基于单片机的智能照明系统单片机应用毕业论文.doc

毕 业 论 文基于单片机的智能照明系统作 者 姓 名 ：何保林 专 业、班 级：电子工程201201 学 号：020112200192 完 成 日 期 ：2013年6月15日 郑州大学物理工程学院郑州大学物理工程学院毕业论文摘 要随着电子技术的飞速发展，基于单片机的控制系统已广泛应用于工业、农业、电力、电子、智能楼宇等行业，微型计算机作为嵌入式控制系统的主体与核心，代替了传统的控制系统的常规电子线路。同时楼宇智能化的发展与成熟，也为基于单片机的照明控制系统的普及与应用奠定了坚实的基础。本文阐述了照明的有线、无线控制方式设计原理与实现方法。以设计过程为主线，分别从硬件和软件两个方面描述设计过程，即从硬件电路的设计方法到实现所要求功能的软件技术。该照明控制系统的主控制器、分控制器分别是以at89c51与at89c2051单片机为基础，实现了有线通信、无线数传、控制与显示等功能。文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：键盘与led显示电路、rs485通信电路、无线数传电路、照明灯控制电路以及看门狗电路等。对于软件设计主要有主控制器、分控制器的有线通信程序设计与无线数字传输程序设计以及灯光控制、定时控制、键盘扫描与led显示等程序设计。有线通信程序的功能是：通过rs485主从通信方式，由主控制器发出命令对全部或单个分控制器所控制的照明灯实现开启、关闭、灯光亮度调节、定时控制等功能。无线数传程序设计的功能是：通过无线数传模块实现照明灯的无线遥控，同样实现有线方式控制的功能。关键词：主控制器，分控制器，单片机，有线通信，无线数传，灯光亮度控制，定时控制the control system for lighting based onsinglechip microcomputerabstracwith the rapid development of electronic technology, the system of control based on single-chip microcomputer is widely applied in industry, agriculture, electric power, electron, intelligent building and so on. microcomputer, as the subject and core of the embedded system of control, replaces the traditional systemelectronic circuit. at the same time, the development and maturation of the intelligent building have established the substantial foundation for the popularization and application of the control system for lighting based on single-chip microcomputer.the paper expatiates on the designing theories and implementation method of the control system for lighting by wired or wireless communications. taking the designing process as mainline, it describes the process of designing from two respectshardware and software. in another word, the paper describes the process from the method of circuit designing to the software technology of realizing the demanded functions. the host controller of the control system for lighting is based on at89c51 single-chip microcomputer, and the auxiliary ones are based on at89c2051. the system can do many jobs, such as wired communication, wireless data transmitting, controlling and display. the paper describes the designing process of the circuit at length, including: keyboard and led display circuit, rs485 communication circuit, wireless transmitting circuit, control circuit of lighting, watchdog circuit, etc. the designing of software mainly includes the several programming, such as wired communication, wireless data transmitting, lamplight controlling, timed controlling, keyboard scanning and led displaying. the wired communication