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基于单片机AT89C51智能灯光控制系统的研究与设计毕业设计论文.doc

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基于单片机AT89C51智能灯光控制系统的研究与设计毕业设计论文.doc

1目录摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1ABSTRACT„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20绪论41系统相关背景介绍61.1系统研究背景61.2系统研究的意义71.3智能灯光控制系统的发展与现状71.3.1智能控制技术的研究现状71.3.2国内外智能灯光发展概况71.3.3智能灯光控制系统的优点81.3.4现有智能照明控制系统的分析82系统的设计方案92.1系统设计要求92.2系统设计102.3功能描述112.4系统硬件电路框图123系统硬件设计133.1单片机最小系统133.1.1AT89C52芯片介绍1323.1.2晶振电路173.1.3复位电路193.2光照强度检测电路设计213.2.1光敏三极管功能213.2.2光照强度检测模拟电路设计223.2.3光照强度模拟检测电路233.3人体检测电路设计243.3.1热释电红外传感器的原理243.3.2信号处理电路263.4灯光控制电路设计293.5光照强度显示部分303.6报警电路设计324系统软件设计334.1软件设计的基本思想334.2逻辑控制334.3软件设计流程图354.4仿真环境介绍354.4.1Keil介绍354.4.2Proteus介绍365系统调试385.1单片机系统调试方法及步骤385.2仿真调试结果3936总结与展望426.1总结426.2展望437参考文献448附录449译文4410原文说明611摘要随着电子技术的飞速发展,基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业,微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心,代替了传统的控制系统的常规电子线路。楼宇智能化的发展与成熟,也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。对一些照明时间较长、照明设备较多的场所如学校教室、商场等其照明系统的使用浪费现象屡见不鲜。由于缺乏科学管理和管理人员的责任心不强,有时在借助外界环境能正常工作和夜晚室内空无一人时,整个房间内也是灯火通明。这样下来,无形中所浪费的电能是非常惊人的。据测算,这种现象的耗电占其单位所有耗电的40%左右。因此,有必要在保证照明质量的前提下,实施照明节能措施。这不仅可以节约能源,而且会产生明显的经济效益。针对公共场所用电浪费现象,以AT89C52为核心,提出一种用热释电红外传感嚣和光照检测相结合的智能照明控制系统,通过对光线的强弱和室内是否有人的判断自动实现开关灯,达到节能的目的。关键词智能灯光,节能,AT89C52,热释电红外传感器,光照检测2ResearchandDesignofControlSystemofIntelligentLightingABSTRACTWiththerapiddevelopmentofelectronictechnology,thesystemofcontrolbasedonSingle-chipMicrocomputeriswidelyappliedinindustry,agriculture,electricpower,electron,intelligentbuildingandsoon.Microcomputer,asthesubjectandcoreoftheembeddedsystemofcontrol,replacesthetraditionalsystemelectroniccircuit.Atthesametime,thedevelopmentandmaturationoftheintelligentbuildinghaveestablishedthesubstantialfoundationforthepopularizationandapplicationofthecontrolsystemforlightingbasedonsingle-chipmicrocomputer.Forsometimelonger,lightingequipmentmoreplacessuchasschoolclassrooms,shoppingmallsandsoonItisoftenseenusingwasteitslightingsystem.Duetothelackofscientificmanagementandmanagementresponsibilityisnotstrong,sometimeswiththeexternalenvironmentcanworknormallyandatnightnobodyindoor,thewholeroomislit.Inthisway,thewasteofintangiblepowerisveryalarming.Accordingtoestimates,thepowerconsumptionoftheunitofthiskindofphenomenonabout40ofallelectricityconsumption.Therefore,itisnecessarytoguaranteethequalityoftheimplementationoflighting,lightingenergysavingmeasures.Thiscannot3onlysaveenergy,butalsocanproducesignificanteconomicbenefits.Aimingatthephenomenonofelectricitywasting,takingAT89C52asthecore,akindofintelligentlightingcontrolsystemofinfraredsensingnoiseandlightdetectioncombinedpyroelectricinfrared.Thelightintensityandwhetherindoorhumanjudgmentautomaticallyswitchlights,achievethepurposeofenergysaving.Keywordsintelligentlightingenergysaving,AT89C52,pyroelectricinfraredsensornoise,lightdetection4智能灯光控制系统研究与设计许仲池0212101310绪论在社会经济水平和科学信息技术不断膨胀的今天,社会的进步发展很大程度上取决于资源开发利用,但是不断增加的能源需求和有限的资源数量给人类的生存发展造成了相当大的威胁,能源短缺问题变成了全球性问题,同时也成为一个国家经济发展绊脚石。