亮度自動調(diào)節(jié)臺燈電路的設計.doc

摘要臺燈亮度自動調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機為中央控制單元，通過光敏電阻等擴展模塊，實現(xiàn)了根據(jù)外界光照強度變化臺燈自動調(diào)節(jié)亮度的功能。該設計主要實現(xiàn)了臺燈亮度的自動調(diào)節(jié)，單片機通過光敏電阻來獲取外界的光強信息并將該信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。通過紅外模塊系統(tǒng)判斷臺燈附近是否有人，無人時臺燈不工作，有人在附近時，臺燈會自動開啟。當人離開一段時間后臺燈會自動關(guān)閉并作出提醒，這樣便有效地節(jié)約了能源。此外系統(tǒng)還帶有時間顯示的功能，通過按鍵調(diào)節(jié)可以對時間進行校正。經(jīng)過測試，各模塊的功能均能正常實現(xiàn)，同時該系統(tǒng)還具有控制簡單、反應靈敏等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機；光敏電阻；PWM波；紅外感應 AbstractThe brightness automatic adjustment circuit system of lamp is controlled by STC12C5A60S2, through other expansions like photoresistor module, brightness of the lamp can be automatically adjusted according to that of the outside. The design makes it possible for the lamp to adjust its brightness automatically , the micro-controller gets light intensity nearby by the photoresistor and the information will be converted into a digital signal. Infrared module of the system judges whether someone is near the lamp , the lamp will automatically turn on when someone is nearby and will not work when it is not . When people leaves the desk for some time, the lamp will automatically turn off and make a reminder, which effectively saves energy. In addition the system also has the function of time display,which can be corrected by keys . Tests prove that the function of each module can be achieve normally and it is easily to control as well as quick-witted. Keywords: STC12C5A60S2; Photoresistance; PWM; Infrared sensors目錄1 緒論61.1 研究課題的背景與意義61.2 本課題的研究內(nèi)容及實施方案71.3 論文內(nèi)容安排82 整體方案設計82.1 整體邏輯框圖82.2 方案論證93 硬件方案設計113.1 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)113.2 光敏電阻123.2.1 光敏電阻的性質(zhì)123.2.2 光敏電阻模塊電路圖153.3 液晶顯示屏1602153.3.1 1602簡介153.3.2 1602與單片機連接圖173.4 時鐘芯片DS1302183.5 紅外傳感器193.6 按鍵模塊203.7 蜂鳴器電路204 軟件設計214.1 整體軟件流程圖214.2 各子模塊功能設計224.2.1 STC12C5A60S2單片機A/D轉(zhuǎn)換模塊224.2.2 STC12C5A60S2單片機中斷模塊254.2.3 單片機定時器模塊274.2.4 光線采集的實現(xiàn)304.2.5 自動斷電功能的實現(xiàn)314.2.6 LCD顯示模塊324.2.7 時鐘模塊354.3 軟件開發(fā)環(huán)境364.3.1 KEIL簡介364.3.2 STC-ISP簡介375 系統(tǒng)調(diào)試395.1 焊接395.2 調(diào)試結(jié)果40總結(jié)與展望42參考文獻43致謝44附錄451 緒論1.1研究課題的背景與意義在介紹本課題之前，需要引入一個新的概念智能家居。