毕业设计（论文）-红外电热释感应台灯设计.doc

北京科技大学本科生毕业设计（论文）摘要在生活中经常会遇到在光照不足条件下学习工作的情形，此时会对我们的眼睛极大的伤害。为了避免这种情况，本文研发了这款节能、人性化台灯控制器。控制器可以在在光线不足时自动打开台灯，实现光线自动补偿，保护我们的眼睛；同时控制器台灯还具有，人在灯亮，人走灯灭的特性，从而实现了节能的目的。在控制器研发过程中主要运用了微控制器技术和热释电红外传感技术两大技术实现台灯的自动化控制。微控制器是把中央处理器、存储器、定时 / 计数器、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的单芯片微型计算机。本文在产品研发过程中研究的微控制器芯片是atmega16高性能，低功耗8位单片机，它可对输入输出信号进行逻辑运算，从而对台灯动作进行有序控制。产品研发所应用另一重要技术是热释电红外传感技术，主要是在对人体红外线信号进行检测的同时，进行信号的防干扰处理以及后续电路处理，从而输出可供单片机运算处理的脉冲信号。本文主要完成的工作有：1. 控制器硬件电路的设计。利用altium_designer完成控制器电气原理图设计。计算台灯及控制器工作电流、功率等参数，并根据相关数据选择适当电路元器件型号。2. 控制系统的设计。针对控制器所需功能，明确台灯控制流程，并在icc_avr上进行c语言编程，实现台灯的自动化控制。3. 控制器模型的建立与程序调试。为了测试程序的可行性，本文在atmega16最小系统的基础上搭建了台灯控制器模型。利用模型对程序进行调试，并模拟台灯实际工作情形进行实验操作。本文旨在以台灯为切入点，研究开发微处理器与热释电红外传感技术，并在此基础上研发出一款节能、人性化控制器，为广大用户服务。关键词：（自定义中文关键词35个）台灯；微控制器；热释电红外感应；atmega16；节能the thermal infrared sensors table lamp controlled by atmega16abstractoften in our life, we work and study in poor light unconsciously , because it is so much difficult for us to recognize whether it is dark or not ,when we are absorbed something, and it would do a great harm to our eyes to work in poor light occasion .for this reason, we developed this energy-saving and user-friendly table lamp. the table lamp can be turned on automatically when it is in poor light occasion. by this mean the light will be compensated automatically to protect our eyes; at the same time, the table lamp also has another function, energy saving, it will keep turning on when there is anybody and turning off when there is not the table lamp uses two technologies in its development process: microcontroller technology and the thermal infrared sensor technology to achieve automatically control. the microcontroller is the central unit, memory, timer / counters, in which a variety of input and output interface are integrated in an ic chip which is called single-chip microcontroller. the micro-controller chip used in the product is the atmega16 ,a high performance and low-power 8-bit-microcontroller .it can make logical operations about input and output signals, so as to control the table lamb action orderly. another important technology application in the lamp is the thermal infrared sensor technology which could detect human-body infrared signal, the subsequent processing circuitry of the anti-interference processing, and detection signals of the detection signal. thus, the output will become a pulse signal, which could be transported to the microcontroller for automatically control. the main work during the development is show as follow:1. the design of the hardware circuit board. make it clearly that: working place of the lamp and the demand of customers. using altium_designer to draw the table lamp schematic circuit. calculating the lamp operating current, such as: power, and electric current. thus, chose appropriate table lamp components.2. designing the controlling system. make it clearly