论文基于单片机的智能台灯设计说明.doc

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第九届
科文学院科研立项
设计报告

参 赛 题 目：基于单片机的智能节能台灯设计
参 赛 系 别：信息科学系
参 赛 班 级：09电信2
学 生 姓 名：许益斌、露、丁飞

目录
摘要3
ABSTRACT4
1.绪论5
2.1单片机主机系统电路7
2.1.1系统电路组成7
2.1.2 系统工作原理8
2.1.3系统控制核心8
2.2 红外传感器电路9
2.2.1人体位置检测10
2.2.2环境光检测10
2.2.3过零检测局部11
2.3输出控制局部电路11
2.4 电源控制局部12
2.5遥控器局部13
3.系统的软件设计14
3.1 系统程序框图14
3.2 系统主程序设计15
3.3采样子程序设计17
3.4 滤波程序设计18
3.5 遥控器程序设计19
4.结语22
参考文献23
附录A24

摘要
这个智能台灯的主要设计思想来源于生活。台灯是一般家庭的生活必需品，但由于经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费本文给出了一种基于BISS0001和单片机89C51组成热释电红外传感器控制电路来制作一种智能台灯的设计方法。该方法的控制可以根据台灯旁边是否有人以与光线的强弱来自行控制台灯的关和开，从而使人们使用起来比拟方便，而且能起到节能的效果。
基于单片机控制的智能节能台灯，社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用含量决定着产品开展的新趋势和前景，智能化技术在电子产品领域的应用意义深远。随着电子产品的快速开展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能电饭锅，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。
关键词：智能；省电；方便；保护视力
Abstract
The system of the main idea is derived from life. the lamp is the average family necessities of life, but often forgot to turn off the light of energy and enormous waste of this article gives a monolithic integrated circuits 89c51 biss0001 and based on the infrared sensors interpretation of the control circuit to make an intelligent lamp approach.The method of control on the desk next to whether a man and the light of their console to the door and opened, people use more convenient and forms of energy conservation.
Revivification control of a lamp energy, the progress, human being, the market has changed, higher technology applications in the product development of new trends and prospects, intellectualized technology in the electronics field of application of far-reaching significance. with the rapid development of electronic products,a combination of household "monolithic integrated circuits, and household functions stronger and more convenient usage and more higher reliability and security, the most important thing is more economical electricity and to improve the quality of the household.
Keywords: intelligent;electricity; and preserve your eyesight1.绪论
智能化产品在各个领域都有出色的应用，所以我们打算研究是智能化台灯。虽然按键式随着科技的高速开展，各种各样的科技产品、家用电器走入人们的生活，这一切都大提高了人们的工作效率、改善了人们的生活，现在电器的开展趋势是智能化，这样会使人们使用起来更方便的台灯还是台灯市场的主体。但是，现代电子技术的开展和人们的需求变化，已使传统的台灯感受到产品更新换代的威胁。智能型的电器产品渐渐进入人们的生活中。
台灯是人们生活中用来照明的一种家用电器。它一般分为两种，一种是立柱式的，一种是有夹子的。它的工作原理主要是把灯光集中在一小块区域，集中光线，便于工作和学习。一般台灯用的灯泡是白炽灯或者节能灯泡。 有的台灯还有应急功能，用于停电时无电照明已用来应急。它是千家万户的必需生活用品。
目前，灯具市场上出售的台灯种类繁多，一般的台灯均采用220V交流电源供电，日光灯管、白炽灯泡为光源，手动开关或触摸感应式开关来控制。但这类台灯，存在很多弊端，一是电压是不安全电压，给人们使用带来不安全因素；二是日光灯还具有频闪效应，经常使用会给人的眼睛带来一定的伤害；三是耗电量大、台灯通常都是以日光灯为主，在几瓦到几十瓦之间；四是人工化，人们由于手工操作，往往会忘记关灯，这也造成电能的浪费，到目前为止，在灯具市场上，很少见到采用+6V的直流电源供电的一种人体智能台灯，它具有既不会出现触电，使用寿命长，无辐射，又无污染等优点。
智能台灯可分成自动和手动两种模式。在自动模式下，台灯能根据环境光的亮暗与人是否被台灯所检测到〔人是否在〕来自动开启台灯。当人被微机检测到，环境光又达到某个程度的时候〔可以设定与调节〕，台灯就会开启。如果环境光没有达到这个程度，台灯不会开启。当人没有被微机检测到，无论多暗，台灯也不会开[1]。
手动模式是为了不习惯使用自动模式的人或是台灯中的微机出故障等紧急情况时用的。在手动模式下，智能台灯和普通台灯是一样使用的智能台灯最大的优点就是省电和方便。方便不用多说了，来之那么亮，去之那么暗，不用动手。省电是比拟重要的，现在全世界都缺少电能，2003年，美国和加拿大大面积停电。我国也是，每到夏天就有很多省市拉闸限电。如果用上我们的智能台灯，那么假设一天我们可以节省10min 的开灯时间，灯上装的是10W的节能灯泡〔一个10W的节能灯泡相当于40W的白炽灯泡〕。节省的电能为10Wｘ600s = 6000J ，一个月〔30天〕就能节省180000J，一年就能节省2190000J的电能，相当于0.6千瓦时。不要小看这个0.6千瓦时的电能。如果全国人都能每年节省0.6千瓦时的电能，那么每年全国会省下7.8亿千瓦时的电能，这7.8亿千瓦时的电能相当节省接近4亿人民币，4亿人民币可以建造多少所希望小学，可以救助多少无家可归的孤儿，可以圆多少贫穷的孩子无法圆的上学梦啊！更重要作用的是环境保护。大家都知道我国有70%的电能来自火力发电厂，而火力发电厂少发一度电〔就是1千瓦时〕会减少1千克的CO2排放。那么节省3.9亿度的电能就等于少向大气排放39万吨的CO2 ，而CO2是温室效应的最归祸首。就是因为全球向大气排入过多的CO2，导致了温室效应的加剧，海平面上升，大片的土地被淹没，气候变暖，降水和土壤湿度进一步减少，气候逐
渐干旱，土地沙漠化和草原退化将变的更加严重。2.系统主要硬件电路设计
2.1单片机主机系统电路
2.1.1系统电路组成