智能家居以住宅為平臺，通過設計將電子線路技術(shù)、網(wǎng)絡通信技術(shù)、自動控制技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)融入到與生活密切相關(guān)設施中的一種技術(shù)，它能夠幫助提升家居的便捷性和舒適性，同時又能達到環(huán)保節(jié)能的目的智能家電是智能家居中很重要的一部分，它主導著智能家居的發(fā)展方向，也承載著智能家居的主要技術(shù)由于人們還沒有完全認識到智能家電為我們的生活帶來的巨大改善，以及市場消費觀念還未完全形成，智能家電的發(fā)展還是較為緩慢但隨著智能家電市場推廣措施的進一步落實，消費者對智能家電認識的深入，智能家電市場的消費潛力必然是巨大的，產(chǎn)業(yè)前景光明。臺燈是人們在日常生活中必不可少的家用電器，也在逐漸的走向智能化。相對于普通的日光燈，其功耗更小，亮度更集中，是人們在夜晚進行閱讀和工作的得力助手。但是由于人們在離開時經(jīng)常忘記關(guān)掉臺燈，會造成很大的電力能源的浪費。如果臺燈離門較遠，每當夜晚來臨時，人們又要摸黑去開燈，非常不方便，也有一定的安全隱患。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)運用傳感器和微控制器自動控制燈的開啟與關(guān)閉技術(shù)，并廣泛運用于建筑走廊等處所，但是在家居生活方面，自動控制燈具開關(guān)的系統(tǒng)還是很少見的，而且功能不夠完善，不夠“智能”，比如樓道中的照明燈通常采用聲音控制，采用聲控的方法可以有效的檢測聲音信號，再通過中央處理單元控制燈的亮滅，但是卻無法做到精確識別和屏蔽干擾，當環(huán)境中噪音較多時，如當有車經(jīng)過時，照明燈將不可避免的被噪聲影響而不必要的點亮，這將造成很大的能源浪費。因此這里通過研究以檢測人體紅外為基礎的傳感控制電路，來解決目前自動控制電路的不足。目前已有專門用來感應人體紅外輻射波長的紅外傳感器，這便為自動控制照明燈系統(tǒng)提供了性能優(yōu)良的信號采集模塊。本課題設計了以51單片機為基礎，通過紅外傳感器檢測人體紅外輻射信號來控制臺燈開閉的電路系統(tǒng)，當人出現(xiàn)在紅外傳感器的探測范圍內(nèi)并滿足其他設定條件時（如光照較暗時）信號采集模塊會傳遞給單片機一個信號，使臺燈開啟，這樣就省去了抹黑開燈的麻煩。臺燈點亮后，可根據(jù)外界環(huán)境的亮度調(diào)節(jié)燈光的亮度，以達到人眼舒適的目的。本課題還實現(xiàn)了其他功能，例如時間顯示，在一定時間內(nèi)如果沒有檢測到有人在臺燈附近，則會自動熄滅臺燈，這樣便節(jié)約了能源。1.2 本課題的研究內(nèi)容及實施方案本課題運用紅外傳感器作為智能控制的基礎，通過傳感器采集信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將信息傳遞給單片機，以實現(xiàn)自動控制的功能。要實現(xiàn)自動控制的功能，不僅要掌握單片機的工作原理，還要熟悉單片機編程語言，尤其是對單片機的中斷結(jié)構(gòu)和定時功能進行深入了解。本課題運用紅外傳感器作為智能控制的基礎，通過傳感器采集信息，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將信息傳遞給單片機，以實現(xiàn)自動控制的功能。要實現(xiàn)自動控制的功能，不僅要掌握單片機的工作原理，還要熟悉單片機編程語言，尤其是對單片機的中斷結(jié)構(gòu)和定時功能進行深入了解。實施方案：在課題前期，大量閱讀參考文獻，對51單片機的知識做了較為系統(tǒng)地學習，同時也熟悉了光敏電阻的應用：在課題中期，通過對電路的分析，設計應用電路，并分模塊對系統(tǒng)進行調(diào)試：在課題后期，對設計的過程進行了全面的整理，對設計中出現(xiàn)的問題進行分析總結(jié)，最后完成實物的制作和論文的書寫。 1.3 論文內(nèi)容安排（1）緒論。對課題背景和意義做簡單概述。（2）整體方案設計。設計系統(tǒng)總體框圖，介紹方案的設計流程和設計內(nèi)容，對各個模塊方案進行比較選擇，比如：單片機、時鐘芯片、顯示模塊、光線采集模塊等。（3）硬件方案設計。設計各個模塊的硬件電路，包括單片機最小系統(tǒng)電路、光敏電阻電路、紅外模塊、蜂鳴器電路，液晶屏電路等，并對硬件電路的工作原理和與單片機的連接方法做了介紹。（4）軟件設計。設計軟件流程框圖，介紹各個模塊的工作過程，并簡要說明了各個功能的實現(xiàn)方法。（5）系統(tǒng)調(diào)試。簡介系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容和實物的實現(xiàn)，介紹編程軟件KEIL和STC燒錄器的使用方法，對硬件電路焊接和調(diào)試過程進行簡要說明?？偨Y(jié)與展望：對整個論文的總結(jié)，對本設計所做的工作以及存在的問題進行討論和說明。2 整體方案設計2.1 整體邏輯框圖紅外感應模塊 STC12C5A60S2 單片機 光敏電阻模塊 時間顯示模塊 臺燈控制模塊 圖2-1 系統(tǒng)整體框圖框圖2-1各個部分說明：（1）控制芯片采用STC12C5A60S2，用來對光敏電阻模塊和紅外模塊采集到的信息進行處理，并對臺燈模塊做出相應的控制。（2）時間顯示模塊：采用由時鐘芯片DS1302，液晶顯示屏1602和按鍵控制電路組成。DS1302可實時提供時間日期的信息，單片機對該信息接收并將信息顯示在1602上。三個按鍵，分別為設置鍵，加減和減鍵，實現(xiàn)對日期時間的調(diào)整。（3）臺燈模塊：采用4*4的LED方陣制成臺燈，每四個并聯(lián)然后四列再并聯(lián)，由單片機I/O口直接驅(qū)動。臺燈的亮度由單片機根據(jù)外界環(huán)境的亮度來調(diào)節(jié)。