智能照明系統(tǒng)主控制器設計

1、智能照明系統(tǒng)主控制器設計摘 要隨著LED性能的不斷改善和價格的不斷降低，高亮度LED取代傳統(tǒng)光源應用于通用照明是未來的法展趨勢。設計了一套基于單片機（MCU）控制的LED智能照明系統(tǒng)，LED采用恒流驅(qū)動，PWM調(diào)光方式。其中光強度傳感器使得LED能夠根據(jù)環(huán)境需要自動調(diào)節(jié)自身亮度，聲控開關(guān)方便操作。詳細給出了各個部分的設計。實驗表明，系統(tǒng)長時間運行穩(wěn)定，高效節(jié)能，白光質(zhì)量好，適用于公共場所通用照明。 關(guān)鍵詞：高亮度LED PWM調(diào)光智能照明I 高效節(jié)能Design of intelligent LED illumination system based onMCU controllerABSTR

2、ACTWith the improvement of LED performance and the reduction of its price, it is a trend that high bright LED(HB LED) will be used in illumination are a instead of traditional light sources. In this paper, design of intelligent HB LED illumination system was proposed based on MCU controller, which a

3、dopted constant current drive and PWM dimming. The light sensor was intended to dim LED automatically according to the ambient light, while the .The design for each part was given in detail in this paper. The experimental results indicate that the illumination system works stably for a long time wit

4、h the advantages of energy saving and good quality of white light. The system is suitable for public general illumination applications.Keywords: high brightness LED PWM dimming intelligent illumination energy savingVoice-activated switch for easy operationII目 錄前言第1章 緒論1.1 課題研究背景21.2 課題研究的目的與意義31.2.1

5、 良好的節(jié)能效果31.2.2 改善工作環(huán)境與提高工作效率31.2.3 較好的投資收益效果3第2章 系統(tǒng)設計方案2.1 單片機選擇32.2 光照檢測方式42.3 聲控開關(guān)檢測方式52.4 LED的調(diào)光控制52.4.1 PWM信號的原理和形成62.4.2 PWM驅(qū)動白光LED6第3章 硬件電路設計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件總述73.2 單片機最小系統(tǒng)83.2.1 AT89C51引腳介紹83.2.2 CPU時鐘電路93.2.3 復位電路 103.3 光信號取樣電路設計 103.3.1 儀表放大器的結(jié)構(gòu)及使用 113.3.2 OP07的介紹及應用 123.3.3 TLC3545的介紹及應用143.4 聲音

6、信號采集電路163.4.1 聲音信號放大原理 163.3.3 CD4051的介紹及應用 173.5 LED驅(qū)動電路183.5.1 LED供電電源183.5.2 LED驅(qū)動電路193.6 鍵盤設計電路193.6.1 鍵盤的作用193.6.2 鍵盤電路及其說明203.6.3 鍵盤功能說明21第4章 軟件設計4.1 系統(tǒng)流程圖224.2 軟件程序244.3 仿真環(huán)境介紹284.3.1 Keil介紹 284.3.2 Proteus介紹28結(jié)論 29 參考文獻 30 附錄 31 后記 32(結(jié)論、參考文獻、致謝及附錄黑體4號)摘 要 . I ABSTRACT . II前言 . 1第1章 緒論 . 21.

7、1 課題研究背景 . 21.2 課題研究的目的與意義 . 21.2.1 良好的節(jié)能效果 . 21.2.2 改善工作環(huán)境與提高工作效率 . 21.2.3 較好的投資收益效果 . 2第2章 系統(tǒng)設計方案 . 32.1 單片機選擇 . 32.2 光照檢測方式 . 42.3 聲控開關(guān)檢測方式 . 42.4 LED的調(diào)光控制 . 52.4.1 PWM信號的原理和形成 . 52.4.2 PWM驅(qū)動白光LED . 5第3章 硬件電路設計與實現(xiàn) . 73.1 系統(tǒng)硬件總述 . 73.2 單片機最小系統(tǒng) . 73.2.1 AT89C51引腳介紹 . 73.2.2 CPU時鐘電路. 83.2.3 復位電路 . 9