programming function is that through master-slave communication method based on rs485 the host controller sends orders to the all auxiliary controllers or each one, including: turning on lighting, turning off lighting, regulating brightness of lighting, controlling timed lighting, etc. the wireless data transmitting programming function is that by wireless transmitter it realizes wireless controlling of the lighting, and achieves the functions identical to wired communication. key words: host controller, auxiliary controller, single-chip microcomputer, wired communication, wireless data transmitting, controlling brightness of lighting, timed controllingiii目 录摘 要1目 录1引言11系统概述31.1单片机的应用技术31.2有线通信技术31.3无线数传技术41.4 智能照明控制系统的发展与现状41.4.1智能控制技术的研究现状41.4.2国内外智能照明发展概况41.4.3智能照明控制系统的优点51.4.4智能照明控制系统的组成51.4.5现有智能照明控制系统的分析51.5系统设计61.5.1系统设计要点61.5.2系统设计思路61.6本章小结92基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能102.1 系统设计要点102.2 系统的结构102.3本章小结133基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计143.1系统硬件总述143.2cpu性能介绍143.3主控制器的电路设计143.3.1 键盘的接口设计153.3.2 led数码显示的接口设计163.3.3 看门狗监控电路的设计163.4光信号取样电路163.4.1 microwire串行总线性能介绍173.4.2 tlc1549的接口设计183.4.3 tcl1549的数据采集程序设计183.5人体信号采集电路193.5.1人体红外探头193.5.2信号处理电路223.5.3比较电路233.6 ds12887时钟芯片接口电路设计243.6.1时钟芯片的接口设计253.7 rs485通信电路的设计263.8无线数传电路的设计283.8.1无线数传电路的连接283.9本章小结304基于单片机的照明控制系统的软件设计314.1人机交互程序设计314.2键盘扫描程序设计324.3 led数码显示程序设计334.4照明启停控制程序设计344.5单独启停控制程序设计364.6照明亮度控制程序设计384.7照明定时控制程序设计414.8主机部分通信程序设计454.9本章小结475干扰分析485.1干扰产生的后果485.2单片机应用系统的硬件抗干扰设计485.3软件抗干扰技术505.3.1数据采集误差的软件对策505.3.2程序运行失控的软件对策50总结51致 谢52参考文献53附 录54ii引言随着国民经济的快速发展和社会进步，教育在全社会愈加被关注和重视，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1415，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。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。近十几年来，随着我国城市建设的快速发展，楼宇照明也相应飞速发展。在楼宇的照明数量与质量两个方面均有显著的变化与提高，特别是随着人民生活水平进入小康水平，楼宇照明水平提高很快，追求人工照明光环境的舒适性、个性化、安全、节能等方面日见突出。楼宇中人工光环境对于满足人们的生活、学习、娱乐以及工作方面有着重要的意义。照明控制系统传统是以照明配电箱通过手动开关来控制照明灯具的通断，或通过回路中串入接触器，实现远距离控制。而今出现的楼宇自控系统，是以电气触点来实现区域控制、定时通断、中央监控等功能。由于照明控制系统在楼宇自控系统中并非独立，同时控制功能简单，因此使用上有一定的局限性。故当楼宇自控系统出现故障时，照明系统亦受到影响。随着微电子技术与数字化技术的发展，开发出了智能化水平更高的专业照明控制的独立系统，从而能节约能源、延长灯具寿命、提高照明质量。本系统是以单片机为控制器的核心，其中上位机是以at89c51为基础，下位机是以at89c2051为基础，再连接外围电路，通过现场总线rs485通信方式实现照明灯具的智能控制，也可以通过无线数传模块实现无线通信，从而达到照明灯具的智能控制。1系统概述1.1单片机的应用技术电子技术和微型计算机的迅速发展，促进微型计算机测量和控制技术的迅速发展和广泛应用，单片机（单片微型计算机）的应用已经渗透到国民经济的各个部门和领域，它起到了越来越重要的作用。单片微型计算机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。因此一块芯片就构成了一台计算机。它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。