图书馆智能照明控制系统设计_毕业设计论文.doc

目 录 摘要 .i abstractii 引言 .1 第一章 图书馆照明控制系统的提出及控制方案的分析 3 1.1 图书馆照明控制系统的提出 .3 1.2 图书馆照明控制系统方案的分析 .3 1.2.1 图书馆照度标准 .3 1.2.2 阅览室的照度要求 .3 1.2.3 书库的照度要求 .4 1.2.4 其他地方照度要求 .4 1.3 图书馆照明设计的基本方法 .4 1.3.1 灯具的选择 .4 1.3.2 灯具安装位置的确定 .5 1.3.3 灯具安装高度的确定 .6 1.4 图书馆智能照明控制系统设计 .7 1.4.1 图书馆照明设计任务 .7 1.5 系统控制模块的硬件设计方案论证 .8 1.5.1 图书馆照明设计方案-传统照明控制方式 8 1.5.2 图书馆照明设计方案-智能照明控制方式 8 第二章 图书馆照明控制系统模块分析 .10 2.1 at89s51 单片机的结构 10 2.1.1 at89s51 主要引脚功能 10 2.2 时钟晶体振荡电路 12 2.3 复位电路 12 2.4 单片机最小系统 13 2.5 电源电路 13 第三章 数据采集及控制输出模块各部件分析 .14 3.1 热释红外传感器 14 3.1.1 敏感单元 14 3.1.2 热释红外传感器的优缺点 15 3.1.3 菲涅尔透镜 15 3.2 热释电红外处理芯片 biss0001 简介 .16 3.2.1 biss0001 引脚说明 .16 3.3 热释红外人体检测电路 17 3.3.1 信号处理电路 17 3.3.2 比较电路 18 3.4 环境光照度检测电路 19 3.4.1 tlc549 的接口设计 .20 3.5 电磁继电器电路 21 第四章 系统软件设计 .22 4.1 系统主程序设计 22 4.2 a/d 转换程序设计 23 4.3 系统软件各部分设计说明 23 4.3.1 环境光和人体存在检测程序 23 4.3.2 10s 延时程序 24 4.3.3 a/d 转换程序 24 第五章 图书馆照明控制系统的实现 .26 5.1 热释红外传感器的安装分析 26 5.2 环境光照度检测电路的安装分析 26 5.3 图书馆照明控制系统总体实现方案 27 结论 29 致谢 30 参考文献 31 附录 a 系统原理图 .32 附录 b pcb 板图 33 附录 c 程序清单 .34 i 图书馆照明控制系统设计 摘要：本文介绍了基于单片机 at89s51 的图书馆照明控制系统及其原理， 提出了有效的节能控制方法。该系统采用了当今比较成熟的传感技术和 单片机定时控制技术，利用多参数来实现对学校图书馆照明的控制。 系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。该照明控制系统的主控 制器是以 at89s51 单片机为基础，实现了通信、信号采集、控制等功能。 文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：环境光照度信号取样电 路、人体信号采集电路、继电器驱动电路以及信号处理电路等。对于软 件设计主要有主控制器的数据传输程序设计以及灯光控制、延时控制、 a/d 转换等程序设计。 工作时,光信号取样电路采集光照强弱、人体信号采集电路采集室 内是否有人信息并将信号送到单片机,单片机根据这些信息通过控制电 路对照明设备进行开关操作,从而实现智能照明控制,以达到节能的目的。 关键词：智能控制；热释红外；传感器；单片机；定时控制 ii the design of lighting control system for the library abstract: this article describes library based on single - chip microcomputer at89s51 lighting control system and its principles, proposes effective energy - saving control method.the system uses the current sensing technology is more mature and timing of single chip computer control technology, using multiple parameters to achieve control over lighting in the school library. system design includes hardware design and software design of two parts. the master of lighting control system is based on the at89s51 single chip, enabling communication, data acquisition, control, and other functions.the text of the control circuit are described in detail in the design process, including : ambient light signal sampling circuit, the bodys signal acquisition circuit, the relay driver circuit and signal processing circuit, and so on.software design for data transfer program, as well as