8、3.3 光信號取樣電路設計 . 93.3.1儀表放大器的結(jié)構(gòu)及使用 . 103.3.2 OP07的介紹及應用 . 113.3.1 TLC3545的介紹及應用 . 133.4 聲音信號采集電路 . 153.4.1 聲音信號放大原理 . 153.4.2 CD4051的介紹及應用 . 163.5 LED驅(qū)動電路 . 173.5.1 LED供電電源. 173.5.2 LED驅(qū)動電路. 183.6 鍵盤電路設計 . 193.6.1鍵盤的作用 . 193.6.2鍵盤電路及其說明 . 203.6.3鍵盤功能說明 . 203.6.4 鍵盤的機械抖動 . 20第4章 軟件設計 . 214.1 系統(tǒng)流程圖 . 2

9、14.2 軟件程序 . 234.3 仿真環(huán)境介紹 . 274.2.1 Keil介紹 . 274.2.2 Proteus介紹 . 27總 結(jié) . 28參考文獻 . 29附 錄 . 30武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文前言LED被認為是21世紀的照明光源。LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，同樣亮度下，LED能耗為白熾燈的10，熒光燈的50。LED壽命可達10萬小時，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。用LED替代白熾燈或熒光燈，環(huán)保無污染。使用安全可靠，便于維護。我國照明用電占總發(fā)電量的12。目前，公共建筑的照明燈具控制大多采用手動開關(guān)，經(jīng)常出現(xiàn)沒有及時開關(guān)的現(xiàn)象，從而造成大量的

10、能源浪費和使用上的不便。另外，不必要的使用，也會縮短燈具的使用壽命。本文闡述了一套LED智能照明控制系統(tǒng)設計方案，可以根據(jù)工作環(huán)境補光亮度等來自動控制照明的開關(guān)和亮度。采用本系統(tǒng)具有提高用電效率，節(jié)約電能和緩解了用電高峰的電力供應壓力雙重作用。單片機的出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年的歷史了。微型計算機的迅速發(fā)展，促進微型計算機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應用，單片機（單片微型計算機）的應用已經(jīng)滲透到廣泛滲透到社會經(jīng)濟、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且也深入到家電、娛樂、藝術(shù)、社會文化等各個領(lǐng)域，并掀起了一場數(shù)字化技術(shù)革命。單片微型計算機就是將中央處理單元、存儲器、定時/計數(shù)器和多種接口都集成到一塊集

11、成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構(gòu)成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領(lǐng)域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。1武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文第1章 緒論1.1 課題研究背景隨著計算機網(wǎng)絡、通信、控制等技術(shù)的發(fā)展,智能建筑的發(fā)展越來越迅猛。目前，國內(nèi)大多數(shù)智能建筑存在效率低、能耗高的現(xiàn)象。就智能建筑的照明系統(tǒng)來說，許多地方的燈經(jīng)常是從早到晚開著的，不管這些房間或樓道是否有人，也不管有多少人。或者，當自然光照度很好時，燈不能及時關(guān)閉；反之，當自然光照度難以滿足人的需求時，又不能及時打開燈光。這種照明方式，不僅造成能源的浪費，而且不能滿足人對照明的基本需求，同時也給人的視力造

12、成了很大的影響。現(xiàn)代照明除了滿足人的基本生活、學習要求之外，將更注重能量的節(jié)省和使用上的便利，以及滿足人類工程學的個性方面的要求。特別是近年來大廈內(nèi)利用計算機工作的人員比例上升，不同視覺要求的工作的數(shù)量和復雜程度大大增加。所以要做到合理、經(jīng)濟、節(jié)能，首先應采用先進成熟的技術(shù)和產(chǎn)品，如電光源、燈具、照明控制系統(tǒng)。因此，適應不同個人和工作需要，結(jié)合自動調(diào)節(jié)與手動調(diào)節(jié)的智能化照明系統(tǒng)已經(jīng)成為必不可少了。1.2 課題研究的目的與意義1.2.1 良好的節(jié)能效果照明領(lǐng)域的能源消耗在總的能源消耗中占了相當大的比例，節(jié)約能源和提高照明質(zhì)量是當務之急。照明用電作為電力消耗的重要部分，已經(jīng)占到了電力消耗的10%左