单片机由硬件系统与软件系统组成。硬件系统是指构成微机系统的实体与装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。其中运算器和控制器一般做在一个集成芯片上，统称中央处理单元（central processing unit），简称cpu，是微机的核心部件。cpu配上存放程序和数据的存储器、输入/输出（input/output，简称i/o）接口电路以及外部设备即构成单片机的硬件系统。软件系统是微机系统所使用的各种程序的总称，人们通过它对微机进行控制并与微机系统进行信息交换，使微机按照人的意图完成预定的任务。软件系统与硬件系统共同构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可。1.2有线通信技术在数据通信、计算机网络以及工业上的分布式控制系统中，经常需要采用串行通信来达到远程信息交换的目的。目前，有多种接口标准可用于串行通信，最常用的接口有rs-232、rs-422、rs-485。rs232是最早的串行接口标准，在短距离、较低波特率串行通信中得到了广泛应用。其后发展起来的rs-422、rs-485是平衡传送的电气标准，比起rs-232非平衡的传送方式在电气指标上有了大幅度的提高。但总的来说，rs-232、rs-422与rs-485最初都是由电子工业协会（eia）制订并发布的， eia于1983年在rs-422基础上制定了rs-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为tia/eia-485-a标准。rs-232、rs-422与rs-485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。正因为rs-485的远距离、多节点（32个）、可以自行定义协议以及传输线成本低的特性，使得eia rs-485成为工业应用中数据传输的首选标准。1.3无线数传技术有线传输的方式虽然使用非常广泛且可靠性较高，但由于各方面的局限性，已经在众多方面被无线传输方式所取代。无线数字传输技术日益完善，其重要性也被人们所认识，相应的基于无线数字传输的产品也随处可见。无线数字传输系统安装简便、使用效率高，可应用于各个领域，例如，无线数据传输、无线数据采集、无线抄表、工业遥控、楼宇自动化、高档玩具等等。无线数传技术是通过单片机的串口与无线数传模块连接，将要发送的数据由无线数传模块向空中发出，然后由另一个终端设备的无线数传模块从空中接收数据，这样就实现了预期的任务。1.4 智能照明控制系统的发展与现状1.4.1智能控制技术的研究现状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。1.4.2国内外智能照明发展概况“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。1.4.3智能照明控制系统的优点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。1.4.4智能照明控制系统的组成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。1.4.5现有智能照明控制系统的分析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。1.5系统设计1.5.1系统设计要点系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能。1.5.2系统设计思路 系统的结构主要由三部分组成：（1）上位机系统；（2）下位机系统；（3）通信系统。1通信系统该多机通信系统采用rs-485半双工主从式通信系统，主机可以发送数据或命令到从机，从机主要负责对分布的照明灯具进行控制，用中断的方式接收主机发来的命令或数据并做出回应。如图1-1所示图1-1 有线通信系统结构框图2上位机系统系统的主控制器通过rs-485总线将数据或命令发送给分控制器，同时将信息送给数码显示单元进行显示，并有看门狗电路对运行程序进行有效监视。主控制器硬件电路结构如图1-2所示。图1-2 主控制器硬件电路结构框图3下位机系统分控制器硬件电路结构如图1-3所示。图1-3 分控制器硬件电路结构框图室内灯光控制系统可以做到光线暗时开灯，雨天阴天时开灯，无人时关灯，光线亮时关灯，晴天时关灯，休息时间关灯。在确保室内正常照明同时，可有效防止无人灯（无人时开灯）无效灯（光线亮时开灯）、无限灯（休息时间开灯），从而达到节电目的。根据上述要求，可以画出控制系统逻辑功能表，如表1-1所示。关系如果假设：室内光线强度为a：光线强时a=1，光线弱时a=0；人体信号为b：有人时b=1，无人时b=0；作息时间为c：上课时c=1，休息时c=0；电灯开关状态为d：合时d=1，断开时d=0。则表1-1可以转化为表1-2。由真值表可得出系统逻辑函数表达式为：d=abc信号室内光信号人体信号时钟信号电灯的开关状态参数自然光照度人体作息时间逻辑状态强无休息断强无上课断强有休息断强有上课断弱无休息断弱无上课断弱有休息断弱有上课合表1-1 系统逻辑表1-2 系统逻辑真值表信号室内光信号人体信号时钟信号电灯的开光状况参数自然光信号人体作息时间符号abcd逻辑状态100010101100111000000010010001111.6本章小结本章介绍了照明控制系统在智能楼宇中的应用、发展以及所使用的主要专业技术。它从传统的方式逐步发展到能够实现智能化控制，使用户使用起来更加方便、舒适。本文所研究的照明控制系统主要使用了单片机应用技术、有线通信技术和无线数传技术。在这里主要对这三种技术的组成、功能、发展以及使用领域等方面进行了简要的阐述。