AT89C51
单片机

热释电红外传感器2

信号

处理

电路
电源控制电路
遥控器
热释电红外传感器1
输出提醒电路

图2.1 单片机控制系统原理框图
本系统组成如图一所示，主要由三局部组成：
〔1〕传感器与信号处理局部：检测人体辐射红外信号与光强信号经过处理后变成可处理的数字信号。
〔2〕以89C51组成的中央处理单元：处理信号并发出控制命令。
〔3〕输出提醒电路与电源控制控制电路 ：给出提醒信号并根据89C51给出的命令控制灯光[2]。2.1.2 系统工作原理
整个系统是以89C51控制下工作的。其工作过程为：当环境光比拟强时，光敏电阻阻值比拟小，信号处理电路检测到低电平信号，禁止热释电红外传感器工作，省去了89C51处理过程。当环境光比拟弱时，光敏电阻阻值变大，信号处理电路接收到高电平，从而启动热释电红外传感器工作。热释电红外传感器1探测比拟远的距离，当人体进入到传感器1的控测围且光强较弱时，信号检测电路处理信号，并向单片机发送一个中断，89C51启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮。当环境光比校弱时，且人体过于靠近桌面，热释电红外传感器2检测到信号，同时了在热释电红外传感器1的控测围，信号处理电路同时向89C51发送信号，89C51处理信号根据优先级顺序，屏蔽掉热释电红外传感器1的信号，启动延时电路，发出警报使人离开，假设在设定的时间未离开桌面，那么启动灯光控制电路，使灯慢慢熄灭[3]。当人体离开热释电红外传感器2的控测围且在热释电红外传感器1的控测围时，灯光又慢慢变亮。
2.1.3系统控制核心
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。它是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版，是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了本钱，提高了系统的性价比，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
如附录A所示是由单片机组成的报警与灯光控制电路。当外部无任何中断时，89C51控制74LS138的使能控制端，使后面电路不工作。当有中断一产生时，89C51启动74LS138，向P0脚低4位发送信号，控制灯慢慢亮。当中断1和中断0同时产生时，89C51屏蔽掉中断1，启动74LS138向P0脚低四位发送数据，使灯光慢慢变暗。这里采用74LS138控制DC832可以节省89C51的管脚，有利于扩展，以便于控制多盏灯。由于采有DC0832可以有效地使灯实现阶梯形的变化。
2.2 红外传感器电路