13、右，并且隨著我國國民經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，照明用電還將不斷增加。而LED發(fā)光器件是冷光源，光效高，工作電壓低，而且能耗低，同樣亮度下，LED能耗為白熾燈的10，熒光燈的50。LED壽命可達10萬小時，是熒光燈的10倍，白熾燈的100倍。1.2.2 改善工作環(huán)境與提高工作效率良好的工作環(huán)境是提高工作效率的一個必要條件。合理地選用光源、燈具及性能優(yōu)越的照明控制系統(tǒng)，都能提高照明質(zhì)量。智能照明控制系統(tǒng)具有開關(guān)和調(diào)光兩種控制方法，可以有效地控制各種照明場所的平均照度值，從而提高照度均勻性。同時，系統(tǒng)能根據(jù)不同的光照強度，自動調(diào)節(jié)照度。1.2.3 較好的投資收益效果智能照明控制系統(tǒng)在節(jié)

14、能和節(jié)省燈具使用的同時，有效節(jié)省了電費與管理費用的支出。根據(jù)一般的辦公大樓運營的經(jīng)驗來看，節(jié)能效果能達到40以上，一般的商場、酒店、地鐵站等節(jié)能效果也能達到2530。2武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文第2章 系統(tǒng)設計方案本系統(tǒng)是以單片機為控制器的核心，以AT89C51為基礎(chǔ)，以光敏電阻為信號采集單元，再連接外圍電路，通過單片機通信方式實現(xiàn)照明燈具的智能控制。以下是各部分器件的選擇與基本介紹。2.1 單片機選擇方案一、MCS-51單片機AT89C51是MSC-51單片機中應用最廣泛的型號， 現(xiàn)在以其為代表介紹其參數(shù)。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O

15、口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有以下幾部分： 微處理器 該單片機中有一個8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為128個字節(jié)，片外最多可外擴至64k字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。 程序存儲器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲

16、器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k字節(jié)。 中斷系統(tǒng) 具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。 定時器/計數(shù)器 片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作方式。 串行口 1個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 4個并行8位I/O口 分別為P1口、P2口、P3口、P4口 特殊功能寄存器 共有21個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM區(qū)。方案二、AVR 單片機相

17、對于出現(xiàn)較早也較為成熟的51系列單片機，AVR系列單片機片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強大，同時由于其價格低等優(yōu)勢，在很多場合可以替代51系列單片機。由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外圍器件,如外擴RAM、ROM存儲器等,使硬件結(jié)構(gòu)大大簡化,提高了系統(tǒng)的可靠性。它與其它結(jié)構(gòu)類型單片機相比，AVR具有以下一系列的優(yōu)點： 在相同的系統(tǒng)時鐘下AVR運行速度最快； 芯片內(nèi)部的Flash、EEPROM、SRAM容量較大； 所有型號的Flash、EEPROM都可以反復燒寫、全部支持在線編程燒寫(ISP)； 多種頻率的內(nèi)部RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，零外圍電路也可以工作；3武漢大學

18、珞珈學院本科畢業(yè)論文 每個IO口都可以以推挽驅(qū)動的方式輸出高、低電平，驅(qū)動能力強； 內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模數(shù)器、PWM、SPI、USART、TWI、IC通信口、豐富的中斷源等。方案分析：除了以上兩種單片機，市場上還有好的其它結(jié)構(gòu)單片機。如果實現(xiàn)本系統(tǒng)，基本上上述兩種類型的單片機都可以實現(xiàn)?？紤]到MCS-51單片機具有較強的代表性以及該系列單片機資料較多，本設計采用AT89C51來實現(xiàn)。 22.2 光照檢測方式方案一、采用光敏二極管或三極管等光傳感器件把環(huán)境亮度轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字電平，然后直接接入單片機IO引腳。方案二、采用光敏電阻利用橋式電路把環(huán)境亮度轉(zhuǎn)換成相應的電壓值（模擬值），

19、然后通過運放后給單片機輸入一個標準的數(shù)字信號。由于光敏電阻屬于純阻性器件，所以采用方案二。在本次設計中選用了帶串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC3545，TLC3545是一個家庭的高性能，14位，低功耗，微型CMOS模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換（ADC）。這種芯片只需要單一的+5V電源就能工作。該芯片有單端輸入，雙端輸入或單偽差分輸入可選擇。該芯片有一個片選（CS），串行時鐘（SCLK），串行數(shù)據(jù)輸出（SDO），以及提供了一個最流行的串口直接的3線接口主機微處理器（SPI接口）。當與DSP連接時，TLC3545 ADC的連接只有通過引腳1到DSP（CS）。TLC3545設計工作具有功耗低，以及自動電源關(guān)閉模式使節(jié)