the main controller lighting control, timer control, a/d control program design. work, the optical signal sampling circuit capture light, strong or weak, human acquisition of signal acquisition circuit indoor if anyone, whether working for the information and send a signal to the scm, single - chip microcomputer based on this information by controlling circuit for lighting iii switches, enabling intelligent lighting control, to achieve energy - saving purposes. keywords: intelligent control;outside;sensors;scm;timing control 1 引 言 随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会越来越被关注 和重视，校园规模也随着受教育者的数量增加而不断扩大。但由于学校 开放型的管理模式，高校的教室在白天室内照度很高的情况下，仍然普 遍存在开灯作业；即使室内无人或人数很少的情况下，也是全部开启室 内照明，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。长明灯比比皆是， 人走不熄灯的现象到处存在。这种有形和无形的浪费，给校方的水电支 出带来了沉重的负担。学校的水电支出约占全校经费支出的 14- 15，电费支出占据较重比例。 能源短缺是 21 世纪国际面临的新课题。在寻找新的能源之外，节 约能源，提高效益也就成为了我们研究的课题。所以学校如何来节省电 力能源也成为了一个迫切需要解决的问题。从节约资源、对社会贡献、 节省高校经费支出和学生的健康等多方面考虑，高校教室照明的节电问 题不得不提到重要的议事日程上来。 智能控制技术发展方向主要有基于人工智能技术的智能控制方向、 智能控制的模糊控制方向和智能控制的人工神经网络控制方向，在智能 控制的人工神经网络控制方向上，基于人工神经网络和模糊逻辑有机结 合的神经模糊技术，已成为近年来的一个热门课题。 “智能建筑”是综合计算机、信息通信等方面最先进的技术，使建 筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等，实现建筑物综 合管理自动化、远程通信和办公自动化的有效运作，并使这三种功能结 合起来的建筑。 人工智能技术在建筑与照明中的应用趋势不断扩大。正如英国的 2 glasgow 市报指出：glasgow 正在成为一个研究和发展太空时代智能建 筑的国际组织的神经中枢。在智能建筑中的智能照明、供热、空调、通 讯及办公设备将全部由电子计算机进行控制与管理。面对这一发展趋势， 开发了不少智能照明设计，如智能灯具、智能照明控制与管理系统，包 括在照明方面的计算机硬件和软件。此外计算机在照明设计和测试方面 也得到广泛应用。澳大利亚邦奇开发的 dynalie 智能照明控制系统，美 国的智能照明建筑，特别是现代化办公室的智能照明技术等都值得我们 研究与借鉴。 智能照明控制系统是指用计算机技术并辅助以其它手段，对电力照 明实行自动控制，提供合适照明光环境的同时降低照明系统电能消耗和 其它使用费用。智能照明控制系统于手动照明控制系统相比有很多优点， 包括创造环境气氛，改善工作环境、提高工作效率，良好的节能效果， 延长光源寿命，管理维护方便等。 智能照明控制系统主要由输入装置、处理器和执行器三个部分组成。 输入装置可以不断检测周围环境的照度水平，可以探测到某个区域是否 有人移动，以及输入人们的控制指令，并把相应的信号传送给处理器。 输入装置包括传感器、定时装置和控制面板或遥控器。处理器接受输入 装置的信号，经过信息处理、判断、分析，输出控制信号。执行器与灯 具直接连接，控制灯光回路的闭合或断开和调节灯光到相应的水平，包 括手动开关。 澳大利亚邦奇开发的 dynalite 分布式智能照明控制系统的特点是 模块化结构和分布式控制，各功能模块之间通过网络总线直接相互通信， 当系统中某个模块出现故障时不会影响其它模块，可靠性高。 美国 lc&d 智能照明控制系统是一套由计算机微处理器控制的低压 3 继电器配电盘组成，按照客户对室内外照明的具体要求，设定照明控制 的时间、区域、方法来控制每一个独立的回路，也有手动开关直接控制。 国内生产的真善美智能照明系统具有集中控制、多点操作、集中显 示、停电自锁、免打扰、遥控功能等智能功能，使家居生活更加方便和 舒适。 但是，国内外智能照明系统的研究存在着如下问题： （1）现有国外智能照明系统主要控制照度这个数量指标，国外的 研究主要集中于办公室照明，以节能为主要目的，但据照明科技最新研 究成果表明，非定量指标（如舒适性和艺术性等）对室内照明光环境质 量影响更大。 （2）国内一些智能照明控制系统能够实现集中控制和集中显示， 具有一定的智能性，但其只能控制房间中的一个灯或一组灯的开、关， 不能实现场景控制，也不能对灯光的亮度进行调节，不能产生多种照明 效果。 （3）针对住宅照明光环境研制的智能照明控制系统产品很少，还 有很大的开发前景。 目前常用的节电方式为手工控制，声控型，太阳能灯等。手工方式 操作起来不灵活，费时费力。声控型往往判断不准确，不需要的时候也 也会经常亮。太阳能设备投资比较大，且容易受光照强度的影响。