图2.2 传感器组成的信号检测与处理局部
图2.2是由红热释电红外传感器、光敏电阻、BISS0001组成的信号检测与处理电路。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一样的作用，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，人体红外辐射通过局部镜面聚焦，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、电压比拟器、状态控制器、延迟时间定时器以与封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。当外界光强较强时，光敏电阻阻值很小，BISS0001检测到低电平，从而封锁14脚，禁止传感器infare1的信号。当外界光强较弱时，光敏电阻阻值很大，BISS0001检测到低电平，开启14脚；infare1检测到人体信号时，产生微弱的信号输出，经R5、R1005、R4、C1、C6、C7组成的信号放大滤波电路[4]。R1000、R1001、C1000和C1001组成的延时电路。信号经处理后从2脚输出。
2.2.1人体位置检测

图2.3 红外检测电路图
如图2.3所示人体位置检测是靠一个红外发射管〔二极管〕向前方发射红外线，如果人坐在灯前面，那么发射的红外线就会反射回来，被红外接收头检测到后，就会向计算机传输一个指令，表示人已经到了。
2.2.2环境光检测

图2.4 环境光检测电路
如图2.4所示环境光检测是比拟重要的一个局部，其中关键的元件有两个，一个是光敏二极管，一个是50K的可变电阻〔电位器〕。光敏二极管的检测能力的强弱〔灵敏度〕是根据那个可变电阻来控制的，有的人认为天色还挺亮的，灯就开了，那你就把电阻变大些，光敏二极管的灵敏度就下降了，这样就可以达到等天再暗些再开灯。同样的，如果你觉的天色已经很暗了，灯还不亮，那你把电阻调小些就可以了[5]。这样多调几次，你就能把智能台灯调到一个最理想的最适合你的状态了。
2.2.3过零检测局部

图2.5 过零检测电路
如图2.5所示过零检测电路用于检测电源电压波形的过零点，产生过零脉冲。整流局部局部产生的全脉动直流电压送到过零检测电路，形成与电压过零点同步的负脉冲同步信号，送到单片机的中断输入端INT0，用于触发可控硅进展同步移项。
2.3输出控制局部电路
如图2.6所示输出控制局部分为两块：

图2.6 继电器控制电路〔实框局部〕、可控硅控制电路〔虚框局部〕
(1)继电器控制电路〔实框局部〕
继电器想必大家在初中接触电学时已经学过了。它是通过磁力来控制电路通断，电磁铁通电时，小铁片被吸，于是电路导通。电磁铁不通电时，铁片具有的弹性势能使铁片碰到另一点，电路不通。所以使用继电器控制电路会发出轻微的啪嗒的声音，也被人们称为触点式技术。用它来控制台灯，台灯就只有通断两种可能，要么灯亮，要么灯暗，并不能调光。
(2)可控硅控制电路〔虚框局部〕
比起继电器，可控硅就复杂的多。它是一种三态固件器件〔SCR〕，其阳极相当于晶体管的集电极，阴极相当于发射极，门控极相当于基极。SCR只工作在导通和截至的状态，故可作为开关元件。可控硅和继电器只须其中的一个工作，智能台灯就可以正常工作。但是可控硅比继电器优越的地方在于可控硅使用的是无触点式技术，虽然它也只有通断两种状态，但是因为它是利用交流电正弦波的一局部，所以它不但开合动作时没有声音，而且可以对灯泡进展调光，因其调光时是处于“软〞状态，所以比机械调光具有更好的优越性[6]。
2.4 电源控制局部

图2.7电源控制电路
如图2.7所示，电源局部是将220V的交流电通过变压器转换成9V交流电，再通过整流桥转换成5V直流电〔因为计算机工作需要5V直流电〕。此时5V直流电很不稳定，不符合计算机工作的需求。因此还须将电流通过电解电容和集成稳压块7805，逐步达到稳压、滤波的作用[7]。
稳压示意图通过整流桥的电流如图2.8所示。

图2.8 通过整流的电流示意图
通过E0后如图2.9所示。

图2.9 通过 E0电流示意图
最后通过集成稳压块7805如图2.10 所示。

图2.10 通过集成稳压块电流示意图
这样的电流在通过2个电容后就适合计算机工作了，在电路原理图右上角以+5V输出[8]。
2.5遥控器局部

图2.11 遥控器系统电路
如图2.11所示，遥控器系统分为发射与承受两个局部，发射局部就是遥控器。承受局部能接收到遥控器发射的红外线。〔与人体位置检测的红外线发射管共用红外接收头〕。
3.系统的软件设计
系统软件程序设计主要包括: 系统程序框图,主程序设计，采样子程序设计，数据处理程序等。各芯片地址编码为：81551/0口:7FF8H - 7FFDH，ADC0809: OBFF8H-OBFFFH[9]。
3.1 系统程序框图