20、電功能進一步加強。該產(chǎn)品系列具有一個高速串行鏈路與外部SCLK到現(xiàn)代的主機處理器15兆赫。這種芯片使用一個內(nèi)置的振蕩器轉(zhuǎn)換時鐘，提供了2.67微秒最大轉(zhuǎn)換時間。為使電橋測得的微弱電信號與TLC3545級聯(lián)，選取一片OP07搭建反向放大與PGA203進行級聯(lián)放大。其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大調(diào)節(jié)作用，從而實現(xiàn)微弱電信號與TLC3545的良好級聯(lián)。2.3 聲控開關(guān)檢測方式拾音器是一種聲傳感器，聲傳感器是把外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號的傳感器。拾音器包括拾音頭和音臂等附件，其換能裝置主要有壓電式、電磁式、電容式以及半導體等。由于駐極體傳聲器具有體積小巧，成本低廉的特點，本設計選

21、其做聲音采集。本模塊由駐極體話筒MIC、運算放大器UA741和NE5532、雙電壓比較器LM393組成。由話筒將聲音信號采集，送給接成射極跟隨器的UA741，再由NE5532構(gòu)成的放大器將聲音信號進行放大送給比較器。最后由比較器送出開關(guān)信號給單片機處理，從而實現(xiàn)開關(guān)燈目的。UA741放大器為運算放大器中最常被使用的一種，擁有反相向與非反相兩輸入端，由輸入端輸入欲被放大的電流或電壓信號，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器作動時的最大特點為需要一對同樣大小的正負電源，其值由±12Vdc至±18Vdc不等，而一般使用±15Vdc的電壓。NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器（

22、雙運放）集成電路。與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當高的小信號帶寬，電源電 4武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文壓范圍大等特點。因此很適合應用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設備、儀器、控制電路及電話通道放大器。用作音頻放大時音色溫暖，保真度高。LM393是高增益,寬頻帶器件。2.4 LED的調(diào)光控制本系統(tǒng)采用三顆1W的HBLED串聯(lián)作為燈負載，額定電流350mA，1130V直流輸入。LED的驅(qū)動電源將直接影響到LED的白光質(zhì)量、光效和使用壽命。若采用恒壓原驅(qū)動，LED正向?qū)ê螅饧与妷旱募毿∽儎訉⒁鹫螂娏鞯暮艽笞兓?，可靠性差。為了保證LED的亮度恒定和防止其過流燒壞，恒流

23、驅(qū)動是理想的方法。LED的調(diào)光方式分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。其中模擬調(diào)光是直接改變通過LED的最大電流，白光質(zhì)量差，容易形成色偏，故而采用PWM調(diào)光。其原理如下：2.4.1 PWM信號的原理和形成PWM調(diào)光基于人眼對亮度閃爍不夠敏感的特性，使負載LED時亮時暗，如果亮暗的頻率超過100 Hz，人眼看到的就是平均亮度，而不是LED的閃爍。PWM調(diào)光通過調(diào)整亮和暗的時間比例實現(xiàn)調(diào)整亮度。這種方法通過把可調(diào)占空比和固定頻率的數(shù)字信號加到調(diào)整亮和暗時間比例的引腳即可實現(xiàn)調(diào)光，但調(diào)光的范圍取決于器件內(nèi)部電路軟啟動或恢復正常工作的速度，因而范圍不是很寬。PWM原理是以一固定直流電壓經(jīng)過以一定頻率打開與閉合

24、的開關(guān)K，從而控制改變LED上的電壓。設當LED接通時的最大電流為Imax。開關(guān)開閉周期為T，每次閉合時間為t，則當占空比為D=t/T時，LED的平均電流為：Id ImaxD （1.1）由(1)式可知，當T不變(即開關(guān)的開關(guān)頻率同定)時，只要改變導通時間t，就可以改變LED兩端的平均電流。從而改變LED的亮度。脈沖調(diào)寬信號的形成電路有3種：1)可用電壓-脈寬變換器產(chǎn)生，即硬件產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號;2)由軟件定時產(chǎn)生，由定時器定時，定時時間受軟件控制，并從脈寬信號的輸出口P1.0或其他口輸出脈寬可調(diào)信號;3)由單片機控制外接定時/計數(shù)器(如8253)硬件電路產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，只需用兩個計數(shù)器分別工作