怎样有效利用能源和节约利用能源成为每个国家紧迫的问题,而符合可持续发展要求无疑是节约能源。在英国,你会很少见到大型彻夜灯光照明的现象,大型公司和政府部门,你是看不到虚浮华丽的所谓“照明工程”。当你漫步在伦敦街头,看不到大面积光华淌泻与楼体通明的景观,所有照明都基本以不影响人们的正常生活节奏为准。许多店铺橱窗的灯光在打烊后会全部关闭,有些店铺还采用定时关灯装置。在政府住宅楼和公寓楼内,楼道里的公用灯也大多采用自动断电装置。作为提高能源使用效率最重要的途径之一,德国政府努力推动能源公司实施“供热供电结合”,鼓励能源公司将发电的余热尽可能用于供暖。2002年,德国颁布了促进“供热供电结合”的法规,根据这一法规,政府向实施该措施的能源公司,尤其是小型能源公司提供补助,帮助他们置办相应设备。中国城市每年用于公共照明的能源支出高达280多亿,节能空间巨大。其中路灯照明能耗占30以上。发展城市道路照明的同时,路灯以供街道照明以外,还大力兴建了不少景观照明工程,5美化城市的夜景,但同时也带来了能耗的极大浪费。据统计2005年,我国全社会的总用电量约为24000亿kWh,照明用电量约为3000亿kWh,且每年以13~14的速度递增,预计到2010年,照明用电量将超过5000亿kWh,新增照明用电2000亿kWh[1]。对高等院校,据测算,其照明耗电占本单位所有耗电的40左右,可见在保证照明质量的前提下,对教室灯光进行自动控制,其节能效益和经济效益都是相当可观的[10]。目前对灯光的智能控制,国内外已经开始采用,但针对教室灯光的控制智能系统还不是很完善,依然是人工管理占主导地位。现在伴随各类大、中专院校的扩招,教学楼不断扩建,教室用电负荷不断加大,教室用电系统管理不善,造成学校资源的浪费与经济损失,这种做法显然与当今节约能源的理念相违背。当今许多教室采用比较传统的照明系统在主电源经过一个配电箱分出多个支路,这些支路再分别向灯具供电,然后再通过串接在照明中的单双极开关来通断供电线路[9],所以该控制系统只能通过开关来控制灯具,无法实现比较人性化、多功能化的系统管理。如在国内外有些灯光控制系统采用声控形式但是其没有经过单片机等芯片的处理使用仍是将采集信号处理后传递给逻辑电路来进行灯光控制,假使外界条件恶劣如有噪声等仍会造成电能的浪费,而且逻辑电路只能实现较少功能,综合而言,整个系统虽然简单但是功能不全,而且无法人性化控制。现代自动化程度不断提高,计算机技术不断普及应用,教室灯光系统也应朝着更人性化智能化得方向发展。本系统采用热释电红外传感器和光敏三极管来感知人体信息6和外部光照环境改变,并通过单片机及软件编程的技术实现灯光系统的控制,达到了部分智能化的控制。1系统相关背景介绍1.1系统研究背景改革开放30年来,我国经济取得了突飞猛进的发展,人民生活水平质量也得到了巨大的提高,人们对照明的需求也越来越高。从最初只提供亮度的基本功能到现在产了多方面的需求除了提供适宜的环境亮度以外,还要营造优雅舒适的氛围;用户方要求控制方式灵活方便,能实现按需配置,同时实现节能、降低运行费用;施工方要求安装简单、维护方便;设计方要求系统能提供满足用户多样性要求的各种技术手段。需求的变化导致控制方式的改进从传统的机械式开关演变为电子技术的智能照明系统。能源短缺是21世纪国际面临的新课题。在寻找新的能源之外,节约能源,提高效益也就成为了我们研究的课题。所以如何来节省电力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。从节约资源、对社会贡献、节省部门经费支出等多方面考虑,办公室、高校教室等公共场所照明的节电问题不得不提到重要的议事日程上来。目前常用的节电方式为手工控制,声控型,太阳能灯等。手工方式操作起来不灵活,费时费力。声控型往往判断不准确,不需要的时候也也会经常亮。太阳能设备投资比较大,且容易受光照强度的影响。因此市场上迫切需要一种操作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能方案。71.2系统研究的意义社会经济和科学技术的发展使得人们的生活水平也不断提高,导致用电负荷的加剧,又由于世界性的能源危机,能源缺乏已成为世界所面临的严峻问题。而此问题对我国来说尤为严重。随着各类建筑空间的扩大,照明的需求也越来越多,而室内照明的管理不到位,往往造成电能的巨大浪费,这样,提高室内用电效率就成为首要考虑的问题。目前对灯光的智能控制,国内外已经开始采用,但对室内灯光的控制,尤其是我国室内灯光的智能控制尤为缺乏和不完善,依然是传统式的人工管理。各类大型建筑不断扩建,室内的用电负荷不断加大,室内用电管理不善,造成电能浪费,经济损失,这种的浪费与当今的节约能源理念相违背。再者,现代自动化程度不断提高,计算机技术的普及,灯光的管理也在朝着自动化、智能化方向发展。例如搂道灯光的自动控制等等。所有这些使得室内灯光控制应该朝着智能的方向发展。所以,开发简便、实用的室内灯光自动控制系统具有重要的现实意义。1.3智能灯光控制系统的发展与现状1.3.1智能控制技术的研究现状智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向,在智能控制的人工神经网络控制方向上,基于人工神经网络和模糊逻辑有机结合的神经模糊技术,已成为近年来的一个热门课题。