（4）紅外模塊：采用一對紅外收發(fā)對管和比較器組成。紅外對管獲得外界信息（是否有人），經(jīng)比較器LM393可直接將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號0和1，單片機根據(jù)此信息對臺燈進行相應的控制。（5）光敏電阻模塊：由光敏電阻和比較器組成，可獲取外界的光照強度，光敏電阻的阻值隨著光照的變化而變化，所以光強信息可通過光敏電阻的阻值體現(xiàn)。單片機將此信號進行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)楦庇^的數(shù)字量，由此實現(xiàn)對臺燈亮度的調(diào)節(jié)。2.2 方案論證（1）控制芯片 方案一：采用傳統(tǒng)的AT89C51單片機，該單片機片內(nèi)含2k字節(jié)的可反復擦寫的只讀程序存儲器和128字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器，使用較為簡單，但是因為設計中需要對環(huán)境的亮度進行采集，所以必須外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，這樣增加了設計的復雜度和成本。 方案二：選擇STC12C5A60S2單片機，該單片機是增強型的51單片機，其代碼與傳統(tǒng)51單片機完全兼容，但速度是傳統(tǒng)8051單片機的8-12倍。而且自帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換，可滿足設計中的光線采集的功能。 綜上考慮，采用方案二，選用STC12C5A60S2單片機作為主控芯片。（2）顯示模塊方案一：采用液晶顯示屏LCD1602，該顯示屏可顯示數(shù)字和字符，且操作簡單。缺點是不能顯示漢字。方案二：采用液晶顯示屏LCD12864，該液晶屏可顯示漢字和數(shù)字，但是占用接口較多。方案三：采用Nokia5510，這是最新的顯示屏，綜合了上述的優(yōu)點。不足之處是此液晶屏的屏幕太小?？紤]到本設計只需顯示日期時間等基本的數(shù)字字符，而且作為時鐘的顯示應盡量清晰明顯，所以采用方案一中的LCD1602.（3）時鐘模塊 方案一：采用時鐘芯片DS1302,通過簡單的串行接口與單片機進行通信實時時鐘/日歷電路.提供秒分時星期日期月年的信息。該芯片體積小，引腳也較少，操作起來十分方便。 方案二：采用時鐘芯片DS12C887.該芯片與DS1302功能類似，但操作稍繁瑣，而且價格更貴。 綜上考慮，采用方案一，選用DS1302芯片。（4）紅外感應模塊 方案一：選用一對紅外對管。紅外對管價格便宜，電路非常簡單，可通過比較器直接輸出高低電平。 方案二：采用RE200B 人體紅外熱釋電傳感器。該傳感器能勝任本設計的要求，但是相對于光敏電阻來說價格更高。綜上考慮，采用方案一，采用紅外對管來完成紅外感應模塊的設計。（5）光敏感應模塊方案一：采用光敏電阻作為感光器件。光敏電阻可配合LM393組成簡單的光照檢測電路，優(yōu)點是操作簡單，價格便宜。方案二：采用BH1750FVI模塊。該電路是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，分辨率高，可探測較大范圍的光照強度變化。缺點是電路復雜，價格比光敏電阻高得多。 考慮到本設計中外界環(huán)境中光照變化一般不會太明顯，光敏電阻完全可以勝任本設計的要求，所以采用方案一，選擇光敏電阻作為光敏傳感器。 綜上所述，本設計采用STC12C5A60S2芯片作為主控制器，,用光敏電阻獲取外界的光照強度，紅外模塊采用一對光電對管，使用時鐘芯片DS1302來獲取時間日期，并將其顯示在液晶屏LCD1602上。單片機可通過光敏電阻和紅外模塊傳遞的信息來實現(xiàn)對臺燈的一系列控制。3 硬件方案設計3.1 STC12C5A60S2最小系統(tǒng)STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/ 機器周期(1T)的單片機，是高速/ 低功耗/超強抗干擾的新一代8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12 倍。內(nèi)部集成MAX810 專用復位電路，2 路PWM，8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換(250K/S)，針對電機控制，強干擾場合。下圖是STC12C5A60S2單片機最小系統(tǒng)原理圖：圖3-1 單片機最小系統(tǒng) （1）供電電路：38腳接電源5V，16腳接地，這樣便完成了單片機的供電。（2）復位電路：復位電路由電阻C1和電容R1組成，復位電路使用以完成單片機的復位初始化（復位單片機RAM和各個寄存器的值的）。復位電路的原理是：在單片機還沒上電的時候，電容C1兩個極板沒有電荷，在單片機上電的瞬間，電容兩端獲得電壓開始充電，充電時有電流通過電阻R1，所以在電阻兩端產(chǎn)生瞬時電壓，這個電壓被加到單片機的RST端，單片機的RST端得到一個高電平便復位了。隨著時間的推移，C1充滿電了，R1上就再沒有電流通過，即兩端沒有了電壓，單片機的RST引腳又由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r，單片機開始工作。