25、于方式l和方式2，通過硬件連接便可以產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。其中，第1種是硬件電路實現(xiàn)，電路復雜。第2種使用定時器TO，但由于系統(tǒng)計數(shù)器不足，必須擴展。第3種是利用8253，非常方便，而且占用的軟件時間少?？紤]到成本及整個系統(tǒng)的簡化，本設計直接利用AT89C51單片機產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號。2.4.2 PWM驅(qū)動白光LEDLED的發(fā)光強度基本上正比于通過LED器件的電流，這說明脈沖電流的平均電流與直流電流相同的條件下，LED的發(fā)光亮度一樣。另外，用高幅值的脈沖電流驅(qū)動LED，然后通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比獲得較合適的平均電流，這樣可以降低功耗。因為 5武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文當LED工作在脈沖狀態(tài)時，人眼覺

26、察到的LED亮度值是介于峰值亮度與平均亮度值之間的。因此，脈沖電流驅(qū)動LED可比直接恒流驅(qū)動的LED更亮，即獲得同樣的發(fā)光亮度，脈沖電流驅(qū)動方式比直流電流驅(qū)動方式所需要的平均電流值更小。其次，對于LED，如果采用脈沖電路驅(qū)動，其控制部分采用脈寬調(diào)制方式，與恒流控制方式相比，控制部分的控制效率會有比較大的提升，另外還可去掉限流電阻或減小其值。因此，從節(jié)能的角度出發(fā)，采用脈沖電源驅(qū)動方式更好。脈沖驅(qū)動方式是利用人眼的視覺惰性，采用重復向LED器件通斷供電的方式使之點亮的。但采用這種驅(qū)動方式通常需考慮脈沖電流幅值的確定和重復頻率的選擇。要獲得與直流驅(qū)動方式相當?shù)陌l(fā)光強度，脈沖驅(qū)動電流的平均值Ia應與

27、直流驅(qū)動的電流值相同。如圖3所示，平均電流是瞬間電流i的時間積分。電流Ia對于矩形波，有IcIa=(1/t)0Tt （1.2） idIa=IF(ton/T) （1.3） 式中，Ic為直流驅(qū)動電流值，Ia為脈沖驅(qū)動電流平均值，IF為脈沖電流幅值，ton/T是占空比。為了使脈沖驅(qū)動方式下的平均電流Ia與直流驅(qū)動電流Ic相同，則需使其脈沖電流幅值IF滿足：IF=(T/ton)aI=(T/otn ) Ic（1.4）可見脈沖驅(qū)動時，脈沖電流的幅值是直流驅(qū)動電路的電流幅值的T/ton倍。需注意驅(qū)動器件的工作頻率，當頻率超過一定范同，器件將無法正常工作，因為器件無法正常導通和關(guān)斷。LED的工作頻率是10 M

28、Hz到幾百MHz范圍內(nèi)。6武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文第3章 硬件電路設計與實現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件總述系統(tǒng)以單片微型計算機為核心外加多種接口電路組成，共有五個主要部分：AT89C51芯片、光信號采集電路、聲控開關(guān)電路、鍵盤電路、LED驅(qū)動電路、LED供電電路，如圖3.1示圖3.1 系統(tǒng)硬件總述圖3.2 單片機最小系統(tǒng)3.2.1 AT89C51引腳介紹P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，可用作輸出。P2口：P

29、2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口， P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，當P3口寫入1后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，用作輸入。當外部下拉為低電平，P3口將輸出電流，作為輸出。 7武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。EA/VPP：當/EA保

30、持低電平時，則在此期間選通外部程序存儲器不管有無內(nèi)部程序存儲器。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。圖3.2 AT89C51的引腳圖3.2.2 CPU時鐘電路AT89C51單片機有一個高增益反向放大器，用于構(gòu)成振蕩器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶體或陶瓷振蕩器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘發(fā)生器，見圖3.3所示：8武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文圖3.3 AT89C51的時鐘電路外接晶振時，C1、C2值通常選擇為30pF左右；外接陶瓷振蕩器時，C1、C2

