0.6
16
电阻
恰当规格电阻若干
20
0.05
总计
30
表3-1产品材料介绍
3.4.2主要原件介绍
1）RE200B
RE200B是传感器的一种，RE200B采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，并配合双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器的工作稳定性。
2）菲涅尔透镜
菲涅尔透镜（Fresnellens），又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片。
菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。
多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。
3）BISS0001红外传感信号处理器
CMOS数模混合专用集成电路。
工作电压范围+3V—+5V。
采用16脚DIP封装或SOP封装。
外界元件由使用者根据需要选择。
可见BISS0001是由运算放大器、电压比较器和状态控制器、延迟时间定时器、封锁时间定时器及参考电压源等构成的数模混合专用集成电路。
可广泛应用于多种传感器和延时控制器。
各引脚的定义和功能如下：
VDD—工作电源正端。
范围为3~5V。
Vss—工作电源负端。
一般接0V。
IB—运算放大器偏置电流设置端。
经RB接VSS端，RB取值为1M左右。
1IN-—第一级运放放大器的反相输入端。
1IN+—第一级运放放大器的同相输入端。
1OUT—第一级运算放大器的输出端。
2IN-—第二级运算放大器的反相输出端。
2OUT—第二级运算放大器的输出端。
Vc—触发禁止端。
当Vc＜VR时禁止触发；当VC＞VR时允许触发。
VR≈0.2VDD。
VRF—参考电压及复位输入端。
一般接VDD。
接“0”时可使定时器复位。
A—可重复触发和不可重复触发控制端。
当A=“1”时，允许重复触发，当A=“0”时，不
可重复触发。
Vo—控制信号输出端。
由Vs上跳边沿触发使Vo从低电平跳变到高电平时为有效触发。
在输
出延时间Tx之外和无Vs上跳变时Vo为低电平状态。
RR1RC1—输出延迟时间Tx的调节端。
Tx≈49152R1C1。
RR2RC2—触发封销时间Ti的调节端。
Tx≈24R2C2。
4）光敏电阻
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
5）STC12C5A60S2
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：
5.5~3.5V，2.2～3.6V
增加第二复位功能脚（内部高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率＜12MHz时，无需此功能）
外部低压掉电检测
低功耗设计：
空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）
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
1K/2K/4K/5K/6K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
256字节片内RAM数据存储器
芯片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上
ISP在系统可编程，无需编程器/仿真器
8通道，8位高速ADC，速度可达30万次/秒，2路PWM还可当2路D/A使用
通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP），
也可用来再实现2个定时器或2个外部中断（支持上升沿/下降沿中断）
4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2个定时器
可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟
硬件看门狗（WDT）
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，有硬件乘法/除法指令宏晶STC12系列主要性能：
1个时钟/机器周期，高速、高可靠，2路PWM，8路8位高速转换，30万次每秒
在系统可编程，无需编程器，无需仿真器，可远程升级可送STC-ISP下载编程器，1万片/人/天
内部集成高可靠复位电路，外部复位电路可彻底省掉，当然也可以继续用外部复位电路
1个时钟/机器周期，可用低频晶振，大幅降低EMI：
超强抗干扰：
高抗静电（ESD保护），整机轻松过2万伏静电测试，轻松过4KV快速脉冲干扰（EFT测试）宽电压，不怕电源抖动，宽温度范围，-40℃～85℃
无法解密，采用宏晶最新第六代加密技术
通用I/O口，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系统软件设计。
4系统软件设计
4.1软件程序框图
根据BISS0001在检测到人体红外线的时候VO引脚持续输出高电平，人离开之后一段时间关闭成低电平，其中会产生一个下降沿的特性，来触发单片机外部中断0使用下降沿触发中断的形式。
片内A/D模块一直在对光敏电阻分的电压进行模拟数字转换，程序用转换得电压数字值和已设定好的阈值进行对比，控制PWM占空比调节LED亮度。
PWM则是通过单片机定时器定时控制输出，响应定时器中断程序调节占空比。
系统框图如图4.1所示。
图4.1软件程序框图
4.2程序源代码
#include<12c5a60s2.h>
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
sbitP07=P0^7;
sbitP33=P3^3;
sbitP32=P3^2;
sbitP00=P0^0;
uintk=1;
uintnum=1;
uintt=0;
voidinit_uart（void）
{
PCON&=0x7F;
SCON=0x50;
AUXR|=0x04;
BR
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