图3.1 系统程序框图
程序框图如图3.1所示，程序开始后，对程序进展初始化。向P0脚写入低电平，开启所有中断，启动计数器。当中断1来时，进入中断1，设置R0为0，调用延时程序TIME0〔延时10ms〕，判断R0是否等于7，假设不是，那么加1，继续发送数据进入循环，直至R=7，即实现的是灯慢慢变亮的一个过程。当中断0和中断1同时产生时，根据优先级，屏蔽掉中断1，开启中断0。调用延时程序TIME0〔延时1分钟〕，查询中断0控制位;防止人体不小心到达热释电探测器的探测围，采用延时程序来排除干扰，防止误判。假设为0，那么返回主程序；假设为1，那么向P0高四位发送数据，使灯保持原来最亮状态，调用延时程序TIME1，判断R0是否等于0，假设是那么中断返回，假设不是，那么R0减1，继续循环，直至R0等到于0，此程序的目的是实现灯慢慢变暗[10]。
3.2 系统主程序设计
源程序：
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG 0003H
AJMP DET1 ;远探测器
ORG 0013H
AJMP DET0 ;近探测器

ORG 0050H
MAIN: MOV P0, #00000001B ;置初始值DET0，DET1可重复触发，灯灭
MOV TMOD, #00000010B ;方式2，8位自动重装计数器
MOV TCON, #00010000B ;开启计数器T0
MOV IE, #10000111B ;开启所有中断
SJMP $
;灯慢慢变亮
DET1: MOV P0, #00000001B
CALL TIME0 ;灯亮度延时10ms
MOV P0, #00000011B
CALL TIME0
MOV P0, #00000101B
CALL TIME0
MOV P0, #00000111B
CALL TIME0
MOV P0, #00001001B
CALL TIME0
MOV P0, #00001011B
CALL TIME0
MOV P0, #00001101B
CALL TIME0
MOV P0, #00001111B
CALL TIME1
RETI
;灯慢慢熄灭
DET0: CALL TIME1 ;延时1分钟
MOV TCON, A
ANL A, #1
JZ LOOP
MOV P0, #00001111B
CALL TIME0
MOV P0, #00001101B
CALL TIME0
MOV P0, #00001011B
CALL TIME0
MOV P0, #00001001B
CALL TIME0
MOV P0, #00000111B
CALL TIME0
MOV P0, #00000101B
CALL TIME0
MOV P0, #00000011B
CALL TIME0
MOV P0, #00000001B
RETI
LOOP: RET
;延时10ms
TIME0: SETB TR0
MOV R0, #20
D_1:MOV R1, #250
DJNZ R1, $
DJNZ R0, D_1
CLR TR0
RET
;延时1分钟
TIME1: SETB TR0
MOV R0, #250
MOV R1, #200
MOV R2, #60
D_2 : DJNZ R0, D_2
MOV R1, #200
DJNZ R1, D_2
MOV R2, #60
DJNZ R2, D_2
CLR TR0
RET
END
3.3采样子程序设计
根据电路图2-5，因EOC未接入单片机，故只能采用延时等待的方法来读取A/D转换结果，ADC0809的INO和INl两个地址分别是OBFF8H, OBFF9H, INO通道采集到的11个数据放入以ADTURNO(片21H)为首址的一片数据区，IN1通道采集到的11个数据放入以ADTURN1(片2CH)为首址的另一片数据区。
程序清单:
AD: MOVR0, #ADTURNO
MOVR6, #OBH
ADLOOP: MOVDPTR, #OBFF8H; 启动INO通道A/D转换
GOON: MOVXDPTR, A
MOVR7, #OAOH; 延时等待转换完毕
DLAY: NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
DJNZR7, DLAY
MOVXA,DPTR
MOVR0, A;将转换后的数据送入以
ADTURNO为首址的一片RAM
INCRO
DJNZR6, ADLOOP
SJMPAD
RET
3.4 滤波程序设计
相关局部程序代码：:
MAOPAO: MOV Rl, #ADTURNO
MOV R5, #OAH
CLR OOH
FILTER: MOV 3CH, R1
INC Rl
MOV A, R1
CLR C
SUBB A, 3CH
JNC NEXT
MOV A, Rl
MOV R1, 3CH
DEC R1
MOV Rl, A
INC Rl
SETB OOH
NEXT: DJNZ R5, FILTER
