畢業(yè)論文-基于51單片機的智能LED照明控制系統(tǒng)設計

1、 PAGE 20基于51單片機的智能LED照明控制系統(tǒng)設計摘 要 隨著社會的發(fā)展人們對生活質(zhì)量的要求越來越高，照明在能耗中所占的比例日益增加,因而照明節(jié)能也日顯重要?，F(xiàn)在國內(nèi)外普及使用的節(jié)能開關基本有聲控型、觸摸型、感光型等。這幾種開關各有自己的弊端，如聲控型不適合環(huán)境嘈雜場所、感光型開關在無人期間不能自動關閉。本設計通過AT89C51單片機結合LED照明技術、紅外傳感技術、光感技術、延時技術、處理等技術來實現(xiàn)對照明設備的智能控制。單片機通過繼電器控制照明設備的打開或者關閉、通過光照檢測電路對照明設備周邊亮度進行檢測，如果亮度不夠則單片機同時檢測BIS0001芯片是否采集到了人體熱釋電傳感信號

2、，根據(jù)有無人體熱釋電傳感信號單片機立刻控制照明設備打開或關閉。關鍵詞： 單片機；傳感器；BIS0001；照明控制；節(jié)能 Abstract With the development of society people of the quality of life in demand is higher and higher, lighting in the proportion of energy consumption, thus increasing illumination energy conservation also more and more importantly. Now un

3、iversal use energy-saving switch at home and abroad have sonic basic type, touch type, photographic type and so on. This several switch have their own disadvantages, such as sonic type is not suitable for environmental noisy places, photographic switch in one period cant shut automatically. This des

4、ign combined by AT89C51 LED lighting technology, infrared sensing technology, light sensor technology, the delay technique and processing technology to realize the intelligent control of lighting equipment. Microcomputer controls lighting equipment open or closed, by the relay ,through the light det

5、ection circuit for lighting equipment testing, if surrounding brightness is not enough then microcomputer detect the BIS0001 chip whether collected to human pyroelectric sensing signals, according to whether have pyroelectric sensing signals microcontroller redirected immediately control lighting eq

6、uipment open or closed. Keywords: microcontroller;sensor;BIS0001;lighting control;energy-saving 目 錄 TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc25245 摘 要 PAGEREF _Toc25245 I HYPERLINK l _Toc19830 Abstract PAGEREF _Toc19830 II HYPERLINK l _Toc25739 前 言 PAGEREF _Toc25739 1 HYPERLINK l _Toc2909 1 概述 PAGEREF _Toc2909

7、 2 HYPERLINK l _Toc14824 1.1 課題研究背景 PAGEREF _Toc14824 2 HYPERLINK l _Toc20407 1.2 課題研究的目的與意義 PAGEREF _Toc20407 2 HYPERLINK l _Toc19111 1.2.1 良好的節(jié)能效果和延長燈具壽命 PAGEREF _Toc19111 2 HYPERLINK l _Toc684 1.2.2 改善工作環(huán)境，提高工作效率 PAGEREF _Toc684 2 HYPERLINK l _Toc1618 1.2.3 提高管理水平 PAGEREF _Toc1618 3 HYPERLINK l _

8、Toc17842 1.2.4 較好的投資收益效果 PAGEREF _Toc17842 3 HYPERLINK l _Toc76 2 系統(tǒng)設計方案 PAGEREF _Toc76 4 HYPERLINK l _Toc7999 2.1 單片機的選擇 PAGEREF _Toc7999 4 HYPERLINK l _Toc27468 2.2光照檢測方式 PAGEREF _Toc27468 5 HYPERLINK l _Toc3302 2.3 人體感應方式 PAGEREF _Toc3302 5 HYPERLINK l _Toc21897 2.4 延時參數(shù)設置電路 PAGEREF _Toc21897 6 H

9、YPERLINK l _Toc30527 2.5 照明設備驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc30527 6 HYPERLINK l _Toc21358 3 硬件電路設計與實現(xiàn) PAGEREF _Toc21358 7 HYPERLINK l _Toc7772 3.1 系統(tǒng)硬件總述 PAGEREF _Toc7772 7 HYPERLINK l _Toc29907 3.2 CPU性能介紹 PAGEREF _Toc29907 7 HYPERLINK l _Toc2709 3.3 主控制機電路設計 PAGEREF _Toc2709 7 HYPERLINK l _Toc267 3.4 菲涅爾透鏡 PAGE