單片機復位的條件是加在RST兩端的高電平的時間不低于兩個機器周期（本設計單片機的晶振是12MHz），即：R1*C1=2s3.2 光敏電阻3.2.1 光敏電阻的性質(zhì)光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。在本設計中，所用到的是光敏電阻集成模塊，該模塊可直接輸出模擬量，通過單片機的A/D轉(zhuǎn)換得到其數(shù)值。在調(diào)試時，先對不同光照環(huán)境下的光照強度轉(zhuǎn)換成數(shù)字量顯示在液晶屏上并做記錄，然后根據(jù)對應的數(shù)值來調(diào)節(jié)PWM波的占空比。光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子空穴對，參與導電，使電路中電流增強。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。一般光敏電阻器結(jié)構(gòu)如下圖所示。光敏電阻器通常由光敏層、玻璃基片（或樹脂防潮膜）和電極等組成。光敏電阻器在電路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。 圖3-2 光敏電阻器（1）光敏電阻的光照特性 下圖表示CDS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件。圖3-3 光敏電阻的光敏特性（2）光敏電阻的光譜特性 光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。從下圖中可知，硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硒化鎘的峰值集中在在可見光區(qū)域，因此，在選用光敏電阻時，應把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮。 圖3-4光敏電阻的光譜特性（3）光敏電阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。下圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時的伏安特性。由曲線可知，在給定偏壓下,光照度較大，光電流也越大。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。但是電壓不能無限地增大，因為任何光敏電阻都受額定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。超過最高工作電壓和最大額定電流，可能導致光敏電阻永久性損壞。圖3-5 光敏電阻的伏安特性（4）光敏電阻的穩(wěn)定性 下圖中曲線1、2分別表示兩種型號CDS光敏電阻的穩(wěn)定性。初制成的光敏電阻，由于體內(nèi)機構(gòu)工作不穩(wěn)定，以及電阻體與其介質(zhì)的作用還沒有達到平衡，所以性能是不夠穩(wěn)定的。但在人為地加溫、光照及加負載情況下，經(jīng)一至二周的老化，性能可達穩(wěn)定。光敏電阻在開始一段時間的老化過程中，有些樣品阻值上升，有些樣品阻值下降，但最后達到一個穩(wěn)定值后就不再變了。光敏電阻的使用壽命在密封良好、使用合理的情況下，幾乎是無限長的。 圖3-6 光敏電阻的穩(wěn)定性3.2.2 光敏電阻模塊電路圖圖3-7光敏電阻電路3.3 液晶顯示屏16023.3.1 1602簡介（1）字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊。本課題用到的是長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器。1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應用中并無差別。1602主要技術(shù)參數(shù)如下： 顯示容量:162個字符 芯片工作電壓:4.55.5V 工作電流:2.0mA(5.0V) 模塊最佳工作電壓:5.0V 字符尺寸:2.954.35(WH)mm（2）1602引腳功能說明：1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表3-1所示:表3-1 1602引腳說明 編號 符號引腳說明 編號 符號引腳說明1 VSS 電源地9D2數(shù)據(jù)2 VDD 電源正極10D3數(shù)據(jù)3 VL 液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5 R/W 讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6 E 使能信號14D7數(shù)據(jù)7 D0 數(shù)據(jù)15 BLA背光源正極8 D1 數(shù)據(jù)16 BLK背光源負極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，使用時可以通過一個103的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。（3） 1602LCD的RAM地址映射及標準字庫表液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，下圖是1602的內(nèi)部顯示地址。 