智能臺燈課程設(shè)計

計算機控制技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計 基于單片機的智能臺燈設(shè)計 姓 名 張良浩系 （部） 電氣工程與自動化 專 業(yè) 電氣工程及其自動化學 號 B 2013年5月 19 日15摘要社會在不斷進步，人類在不斷追求，市場在不斷變化，高科技應(yīng)用含量決定著產(chǎn)品發(fā)展的新趨勢和前景，智能化技術(shù)在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用意義深遠。隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，家用電器也越來越偏向智能化，已經(jīng)應(yīng)用于實際中的有智能洗衣機，智能電飯鍋，智能電磁爐等，而所用的智能化家用電器都用一個共同的特點，都是利用單片機作為中央控制單元。結(jié)合了單片機的智能家用電器和普通家用電器相比，功能上更強，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更節(jié)省電能，提高了家用電器的品質(zhì)。智能臺燈以專門感應(yīng)人體紅外信號的熱釋電紅外傳感器為基礎(chǔ)，以BISS0001信號處理電路，利用單片機進行處理，以達到便于控制的目的。當房間亮度不夠時，且有人在附近時，臺燈便會自動點亮，省去了黑暗中摸開關(guān)麻煩；當學習時由于靠桌面太近，造成坐姿不正，系統(tǒng)就會提示，以糾正坐姿，防止近視；學習太累了時，趴在桌子上睡會兒時，臺燈就會自動熄滅；當無人在時，系統(tǒng)也會使臺燈自動熄滅，以達到節(jié)省能源的目的。關(guān)鍵詞：智能臺燈 BISS0001 單片機 AT89C51目錄第1章 緒論1.1 智能臺燈系統(tǒng)概述隨著科技的高速發(fā)展，各種各樣的科技產(chǎn)品、家用電器開始走入人們的生活，這一切都大大地提高了人們的工作效率、改善了人們的生活，現(xiàn)在電器的發(fā)展趨勢是智能化，這樣會使人們使用起來更加方便。隨著智能控制理論和人工智能研究的深入，各種更加逼真地模擬人類智能的家用電器會更多地出現(xiàn)，而單片機和智能理論的結(jié)合，將來不但更多地改進現(xiàn)行家用電器，而且將會產(chǎn)生全新的家用電器。 家用電器因為單片機的加入而走向智能化，并且隨著人們生活水平的提高日益走向平民化，我們的生活也隨著家用電器的發(fā)展越來越方便、舒適。隨著家用電器的發(fā)展，作為家用電器當中的小臺燈也要順應(yīng)科技的發(fā)展步伐走向智能化。臺燈是人們生活中用來照明的一種家用電器。它一般分為兩種，一種是立柱式的，一種是有夾子的。它的工作原理主要是把燈光集中在一小塊區(qū)域內(nèi)，集中光線，便于工作和學習。一般臺燈用的燈泡是白熾燈或者節(jié)能燈泡，有的臺燈還有應(yīng)急功能，用于停電時無電照明。目前，燈具市場上出售的燈具種類繁多，一般臺燈均采用220V交流電源供電，日光燈管、白熾燈泡為光源，手動開關(guān)或觸摸感應(yīng)式開光來控制。但這類臺燈存在很多弊端，一是電壓是不安全電壓，給人們使用帶來不安全因素；二是日光燈還具有頻閃效應(yīng)，經(jīng)常使用會給人的眼睛帶來一定的傷害；三是耗電量大、臺燈通常都是以日光燈為主，在幾瓦到幾十瓦之間；四是人工化，人們由于手工操作，往往會忘記關(guān)燈，這也造成電能的浪費，到目前為止，在燈具市場上，很少見到采用+5V的直流電源供電的一種人體智能臺燈，它具有既不會出現(xiàn)觸電，使用壽命長、無輻射、又不污染等優(yōu)點，有許多普通按鍵臺燈所無法比及的優(yōu)勢，智能化臺燈一方面可以更節(jié)省電能，有利于環(huán)保，另一方面可以糾正使用者的坐姿，預防脊椎變形和眼睛近視。同時，智能臺燈在黑暗的時候自動開關(guān)燈的功能也讓使用者使用起來更方便，省去黑暗摸燈的麻煩。智能臺燈可分為自動和手動兩種模式。在自動模式下，臺燈能根據(jù)環(huán)境光的明暗與人是否被臺燈所檢測到來自動開啟臺燈。在這里設(shè)計了以人體紅外輻射（波長為9.5um）傳感控制電路。當人體在臺燈的范圍內(nèi)且環(huán)境光強較弱時，自動感應(yīng)開燈；當人體太靠近桌面時，臺燈自動感應(yīng)，警告糾正坐姿，若在一定時間內(nèi)未離開桌面則自動熄滅。