OOH, MAOPAO
MOV LINEADRO, 26H
RET
3.5 遥控器程序设计
控制台灯局部程序代码：
LL: LCALL RING30
MOV R7，#1H ;***
MOV R1，#38H
CLR 7EH
WAIT0: C 7EH，DD
LJMP WAIT0
DD: MOV R1，#38H
MOV A，R1
RR A
RR A
RR A
RR A
MOV R4，A
RL A
ADD A，R4
MOV DPTR，#TAB
JMP A+DPTR
TAB: LJMP ZERO
LJMP EIGHT
LJMP FOUR
LJMP STOP
LJMP TWO
LJMP ZERO
LJMP SIX
LJMP LL
LJMP ONE
LJMP LL
LJMP FIVE
LJMP LL
LJMP THREE
LJMP LL
LJMP SEVEN
LJMP LL
ORG 0250H
ZERO: LJMP LL
ONE: LCALL RING40
OO1: MOV R7，#01H
CLR 7EH
WAIT1: C 7EH，WW1
LJMP WAIT1
WW1: MOV R1，#38H
MOV A，R1
CJNE A，#50H，BB1
LJMP ZZ1
BB1: CJNE A，#80H，QUIT1
SETB P1.3
CLR P1.2
CLR P1.1
CLR P1.0
LJMP QUIT1
ZZ1: CLR P1.3 ;
CLR P1.2
CLR P1.1
CLR P1.0
LCALL RING50 ;
QUIT1: LJMP LL
4.结语
首先，通过本次智能台灯系统的设计，在各方面能力上都有着很大程度上提高，单片机方面的专业知识也有很深的了解，也深刻了解写一篇设计报告的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在以后的毕业设计报告中会起到很大的帮助，而且学会良好的格式会为将来的工作提供较好的根底。
本系统的主要设计思想来源于生活。台灯是一般家庭的生活必需品，但由于经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。全球这么多台灯，估算一下，消耗能源可观。另一个是作为一个必需品，当然要使生活变得更方便，省去了黑暗中开灯的麻烦，并且可以纠正坐姿。本系统在实验室进展了实物实验。热释电红外探测器1的距离是4m左右〔距离可调〕，主要是因为般来说是门离书桌的距离;以便黑暗中时人一到门口那么启动，省去了开灯的麻烦，用户可以根据自己的实际情况进展距离调节。热释电红外探测器1的距离是10cm左右〔距离可调〕，主要考虑是当学习时，有时坐姿不正，引起身体离桌面太近，容易引起近视，此时台灯发出警告，提醒注意，假设在设定的时间未离开，那么强制熄灭。有时人学习累了，趴在桌子上睡觉，而忘了关灯,这时系统就会检测到，从而启动延时程序，一段时间过后，台灯就会自动熄灭。
本系统的主要技术难点在于对人体红外信号的采集与处理。由于采用的是热释电红外传感器，当人体进入其感应围时，传感器就会产生几mV信号，然后通过以BISS0001为中心的信号处理电路，对信号进展二次放大，并滤波，以防止外界的信号产生干扰。信号经过BISS0001后从而转化为数字信号输出，便于用单片机进处理。
本系统制作的主要设计源泉来源于生活，因此创新之处也在于处理生活中一些比拟常见的问题。以专门感应人体红外信号的热释电红外传感器为根底，以BISS0001信号处理电路，利用单片机进展处理，以达到便于控制的目的。当房间亮度不够时，且有人在附近时，台灯便会自动点亮，省去了黑暗中摸开关的麻烦；当学习时由于靠桌面太近，造成坐姿不正，系统就会提示，以纠正坐姿，防止近视；当学习太累了时，趴在桌子上睡会儿时，台灯就会自动熄灭；当无人在时，系统也会使台灯自动熄灭，以达到节省能源的目的。除了硬件局部采用防干扰技术外，在软件中也采用了防干扰技术，当中断0产生时，并不立即执行，而是对其进展延时，防止由于不小心而进入到探测器2的围，以免产生误判。
虽然本系统以达到了使生活方便的目的，但是电路还是不够简单。因为当有多个热释电红外传感器时，就需要相应的信号检测电路。改良之处在于用一个信号处理电路同时控制多个传感器。还有一个不足之处在台灯开启时，产生的光强容易干扰光敏电阻对环境光强的判别，引起误判，现在的处理方法是传感器局部与控制局部单独分开放置。
参考文献
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[7]汪文，林.单片机原理与应用[M].：华中科技大学，2007.
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[10]周功海，晓刚，何翠萍.单片机控电子时钟的设计[J].煤矿现代化，2007.

附录A

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