圖3-8 1602LCD內(nèi)部顯示地址1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM）已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，如上圖所示，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。3.3.2 1602與單片機連接圖1602的數(shù)據(jù)口接單片機的P0口，P2.0P2.2是1602的初始化接口和使能端，第13腳與第16腳之間通過一個電位器來改變液晶屏的顯示亮度。圖3-9 1602與單片機連接圖3.4 時鐘芯片DS1302DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時鐘芯片，內(nèi)含一個實時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，可以通過串行接口與單片機進行通信。實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、星期、月、年的信息，每個月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整 ，時鐘操作可通過AM/PM標志位決定采用24或12小時時間格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需三根I/O線：（RST）、I/O數(shù)據(jù)線、串行時鐘（SCLK）。時鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一字節(jié)或多達31字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時，功耗小于1mw.DS1302重要性能指標：（1）實時時鐘,具有計算2100 年之前的秒分時日期星期月年的能力;（2）閏年調(diào)整的能力;（3）串行I/O 口方式使得管腳數(shù)量最少;（4）寬范圍工作電壓2.05.5V；（5）工作電壓2.0V 時,工作電流小于300mA;（6）讀/寫時鐘或RAM 數(shù)據(jù)時有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式；（7）8 腳DIP 封裝或可選的8 腳SOIC;（8）簡單3 線接口；（9）與TTL 兼容VCC=5V；（10）可選工業(yè)級溫度范圍-40 +85；（11）與DS1202 兼容；（12）在DS1202 基礎上增加的特性： 對Vcc1 有可選的涓流充電能力； 雙電源管用于主電源和備份電源供應； 備份電源管腳可由電池或大容量電容輸入引腳： DS1302一共有8個管腳，其中第1腳接5V電源，4腳接地，2腳和3腳跨接一個32.768KHz的無源晶振，該晶振為DS1302的正常工作提供脈沖；8腳為外部備用電源輸入端，本設計使用一個3.3V的紐扣電池作為備用電源，當系統(tǒng)掉電后，備用電源立即給DS1302供電，可以避免DS1302內(nèi)部時間信息的丟失；5腳、6腳、7腳為DS1302的3個控制端，5腳REST為復位端，低電平有效，6腳I/O為數(shù)據(jù)輸入輸出口，7腳CLK為串行時鐘信號輸入端，該時鐘信號由單片機提供。 圖3-10.DS1302管腳DS1302芯片由于集成度高，使用時直接將3個控制端與單片機的I/O口相連即可，所以芯片與單片機的連接電路在此不再贅述。3.5 紅外傳感器檢測人是否在臺燈旁需要紅外傳感器，本設計采用集成的紅外模塊來實現(xiàn)此功能。該模塊由一對紅外收發(fā)對管和LM393組成。在工作狀態(tài)時發(fā)射管向外發(fā)射信號，當前端碰到遮擋物時信號會反射回來，被接收管接收。接收的信號傳給比較器LM393，當反射信號強度達到設定的閾值時，LM393會輸出一個低電平信號，并傳遞給單片機，表明前方有遮擋物?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)模塊上的可調(diào)電阻來改變信號的閾值，以此改變模塊的靈敏度。紅外模塊的電路圖如下： 圖3-11 紅外模塊電路圖3.6 按鍵模塊本設計采用三個輕觸按鍵來實現(xiàn)對日期時間的調(diào)節(jié)。三個按鍵分別為設置鍵，加鍵和減鍵。當按一下設置鍵時，液晶屏上的秒光標跳動，此時按加鍵或者減鍵可實現(xiàn)對秒的調(diào)節(jié)；按兩下設置鍵，液晶屏上的分鐘光標跳動，以此類推，便可以分別調(diào)整時間日期的顯示值。當調(diào)節(jié)年份后再按下設置鍵時，光標停止閃爍，回到正常顯示狀態(tài)。本設計中按鍵一端連接單片機I/O，一端連接地。3.7 蜂鳴器電路當人長時間離開臺燈附近時，燈會自動熄滅，此時蜂鳴器會響起以作提示。本設計采用的是無源蜂鳴器，蜂鳴器工作時需要的電流非常大，單片機的I/O無法直接驅(qū)動，一般由單片機的I/O口經(jīng)三極管S8550驅(qū)動。蜂鳴器電路圖如下： 圖3-12蜂鳴器電路圖 其中10K電阻的作用是限流，防止電流過大燒壞單片機。4 軟件設計4.1 整體軟件流程圖 開始時間顯示紅外模塊掃描 亮燈 有人？NY光敏電阻采集光照信息單片機將光照信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 調(diào)光 圖4-1 整體軟件流程圖上電后，系統(tǒng)開始工作，液晶屏完成初始化，單片機控制時鐘芯片將日期時間信息顯示在液晶屏上。