2基于单片机的照明控制系统的设计框架与性能2.1 系统设计要点系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。在系统设计中设计方法的选用是系统设计能否成功的关键。硬件电路是采用结构化系统设计方法，该方法保证设计电路的标准化、模块化。硬件电路的设计最重要的选择用于控制的单片机，并确定与之配套的外围芯片，使所设计的系统既经济又高性能。硬件电路设计还包括输入输出接口设计，画出详细电路图，标出芯片的型号、器件参数值，根据电路图在仿真机上进行调试，发现设计不当及时修改，最终达到设计目的。软件设计的方法与开发环境的选取有着直接的关系，本系统由于是采用51系列单片机，因此使用keil c语言进行开发。此编程工具相比汇编语言具有结构化、适用范围大、可移植性好等特点。本系统软件设计采用模块化系统设计方法，先编写各个功能模块子程序，然后进行组合与调整，经过调试后，达到设计功能要求。2.2 系统的结构系统的结构主要由三部分组成：（1）上位机系统；（2）下位机系统；（3）通信系统。这三部分共同完成了主控制器通过有线、无线通信方式与分控制器进行信息交换，达到控制照明灯具的目的。有线通信系统的结构框图如图2-1所示。该多机通信系统采用rs-485半双工主从式通信系统，主机可以发送数据或命令到从机，从机主要负责对分布的照明灯具进行控制，用中断的方式接收主机发来的命令或数据并做出回应。 图2-1有线通信系统结构框图无线数据传输系统也是由主控制器和分控制器两部分组成，系统结构框图如图2-2所示。主控制器是发送遥控指令、发送数据信息、接收应答信息等，分控制器接收数据与遥控指令，完成对照明灯具的控制。图2-2无线数传系统结构框图系统的主控制器通过rs-485总线或无线数传模块将数据或命令发送给分控制器，同时将信息送给数码显示单元进行显示，并有看门狗电路对运行程序进行有效监视。主控制器硬件电路结构如图2-3所示。分控制器接收主控制器的发来的数据和命令，通过可控硅电路对照明灯具进行开关、亮度控制，并且利用实时时钟芯片对照明灯具进行定时开关控制。分控制器硬件电路结构如图2-4所示。 图2-3主控制器硬件电路结构框图图2-4分控制器硬件电路结构框图系统在单片机的控制之下完成数据的通信、显示，同时能够控制照明灯具，其硬件电路只是系统的实施工具，大量的工作是由软件来完成的。这些程序是系统的灵魂，是负责完成硬件电路实现功能和与用户交互的桥梁，是维护系统正常工作的工具。3 系统性能指标及技术要求（1） 照明启停控制系统 全开 全关 单独开 单独关（2） 照明亮度控制系统 全部亮度调节 单独亮度调节（3） 定时控制系统 对全部照明灯进行定时控制 对每个照明灯进行定时控制2.3本章小结本章主要从系统设计要点、系统的结构、系统性能指标及技术要求三方面对所研究的照明控制系统的设计框架和性能进行了阐述，该系统由一个主控制器与若干个分控制器组成，系统的设计首先要从硬件方面着手，在绘制出正确的电路图后，再按功能要求编制出相应的软件程序，最终要达到所要求的性能指标。3基于单片机的照明控制系统的硬件电路设计3.1系统硬件总述系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有六个主要部分：at89c51芯片、光信号采集电路、人体信号采集电路、时钟控制电路ds12887、输出控制电路、定时监视器电路，如图3-1所示。图3-1 系统硬件总述图3.2cpu性能介绍本系统采用了atmel公司mcs-51系列单片机中的at89c51芯片，它是低压高性能cmos 8位微处理器，带有4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，15个io口线，两个16位定时计数器，个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。3.3主控制器的电路设计主控制器采用at89c51单片机作为微处理器，at89c51是美国atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes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（cpu）和flash 存储单元。主控制器系统的外围接口电路由键盘、数码显示及驱动电路、晶振、看门狗电路、通信接口电路等几部分组成。主控制器系统的硬件电路原理图如图3-2所示。图3-2主控制器系统的硬件电路原理图3.3.1 键盘的接口设计键盘的结构形式有两种，即独立式按键和矩阵式键盘。本系统使用的是44矩阵式键盘，第一行从左到右为1、2、3、4，第二行为5、6、7、8，第三行为9、0、开、关，第四行为增值、减值、定时、确认。该形式的键盘，每个按键开关位于行列的交叉处，采用逐行扫描的方法识别键码。矩阵键盘的列线从左到右分别与单片机的p1.0、p1.1、p1.2、p1.3相连，矩阵键盘的行线从上到下分别与p1.4、p1.5、p1.6、p1.7相连。每当按下一个键时，对应的行线与列线就会连通，这样单片机就能检测出信号，并通过键盘扫描程序对键盘进行扫描，以识别被按键的行、列位置。3.3.2 led数码显示的接口设计数码显示与驱动电路由74ls138译码器、7447 ttl bcd-7段高有效译码器/驱动器、4个数码管以及5个a1015三极管组成。由单片机的p0.0p0.3口输出的四位bcd码，经7447芯片后，翻译成7段数码管a、b、c、d、e、f、g相应的段，并输出点亮数码管相应的段。单片机的p0.4、p0.5口输出的信号经74ls138译码器后产生的高电平信号加在a1015三极管的基极，控制三极管的导通，从而起到对相应数码管的选通作用。4个7段数码管都被接成共阳极方式。3.3.3 看门狗监控电路的设计本系统采用maxim公司的低成本微处理器监控芯片max813l构成硬件狗，与at89c51的接口电路如图3.1所示。