因此 市场上迫切需要一种操作方便、价格低廉、便于大面积推广的新型节能 方案。 图书馆是学校师生学习的主要场所，这就决定学校图书馆的场地面 积比较大，灯光控制比较复杂，如果单单依靠手动，不仅大大浪费了人 4 力还会造成极大的浪费，于是开发出一种智能的照明系统便具有现实的 意义，首先图书馆可以起到一个很好的示范效应，其次图书馆作为科研 的重要阵地，也起到实验的作用，通过不断的实验改进，进而开发出一 种适合大面积推广的系统，实现有规模的节能的目的。 第一章 图书馆照明控制系统的提出及控制方案的分析 1.1 图书馆照明控制系统的提出 学校图书馆的阅览室、自习室以及书库等地是出入人数较多的地方。 因此，这些地方的灯光照明几乎是从上班开始直到下班为止，不管这些 地方是否有人，也不管有多少人，当日照满足照明度要求时，把灯熄灭， 一旦自然光照度难以满足人的需要时，不能及时打开灯光，给人的视力 带来损害。显然这种照明方式，从照明的角度上来说是非节能的；从人 的角度来看，根本不能满足人的基本的照明要求。科技以人为本，从人 的需求出发：即在有人活动的地方必须有足够的照度（不论是日光照明 还是人工照明） ；没有人的区域，应该熄灭灯光，以节约能源。 图书馆照明控制系统可实现有效的室内灯光智能控制。其输入参数 主要是人体存在信号和环境光信号等的外界因素，环境光的强度达到一 定值时不开灯,环境光强度在一定阀值以下且有人存在时开灯，理论和 实验证明用这种方式来对室内灯进行智能控制可以实现上述目标。 1.2 图书馆照明控制系统方案的分析 1.2.1 图书馆照度标准 图书馆照度标准根据我国民用建筑照明设计标准(gbj133-90) 的设计要求，针对图书馆各类阅览室、研究室、视听室、休息室、走廊、 楼梯等场所的照度制定了不同的标准要求，作为照明设计的数据参照。 5 1.2.2 阅览室的照度要求 图书馆一般阅览室、少年儿童阅览室的照度水平应该设置在 150lx(低)，200lx(中)，300lx(高)；如果是属于老年读者阅览室，其 照度标准应该适当提高到 200lx(低)，300lx(中)，500lx(高)。如表 1.1 所示。 表 1.1 阅览室照度标准 房间名称 参考平面及其高度 照度标准值 （lx） 一般阅览室，少年 儿童阅览室 0.75m 水平面 150-200-300 老年读者阅读室 0.75m 水平面 200-300-500 6 1.2.3 书库的照度要求 图书馆书库的照度应设置为 150lx(低), 200lx(中),300lx(高)， 距地面 0.25m 处书架上的垂直照度应设置为 30lx(低),50lx(中), 75lx(高)为宜。见表 1.2 所示。 表 1.2 书库照度标准 房间名称 参考平面及其 高度 照度标准值 （lx） 书库 地面 150-200- 300 书库 0.25m 水平面 30-50-75 1.2.4 其他地方照度要求 图书馆休息室、陈列室、视听室及一些公共场所的照度标准见表 1.3 所示。 表 1.3 图书馆照度标准 标准照度值 （lx） 类型 参考平面及其高度 低 中 高 研究室，美工 室 0.75m 水平面 150 200 300 陈列室，阅览 室 0.75m 水平面 75 100 150 出纳厅 0.75m 水平面 75 100 150 休息室 0.75m 水平面 30 50 75 电梯间 0.75m 水平面 50 75 100 7 走廊 地面 15 20 30 楼梯间 地面 20 30 50 盥洗间 0.75m 水平面 30 50 75 1.3 图书馆照明设计的基本方法 图书馆的照明设计包括了灯具类型的选择、灯具安装高度的确定、 工作面的照明方式等内容，不同的参数选择直接影响到照明效果的优劣。 同时，需要根据既定的设计方案计算照度负荷，了解电能的消耗情况。 1.3.1 灯具的选择 常用的灯具有以下几种方式的分类: (1)按安装方式分类: 一般可分为嵌顶灯、吸顶灯、吊灯、壁灯、活动灯具、建筑照明等 六种。 (2)按光源类型分类: 可分为白炽灯(紧凑型荧光灯归为这一类)、荧光灯、高压气体放电 灯、低压卤钨灯等。 (3)按使用场所分类: 可分为民用灯、建筑灯、工矿灯、车用灯、船用灯、舞台灯等。 (4)按配光曲线的形状分类: 国际照明委员 cie，根据灯具向下和向上投射光通量的百分比，将 灯具分为以下五种类型: 直接照明型:灯具向下投射的光通量占总光通量的 90%-100%，上 射光通量为 0%-10%。 半直接照明型:灯具向下投射的光通量占总光通量的 60%-90%， 向上投射的光通量只有 10%-40%。 8 均匀漫射型:灯具向下投射的光通量与向上投射的光通量差不多 相等，各为 4060%之间。 半间接照明型:灯具向上投射的光通量占总光通量的 60%90%， 向下投射的光通量只有 10%-40%。 间接照明型:灯具向上投射的光通量占总通量的 90%-100%，而向 下投射的光通量极少仅为 0%-100%。 (5)按灯具的结构特点分类: 开启型:其光源与外界空间相通，如一般的配照灯、广照型灯和 深照型灯等。 闭合型:其光源被透明灯罩包含，但内外空气仍能流通，如圆球 灯、双罩型灯和吸顶灯等。 密闭型:其光源被透明灯罩密封，内外空气不能对流，防潮灯、 防水防尘灯等。 增安型:其光源被高强度透明灯罩密封，且灯具能承受足够的压 力，能安全地使用在有爆炸危险介质的场所。 隔爆型:其光源被高强度透明灯罩封闭，当气体在灯罩内部爆炸 时，高温气体经过隔爆间隙被充分冷却，从而不致引起外部爆炸性气体 爆炸。因此隔爆灯具也能安全地使用在有爆炸危险介质的场所。 对于图书馆的阅览室一般可选用开启型或闭合型的各种吊灯或吸顶 灯；门厅、走廊等处一般选用闭合型的各种吊灯或吸顶灯。 