此時紅外模塊開始不斷掃描，檢測臺燈旁是否有人，無人時臺燈不亮，檢測到有人時，臺燈亮起。在此過程中光敏電阻模塊不斷獲取外界光照信息并將信息傳給單片機。點亮臺燈后，單片機根據(jù)外界環(huán)境的光照強度來調(diào)節(jié)臺燈的亮度，本設計設置了三個亮度等級的模式。4.2 各子模塊功能設計4.2.1 STC12C5A60S2單片機A/D轉(zhuǎn)換模塊STC12C5A60S2單片機的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口（P1.0-P1.7），有8路10位高位A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達250KHz（25萬次/秒）。8 路電壓輸入型 A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復位后 P1 口為弱上拉型 I/O 口，用戶可以通過軟件設置將 8 路中的任何一路設置為 A/D 轉(zhuǎn)換，不需作為 A/D 使用的口可繼續(xù)作為 I/O 口使用。需作為 A/D 使用的口需先將 P1ASF 特殊功能寄存器中的相應位置為“1”，將相應的口設置為模擬功能。 表4-1 .STC12C5A60S2單片機 P1 口模擬功能控制寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0Reset ValueP17ASFP16ASFP15ASFP14ASFP13ASFP12ASFP11ASFP10ASF0000,0000當 P1 口中的相應位作為 A/D 使用時, 要將 P1ASF 中的相應位置 1如果要允許A/D轉(zhuǎn)換中斷則需要將相應的控制位置1（1）將 EADC 置1允許 ADC 中斷，這是 ADC 中斷的中斷控制位。（2）將 EA 置 1 ， 打開單片機總中斷控制位， 此位不打開， 也是無法產(chǎn)生 ADC 中斷。（3）A/D 中斷服務程序中要用軟件清 A/D 中斷請求標志位 ADC_FLAG(也是 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位) 。表4-2 ADC_CONTR 特殊功能寄存器（A/D 轉(zhuǎn)換控制特殊功能寄存器）控制寄存器ADC_POWERSPEED1SPEED0ADC_FLAGADC_STARTCHS2CHS1CHS00000，0000表4-3.模擬輸入通道選擇CHS2CHS1CHS0模擬輸入通道選擇000選擇P1.0作為A/D輸入來用001選擇P1.1作為A/D輸入來用010選擇P1.2作為A/D輸入來用011選擇P1.3作為A/D輸入來用100選擇P1.4作為A/D輸入來用101選擇P1.5作為A/D輸入來用110選擇P1.6作為A/D輸入來用111選擇P1.7作為A/D輸入來用ADC_START：模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換啟動控制位，設置為“1”時，開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后為“0”。ADC_FLAG：模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束標志位，當A/D轉(zhuǎn)換完成后，ADC_FLAG=1，要由軟件清零。 表4-4.模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度控制位 SPEED1 SPEED0A/D轉(zhuǎn)換所需時間119 0 個 時 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次10180 個 時 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次01360 個 時 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次00540個 時 鐘 周 期 轉(zhuǎn) 換 一 次STC12C5A60S2單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊說使用的時鐘是外部晶體時鐘或內(nèi)部 R/C振蕩器所產(chǎn)生的系統(tǒng)時，不使用時鐘分頻寄存器CLK_DIV對系統(tǒng)時鐘分頻后所產(chǎn)生的供給CPU工作所用的時鐘。這樣的好處是可以讓ADC用較高的頻率工作，提高轉(zhuǎn)換速度，還可以讓CPU用較低的頻率工作，降低系統(tǒng)的功耗。模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果計算公式如下： 取 8 位結(jié)果 ADC_RES7:0 = 256 x Vin / Vcc，將結(jié)果放大100倍，通過單片機讀取以顯示在液晶屏上。4.2.2 STC12C5A60S2單片機中斷模塊STC12C5A60S2單片機提供了10個中斷請求源，他們分別是：外部中斷0（INT0），定時器0中斷，外部中斷1（INT1），定時器1中斷，串口1（UART1）中斷，A/D轉(zhuǎn)換中斷，低壓檢測中斷（LVD），PCA中斷，串口2中斷及SPI中斷，所有的中斷都具有4個中斷優(yōu)先級。 表4-5.