10、REF _Toc267 8 HYPERLINK l _Toc11496 3.5 熱釋電傳感器及處理電路 PAGEREF _Toc11496 9 HYPERLINK l _Toc6210 3.5.1 熱釋電紅外線傳感器 PAGEREF _Toc6210 9 HYPERLINK l _Toc29519 3.5.2 信號處理電路 PAGEREF _Toc29519 10 HYPERLINK l _Toc3337 3.6 光照檢測電路 PAGEREF _Toc3337 11 HYPERLINK l _Toc30893 3.7 控制電路 PAGEREF _Toc30893 11 HYPERLINK l

11、_Toc7934 3.7.1 延時時間選擇電路 PAGEREF _Toc7934 11 HYPERLINK l _Toc30021 3.7.2 輸出控制電路 PAGEREF _Toc30021 12 HYPERLINK l _Toc18415 3.8 時鐘電路 PAGEREF _Toc18415 12 HYPERLINK l _Toc31711 4 系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn) PAGEREF _Toc31711 13 HYPERLINK l _Toc5876 4.1 系統(tǒng)軟件流程圖 PAGEREF _Toc5876 13 HYPERLINK l _Toc12540 4.2 仿真環(huán)境介紹 PAGEREF

12、 _Toc12540 14 HYPERLINK l _Toc12608 4.2.1 Keil介紹 PAGEREF _Toc12608 14 HYPERLINK l _Toc21709 4.2.2 Proteus介紹 PAGEREF _Toc21709 14 HYPERLINK l _Toc3789 5 系統(tǒng)可靠性技術 PAGEREF _Toc3789 15 HYPERLINK l _Toc32202 5.1干擾產(chǎn)生的后果 PAGEREF _Toc32202 15 HYPERLINK l _Toc30984 5.2 單片機應用系統(tǒng)的硬件抗干擾設計 PAGEREF _Toc30984 16 HYP

13、ERLINK l _Toc4382 5.3 軟件抗干擾技術 PAGEREF _Toc4382 17 HYPERLINK l _Toc17440 畢業(yè)設計總結 PAGEREF _Toc17440 19 HYPERLINK l _Toc12091 參考文獻 PAGEREF _Toc12091 20 HYPERLINK l _Toc16308 致 謝 PAGEREF _Toc16308 21前 言隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會進步，教育在全社會愈加被關注和重視，校園規(guī)模也隨著受教育者的數(shù)量增加而不斷擴大，教室的數(shù)量也大幅度增加。為使師生有舒適的教學和學習的環(huán)境，無論是教室的面積、設施和照度，校方在力所

14、能及的范圍內(nèi)，都付出了十分的努力。但由于學校開放型的管理模式，以及全員的節(jié)能意識的淡薄，高校的教室在白天室內(nèi)照度很高的情況下，仍然普遍存在開燈作業(yè)；即使室內(nèi)無人或人數(shù)很少的情況下，也是全部開啟室內(nèi)照明。夜間許多教室，即使僅有幾個學生在教室自習，但室內(nèi)照明全部開啟，絕不會有師生因為只有少數(shù)人而僅開幾盞燈。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

15、。目前，公共建筑的照明燈具控制大多采用手動開關，經(jīng)常出現(xiàn)沒有及時開關的現(xiàn)象，從而造成大量的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)境中是否有人員和環(huán)境補光亮度等來自動控制照明的開關和亮度。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、通信等相關行業(yè)，而且也深入到家電、娛樂、藝術、社會文化等各個領

16、域，并掀起了一場數(shù)字化技術革命。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成電路芯片上的微型計算機。因此一塊芯片就構成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領域、智能儀器儀表、尖端武器、日常生活中最廣泛使用的計算機。本篇論文介紹了就是基于單片機AT89C51的室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)。本系統(tǒng)是以單片機為控制器的核心，本系統(tǒng)主要由光照檢測電路、熱釋電紅外線傳感器及處理電路、HYPERLINK /hardwaredevelop/mcu/單片機系統(tǒng)及控制電路組成。工作時，光照檢測電路和熱釋電紅外線傳感器采集光照強弱、室人是否有人等信息送到單片機，單片機根據(jù)這些信息通過