1.3.2 灯具安装位置的确定 一般，图书馆照明灯具的安装位置可以根据照明区域的不同需求确 定，通常阅览室的灯具可以采用以下三种布置方案: (1)均匀布置 9 灯具在整个房间内均匀分布，灯具的分布位置与需要照明的具体位 置无关，如图 1.1 所示。 图 1.1 灯具的均匀布置 (2)分区布置 这种灯具的布置与需要照明的具体位置有关。根据阅览区域和非阅 览区域的照明要求不同，力求使阅览区域内能获得最有利的光照，如图 1.2 所示。 图 1.2 灯具的分区布置 (3)混合照明的灯具布置 混合照明方式是利用两种不同的光源对照明区域进行加强(如图 1.3 所示)，不仅可以满足照明强度的需要，并且可以消除阴影。为了 使工作面上获得较均匀的照度，应使灯具距离与灯在工作面上的悬挂高 度之比(称为“距高比”)不要超过各类灯具所规定的最大距高比。 图 1.3 混光照明的灯具布置 10 1.3.3 灯具安装高度的确定 图书馆室内的灯具既不宜悬挂过高，也不宜悬挂过低。悬挂过高， 会使照度降低，不经济，维护检修也不方便；悬挂过低，容易被人碰撞， 不安全，而且可能产生眩光，影响视力。最高的悬挂高度与室空间比 (rcr)以及配光的种类有关，其标准应不高于表 1.4 所列数据。 11 表 1.4 灯具安装高度要求 室空间比 配光种类 选用灯具的最大允许距 离比 l/h 1-3 宽配光 1.5-2.5 3-6 中配光 0.8-1.5 6-10 窄配光 0.5-1.0 室空间比 rcr=5h(l+h)/(l.w),其中，l 表示房间长度，w 为宽度。 1.4 图书馆智能照明控制系统设计 1.4.1 图书馆照明设计任务 根据以上的图书馆照明设计基本方法，以图书馆自习室的照明为 设计基础，提出如下设计任务：图书馆自习室是对照度要求较高的场所， 需要营造舒适安静的气氛。根据自习室的照度标准:要求距离水平面 0.75m 处的工作面其照度达到 150-200-300lx 的标准，对照明设计的要 求如下: (1)要求工作面的照度不低于 300lx； (2)调研图书馆灯光照明需求以及环境光强弱与开、关灯的关系； (3)研究人体存在探测技术，探测角度与范围； (4)研究传感器在图书馆分布、安放问题，是否一灯一个传感器或 多灯公用传感器等； (5)研究确定热释电传感器的有关参数； (6)研究灯光控制器电源问题； (7)研究控制器参数值设定的要求及方案； (8)研究与现有教室照明相兼容，易替代，不易被偷盗、被仿制， 易于维护、维修等控制技术； 12 本课题拟通过试验研究图书馆照明的各种控制方案解决如下关键问 题： (1)照明回路的控制与控制器本身的节能问题； (2)传感器与图书馆灯配合安装的问题； (3)环境光参数输入采集问题； (4)热释电传感器参数输入采集问题； (5)开、关灯的自动与手动兼容措施； 所设计的控制系统以自然光强度和人体存在作为控制器的主要输入 参数。可以实现自动与手动控制相兼容。在自然环境光较强光线足够时， 无论人是否存在，都不开灯；在自然环境光较弱时，有人存在且超过一 定时间，控制器自动打开照明设备，直到人离开后再延时一定时间后关 灯。同时，还要按作息时间来控制，夜晚超过 21 点，若还有人存在， 则关闭自动控制器的运行，改用机械开关来手动控制，以解决因特殊情 况下，自动控制器的人性化运行。 1.5 系统控制模块的硬件设计方案论证 1.5.1 图书馆照明设计方案-传统照明控制方式 传统照明为达到照明效果，照明为分级控制，房间内灯具一般是用 跷板开关放于门口控制，对于面积较大的房间灯具较多时，采用双联、 三联，四联开关或多个开关，也有采用照明配电箱放于门口，直接用配 电箱内的断路器控制的，其原理接线图见图 1.4。 图 1.4 面板开关控制原理图 13 at89s51 时钟振荡电 路 复位电路 电源电路 环境光照度 检测电路 人体存在检 测电路 手动开关电 路 继电器驱动 电路 对于上述面板开关控制，面板开关所控灯具数量有限，大开间房间 灯具较多，由于控制点集中，带来的必然是控制不灵活，平面布线复杂， 故障率高。如果采用照明配电箱放于房间门口，直接用配电箱内的断路 器控制灯具回路，存在以下两个问题：(1)影响室内美观，照明配电箱 体积较大时，还会影响图书馆房间的使用功能，如书架的排列等；(2) 有些区域会违反国家规范要求，如图书馆建筑设计规范 (jgj38 99)要求，书库配电箱应放在书库外，对于书库来说，就不允许把照明 配电箱放于房间口，直接用配电箱内的断路器控制灯具回路。 1.5.2 图书馆照明设计方案-智能照明控制方式 传统照明控制方式主要以手动控制为主，依靠供电回路中的手动开 关来控制回路的通断，实现灯具的开关控制。这种传统方式相对简单、 有效、直观，但它过多依赖手工操作。整个系统相对分散，无法实现有 效地管理，其适时性和自动化程度太低。而针对现代学校图书馆的照明， 对照明的要求不再是简单意义上的“能看见” 。所以，随着网络技术的 发展，提出了智能的概念。 本系统所设计的智能照明控制系统是以单片机主控模块为核心，其 它外围电路主要包括：系统供电模块、硬件时钟模块、复位模块、环境 光检测模块、人体存在检测模块，其结构框图如图 1.5 所示。 14 图 1.5 系统结构框图 (1)光照检测方式的选择 采用光敏二极管作为光传感器件，光敏二极管除了具有光敏电阻能 将光信号转换成电信号的功能外，还有的优点是线性好，响应速度快， 对宽范围波长的光具有较高的灵敏度，噪声低，小型轻量以及耐振动与 冲击等；缺点是输出电流小。 (2)人体检测方式的选择 采用热释电红外传感器及其处理电路进行检测。集成电路 biss0001 是一款具有较高性能的传感器信号处理集成电路。它能自动 控制快速开启各类自动门、蜂鸣器、白炽灯和电风扇等装置，特别适用 于自动灯光、照明以及报警系统。