中斷查詢次序中斷源中斷向量地址相同優(yōu)先級內(nèi)的查詢次序優(yōu)先級設置IPH,PX0優(yōu)先級0（最低）優(yōu)先級1優(yōu)先級1優(yōu)先級1中斷請求標志位中斷允許控制位INT00003H0（最高）PX0H,PX00,00,11,01,1IE0EX0/EATimer0000BH1PT0H,PT00,00,11,01,1TF0ET0/EA續(xù)表Timer0000BH1PT0H,PT00,00,11,01,1TF0ET0/EAINT10013H2PX1H,PX10,00,11,01,1IE1EX1/EATimer1001BH3PT1H,PX10,00,11,01,1TF1ET1/EAUART10023H4PSH,PS0,00,11,01,1RI+TIADC002BH5PADCH,PDAC0,00,11,01,1ADC_FLAGEADC/EALVD0033H6PLVDH,PADC0,00,11,01,1LCDFELVD/EAPCA003BH 7PPCAH,PPCA 0,0 0,1 1,0 1,1CF+CCF0+CCF1(ECF+ECCF0+ECCF1)/EAS2(UART2)0043H 8PS2H,PS2 0,0 0,1 1,0 1,1S2TI+S2RIES2/EASPI004BH 9PSPIH,PSPI 0,0 0,11,0 1,1SPIFESPI/EA 外部中斷0（INT0）和外部中斷1（INT1）即可低電平觸發(fā)，也可下降沿觸發(fā)。請求外部中斷的標志位是位于寄存器TCON中的IE0/TCON.1和IE1/TCON.3。當外部中斷服務程序被響應后，中斷請求標志位IE0和IE1會被自動清0.TCON寄存器中的IT0/TCON.0和IT1/TCON.2決定了外部中斷0和1是低電平觸發(fā)方式還是下降沿觸發(fā)方式。如果ITx=0（x=0,1），那么系統(tǒng)在INTx(x=0,1)腳探測到低電平后可產(chǎn)生外部中斷。如果ITx=1（x=0,1），那么系統(tǒng)在INTx(x=0,1)腳探測到下降沿后可產(chǎn)生外部中斷。外部中斷0（INT0）和外部中斷1（INT1）還可以用于將單片機從掉電模式喚醒。定時器0和1的中斷請求標志位是TF0和TF1。當定時器寄存器THx/TLx（x=1,0）溢出時，溢出標志位TFx（x=1,0）會被置位，定時器中斷發(fā)生。當單片機轉(zhuǎn)向執(zhí)行該定時器中斷時定時器溢出標志位會被硬件清除。A/D轉(zhuǎn)換的中斷由ADC_FLAG/ADC_CONTR.4請求產(chǎn)生的，該位需要用軟件清除。低壓檢測（LVD）中斷是由LVDF/PCON.5請求產(chǎn)生的，該位也需要用軟件清除。表4-6.中斷觸發(fā)中斷源觸發(fā)行為INT0（IT0/TCON.0=1):下降沿 （IT1/TCON.0=0):低電平Timer0 定時器0溢出INT1（IT1/TCON.2=1):下降沿 （IT1/TCON.2=0):低電平Timer1 定時器1溢出UART1 發(fā)送或接收完成ADC A/D轉(zhuǎn)換完成LVD電源電壓下降到低于LVD檢測電壓 表4-7.中斷允許寄存器（可位尋址）SFR_nameAddress bit B7 B6 B5 B4B3B2B1B0IEA8HNameEAELVDEADCESET1EX1ET0EX0EA：CPU的總中斷控制位，EA=1，CPU開放中斷，EA=0，CPU屏蔽所有中斷申請。 EA的作用是使中斷允許形成兩級控制，即各中斷源首先受EA控制，其次還受 各中斷源自己的中斷允許控制位控制。ELVD：低壓檢測中斷允許位。ELVD=0,允許低壓檢測中斷；ELVD=1,禁止低壓檢測中斷。EADC：A/D轉(zhuǎn)換中斷允許位。EDAC=1，允許A/D中斷；EDAC=0，禁止A/D中斷；ES：串行口1中斷允許位。ES=1，允許串行口1中斷；ES=0；禁止串行口1中斷ET1：定時/計數(shù)器T1的溢出中斷允許位。ET1=1，允許T1中斷；ET1=0，禁止T1中斷EX1：外部中斷1中斷允許位。EX=1，允許外部中斷1中斷；EX=0，禁止外部中斷1中斷ET0：T0的溢出中斷允許位。ET=1，允許T0中斷，ET=0，禁止T0中斷EX0：外部中斷0中斷允許位。EX0=1，允許中斷，EX0=0，禁止中斷表4-8. 中斷允許寄存器（不可位尋址）SFR_nameAddressbitB7B6B5B4B3B2B1B0IE2AFHNameESP1ES2ESP1：SPI中斷允許位。ESP1=1，允許串行口2中斷；ESP1=0，禁止串行口2中斷。ES2：串行口2中斷允許位。ES2=1，允許串行口2中斷；ES2=0；禁止串行口2中斷中斷優(yōu)先級默認有4個，如果只設置IP和IP2，那么中斷優(yōu)先級只有兩級，與傳統(tǒng)8051單片機的兩級中斷優(yōu)先級完全兼容。4.2.3 單片機定時器模塊關(guān)于實現(xiàn)定時功能，比較方便的辦法是利用單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器。也可以采用下面三種方法：(1)軟件定時：軟件定時不占用硬件資源，但占用了CPU時間，降低了CPU的利用率。(2)采用時基電路定時：例如采用555電路，外接必要的元器件（電阻和電容），即可構(gòu)成硬件定時電路。但在硬件連接好以后，定時值與定時范圍不能由軟件進行控制和修改，即不可編程。(3)采用可編程芯片定時：這種定時芯片的定時值及定時范圍很容易用軟件來確定和修改，此種芯片定時功能強，使用靈活。