mr与wdo经过一个二极管连接起来，wdi接单片机的p2.7口，reset接单片机的复位输入脚reset，mr经过一个复位按钮接地。该监控电路的主要功能如下：（1）系统正常上电复位：电源上电时，当电源电压超过复位门限电压4.65v，reset端输出200ms的复位信号，使系统复位。 （2）对+5v电源进行监视：当+5v电源正常时，reset为低电平，单片机正常工作；当+5v电源电压降至+4.65v以下时，reset输出高电平，对单片机进行复位。 （3）看门狗定时器被清零，wdo维持高电平；当程序跑飞或死机时，cpu不能在16s内给出“喂狗”信号，wdo跳变为低电平，由于mr端有一个内部250ma的上拉电流，d导通mr获得有效低电平，reset端输出复位脉冲，单片机复位，看门狗定时器清零，wdo又恢复成高电平。（4）手动复位：如果需要对系统进行手动复位，只要按下手动复位按钮，就能对系统进行有效的复位。3.4光信号取样电路光信号取样电路如图3-3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。a/d转换器的位数应根据信号的测量范围和精度来选择，使其有足够的数据长度，保证最大量化误差在设计要求的精度范围内。本系统中，信号的测量范围的电压：0.009.99v，精度0.01v。在本次设计中选用了带串行控制的10位模数转换器tlc1549，它是由德州仪器（texas instruments简写为ti）公司生产的，它采用cmos工艺，具有自动采样和保持，采用差分基准电压高阻抗输入，抗干扰性能好，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到()1lsb max，芯片体积小等特点。同时它采用了microwire串行接口方式，故引脚少，接口方便灵活。图3-3 光信号取样电路3.4.1 microwire串行总线性能介绍microwire总线是美国国家半导体（ns）公司推出的三线同步串行总线。此后，ns公司推出了8位的cop800单片机系列，仍采用原来的microwire总线，但单片机上的总线接口改成既可由自身发出时钟，也可由外部输入时钟信号。为了区别于原有的microwire总线，称这种新产品为增强型的microwireplus总线。microwire总线系统的典型结构如图3-4所示。图3-4microwire总线系统典型结构3.4.2 tlc1549的接口设计tlc1549采用了microwire串行接口方式，其接口时序如图3-5所示，在芯片选择（cs）无效情况下，i/o clock最初被禁止且data out处于高阻状态。当串行接口把cs拉至有效时，转换时序开始允许i/o clock工作并使data out脱离高阻状态。串行接口然后把i/o clock序列提供给i/o clock并从data out接收前次转换结果。i/o clock从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个i/o 时钟提供采样模拟输入的控制时序。在cs的下降沿，前次转换的msb出现在data out端。10位数据通过data out 被发送到主机串行接口。为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。如果i/o clock 传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把data out拉至低电平以确保其余位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内cs端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止cs被拉至低电平。时序图如图3-6。图3-5tlc1549引脚及与a/d接口电路图3-6 tlc1549方式1时序图3.4.3 tcl1549的数据采集程序设计/*- aetad()tlc1549数据采集-*/sbit adclk=p10;sbit adout=p11;sbit adcs=p12;/*-*/void aetad()uchar i=1,w,pickcount;uint vol;for(w=1;w=pickcount;w+)adclk=adout=0;vol=0;adcs=0;/开启控制电路，使能data out和i/o clockfor(i=1;i=10;i+)/采集10位串行数据/给一个脉冲adclk=1;vol=1;if(adout)vol|=0x01;adclk=0;adcs=1;delay(21);/两次转换间隔大于21usp0=0xff;/p0口置初始输入状态3.5人体信号采集电路3.5.1人体红外探头人体信号采集由人体红外检测探头和比较电路组成。(1)人体红外探头热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际使用时,在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接收灵敏度,增加检测距离及范围。实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2 m 左右;而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到10 m 以上(2)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。图3-7传感器顶图3-8传感器低图3-9 传感器侧热释电红外传感器和热电偶都是基与热电效应原理的热电型红外传感器。