1.3.2国内外智能灯光发展概况“智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术,使建筑8物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等,实现建筑物综合管理自动化、远程通信和办公自动化的有效运作,并使这三种功能结合起来的建筑。人工智能技术在建筑与灯光中的应用趋势不断扩大。正如英国的Glasgow市报指出“Glasgow正在成为一个研究和发展太空时代智能建筑的国际组织的神经中枢。在智能建筑中的智能灯光、供热、空调、通讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。”面对这一发展趋势,开发了不少智能灯光设计,如智能灯具、智能照明控制与管理系统,包括在照明方面的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计和测试方面也得到广泛应用。澳大利亚邦奇开发的Dynalie智能照明控制系统,美国的智能照明建筑,特别是现代化办公室的智能灯光技术等都值得我们研究与借鉴。1.3.3智能灯光控制系统的优点智能灯光控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段,对电力照明实行自动控制,提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和其它使用费用。智能灯光控制系统于手动灯光控制系统相比有很多优点,包括创造环境气氛,改善工作环境、提高工作效率,良好的节能效果,延长光源寿命,管理维护方便等。1.3.4现有智能照明控制系统的分析澳大利亚邦奇开发的Dynalite分布式智能灯光控制系统的特点是模块化结构和分布式控制,各功能模块之间通过网络总线直接相互通信,当系统中某个模块出现故障时不会影响其它模块,可靠性高。9美国LCD智能灯光控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压继电器配电盘组成,按照客户对室内外照明的具体要求,设定照明控制的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路,也有手动开关直接控制。国内生产的真善美智能灯光系统具有集中控制、多点操作、集中显示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能,使家居生活更加方便和舒适。但是,国内外智能灯光系统的研究存在着如下问题(1)现有国外智能灯光系统主要控制照度这个数量指标,国外的研究主要集中于办公室照明,以节能为主要目的,但据照明科技最新研究成果表明,非定量指标(如舒适性和艺术性等)对室内照明光环境质量影响更大。(2)国内一些智能灯光控制系统能够实现集中控制和集中显示,具有一定的智能性,但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关,不能实现场景控制,也不能对灯光的亮度进行调节,不能产生多种照明效果。(3)针对住宅照明光环境研制的智能灯光控制系统产品很少,还有很大的开发前景。2系统的设计方案2.1系统设计要求在一个非常大的环境中,当白天光照强度足够充足时,照明设备不启动;当光照强度不充足时,会根据人体传感器检测是否有人,开启相应的照明设备,如果人在教室内走动,则会依次点亮其行走路径上的照明设备;当人离开时,蜂鸣器报警然后照明设备关闭。10本系统的主要功能是对灯光的开关状态进行智能控制。单片机是用来处理光照检测模块和热释电红外线传感器模块采集到光照强度、室内是否有人等的信息,再根据接收到的信息通过控制电路对照明设备进行开关控制,从而实现照明控制,以达到节能的目的。2.2系统设计本系统设计大致可分为硬件设计和软件设计两大部分。根据系统需要实现的整体功能,选择合适的元器件进行设计。硬件设计主要涉及到构造原理图,并对原理图用protues软件进行仿真,这一步可以说是最重要的,它关系到实验成功与否的关键。然后一旦仿真测试出我们想要的结果后,就可进行下一步原理图的绘制。软件设计部分,应该结合硬件电路所要实现的功能进行设计。主要针对光电检测电路和热释电传感器输出信号进行处理。当光强的时候,系统对光照进行检测,产生信号并处理控制灯的开关状态,科学管理灯光的亮与灭,达到节约用电的目的。本系统以AT89C52单片机作为控制装置的智能控制“头脑”,采用红外人体传感器来检测人体的存在,采用光敏三极管构成的电路检测光照强度;根据教室现有开灯的条件,系统通过对人体的存在信号和光照强度信号来综合管理和智能判断,完成对教室灯光的智能控制。设计思路流程图如图2.1所示。11图2.1设计思路流程图2.3功能描述本系统设计的智能灯光控制系统的功能大致如下1.首先通过红外传感器探测室内是否有人,当人在移动时,热释电传感器输出为高电平,没人的时候输出为低电平,电平值发送到单片机端口进行整体判断。2.当有人在教室内,系统自动启动,启动后通过光敏电阻自动检测教室内的光照强度,然后根据光敏传感器来发送光照强度数据,当室内光强12大时,灯不会打开,当光强不够时就打开灯光。如果白天的亮度达到一定程度,就会自动关闭。因为采用光照强度检测,所以不用考虑白天黑夜时间段的问题,只要室内光照强度不够,且有人时就会打开灯。即使是阴雨天都会根据实际光照强度来决定是否开灯。3.数码管显示光照强度的具体情况。4.当人出去后蜂鸣器报警然后灯关闭。2.4系统硬件电路框图本系统具有对教室内的人体进行检测和对光照强度情况进行检测的功能,并对灯光进行智能控制,达到方便和节能的目的。当环境光照强度充足时且教室光照强度大于设定值时,不管有没有人,灯都不亮。若教室光照强度小于设定值,控制会根据有没有人来确定灯的开关,达到了智能控制和节能的作用。系统结构框图2.2所示。图2.2系统框图AT89C52光照强度显示电路控制电路信号处理电路热释传感器光照检测电路报警电路133系统硬件设计3.1单片机最小系统本系统采用AT89C52单片机处理芯片,其特点是外围电路简单,价格低廉,虽然此款单片机的工作频率相对较低,但本设计对频率要求不高,能够满足本设计的要求。另外此款单片机有32个I/O端口,方便了设计的需要。图3.1为单片机最小系统。