17、控制電路對LED照明設備進行開關操作，從而實現(xiàn)照明控制，以達到節(jié)能的目的。1 概述1.1 課題研究背景 隨著計算機網(wǎng)絡、通信、控制等技術的發(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?；蛘撸斪匀还庹斩群芎脮r，燈不能及時關閉；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成了很大的影響?，F(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

18、，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。 而在大學校園的建設熱潮中，各大高校和他們的建設者也意識到了智能照明的重要性。相對商業(yè)樓宇而言，大學校園里的大功率動力和制冷設備比重較少，照明燈具則相對比重更多，所以控制教室照明是節(jié)能的關鍵。使用照明控制系統(tǒng)，更能體現(xiàn)其在節(jié)能與管理方面的優(yōu)勢，提高學校的科學管理水平，而且還能節(jié)省開支。1.2

19、 課題研究的目的與意義1.2.1 良好的節(jié)能效果和延長燈具壽命 節(jié)能是照明控制系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。傳統(tǒng)的樓宇公共區(qū)域照明工作模式，只能是白天關燈，晚上開燈。而采用了智能照明控制系統(tǒng)后，可以根據(jù)不同場合、不同的人流量，進行時間段、工作模式的細分，把不必要的照明關掉，在需要時自動開啟。同時，系統(tǒng)還能充分利用自然光，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)照度?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)了不同工作場合的多種照明工作模式，在保證必要照明的同時，有效減少了燈具的工作時間，節(jié)省了不必要的能源開支，也延長了燈具的壽命。 1.2.2 改善工作環(huán)境，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

20、提高照明質(zhì)量。智能照明控制系統(tǒng)具有開關和調(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)不同的時間段，人們的不同需要，自動調(diào)節(jié)照度。 1.2.3 提高管理水平 智能照明控制系統(tǒng)是以自動控制為主、人工控制為輔的系統(tǒng)。在一般的情況下，不需要有人的參與，照明系統(tǒng)自動實現(xiàn)開關和調(diào)光功能，既大大減少了管理人員的數(shù)量，也排除了由于人為因素而出現(xiàn)的不定時開關，影響學校的正常教學、生活秩序的情況。 1.2.4 較好的投資收益效果 智能照明控制系統(tǒng)在節(jié)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

21、般的商場、酒店、地鐵站等節(jié)能效果也能達到2530。 2 系統(tǒng)設計方案2.1 單片機的選擇 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)。AT89C51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。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，其基本結構依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。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)部結構主要有以下幾部分

22、：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。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

23、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1997年,由ATMEL公司挪威設計中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術, 共同研發(fā)出RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR。相對于出現(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

24、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,使硬件結構大大簡化,提高了系統(tǒng)的可靠性。它與其它結構類型單片機相比，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；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、

25、PWM、SPI、USART、TWI、通信口、豐富的中斷源等。方案分析：除了以上幾種單片機，市場上還有好的其它結構單片機。如果實現(xiàn)本系統(tǒng)，基本上上述三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)。2.2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、采用光敏電阻把環(huán)境亮度轉(zhuǎn)換成相應的電壓值（模擬值），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，所以采用方案一。2.3 人體感應方式方案一、采用紅外對管進行檢測。紅外發(fā)

26、送管和紅外接收管分別安裝在通道兩側。當某一時刻紅外接收管如果接收不到信號表示兩者之間有遮擋物通過，可以視為有人體進入。方案二、采用集成電路BIS0001，該芯片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就可構成被動式的熱釋電紅外開關、報警用人體熱釋電傳感器等。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。 由于方案一要求紅外發(fā)送管和接收管必須相對才行，而且兩者距離有限，實現(xiàn)起來較為不便，所以本設計采用方案二。2.4