當人離開時則自動關(guān)燈，達到節(jié)約能源的目的。手動模式是為了不習慣使用自動模式的人或是臺燈中的微機出現(xiàn)故障等緊急情況時用的。在手動模式下，智能臺燈和普通臺燈是一樣使用的。臺燈是一般家庭的生活必需品，但由于經(jīng)常忘記關(guān)燈而造成巨大的能源浪費。全球這么多臺燈，估算一下，消耗能源可觀。另一個是作為一個必需品，當然要使生活變得更方便，省去了黑暗中開燈的麻煩，并且可以糾正坐姿。本系統(tǒng)在實驗室進行了實物實驗。熱釋電紅外探測器1的距離是4m左右（距離可調(diào)），主要是因為般來說是門離書桌的距離;以便黑暗中時人一到門口則啟動，省去了開燈的麻煩，用戶可以根據(jù)自己的實際情況進行距離調(diào)節(jié)。熱釋電紅外探測器2的距離是10cm左右（距離可調(diào)），主要考慮是當學習時，有時坐姿不正，引起身體離桌面太近，容易引起近視，此時臺燈發(fā)出警告，提醒注意，若在設(shè)定的時間內(nèi)未離開，則強制熄滅。有時人學習累了，趴在桌子上睡覺，而忘了關(guān)燈,這時系統(tǒng)就會檢測到，從而啟動延時程序，一段時間過后，臺燈就會自動熄滅。1.2 設(shè)計內(nèi)容和實現(xiàn)功能 內(nèi)容及要求: 設(shè)計并制作一種智能臺燈，主要是以BISS0001和單片機組成的紅外傳感控制電路。其特點是在有人時且外界光強較弱時能自動開燈，無人時關(guān)燈，節(jié)約能源；且能糾正坐姿，防止近視。具體要求如下：1以專門感應(yīng)人體紅外信號的熱釋電紅外傳感器為基礎(chǔ)，以BISS0001信號處理電路，利用單片機進行處理，以達到便于控制的目的；2當房間亮度不夠時，且有人在附近時，臺燈便會自動點亮，省去了黑暗中摸開關(guān)麻煩；3當學習時由于靠桌面太近，造成坐姿不正，系統(tǒng)就會提示，以糾正坐姿，防止近視； 4.學習太累了時，趴在桌子上睡會兒時，臺燈就會自動熄滅；5.當無人在時，系統(tǒng)也會使臺燈自動熄滅，以達到節(jié)省能源的目的根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，本系統(tǒng)所具有的功能如下圖所示：對外部光強進行實時監(jiān)測外部光強弱感應(yīng)到人體紅外線外部光強弱且沒有感應(yīng)到人體紅外線外部光強較強開燈不開燈不開燈人離開監(jiān)測不到人體紅外線人體過于靠近臺燈熄燈臺燈自動提醒（臺燈慢慢變暗）及時糾正坐姿臺燈恢復正常（慢慢變亮）一定時間內(nèi)不糾正坐姿臺燈熄滅圖1-1統(tǒng)功能框圖第2章 系統(tǒng)硬件框圖及工作原理89C51熱釋電紅外傳感器1熱釋電紅外傳感器2光敏電阻信號處理電路提醒電路燈光控制電路圖2-1系統(tǒng)示意圖本系統(tǒng)組成如圖3-1所示，主要由三部分組成：1.傳感器及信號處理部分：檢測人體輻射紅外信號及光強信號經(jīng)過處理 后變成可處理的數(shù)字信號；2.以89C51組成的中央處理單元：處理信號并發(fā)出控制命令；3.提醒電路及燈光控制電路：給出提醒信號并根據(jù)89C51給出的命令控制燈光。整個系統(tǒng)是以89C51控制下工作的。其工作過程為：當環(huán)境光比較強時，光敏電阻阻值比較小，信號處理電路檢測到低電平信號，禁止熱釋電紅外傳感器工作，省去了89C51處理過程。當環(huán)境光比較弱時，光敏電阻阻值變大，信號處理電路接收到高電平，從而啟動熱釋電紅外傳感器工作。熱釋電紅外傳感器1探測比較遠的距離，當人體進入到傳感器1的控測范圍內(nèi)且光強較弱時，信號檢測電路處理信號，并向單片機發(fā)送一個中斷，89C51啟動燈光控制電路，使燈慢慢變亮。當環(huán)境光比校弱時，且人體過于靠近桌面，熱釋電紅外傳感器2檢測到信號，同時了在熱釋電紅外傳感器1的控測范圍內(nèi)，信號處理電路同時向89C51發(fā)送信號，89C51處理信號根據(jù)優(yōu)先級順序，屏蔽掉熱釋電紅外傳感器1的信號，啟動延時電路，發(fā)出警報使人離開，若在設(shè)定的時間內(nèi)未離開桌面，則啟動燈光控制電路，使燈慢慢熄滅。當人體離開熱釋電紅外傳感器2的控測范圍且在熱釋電紅外傳感器1的控測范圍內(nèi)時，燈光又慢慢變亮。第3章 系統(tǒng)功能模塊及硬件選型3.1 系統(tǒng)模塊圖3.1.1 傳感器及信號處理 圖3-1傳感器及信號處理部分電路圖由紅熱釋電紅外傳感器、光敏電阻、BISS0001組成的信號檢測及處理電路。