采集电路主要由光照检测电路、热释 电红外传感器及处理电路构成，可分别实现对光照强弱和室内有无人的 信息的采集。 (3)继电器驱动控制电路 结合实际情况即设计的局限性，本设计用 led 灯代表照明灯。因此 控制电路由 led 灯、电磁继电器构成。输出的控制信号可以控制 led 灯 的亮灭，电磁继电器的通电与断电，从而完成本设计的目的。 15 第二章 图书馆照明控制系统模块分析 2.1 at89s51 单片机的结构 at89s51 是一个低电压,高性能 cmos8 位单片机,片内含 4kb 的可反 复擦写的 flash 只读程序存储器和 128 bytes 的随机存取数据存储器 (ram),器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标 准 mcs-51 指令系统,片内置通用 8 位中央处理器和 flash 存储单元,功 能强大的 at89s51 单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。 图 2.1 at89s51 单片机外部结构图 at89s51 有 40 个引脚,32 个外部双向输入/输出(i/o)端口,同时内 含 2 个外中断口,3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口, 2 个读写口线,at89s51 可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。 其将通用的微处理器和 flash 存储器结合在一起,特别是可反复擦写的 flash 存储器可有效地降低开发成本。 2.1.1 at89s51 主要引脚功能 (1)p0 口 p0 口是一组 8 位漏极开路型双向 i/o 口, 也即地址/数据总线复用 口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动 8 个 ttl 逻辑门电 16 路,对端口 p0 写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储 器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低 8 位)和数据总线复用,在 访问期间激活内部上拉电阻。在 flash 编程时,p0 口接收指令字节,而 在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。 (2)p1 口 p1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口,p1 的输出缓冲级可 驱动(吸收或输出电流)4 个 ttl 逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部 的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为 内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 (3)p2 口 p2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位准双向 i/o 口，p2 的输出缓冲 级可驱动(吸收或输出电流)4 个 ttl 逻辑门电路。在访问外部程序存储 器或 16 位地址的外部数据存储器时，p2 口送出高 8 位地址数据。在访 问 8 位地址的外部数据存储器时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。flash 编程或校验时，p2 亦接收高位地址和一些控制信号。 (4)p3 口 p3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p3 口输出缓冲 级可驱动(吸收或输出电流)4 个 ttl 逻辑门电路。对 p3 口写入“1”时， 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 p3 口将用上拉电阻输出电流。 p3 口除了作为一般的 i/o 口线外，更重要的用途是它的第二功能， 参见表 2.1。 表 2.1 p3 口第二功能 端口引脚 第二功能 17 p3.0 rxd (串行输入 口) p3.1 txd (串行输出 口) p3.2 (外中断 0)int0 p3.3 (外中断 1)int1 p3.4 t0(定时/计数器 0) p3.5 t1(定时/计数器 1) p3.6 (外部数据存储器写wr 选通) p3.7 (外部数据存储器读选rd 通) (5)rst 当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片 机复位。 (6)ea/vpp 外部访问允许。欲使 cpu 仅访问外部程序存储器(地址为 0000h ffffh),ea 端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位 lb1 被 编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。如 ea 端为高电平(接 vcc 端)， cpu 则执行内部程序存储器中的指令。flash 存储器编程时，该引脚加 上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电 压 vpp。 (7)xtal1 片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。用片内振荡器时， 该脚接外部石英晶体和微调电容。