31、約為47pF。C1、C2對頻率有微調(diào)作用，震蕩頻率范圍是1.212MHz。3.2.3 復位電路AT89C51通常采用上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電復位電路在通電瞬間，在RC電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機復位。按鍵手動復位又分為按鍵電平復位和按鍵脈沖復位，按鍵電平復位是將復位端通過電阻與Vcc相連，按鍵脈沖復位是利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達到復位的目的。本設計采用按鍵電平復位方式，如圖3.4所示：圖3.4 AT89C51的復位電路3.3 光信號取樣電路設計本模塊主要用來檢測周圍環(huán)境的光強度，并根據(jù)環(huán)境亮度來開/關(guān)LED燈或調(diào)節(jié)其亮度值。主要由光信號采集電路、運放電路

32、和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換是電路的核心。信號經(jīng)過采集送入A/D轉(zhuǎn)換電路，通過單片機處理后，最終作為系統(tǒng)應用程序進行開關(guān)燈判斷的依據(jù)。其中光采集電路有光敏電阻與另外3個電阻組成的橋式電路構(gòu)成，這樣可以提高微弱信號采集的靈敏度。由于橋式電路的原理及應用比較普遍和簡單，這里就不做介紹。而光敏電阻采集的信號太小，無法驅(qū)動TLC3545，故需進行放大處理?？紤]到實際操作時為方便放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，本模塊選取一片OP07搭建反向放大與PGA203進行級聯(lián)放大。其中PGA203其主要放大作用，而OP07起放大調(diào)節(jié)作用，從而實現(xiàn)微弱電信號與TLC3545的良好級聯(lián)。這樣在調(diào)節(jié)電路時只需改變滑動變阻的大

33、小即可調(diào)9武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文節(jié)到合適的放大倍數(shù)。其完整聯(lián)接如3.5圖所示圖3.5 光信號取樣電路以下是PGA203和OP07的介紹及其連接原理。3.3.1儀表放大器的結(jié)構(gòu)及使用PGA203是一個單片儀表放大器。PGA203提供1，2，4和8的增益，具有TTL或CMOS兼容輸入，便于微處理器接口。具有FET輸入和新的跨電路，在整個帶寬內(nèi)增益幾乎是恒定的。允許增益和偏移激光微調(diào)，且無需任何外部元件。這款放大器是陶瓷或塑料包裝。在整個工業(yè)溫度范圍內(nèi)使用的是被指定的陶瓷封裝，而商業(yè)范圍使用的是塑料包裝。PGA203其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示：10武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文圖3.6 PGA203內(nèi)

34、部結(jié)構(gòu)其部分參數(shù)絕對最大額定值：供電電壓為±18V，內(nèi)部功耗為750mW，模擬和數(shù)字信號輸入電壓為±（VCC+0.5V）。PGA203基本連接：圖3.7所顯示的是正確的電源和信號的連接方法。電源應用1MF的鉭電容進行去耦，鉭電容應盡量靠近放大器的引腳端，避免增益和由外部元件所造成的誤差，以使芯片達到最高性能。任何的干擾都會導致檢測端（引腳11）或VREF端（引腳4）的增益誤差，因此這些線應保持盡可能的短。為了保持電路穩(wěn)定，應注意電容輸入到輸出或偏移調(diào)節(jié)端的電容。圖3.7 基本電源連接該芯片增益選擇是通過A0(引腳1)和A1（引腳2）來控制。圖3.8 PGA203的增益控制如

35、果放大倍數(shù)不夠可以考慮采用2片PGA203級聯(lián)進行放大。3.3.2 OP07的介紹及應用OP07的功能介紹：OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25V），所以OP07在很多應用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低（OP07A為±2nA）和開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面。特點：超低偏移： 150V最大 。低輸入偏置電流： 1.8nA 。低失調(diào)電壓漂移： 0.5V/ 。