紅熱釋電紅外傳感器只對波長為10m（人體輻射紅外線波長）左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會引發(fā)探頭動作。探頭內(nèi)包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，于是輸出檢測信號。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。當外界光強較強時，光敏電阻阻值很小，BISS0001檢測到低電平，從而封鎖14腳，禁止傳感器infare1的信號。當外界光強較弱時，光敏電阻阻值很大，BISS0001檢測到高電平，開啟14腳；infare1檢測到人體信號時，產(chǎn)生微弱的信號輸出，經(jīng)R5、R1005、R4、C1、C6、C7組成的信號放大濾波電路。R8、R9、C9和C10組成的延時電路。信號經(jīng)處理后從2腳輸出。 環(huán)境光檢測是比較重要的一個部分，其中關(guān)鍵的元件有兩個，一個是光敏電阻，一個是10K的可變電阻（電位器）。光敏電阻的檢測能力的強弱（靈敏度）是根據(jù)那個可變電阻來控制的，有的人認為天色還挺亮的，燈就開了，那你就把電阻變大些，光敏電阻的靈敏度就下降了，這樣就可以達到等天再暗些再開燈。同樣的，如果你覺的天色已經(jīng)很暗了，燈還不亮，那你把電阻調(diào)小些就可以了。這樣多調(diào)幾次，你就能把智能臺燈調(diào)到一個最理想的最適合你的狀態(tài)。3.1.2 燈光控制及報警電路 圖3-2單片機控制下的燈光控制及報警電路 由單片機組成的報警及燈光控制電路。當外部無任何中斷時，89S51控制74LS138的使能控制端，使后面電路不工作。當有中斷一產(chǎn)生時，89S51啟動74LS138，向P0腳低4位發(fā)送信號，控制燈慢慢亮。當中斷1和中斷0同時產(chǎn)生時，89S51屏蔽掉中斷1，啟動74LS138向P0腳低四位發(fā)送數(shù)據(jù)，使燈光慢慢變暗。這里采用74LS138控制DC832可以節(jié)省80C51的管腳，有利于擴展，以便于控制多盞燈。采用DC0832可以有效地使燈實現(xiàn)階梯形的變化。3.1.3 放大電路 圖3-3 信號放大濾波電路使用放大器的濾波電路又稱為有源濾波電路。其實有源無源就是看它用到的元器件的性質(zhì)。用到有源器件（如：三極管，集成放大器等）就構(gòu)成有源濾波器，若只用到無源器件（電阻，電容，電感等）就是無源濾波器。有源濾波自身就是諧波源。其依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時產(chǎn)生一組和系統(tǒng)幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補償無功功率。其優(yōu)點是反映動作迅速，濾除諧波可達到95以上，補償無功細致。缺點為價格高，容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術(shù)還不成熟，所以當前常見的有源濾波容量不超過600kvar。3.1.4 復位電路 為確保微機系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位。一般微機電路正常工作需要供電電源為5V5%，即4.755.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。 3-4 復位電路3.2 主要器件選型3.2.1 AT89S51單片機簡介AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。3.2.2 熱釋電紅外傳感器RE2008介紹 圖3-5熱釋電紅外傳感器實物圖圖3-6熱釋電紅外傳感器內(nèi)部電路圖熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。熱釋電效應(yīng)是指當一些晶體受熱時，在晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。熱釋電傳感器由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有T的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(chǎn)生電荷Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓V。