因为51单片机的P0口驱动电流小,因此需要外加上拉电阻。图3.1单片机最小系统3.1.1AT89C52芯片介绍从系统设计的功能需求及成本考虑,这个系统用51单片机来实现。AT89C52是拥有2个外部中断、2个16位定时器、2个可编程串行UART的单片机。中心控制模块采用AT89C52单片机已完全满足设计需要,实现整个系统控制。AT89C52引脚图如3.2所示。14图3.2AT89C52引脚图管脚说明VCC电源GND接地P0口P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0口端口写“1”时,引脚作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接受指令字节在程序效验时,输出指令字节。程序效验时,需要外部上拉电阻。15P1口P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。对P1口写“1”时,内部上拉电阻的原因,将输出电流ILL。此外,与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输出(P1.1/T2EX),具体如下表所示。表3.1P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2(定时/计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出P1.1T2EX定时/计数2捕获/重装载触发和方向控制在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。P2口P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。对P2口写“1”时,通过内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流ILL。在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高8位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在Flash编程和校验时,P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。P3口P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑电平。对P3口写“1”时,16内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入端口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流ILL。P3口除了作为一般、的I/O口线外,更重要的是它的第二功能,如下表所示。表3.2P3口引脚第二功能引脚号第二功能P3.0RXD(串行输入)P3.1TXD(串行输出)P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)P3.4T0(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)在Flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。RST复位输入。晶振工作时,RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。ALE/PROG地址锁存器控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时,锁存低8位地址的输出脉冲。在Flash编程时,此引脚(PROG)也使用作编程输入脉冲。在一般情况下,ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲,可用来作为外部定时器或时钟使用。然而,特别强调,在每次访问外部数据存储器时,ALE脉冲将会跳过。如果需要,通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”,ALE操作无效。17这一位置“1”,ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则,ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN外部程序储存器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时,PSEN在每个机器周期被激活两次,而在访问外部数据储存器时,PSEN将不被激活。/EAVPP访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000HFFFFH的外部程序存储器读取指令,EA端必须保持低电平(接地)。为了执行内部程序指令,EA应该接VCC。在flash编程期间,EA也接受12伏VPP电压。XTAL1振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。3.1.2晶振电路晶体振荡器,简称晶振。在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络,电工学上这个网络有两个谐振点,以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振,较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近,在这个极窄的频率范围内,晶振等效为一个电感,所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路,由于晶振等效为电感的频率范围很窄,所以即使其他元件的参数变化很大,这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振有一个重要的参数,那就是负载电容值,选择与负载电容值相等18的并联电容,就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器(注意是放大器不是反相器)的两端接入晶振,再有两个电容分别接到晶振的两端,每个电容的另一端再接到地,这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容,请注意一般IC的引脚都有等效输入电容,这个不能忽略。