27、 延時參數(shù)設置電路方案一、 采用NE555做延時定時器，單片機以脈沖方式觸發(fā)該定時器。方案二、 采用單片機內(nèi)部定時器定時。通過讀取外部參數(shù)，單片機實現(xiàn)不同時間的定時。由于此方案簡單可靠且節(jié)約成本，本系統(tǒng)采用這種方案。2.5 照明設備驅(qū)動電路方案一、采用可控硅控制。可控硅又稱晶閘管，是一種具有三個PN 結的四層結構的大功率半導體器件。其具有體積小、結構相對簡單、功能強等特點，是比較常用的半導體器件之一。 方案二、采用繼電器控制。繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時，輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件。其具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應用于電力保護、自動化

28、、運動、遙控、測量和通信等裝置中。根據(jù)結構不同，可以將其分為電磁繼電器、熱敏干簧繼電器、固態(tài)繼電器、磁簧繼電器、光繼電器等型號。由于電磁繼電器簡單易用，開關狀態(tài)極其容易判斷，所以本設計采用電磁繼電器來控制。3 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，共有六個主要部分：AT89C51芯片、光信號采集電路、人體信號采集電路、延時選擇電路、輸出控制電路、時間顯示電路，如圖3-1所示。 MCU延時選擇電路光照檢測電路信號處理器熱釋電傳感器時間顯示電路控制電路NABCL圖3-1 系統(tǒng)硬件總述圖3.2 CPU性能介紹 本系統(tǒng)采用了ATMEL公司MCS-51系

29、列單片機中的AT89C51芯片，它是低壓高性能CMOS 8位微處理器，帶有4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，15個IO口線，兩個16位定時計數(shù)器，個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口。3.3 主控制機電路設計 主控制器采用AT89C51單片機作為微處理器，AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4K bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash

30、存儲單元。 主控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由信號處理電路、LED顯示及控制電路、時間顯示電路等幾部分組成。主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖3-2所示。圖3-2系統(tǒng)硬件電路圖 為了使系統(tǒng)功能更加完善，在該系統(tǒng)中可以增加時間顯示電路，用于顯示當前的時間。由于該部分硬件與軟件均已成熟，在此不做詳細介紹。3.4 菲涅爾透鏡 菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。當人進入感應范圍，人體釋放的紅外光透過鏡片被聚集在遠距離A區(qū)或中距離B區(qū)或近距離C區(qū)的某個

31、段的同心環(huán)上，同心環(huán)與紅外線探頭有一個適當?shù)慕咕?，紅外光正好被探頭接收，探頭將光信號變成電信號送入電子電路驅(qū)動負載工作。整個接收人體紅外光的方式也被稱為被動式紅外活動目標探測器。鏡片主要有三種顏色：一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。二、白色主要用于適配外殼顏色。三、黑色用于防強光干擾。鏡片還可以結合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。每一種鏡片有一型號（以年號+系列號命名），鏡片主要參數(shù)：一、外觀描述外觀形狀（長、方、圓）、尺寸（直徑）。以毫米為單位。二、探測范圍指鏡片能探測的有效距離（米）和角度。三、焦距指鏡片與探頭窗口的距離，精確度以毫米的小數(shù)點為單位。長形和方形鏡片要呈弧形以焦

32、距為單位對準探頭窗口。鏡片與探頭的配合應用我們常用的是雙源式探頭，揭開濾光玻璃片，其內(nèi)部有兩點對714um的紅外波長特別敏感的TO5材料連接著場效管。圖3-3 信號產(chǎn)生輸出示意圖圖3-3 信號產(chǎn)生輸出示意圖靜態(tài)情況下空間存在紅外光線，由于雙源式探頭采用互補技術，不會產(chǎn)生電信號輸出。動態(tài)情況下，人體經(jīng)過探頭先后被A源或被B源感應，SaSb產(chǎn)生差值，雙源失去互補平衡作用而很敏感地產(chǎn)生信號輸出，見圖3-3。當人對著探頭呈垂直狀態(tài)運動，Sa=Sb不產(chǎn)生差值，雙源很難產(chǎn)生信號輸出。因此，探測器安裝的位置與人行走方向呈平行為宜。3.5 熱釋電傳感器及處理電路 3.5.1 熱釋電紅外線傳感器熱釋電紅外傳感器