外接时钟源时，该引脚接外部时钟振 荡器的信号。 18 (8)xtal2 片内振荡器反相放大器的输出端。当使用片内振荡器时，该引脚连 接外部石英晶体和微调电容。当使用外部时钟源时，本引脚悬空。 2.2 时钟晶体振荡电路 如图 2.2 所示该时钟晶体振荡电路由一片 12mhz 石英晶体和两片 30pf 电容组成，连接于 at89s51 的 xtal1 和 xtal2 上，产生时钟信号。 晶体的频率越高，系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就赶快。 但是，运行速度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求 也就越高，即要求线间的寄生电容要小。晶体和电容应尽可能安装得与 单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工 作。为提高温度稳定性，应采用稳定性能好的电容。因该设计不需要过 高频率的石英晶体，本系统选择了 12mhz 的石英晶体。 图 2.2 时钟晶体振荡电路原理图 2.3 复位电路 图 2.3 复位电路原理图 如图 2.3 所示复位电路由一个电阻、一片电解电容和一个轻触开关 组成，该电路具有上电复位和手动复位两种复位方式，当上电时，电容 19 充电，rst 端出现高电压，单片机复位。充电完毕后，流经 rst 电流为 0，电压为 0，单片机进入工作状态；当按下开关时，电容放电，松手 后，电容充电，r3 有电压，单片机复位，单片机进入工作状态。 2.4 单片机最小系统 时钟晶体振荡电路和复位电路组成单片机的最小系统。单片机最小 系统或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作 的系统。单片机最小系统电路图如图 2.4 所示。 图 2.4 单片机最小系统 一片 at89s51/52 或其他 51 系列兼容单片机，特别注意:对于 31 脚 （ea/vpp） ，当接高电平时，单片机在复位后从内部 rom 的 0000h 开始 执行，当接低电平时，复位后直接从外部 rom 的 0000h 开始执行。 2.5 电源电路 20 图 2.5 电源电路原理图 电源电路如图 2.5 所示，220v 交流电经变压器 t1 降压后，得到 9v 交流电，经过 d1d4 组成的桥式整流电路整流、电解电容 c4 滤波、 7805 稳压及电解电容 c6 的再次滤波后，得到 5v 直流电压。本稳压电 源可作为 ttl 电路或单片机电路的电源。 21 第三章 数据采集及控制输出模块各部件分析 3.1 热释红外传感器 热释电人体红外线传感器是上世纪 80 年代末期出现的一种新型传 感器件，现在已得到越来越广泛的应用，从原理上分析，它主要有主动 式和被动式两类。 热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传 感器。热释电红外传感器由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分 组成。 图 3.1 为它们的顶视图，其中较大的矩形部分为滤光窗，图 3.2 为 底视图，图 3.3 为侧视图,p1、p2 为两个敏感单元，面积约 21mm2， 间距 1mm。 3.1.1 敏感单元 当传感器没有检测到人体辐射出的红外线信号时，由于 p1、p2 自 身产生极化，在电容的两端产生极性相反、电量相等的正、负电荷，而 这两个电容的极性是相反串联的，所以，正、负电荷相互抵消，回路中 无电流，传感器无输出。 当人体静止在传感器的检测区域内时，照射到 p1、p2 上的红外线 光能能量相等，且达到平衡，极性相反、能量相等的光电流在回路中相 互抵消，传感器仍然没有信号输出。同理，在灯光或阳光下，因阳光移 图 3.1 传感器顶 图 3.2 传感器底 图 3.3 传感器侧 22 动的速度非常缓慢，p1、p2 上的红外线光能能量仍然可以看作是相等 的，且在回路中相互抵消；再加上传感器的响应频率很低（一般为 0.1-10hz） ，即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为 5- 15um） ，因此，传感器对它们不敏感。 从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电人体红外线传感 器对红外线的敏感程度主要表现在传感器敏感单元的温度所发生的变化， 而温度的变化导致电信号的产生。环境与自身的温度变化由其内部结构 决定了它不向外输出信号；而传感器的低频响应（一般为 0.1-10hz） 和对特定波长红外线（一般为 5-15um）的响应决定了传感器只对外界 的红外线的辐射而引起传感器的温度的变化而敏感，而这种变化对人体 而言就是移动。所以，传感器对人体的移动或运动敏感，对静止或移动 很缓慢的人体不敏感；它可以抗可见光和大部分红外线的干扰。 图 3.4 双元红外传感器示意图 传感器在安装过程中还需要注意安装方向，由于透镜的光学特性决 定横切探测区域比较敏感，所以传感器安装时要注意入侵方向与探测器 视场的夹角，最好成 90垂直，这样就可以保证有人出现时能最大程 度横切探测区域。 23 图 3.5 re200b 实物图及引脚区分 3.1.2 热释红外传感器的优缺点 热释红外传感器有优点，也有缺点。优点便是本身不发任何类型的 辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。而缺点是容易受各种热源、 光源干扰；由于红外穿透力差，因此人体的红外辐射容易被遮挡，不易 被探头接收；易受射频辐射的干扰；环境温度和人体温度接近时，探测 和灵敏度明显下降，有时还会造成短时失灵。