一般的晶振的负载电容为15p或12.5p,如果再考虑元件引脚的等效输入电容,则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振(谐振)的英文名称不同,无源晶振为crystal(晶体),而有源晶振则叫做oscillator(振荡器)。无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号,自身无法振荡起来,所以“无源晶振”这个说法并不准确;有源晶振是一个完整的谐振振荡器。谐振振荡器包括石英(或其晶体材料)晶体谐振器,陶瓷谐振器,LC谐振器等晶振电路如下图3.3所示图3.3晶振电路193.1.3复位电路复位电路的作用在上电或复位过程中,控制CPU的复位状态这段时间内让CPU保持复位状态,而不是一上电或刚复位完毕就工作,防止CPU发出错误的指令、执行错误操作,也可以提高电磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。单片机在启动时都需要复位,以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初态开始工作。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期24个振荡周期以上,则CPU就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有手动按钮复位和上电复位。1、手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平(图1)。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时,则Vcc的5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒,所以,完全能够满足复位的时间要求。2、上电复位20AT89C51的上电复位电路如图2所示,只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端,下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机,由于在RST端内部有一个下拉电阻,故可将外部电阻去掉,而将外接电容减至1F。上电复位的工作过程是在加电时,复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号,此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落,即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位,RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时,Vcc的上升时间约为10ms,而振荡器的起振时间取决于振荡频率,如晶振频率为10MHz,起振时间为1ms;晶振频率为1MHz,起振时间则为10ms。在图2的复位电路中,当Vcc掉电时,必然会使RST端电压迅速下降到0V以下,但是,由于内部电路的限制作用,这个负电压将不会对器件产生损害。另外,在复位期间,端口引脚处于随机状态,复位后,系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位,则程序计数器PC将得不到一个合适的初值,因此,CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。复位电路图如下图3.4所示图3.4复位电路213.2光照强度检测电路设计3.2.1光敏三极管功能光照强度检测采用的是光敏三极管。光敏三极管与普通半导体三极管一样,是采用半导体制作工艺制成的具有NPN或PNP结构的半导体管它在结构上与半导体三极管相似,它的引出电极通常只有两个,也有三个的。光敏三极管的结构为适应光电转换的要求,它的基区面积做得较大,发射区面积做得较小,入射光主要被基区吸收。和光敏二极管一样,管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内,当光照射时,光线通过透镜集中照射在芯片上。光敏三极管的集电极接正电位,其发射极接负电位。当无光照射时,流过光敏三极管的电流,就是正常情况下光敏三极管集电极与发射极之间的穿透电流Iceo它也是光敏三极管的暗电流,其大小为Iceo1hFEI式中Icbo---集电极与基极间的饱和电流;hFE---共发射极直流放大系数。当有光照射在基区时,激发产生的电子--空穴对增加了少数载流子的浓度,使集电结反向饱和电流大大增加,这就是光敏三极管集电结的光生电流。该电流注入发射结进行放大,成为光敏三极管集电极与发射极间电流它就是光敏三极管的光电流。可以看出,光敏三极管利用普通半导体三极管的放大作用,将光敏二极管的光电流放大了IhFE倍。所以,光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。光敏三极管产品特点221灵敏度高,响应速度快,易与晶体管、集成电路相匹配;2带有基极引出线的光敏管,可以在基极上施加相应偏置电压,进行信号调制;3体积小,重量轻,寿命长,可靠性高;4金属玻璃封装的器件,具有玻璃表面耐磨性好、光洁度高、耐焊接、耐高低温性能好等。3.2.2光照强度检测模拟电路设计3.2.1.1ADC0804的介绍图3.5ADC0804管脚图管脚说明/CS芯片片选信号,低电平有效,即/CS0,该芯片才能正常工作,在外接多个ADC0804芯片时,该信号可以作为选择地址使用,通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片,从而可以实现多个ADC通道的分时复用。