36、11武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文超穩(wěn)定，時間： 2V/month高電源電壓范圍： ±3V至±22V 引腳結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3.9OP07引腳結(jié)構(gòu)圖OP07芯片引腳功能說明及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)： 1和8為偏置平衡(調(diào)零端)；2為反向輸入端；3為正向輸入端；4接地；5空腳；6為輸出；7正電源。圖3.10 OP07內(nèi)部結(jié)構(gòu)其一般典型用法如下：12武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文圖3.11 典型的低頻噪聲放大電路考慮到一片PGA203放大倍數(shù)可能不夠，故用一片OP07搭建反向放大與PGA203進行級聯(lián)。其示意圖如下所示：圖3.12 PGA203放大器與OP07放大器級聯(lián)3.3.1 TLC354

37、5的介紹及應用TLC3545的引腳功能介紹：AIN(+)： TLC3545的同相輸入端；AIN(-)： TLC3545的反相輸入端；CS： 芯片的選擇端。當CS端有一個從高到低的電平跳躍，其數(shù)據(jù)輸出口的高組態(tài)狀態(tài)在最大延遲時間內(nèi)消除。GND： 內(nèi)部電路的接地回路。除非另有說明，所有電壓測量均需接地。SDO： AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的3態(tài)串行數(shù)據(jù)輸出口。當CS為高電平是，SDO為高阻態(tài)的狀態(tài)。當CS為低電平時，AD才開始轉(zhuǎn)換。輸出格式為MSB為最先輸出的數(shù)據(jù)，其余的數(shù)據(jù)使當SCLK的上升沿才輸出。在每個SCLK的下降沿輸出數(shù)據(jù)才是有效的。當SCLK處于17個上升沿后，其輸出狀態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。13武漢大學珞珈

38、學院本科畢業(yè)論文SCLK： 串行時鐘。該芯片能從主控制器接受串行時鐘。REF： 外部參考電壓輸入端。VDD： 正電源電壓端。TLC3545的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3.13 TLC3545內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖芯片初始化/復位周期時序圖如下圖所示：圖3.14 TLC3545初始化時序圖當TLC3545工作時需要進行初始化，上電后的一個復位周期以正常運作。在復位周期開始后至少一個SCLK周期，最短時間為CS引腳（引腳1）下降沿但不超過8個SCLK下降沿邊緣長度。在復位周期終止后CS變?yōu)楦唠娖?。如果發(fā)出一個有效復位周期，SDO輸出呈現(xiàn)以上周期數(shù)據(jù)是3FC0h的。此輸出代碼是在確定一個有效的復位/初始化時發(fā)生。寫

39、程序時應參照該芯片的時序圖。14武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文圖3.15 TLC3545時序圖該芯片的所有系列都兼容這種操作模式，通過CS的下降沿來啟動芯片的工作周期。在整個采樣期間CS一直為低電平，當SCLK持續(xù)24下降沿后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。該圖為TLC3545與單片機的連接示意圖：圖3.16 TLC3545與單片機連接示意圖3.4 聲音信號采集電路為解決傳統(tǒng)的摸黑找開關(guān)、睡覺關(guān)燈等問題，特意設計此聲控開關(guān)模塊。當人摸黑進入房間后，可以不必找開關(guān)，而是以掌聲作為開燈信號。其工作原理是：當聲控開關(guān)接受到正確頻率的聲音信號后會在單片機的P2.0口產(chǎn)生一個低電平，單片機執(zhí)行開燈程序。3.4.1 聲音信

40、號放大原理拾音器輸出的毫伏信號實測其范圍約為2025Mv，此電信號太小不能夠驅(qū)動后級，后級比較器LM393的差模輸入電壓范圍為-36V+36V，由此得放大器的放大倍數(shù)應為200倍左右，所以為了將從拾音器獲得的微弱語音信號放大,本系統(tǒng)采用運算放大器15武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文UA741與NE5532級聯(lián)放大的方式,將其放大到伏特量級。其電路如圖3.17所示：圖3.17 聲音信號運放連接示意圖其電路工作原理為：當沒有掌聲時，話筒輸出低電平，經(jīng)放大后電壓將低于參考電壓，比較器輸出高電平；當有掌聲時，聲音信號經(jīng)話筒MIC轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)兩級運放放大產(chǎn)生一個脈沖信號，當此脈沖信號上升并高于比較器的參