33、能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴後岆妭鞲衅骶哂谐杀镜?、不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源、靈敏度高、可流動安裝等特點。實際使用時，在熱釋電傳感器前需安裝菲涅爾透鏡，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離僅為2 m左右；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10 m以上。由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢、幅值小(小于1 mV)，不能直接作為照明系統(tǒng)的控制信號，因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過一個專門的信號處理電路，使得傳感器輸出信號的不規(guī)則波形轉(zhuǎn)變成適合于單片機處理的數(shù)字信號。根據(jù)以上要求，人體熱釋電檢測電路

34、組成框圖如圖3-4所示。檢測對象檢測對象菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器信號處理電路Vm圖3-4人體熱釋電檢測電路組成框圖3.5.2 信號處理電路 本設計采用BIS0001來完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件就可構成被動式的熱釋電紅外開關、報警用人體熱釋電傳感器等。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。 它主要由運算放大器、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成。BIS0001的引腳圖如圖

35、圖3-5BIS0001的引腳圖由BIS0001構成的信號處理電路如圖3-6所示。圖3-6 BIS0001的熱釋電紅外開關應用電路圖 圖3-6中，運算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號Vo經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動繼電器去接通負載。R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。SW1是工作方式選擇開關，當SW1與1端連通時，芯片處于可重復觸發(fā)

36、工作方式；當SW1與2端連通時，芯片則處于不可重復觸發(fā)工作方式。輸出延遲時間Tx由外部的R9和C7的大小調(diào)整，值為Tx24576xR9C7；觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R10和C6的大小調(diào)整，值為Ti24xR10C6。3.6 光照檢測電路 如圖3-2所示，當外界環(huán)境光照強時，光敏電阻R13阻值較小，則A點電平較低；當外界環(huán)境光照弱時，光敏電阻R13阻值較大，則A點電平較高，將此電平送到單片機，由程序控制是否實現(xiàn)照明。3.7 控制電路3.7.1 延時時間選擇電路 系統(tǒng)在AT89C52的P1中設置了延時時間選擇電路，其目的是在環(huán)境光照較弱時，照明設備延時一段時間后自動熄滅。電路通過P10P13設置4個

37、延時時間，當P10P30無開關閉合時，系統(tǒng)按初始值進行延時；當P10P13有開關閉合時，程序從P13P10進行檢測，若檢測到某一端口為低電平時，則系統(tǒng)按當前端口設置的值進行延時。設置時間關系值如表1所示。3.7.2 輸出控制電路 單片機對光照檢測電路和傳感器處理電路輸出的信號進行檢測，輸出控制信號由單片機的P20輸出。在室內(nèi)環(huán)境光照較強或光較弱但室內(nèi)又無人時，P20輸出高電平，此時三極管V1截止，繼電器J1不工作，則接在220 V上的照明設備不亮。在室內(nèi)光照較弱且傳感器檢測室內(nèi)有人時，則P20輸出低電平，此時三極管V1導通，繼電器J1工作，則220 V交流電通過繼電器加到照明設備上，照明設備正

38、常點亮。3.8 時鐘電路 AT89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。AT89C51單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2可在20pF到100pF之間取值。所以本設計中，振蕩晶體選擇6MHZ,電容選擇30pF。4 系統(tǒng)軟件

39、設計及實現(xiàn)4.1 系統(tǒng)軟件流程圖 軟件部分的主要任務是完成對光照檢測電路和對熱釋電傳感器信號處理電路的輸出信號進行處理。在光照較強時，系統(tǒng)繼續(xù)對光照檢測電路的輸出狀態(tài)進行檢測。光照較弱時，系統(tǒng)對信號處理電路的輸出狀態(tài)Vo進行檢測。若室內(nèi)有人時Vo為高電平，系統(tǒng)控制照明設備點亮并按設定的時間進行延時。在延時時間內(nèi)再一次檢測到有人時，則系統(tǒng)又按設定的時間進行延時；若在延時時間內(nèi)檢測到室內(nèi)無人時，則系統(tǒng)控制照明設備熄滅并重新對信號處理電路的輸出狀態(tài)Vo進行檢測?；谏鲜龇治觯到y(tǒng)軟件設計流程如圖4-1所示。點亮照明設備點亮照明設備系統(tǒng)初始化（設置中斷及Flag=0）設置延時時間Flag=1Flag=