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應(yīng)管進行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷Q會跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，T=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生T，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。人體都有恒定的體溫，一般在37C左右，會發(fā)出10mm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生電壓信號。被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。3.2.3 光敏電阻光敏電阻的重要特性是它的阻值大小隨著環(huán)境光的改變而改變，當環(huán)境光比較強時，它的阻值減小，相反當環(huán)境光較弱時，它的阻值就會增大，這是跟它本身的制作材料有關(guān)的5。本文的智能節(jié)能臺燈設(shè)計也是利用了光敏電阻的這一特性，用它來感應(yīng)環(huán)境光的強度。若是環(huán)境光較強的時候，比如白天時，光敏電阻的阻值就很小，傳感器信號處理電路會根據(jù)它的阻值進行相應(yīng)的處理；相反當環(huán)境光較弱的時候，比如晚上或者陰天時，它的電阻值就會變大，同時熱釋電紅外傳感器要是檢測到有人在附近時，傳感器信號處理電路就會把這些信號經(jīng)過處理傳到單片機控制電路，從而啟動點亮臺燈。所以光敏電阻對環(huán)境光的檢測在電路中也很重要。對光敏電阻要求也很高，要對環(huán)境光比較敏感，及時把信號傳送到信號處理檢測電路。 3-7 光敏電阻型號及規(guī)格綜合考慮，選用4系列SC4537，價格適中，暗電阻僅為2能滿足要求，而亮電阻1850，有充足的變化范圍，可以對環(huán)境明暗準確測量。3.2.4 BISS0001芯片介紹BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。1、主要特性 CMOS數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，可與多種傳感器匹配，進行信號預處理 雙向鑒副器可有效抑制干擾 內(nèi)設(shè)延遲時間定時器和封鎖時間定時器，結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)節(jié)范圍寬 內(nèi)置參考電源 工作電壓范圍寬+3V+5V 采用16腳DIP封裝芯片引腳連接圖如下：圖3-8 BISS0001外引線連接圖3.2.5 3-8線譯碼器74LS138 74LS138為3線-8線譯碼器，共有54/74S138和54/74LS138兩種線路結(jié)構(gòu)型式。其芯片引腳圖如下圖所示：圖3-9 74LS138引腳圖1、2、3號引腳為信號輸入端，7、915號引腳為信號輸出端，4、5、5號引腳為使能端，8號引腳接地，16號引腳接電源正極。當一個選通端（E3）為高電平，另兩個選通端（/E1)和(/E2)）為低電平時，可將地址端（A、B、C）的二進制編碼在一個對應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 利用 E1、E2和E3可級聯(lián)擴展成 24 線譯碼器；若外接一個反相器還可級聯(lián)擴展成 32 線譯碼器。若將選通端中的一個作為數(shù)據(jù)輸入端時，74LS138還可作數(shù)據(jù)分配器。3.2.6 D/A轉(zhuǎn)化芯片DAC0832 DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。 圖3-10 DAC0832芯片引腳圖當ILE、/CS、/WR1同時有效時，LE=1，輸入寄存器的輸出隨輸入而變化。/WR1信號為上升沿時，LE=0，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器。當/XFER、/WR2同時有效時，LE2=1此時DAC寄存器輸出隨輸入而變化。/WR1信號為上升沿時，