that: the desired function of the lamp, clear and the table lamp control process, using language c programming in icc_avr to realize the automatically control of the lamp.3. making the table lamp model and taking program debugging. in order to test the feasibility of the program, this paper sets up in the atmega16 minimum system based on desk lamp model. table lamp model program for debugging and demonstration table lamp actual working conditionsthis article is intended to take the table lamp as a starting point to study the development of microcontroller and thermal infrared sensor technology. at the same time , developing an energy-saving and user-friendly table lamp, so as to serve the users.key words：table lamp；microcontroller；thermal infrared sensor ；atmega16； energy saving- 2 -目录摘要1abstract2引言11文献综述31.1微控制器技术31.1.1atmega16的性能特点41.2热释电红外传感技术102硬件电路设计142.1电气原理图设计152.1.2稳压直流电源设计162.1.3控制模块电路设计192.2本章小结233软件设计243.1iccvavr简介243.2程序控制流程243.2.1控制器逻辑功能分解243.2.2程序控制流程263.3信号功能说明283.3.1手动开关信号283.3.2光照强度信号293.3.3人体红外信号313.4本章总结31结论32参 考 文 献33附 录a 外文原文35附 录a 外文翻译43附 录c 台灯控制器程序49致谢55北京科技大学本科生毕业设计（论文）引言台灯是现代家庭学习、生活、工作，应急照明必不可少的家用电器之一。生活中我们也随处可见各种各样的灯具。就造型而言有古典优雅、时尚简约、雍容奢华之分；就功能而言又有光控、声控、触摸式、人体红外感应等不同的控制方式。台灯的外形、功能其工作场合、服务人群而出现各式各样的变化。随着时代的进步使用灯具时，人们对台等功能的需求越来与多样化多样化，满足不同阶层、不同行业人们的需求也成为刺激台灯行业发展的一大重要因数。除此之外，随着人们环保意思的加强，绿色、环保、节能也成为人们购买台灯是又一重要考虑因素，并由此形成了现代灯具发展的流行趋势。随着外资的进入，灯具行业出现了国内竞争国际化的局面，努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途的灯具的开发，加快绿色、节能光源产品的开发推广和应用是我国灯具行业结构调整的重点；同时打造自己的优势品牌也是灯具行业持续发展、灯具企业应对竞争的重要课题。中国灯具行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也成为灯具生产企业瞩目的焦点。 在近几年的两会上，克服危机、振兴产业几乎成为了最热门的话题，被各行各业的代表和委员们所关注。大家把目光聚焦在国家的大政方针上，希望借助宏观调控的力量实现产业的振兴。照明电器行业作为十大振兴行业之一轻工业内所包含的一个分支，尽管并没有详尽的规划与发展建议，但是几项重大政策的出台无不包含了对该行业的利好信息，通过两会中最频繁出现的词汇和关注度最高的政策话题，我们就可以看到行业未来的走向。 尽管目前工程照明市场还存在着一些问题，如销售渠道单一、甲方对价格过分看重而忽略产品质量、电气研发师对产品选型缺乏话语权等。但总的说来，不论在全世界还是在中国，工程照明都是一个持续稳定发展的行业，未来工程照明的发展前景一片光明。 政策：产业振兴节能减排看点一：高效照明产品迎来发展机遇 在国家十大产业振兴规划中，轻工业振兴规划较早被审议通过，在该规划中提出，设立家电、照明等行业产业升级专项，计划今年实现普通白炽灯产量比2008年减少15%，紧凑型荧光灯产量比2008年增长30%，逐步淘汰白炽灯，减少20%汞污染排放。 从这一政策来看，节能、环保的照明产品将继续迎来发展机遇。而就在前不久，财政部还发布消息，在2009年加大高效照明产品推广力度，确定推广规模为1亿只。可以看出，这几项举措都加大了高效照明产品推广力度，此举一方面支持了企业发展，帮助企业应对全球金融危机的冲击，扩大节能灯的市场销售份额，同时也提高了公众对节能灯的认知度，增强了居民使用高效照明产品的意愿。相信在今后的几年内，此项推广工作将会一直进行下去，随着百姓认知度的提升和行业市场的不断完善，国内节能灯生产企业将迎来高速发展的时代。在振兴规划的指导下，照明企业应该多关注如何减少污染物排放、提高照明产品寿命等问题，实现社会效益和经济效益的双赢是今后照明企业的发展方向。 看点二：道路照明潜力巨大 相对于其他工程照明而言，道路照明无疑是节能减排政策最大的受益者。 尽管我国早已经出台了城市道路照明研发标准，然而部分城市道路照明仍然存在着超过研发标准、不符合节能要求等问题。目前国务院已经明确提出，要用两年左右时间实现城市道路照明全部淘汰低效照明产品，而各地目前正在紧张筹划、逐步落实，这显然给企业带来了发展的机会。灯给人类带来了光明，使人类走向了文明。成为人类文明从古至今不断发展的标志。随着时代进步，用户对台灯功能需求越来越多样化。各种各样节能、环保、智能化灯具也被研制出来，服务于广大用户，在生活中绽放异彩。1文献综述 为了满足用户对台灯功能多样化需求，本文着手研发一款既能保护使用着眼睛，又节能环保的台灯。台灯在功能实现上主要用到了两大技术微控制器技术和热释电红外传感技术。1.1微控制器技术微控制器(microcontroller unit，即mcu)是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、hvac、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电(洗衣机、微波炉)等。我国mcu年需求量达50亿60亿片【1】，是全球mcu最大的市场。