40、0熄滅照明設備Flag=1？時間到否是否有人光照檢測開始YNYNNY弱強 圖4-1系統(tǒng)軟件流程圖4.2 仿真環(huán)境介紹4.2.1 Keil介紹 隨著單片機開發(fā)技術的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展，Keil軟件是目前最流行開發(fā)MCS-51系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機廠商紛紛宣布全面支持Keil。該軟件是美國Keil Software公司出品的軟件開發(fā)系統(tǒng)，其允許用戶使用匯編或者C語言來開發(fā)MCS-51單片機（或與MSC-51指令兼容的其它單片機）的應用軟件。功能上，Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，包括C編譯

41、器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部份組合在一起。外觀上采用全Windows界面，容易上手。性能上，即便是使用高級語言開發(fā)應用程序，其生成的目標代碼效率也非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊。4.2.2 Proteus介紹Porteus是一款集單片機仿真與SPICE分析于一身的EDA仿真軟件，于1989年由英國Labcenter Eletronice Ltd研發(fā)成功，經(jīng)過多年的發(fā)屏，現(xiàn)已成為當前EDA性價比最高、性能最強的一款軟件。 Proteus軟件有十多年的歷史，在全球廣泛使用，除了其具有和其它EDA工具一

42、樣的原理布圖、PCB自動或人工布線及電路仿真的功能外，其最大的特點是Proteus VSM(Virtual System Modelling)實現(xiàn)了混合模式的SPICE電路仿真，它將虛擬儀器、高級圖表仿真、微處理器軟仿真器、第三方的編譯器和調(diào)試器等有機結合起來，在世界范圍內(nèi)第一次實現(xiàn)了在硬件物理模型搭建成功之前，即可在計算機上完成原理圖設計、電路分析與仿真、處理器代碼調(diào)試及實時仿真、系統(tǒng)測試，以及功能驗證。Proteus主要有兩大部分組成：ISIS原理圖設計、仿真系統(tǒng)。它用于電路原理圖的設計以及交互式仿真。ARES印制電路板設計系統(tǒng)。它主要用于印制電路板的設計，產(chǎn)生最終的PCB文件。5 系統(tǒng)可

43、靠性技術 在實驗室里設計的控制系統(tǒng)，在安裝、調(diào)試后完全符合設計要求，但把系統(tǒng)置入現(xiàn)場后，系統(tǒng)常常不能正常穩(wěn)定地工作。產(chǎn)生這種情況的原因主要是現(xiàn)場環(huán)境復雜和各種各樣的電磁干擾，所以單片機應用系統(tǒng)的可靠性設計、抗干擾技術變得越來越重要了。 工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中干擾是以脈沖產(chǎn)的形式進人單片機系統(tǒng)的，其主要的渠道有三條，即空干擾多發(fā)生在高電壓、大電流、高頻電磁場附近，并通過靜電感應，電磁感應等方式侵入系統(tǒng)內(nèi)部；供電系統(tǒng)干擾是由電源的噪聲干擾引起的；過程通道干擾是干擾通過前向通道和后向通道進入系統(tǒng)的。干擾一般沿各種線路侵入系統(tǒng)。系統(tǒng)接地裝置不可靠，也是產(chǎn)生干擾的重要原因；各類傳感器，輸人/輸出線路的絕緣損壞均

44、有可能引入干撫。5.1干擾產(chǎn)生的后果（1）數(shù)據(jù)采集誤差的加大。當干擾侵入單片機系統(tǒng)的前向通道疊加在信號上，會使數(shù)據(jù)采集誤差增大，特別是前向通道的傳感器接口是小電壓輸入時，此現(xiàn)象會更加嚴重。（2）程序運行失常：控制狀態(tài)失靈。在單片機系統(tǒng)中，由于干擾的加人使輸出誤差加大，造成邏輯狀態(tài)改變，最終導致控制失常。死機。在單片機系統(tǒng)受強干擾后，造成程序計數(shù)器（PC）值的改變，破壞程序正常運行。（3）系統(tǒng)被控對象誤操作。單片機內(nèi)部程序指針錯亂，指向了其它地方，運行了錯誤的程序；DRAM中的某些數(shù)據(jù)被沖亂或者特殊寄存器的值被改變，使程序計算出錯誤的結果。中斷誤觸發(fā)，使系統(tǒng)進行錯誤的中斷處理。（4）被控對象狀態(tài)