在單片機的定時/計數(shù)器不夠用時，可以考慮進行擴展。下面介紹單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器： （1）定時/計數(shù)器的結(jié)構(gòu)和工作原理 定時/計數(shù)器的實質(zhì)是加1計數(shù)器（16位），由高8位和低8位兩個寄存器組成。TMOD是定時/計數(shù)器的工作方式寄存器，確定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的啟動和停止及設置溢出標志。加1計數(shù)器輸入的計數(shù)脈沖有兩個來源,一個是由系統(tǒng)的時鐘振蕩器輸出脈沖經(jīng)12分頻后送來；一個是T0或T1引腳輸入的外部脈沖源。每來一個脈沖計數(shù)器加1，當加到計數(shù)器為全1時，再輸入一個脈沖就使計數(shù)器回零，且計數(shù)器的溢出使TCON中TF0或TF1置1，向CPU發(fā)出中斷請求（定時/計數(shù)器中斷允許時）。如果定時/計數(shù)器工作于定時模式，則表示定時時間已到；如果工作于計數(shù)模式，則表示計數(shù)值已滿?？梢姡梢绯鰰r計數(shù)器的值減去計數(shù)初值才是加1計數(shù)器的計數(shù)值。設置為定時器模式時，加1計數(shù)器是對內(nèi)部機器周期計數(shù)（1個機器周期等于12個振蕩周期，即計數(shù)頻率為晶振頻率的1/12）。計數(shù)值N乘以機器周期Tcy就是定時時間t 。設置為計數(shù)器模式時，外部事件計數(shù)脈沖由T0或T1引腳輸入到計數(shù)器。在每個機器周期的S5P2期間采樣T0、T1引腳電平。當某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時，則計數(shù)器加1，更新的計數(shù)值在下一個機器周期的S3P1期間裝入計數(shù)器。由于檢測一個從1到0的下降沿需要2個機器周期，因此要求被采樣的電平至少要維持一個機器周期。當晶振頻率為12MHz時，最高計數(shù)頻率不超過1/2MHz，即計數(shù)脈沖的周期要大于2s。 （2）定時/計數(shù)器的控制單片機定時/計數(shù)器的工作由兩個特殊功能寄存器控制。TMOD用于設置其工作方式；TCON用于控制其啟動和中斷申請。工作方式寄存器TMOD:用于設置定時/計數(shù)器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。其格式如下：表4-9. TMOD寄存器GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0定時器1 定時器0GATE：門控位。GATE0時，只要用軟件使TCON中的TR0或TR1為1，就可以啟動定時/計數(shù)器工作；GATA1時，要用軟件使TR0或TR1為1，同時外部中斷引腳或也為高電平時，才能啟動定時/計數(shù)器工作。即此時定時器的啟動多了一條件。C/T :定時/計數(shù)模式選擇位。 C/T0為定時模式； C/T =1為計數(shù)模式。M1M0：工作方式設置位。定時/計數(shù)器有四種工作方式，由M1M0進行設置。表4-10.選擇定時方式表M 1M 0 工作方式功能說明00 方式013位計數(shù)器01 方式116位計數(shù)器10 方式2自動再裝入8位計數(shù)器11 方式3定時器0：分成兩個8位計數(shù)器；定時器1：停止計數(shù) (1)方式0為13位計數(shù)，由TL0的低5位（高3位未用）和TH0的8位組成。TL0的低5位溢出時向TH0進位，TH0溢出時，置位TCON中的TF0標志，向CPU發(fā)出中斷請求。定時器模式時有:Nt/ Tcy 定時器的初值還可以采用計數(shù)個數(shù)直接取補法獲得。計數(shù)模式時，計數(shù)脈沖是T0引腳上的外部脈沖。門控位GATE具有特殊的作用。當GATE=0時，經(jīng)反相后使或門輸出為1，此時僅由TR0控制與門的開啟，與門輸出1時，控制開關(guān)接通，計數(shù)開始；當GATE=1時，由外中斷引腳信號控制或門的輸出，此時控制與門的開啟由外中斷引腳信號和TR0共同控制。當TR0=1時，外中斷引腳信號引腳的高電平啟動計數(shù)，外中斷引腳信號引腳的低電平停止計數(shù)。這種方式常用來測量外中斷引腳上正脈沖的寬度。(2)方式1的計數(shù)位數(shù)是16位，由TL0作為低8位、TH0作為高8位，組成了16位加1計數(shù)器 。(3)方式2為自動重裝初值的8位計數(shù)方式。工作方式2特別適合于用作較精確的脈沖信號發(fā)生器。(4)方式3只適用于定時/計數(shù)器T0，定時器T1處于方式3時相當于TR1=0，停止計數(shù)。工作方式3將T0分成為兩個獨立的8位計數(shù)器TL0和TH0 ?？刂萍拇嫫鱐CON：TCON的低4位用于控制外部中斷。TCON的高4位用于控制定時/計數(shù)器的啟動和中斷申請。其格式如下：TF1（TCON.7）：T1溢出中斷請求標志位。T1計數(shù)溢出時由硬件自動置TF1為1。CPU響應中斷后TF1由硬件自動清0。T1工作時，CPU可隨時查詢TF1的狀態(tài)。所以，TF1可用作查詢測試的標志。TF1也可以用軟件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一樣。TR1（TCON.6