试验检测也证明了这点， 只要人体存在却又巧秒左右没有活动，传感器则认为没有人体存在。为 避免这种现象的出现，本系统软件程序中设计为有人体存在状态后间隔 10 秒或更长的时间来对人体存在参数信号的采集。 3.1.3 菲涅尔透镜 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射 （反射）在 pir 上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区， 使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在 pir 上产生变化热释 红外信号。 当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离 a 区或中距离 b 区或近距离 c 区的某个段的同心环上，同心环与红外线探 头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信 号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被 动式红外活动目标探测器。 24 镜片与探头的配合应用我们常用的是双源式探头，揭开滤光玻璃 片，其内部有两点对 7-14um 的红外波长特别敏感的 to5 材料连接着 场效应管。 由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于 1mv)，不能 直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专 门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单 片机处理的数字信号。根据以上要求,人体热释电检测电路组成框图如 图 3.6 所示。 图 3.6 热释电检测电路组成框图 3.2 热释电红外处理芯片 biss0001 简介 biss0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以 热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它 能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干 机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的 过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。 热释电传感器检测对象 菲涅尔透镜 信号处理电路 25 它的特点：cmos 工艺，数模混合，具有独立的高输入阻抗运算放大器， 内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定 时器，采用 16 脚 dip 封装。 图 3.7 biss0001 引脚图 3.2.1 biss0001 引脚说明 (1)a：可重复触发和不可重复触发选择端。当 a 为 1 时，允许重复 触发；反之不可重复触发。 (2)vo：控制信号输出端。由 vs 的上跳变沿触发，使 vo 输出从低 电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间 tx 之外和无 vs 的 上跳变时，vo 保持低电平状态。 (3)rr1、rc1：输出延迟时间 tx 的调节端，tx49152r1c1。 (4)rr2、rc2：触发封锁时间 ti 的调节端，ti24r2c2。 (5)vss：工作电源负端。 (6)vrf：参考电压及复位输入端。通常接 vdd，当接“0”时可使 定时器复位。 (7)vc：触发禁止端。当 vcvr 时允许触发 (vr0.2vdd)。 (8)ib：运算放大器偏置电流设置端。 (9)vdd：工作电源正端。 (10)2out：第二级运算放大器的输出端。 26 (11)2in：第二级运算放大器的反相输入端。 (12)1in+：第一级运算放大器的同相输入端。 (13)1in-：第一级运算放大器的反相输入端。 (14)1out：第一级运算放大器的输出端。 3.3 热释红外人体检测电路 3.3.1 信号处理电路 本设计采用 biss0001 来完成对热释电传感器输出信号的处理。 biss0001 是一款具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路,它主 要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁 时间定时器等构成。由 biss0001 构成的信号处理电路如图 3.8 所示。 图 3.8 中热释电传感器 s 极输出信号送入 biss0001 的 14 脚,经内部第 一级运算放大器放大后，由 c10 耦合从 12 脚输入至内部第二级运算放 大器放大,再经电压比较器构成的鉴幅器处理后,检出有效触发信号去启 动延迟时间定时器,最后从 12 脚输出信号(vo)送入比较器进行比较判断。 实验所得,当传感器检测室内有人时,vo 为 4 v；无人时 vo 为 0.4 v。 biss0001 的 1 脚接高电平,使芯片处于可重复触发工作方式。输出 vo (高电平 ) 的延迟时间 tx 由外部 r14 和 c14 的大小调整；触发封锁 时间 ti 由外部 r15 和 c15 的大小调整。 27 图3.8 热释红外传感器信号处理电路 3.3.2 比较电路 比 较 电 路 如 图 3.9 所 示 ， 由 两 个 运 算 放 大 器 组 成 ， 输 入 信 号 来 自 于 热 释 红 外 人 体 检 测 信 号 处 理 电 路 输 出 。 