45、不穩(wěn)定。鎖存電路與被控對象間的線路（包括驅(qū)動電路）受干擾，從而造成被控對象狀態(tài)不穩(wěn)定。（5）定時不準。單片機內(nèi)部程序指針錯亂，使中斷程序運行超出定時時間；RAM中計時數(shù)據(jù)被沖亂，使程序計算出錯誤的結果。（6）數(shù)據(jù)發(fā)生變化。在單片機應用系統(tǒng)中，由于外部RAM是可讀寫的，在干擾的侵入下，RAM中數(shù)據(jù)有可能發(fā)生改變，雖然ROM能避免干擾破壞，但單片機片內(nèi)RAM以及片內(nèi)各種特殊功能寄存器等狀態(tài)都有可能受干擾而變化，甚至EPROM中的數(shù)據(jù)也可能誤讀寫,使程序計算出錯誤的結果。 針對以上出現(xiàn)的問題，本系統(tǒng)分別從硬件和軟件兩個方面來探討一些提高單片機應用系統(tǒng)抗干擾能力的方法。合理地使用軟件和硬件抗干擾技術，

46、可使系統(tǒng)最大限度地避免干擾的產(chǎn)生和受干擾后能使系統(tǒng)恢復正常運行，保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地工作。5.2 單片機應用系統(tǒng)的硬件抗干擾設計（1）供電系統(tǒng)。防止從電源系統(tǒng)引入干擾，可采取交流穩(wěn)壓器保證供電的穩(wěn)定性，防止電源的過壓和欠壓。使用隔離變壓器濾掉高頻噪聲，低通濾波器濾掉工頻干擾。采用開關電源并提供足夠的功率余量，主機部分使用單獨的穩(wěn)壓電路，必要時I/O供電分別采用DC-DC模塊隔離，以避免各個部分相互干擾。（2）注意印制電路板的布線與工藝。盡量采用多層印制電路板，多層板可提供良好的接地網(wǎng)，可防止產(chǎn)生地電位差和元件之間的耦合。印制電路板要合理分區(qū)。模擬電路區(qū)、數(shù)字電路區(qū)、功率驅(qū)動區(qū)要盡量分開，地線

47、不能相混，分別和電源端的地線相連。元件面和焊接面應采用相互垂直、斜交、或者彎曲走線，避免相互平行以減小寄生耦合：避免相鄰導線平行段過長；加大信號線間距。高頻電路互聯(lián)導線盡量短，使用45或者圓弧折線布線，不要使用90折線，以減小高頻信號的發(fā)射。印制電路板要按單點接電、單點心接地的原則送電。三個區(qū)域的電源線、地線分三路引出。地線、電源線要盡量粗，噪聲元件與非噪聲元件要盡量離遠一些。時鐘振蕩電路、特殊高速邏輯電路部分用地線圈起來，讓周圍電場趨近于零。使用滿足系統(tǒng)要求的最低頻率的時鐘，時鐘產(chǎn)生器要盡量靠近用到該個TTL或20多個CMOS。如果輸出負載過重，會降低輸出電平，使電平處于或低于被驅(qū)動器件的輸入門檻電平，從而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）提高元器件的可靠性。選用質(zhì)量好的電子元件，并進行嚴格的測試、篩選和老化。設計時元件技術參數(shù)要有一定的余量。提高印制板和組裝的質(zhì)量。（4）使用雙機冗余設計。在對控制系統(tǒng)的可靠性有嚴格要求的場合，使用雙機冗余可進一步提高系統(tǒng)抗干擾能力。雙機冗余，就是執(zhí)行同一個控制任務，可安排兩個單片機來完成，即主機與從機。正常情況下，主機掌握著三總線的控制權，對整個系統(tǒng)進行控制，此時，從機處于待機狀態(tài)，等待仲裁器的觸發(fā)。當主機由于某種原因發(fā)生誤動作時，