热释电红外传感器（以下简称：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3-7为它们的顶视图，其中较大的矩形部分为滤光窗，图3-8为底视图，图3-9为侧视图， p1、p2为两个敏感单元，面积约21mm2，间距1mm。 （1）敏感单元（3）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0.110hz），即传感器对红外光的波长的敏感范围很窄（一般为515um），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0.110hz）和对特定波长红外线（一般为 515um）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。（4）滤光窗 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.220m。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，通常在传感器上加装了一块干涉滤光窗。滤光窗是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.014um波长以外的红外线。例如，sca02-1对 7.514um波长的红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；p2288的响应波长为 614um，中心波长为10um。物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*t=2989（um.k）（其中m为最大波长，t为绝对温度）。人体的正常体温为 3637.5，即309310.5k，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309310.5）=9.679.64um，中心波长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（714um）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳 光、灯光等可见光中的红外线的通过，以免引起干扰。 （5）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。镜片主要有三种颜色，一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。二、白色主要用于适配外壳颜色。三、黑色用于防强光干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。每一种镜片有一型号（以年号+系列号命名），镜片主要参数：一、外观描述外观形状（长、方、圆）、尺寸（直径）。以毫米为单位。二、探测范围指镜片能探测的有效距离（米）和角度。三、焦距指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。长形和方形镜片要呈弧形以焦距为单位对准探头窗口。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714um的红外波长特别敏感的to5材料连接着场效管。图3-10 信号产生输出示意图静态情况下空间存在红外光线，由于双源式探头采用互补技术，不会产生电信号输出。动态情况下，人体经过探头先后被a源或被b源感应，sasb产生差值，双源失去互补平衡作用而很敏感地产生信号输出，见图3-10。当人对着探头呈垂直状态运动，sa=sb不产生差值，双源很难产生信号输出。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于1 mv) ,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3-11所示。图3-11热释电检测电路组成框图3.5.2信号处理电路本设计采用bis0001 来完成对热释电传感器输出信号的处理。它主要由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器及封锁时间定时器等构成。图3-12中,热释电传感器s 极输出信号送入bis0001的14 脚,经内部第一级运算放大器放大后,由c3 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 ) 送入单片机进行照明控制。图3-12 热释电传感器信号处理电路图3.5.3比较电路比较电路如图3-13所示。图3-13人体信号比较电路当被动红外探头感应到人体信号后，运算放大器的“2脚”或“5脚”的电压降为3.0v；当被动红外探头在没有感应人体红外信号时，“2脚”或“5脚”的电压降为1.0v。探头故障断路时，则“2脚”或“5脚”的电压降为0v。1.探头工作正常 “1脚”的电压恒定为2.0v，“2脚”的电压有1v或是3.0v两种状态，“6脚”的电压恒定为0.45v，“5脚”的电压与“2脚”的电压保持一致。探头将会根据有无人体信号在“2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）“1脚”的电压恒定为2.0v，“2脚”的电压为0v，“6脚”的电压恒定为0.45v，“5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“1脚” 电压“2脚”或“5脚”电压“6脚”电压p2.6p2.5正常工作无人状态2.0v1.0v0.45v11有人状态2.0v3.0v0.45v01断路或故障2.0v0v0.45v10通过比较电路，不仅解决了不同工作状态时被动红外探头的对外界人体红外信号的采集，而且也实现了仅通过被动红外探头的两根电源线同时也传输了所采集的周围环境的红外信号，