41、考電壓時，比較器輸出低電平，而在脈沖信號下降到低于參考電壓時，比較器回到高電平，以此將掌聲信號轉(zhuǎn)換為一個負脈沖，給單片機處理。由于不同人、不同工作、不同活動時對于照明的需求都不同，故有時候自動調(diào)光模式所產(chǎn)生的亮度滿足不了需求。特此增加手動調(diào)光模式，用S1鍵控制其模式的選擇。亮燈后第一次按下S1再次按下回到自動調(diào)光模式。此功能是通過CD4051的選擇功能實現(xiàn)的，其實現(xiàn)原理為：當S1按下一次時，P1.4、P1.5、P1.6口將分別輸出001，使比較器輸出端與P1.3口聯(lián)通；當S1按下第二次時，P1.4、P1.5、P1.6口將分別輸出000，使比較器輸出端與P1.3口斷開，此時將通過按鍵S2、S3直

42、接控制PWM頻率來點亮LED。3.4.2 CD4051的介紹及應用CD4051相當于一個單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一道通路由輸入的3位地址碼ABC來決定?！癐NH”是禁止端，當“INH”=1時各通道均不接通。此外，CD4051還有另一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電調(diào)件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使開關(guān)可傳輸峰峰值達15V的交流信號。如，若模擬開關(guān)的供電電源VDD=+5V,VSS=0V,當VEE=-5V時，只要對此模擬開關(guān)施加05V的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為-5V+5V的模擬信號。引腳功能描述：A0A2 地址端；I0/O0

43、I7/O7 輸入輸出端；INH 禁止端；O/I 公共輸出/輸入端；16武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文VDD 正電源；VEE 模擬信號地；VSS 數(shù)字信號地。CD4501管腳圖及邏輯符號圖：圖3.18 CD4051引腳圖CD4051 邏輯圖：圖3.19 CD4051真值表3.5 LED驅(qū)動電路3.5.1 LED供電電源LM317是可調(diào)三端正電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓范嗣為1.237 V時能提供超過1.5 A的電流。此穩(wěn)壓器易于使用，只通過2個外部電阻設置輸出電壓。工作時，LM317建立并保持輸出與調(diào)節(jié)端之間1.25 V的標稱參考電壓(Vref)，該參考電壓由R1轉(zhuǎn)換為編程電流，該電流經(jīng)R2到地，如圖3.

44、20所示。17武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文圖3.20 LED供電電路由穩(wěn)壓輸出電壓公式得到輸出電壓：Vout=Vref(1+R2/R1)+IADJ/R2 (1.5)因為此處調(diào)節(jié)端的電流IADj控制小于100A，這一誤差可忽略。一個白光LED需要3.3 V直流電壓，本設計為3個白光LED串聯(lián)，需LM317輸出9.6 V直流電壓，由于LED與場效應管串聯(lián)，故除去場效應管的壓降，可得LM317輸出的電壓約10V。先確定R1的電阻為220，得出電位器R2的電阻值為1.4 k。3.5.2 LED驅(qū)動電路本設計是PWM信號經(jīng)過三極管Q1的基極連接到P溝道功率MOSFET IRF9540的柵極上。P溝道功率

45、MOSFET的柵極驅(qū)動采用簡單的NPN三極管驅(qū)動放大電路，以改善MOSFET的導通過程，減少驅(qū)動電源的功率。當驅(qū)動電路直接驅(qū)動功率MOSFET時會引起被驅(qū)動功率MOSFET的快速開通和關(guān)斷，這就可能造成被驅(qū)動功率MOSFET漏源極間電壓的振蕩。一則引起射頻干擾;二則有可能造成功率MOSFET遭受過高的電壓而擊穿損壞。為解決這一問題，需在被驅(qū)動功率MOSFET的柵極與驅(qū)動電路的輸出之間串聯(lián)一只無感電阻R1。當PWM波輸出高電平時，三極管VQ1導通，從而使MOSFET的柵極電壓低于源極電壓，MOSFET的源極和漏極導通，LED點亮;當PWM波輸出低電平時，VQ1截止，LED熄滅。當PWM頻率超過100 Hz時，人眼可視平均LED的導通和截止時間，產(chǎn)生LED亮度變化的感覺，其亮度與LED導通周期成正比，如圖3.21所示。18武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文圖3.21 LED驅(qū)動電路3.6 鍵盤電路設計3.6.1鍵盤的作用鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令功能，是人工干預單片機的主要手段。鍵盤實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)集合。通常鍵盤所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，均利用了機械觸點的合、斷作用。鍵的