/WR启动ADC0804进行ADC采样,该信号低电平有效,即/WR信号由高电平变成低电平时,触发一次ADC转换。23/RD低电平有效,即/RD0时,可以通过数据端口DB0~DB7读出本次的采样结果。UIN()和UIN(-)模拟电压输入端,模拟电压输入接UIN()端,UIN(-)端接地。双边输入时UIN()、UIN(-)分别接模拟电压信号的正端和负端。当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时,可在UIN(-)接一等值的零点补偿电压,变换时将自动从UIN()中减去这一电压。VREF/2参考电压接入引脚,该引脚可外接电压也可悬空,若外界电压,则ADC的参考电压为该外界电压的两倍,如不外接,则Vref与Vcc共用电源电压,此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。CLKR和CLKIN外接RC电路产生模数转换器所需的时钟信号,时钟频率CLK1/1.1RC,一般要求频率范围100KHz~1.28MHz。AGND和DGND分别接模拟地和数字地。/INT中断请求信号输出引脚,该引脚低电平有效,当一次A/D转换完成后,将引起/INT0,实际应用时,该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连(如51单片机的INT0,INT1脚),当产生/INT信号有效时,还需等待/RD0才能正确读出A/D转换结果,若ADC0804单独使用,则可以将/INT引脚悬空。DB0DB7输出A/D转换后的8位二进制结果。3.2.3光照强度模拟检测电路光敏三极管本身就是一个放大器,但是由于外界环境(如温度等)对其干扰较大,我们需要另外一个集成运放电路对它的信号进行进一步的放24大,使其检测转化的范围大一点。另外再放大的电流信号后面接上一个电阻(范围在1K-3K之间),将电流信号转化成电压信号。该电压信号通过AD转换后变成相对稳定的值后通过软件设置定值并与其进行比较,从而达到对光信号的检测目的。此部分由一个滑动变阻器、AD转换芯片ADC0804构成,由滑动变阻器来模拟光线的强弱控制,通过AD转换后将模拟量转化为单片机可以处理的数字量并且信号通过P1口来传递给AT89C52单片机进行处理。本系统设定***来代替光照强度不足,***来代替光照强度充足。光照检测模拟仿真模块如图3.6所示图3.6感光信号采集模拟电路3.3人体检测电路设计3.3.1热释电红外传感器的原理热释电红外传感器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。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际使用时,在热释电传感器前25需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接收灵敏度,增加检测距离及范围。实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2m左右;而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10m以上。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小小于1mV,不能直接作为照明系统的控制信号,因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路,使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号[。根据以上要求,人体热释电检测电路组成框图如图3.7所示图3.7人体热释电检测电路组成框图热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶,其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成,其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰,该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化,并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号,并不能直接使用,因而需要用电阻将其转换为电压形式,该电阻阻抗高达104M欧姆,故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器检测对象菲涅尔透镜热释电红外传感器信号处理电路0V26三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片,并在它的两面镀上金属电极,然后加电对其进行极化,这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的,因此极化后的探测元也是有正、负极性的。图3.8双探测元热释电红外传感器图3.8是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时D端接电源正极,G端接电源负极,S端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起,目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射,热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上,从而使传感器输出电压信号。3.3.2信号处理电路本设计采用BISS0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、27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

注意事项

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