比 较 电 路 中 的 基 准 电 压 分 别 由 两 个 独 立 的 分 压 电 路 得 到 ， 供 电 路 比 较 所 用 。 即 运 算 放 大 器 b1 的 2 脚 和 b2 的 5 脚 电 压 分 别 为 2.0v 和 0.45v。 图 3.9 人 体 信 号 比 较 电 路 通 过 比 较 电 路 将 相 应 的 电 压 比 较 结 果 以 数 字 信 号 输 出 。 当 被 动 红 外 探 头 在 有 效 范 围 内 感 应 到 人 体 信 号 后 ， 运 算 放 大 器 的 “6 脚 ”或 “1 脚 ”的 电 压 降 为 3.0v； 当 被 动 红 外 探 头 在 有 效 范 围 内 没 有 感 应 到 28 人 体 红 外 信 号 时 ， “6 脚 ”或 “1 脚 ”的 电 压 降 为 1.0v。 探 头 故 障 断 路 时 ， 则 “6 脚 ”或 “1 脚 ”的 电 压 降 为 0v。 (1)探头工作正常 “2 脚 ”的 电 压 恒 定 为 2.0v， “1 脚 ”的 电 压 有 1v 或 是 3.0v 两 种 状 态 。 “5 脚 ”的 电 压 恒 定 为 0.45v， “6 脚 ”的 电 压 与 “1 脚 ”的 电 压 保 持 一 致 。 探 头 将 会 根 据 有 无 人 体 信 号 在 “1 脚 ”产 生 1.0v 或 3.0v 两 种 电 压 信 号 。 (2)探头工作不正常（由于故障或没有安装探头） “2 脚 ”的 电 压 恒 定 为 2.0v， “1 脚 ”的 电 压 为 0v。 “5 脚 ”的 电 压 恒 定 为 0.45v， “6 脚 ”的 电 压 为 0v。 探 头 将 只 会 产 生 一 种 电 压 信 号 0v。 具 体 的 比 较 结 果 如 下 表 3.1 所 示 。 表 3.1 探头采集信号输出状态表 探头工作状态 “2 脚” 电压 “1 脚”或 “6 脚”电 压 “5 脚” 电压 p3.0 p3.1 无人状 态 2.0v 1.0v 0.45v 1 1正常 工作 有人状 态 2.0v 3.0v 0.45v 0 1 断路或故障 2.0v 0v 0.45v 1 0 通 过 比 较 电 路 ， 解 决 了 不 同 工 作 状 态 时 被 动 红 外 传 感 器 对 外 界 人 29 体 红 外 信 号 的 采 集 ,很 大 程 度 上 减 少 了 单 片 机 误 判 的 比 例 ， 同 时 实 现 了 a/d 转 换 功 能 。 3.4 环境光照度检测电路 环 境 光 照 度 检 测 电 路 如 图 3.10 所 示 ， 图 中 主 要 由 光 信 号 采 集 电 路 和 a/d 模 数 转 换 电 路 组 成 ， 其 中 模 数 转 换 是 电 路 的 核 心 。 信 号 经 过 采 集 送 入 a/d 转 换 电 路 ， 通 过 单 片 机 处 理 后 ， 最 终 作 为 系 统 应 用 程 序 进 行 开 关 灯 判 断 的 依 据 。 图 3.10 环境光照度检测电路原理图 当自然光强度大于 300lx 时，光敏二极管呈现低阻状态1 千欧， 三极管 q3 的基极电压升高，q3 管饱和导通，集电极输出低电平。当自 然光小于 300lx 左右时，光敏二极管 ds1 呈现高阻状态,约为 100 千欧， 使三极管 q3 截止，集电极输出高电平。其中可变电阻 r19 可调节，调 r19 阻值的大小，使 q3 三极管受环境光影响在适当的亮度下导通。 光电二极管是将光信号转换成电信号的半导体器件。它的核心部分 也是一个 pn 结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接 受入射光照，pn 结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且 pn 30 结的结深很浅，一般小于 1 微米。 光电二极管（也称光敏二极管）是在反向电压作用之下工作的。没 有光照时，反向电流很小（一般小于 0.1ua） ，称为暗电流。当有光照 时，携带能量的光子进入 pn 结后，把能量传给共价键上的束缚电子， 使部分电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对，称为光生载流子。它们 在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大， 反向电流也越大。这种特性称为“光电导” 。光电二极管在一般照度的 光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载 上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化，其外形 电路图形符号如图 3.11 所示。 图 3.11 光敏二极管 3.4.1tlc549 的接口设计 tlc549 是美国德州仪器公司生产的 8 位串行 a/d 转换器芯片，可 与通用微处理器、控制器通过 clk、cs、data out 三条口线进行串行接 口。具有 4mhz 片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长 17s， tlc549 为 40 000 次/s。总失调误差最大为0.5lsb，典型功 耗值为 6mw。采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准 转换范围，vref-接地，vref+vref-1v，可用于较小信号的采样。 tlc549 有片内系统时钟，该时钟与 i/o clock 是独立工作的，无 须特殊的速度或相位匹配。tlc549 可