2007年销售额可达400亿元。与全球的市场一样，我国mcu应用虽仍以8位为主，32位mcu增长很快。我国需要的单片机大多数是通用的，而我国的集成电路研发公司大多数都是以专用的soc为主，因而产生了我国集成电路研发自己研发、自己生产、自己开发和自行销售的封闭模式。而国外的半导体厂商都只生产通用的mcu产品，由第三方来提供研发开发工具及开发软件，使各种用户都可以来开发应用，芯片销售也直接通过市场进行。因此，我国国产通用mcu研发和生产，不但可以满足国内的巨大市场需求，也可改变我国的集成电路研发、生产、销售的封闭模式。目前主流mcu虽仍为8位，但是16位、32位高档mcu增长很快。据统计，20062010年mcu的复合增长率为8，而32位mcu的复合增长率为20。20042007年mcu增长的30亿片中有20亿片是16与32位mcu。台湾mcu的占有率约为10，大多以8位为主，产品以assp形式为主【2】。本文在台灯研发过程中出于控制电路功耗考虑采用工作性能可靠、价格便宜的低功耗8位risc结构单片机atmega16作为台灯的微控制器芯片。1.1.1atmega16的性能特点atmega16是基于增强的avr risc结构的低功耗8 位cmos微控制器，如图1.1所示。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，atmega16 的数据吞吐率高达1mips / mhz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。atmega16 avr 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(alu)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的cisc 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。它具有16k字节的系统内可编程flash(具有同时读写的能力，即rww)，512 字节eeprom，1k 字节sram，32 个通用i / o 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的jtag 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器 / 计数器(t / c),片内 / 外中断，可编程串行usart，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(tqfp 封装) 的adc ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器【3】，一个spi 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时cpu 停止工作，而usart、两线接口、a / d 转换器、sram、t / c、spi 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； adc 噪声抑制模式时终止cpu 和除了异步定时器与adc 以外所有i / o 模块的工作，以降低adc 转换时的开关噪声； standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内isp flash 允许程序存储器通过isp 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于avr 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用flash存储区(applicationflash memory)。在更新应用flash存储区时引导flash区(boot flash memory)的程序继续运行，实现了rww 操作。 通过将8 位risc cpu 与系统内可编程的flash 集成在一个芯片内， atmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。atmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：c 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器 / 软件仿真器、仿真器及评估板。 作为通用数字i / o使用时，所有avr i / o端口都具有真正的读-修改-写功能。这意味着sbi或cbi改变其他管脚的方向（或者是端口电平、禁止 / 是能上拉电阻）。输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动大功率数字用电器。所有端口都具有与电压无关的上拉电阻。并保护二极管与vcc或与地相连，如图1.2所示。本文中所有寄存器和位通用格式表示位：小写的“x”表示端口序号，小写的“n”表示位的序号。例如：portb3表示端口b的第三位，其通用表示格式为：portxn。每一个端口都有三个i / o存储器地址：数据寄存器地址portx，数据方向寄存器ddrx，端口输入引脚pinx，其中数据寄存器和数据方向寄存器为读 / 写寄存器，而端口输入引脚为只读寄存器。ddxn用来选择引脚的方向。ddxn为1时，pxn配置为输出，否则配置为输入。引脚配置为输入时，若portxn为1，上拉电阻将使能。如果需要关闭这个上拉电阻，可以将portxn清零，或者将这个引脚配置为输出。复位时各引脚为高阻态，即使此时并没有时钟在运行。当引脚配置为输出时，若portxn为1，引脚输出高电平(1，否则输出低电平(在(高阻态)三态(ddxn, portxn = 0b00)输出高电平(ddxn, portxn = 0b11)两种状态之间进行切换时，上拉电阻使能(ddxn, portxn = 0b01)或输出低电平(ddxn,portxn = 0b10)这两种模式必然会有一个发生。通常，上拉电阻使能是完全可以接受的，因为高阻环境不在意是强高电平输出还是上拉输出。如果使用情况不是这样子，可以通过置位sfior寄存器的pud来禁止所有端口的上拉电阻。在上拉输入和输出低电平之间切换也有同样的问题。用户必须选择高阻态(ddxn,portxn = 0b00)或输出高电平(ddxn, portxn = 0b10)作为中间步骤。表1.1总结了i / o端口的引脚配置。不论如何配置ddxn，都可以通过读取pinxn寄存器来获得引脚电平。如figure 23所示，pinxn寄存器的各个位与其前面的锁存器组成了一个同步器。这样就可以避免在内部时钟状态发生改变的短时间范围内由于引脚电平变化而造成的信号不稳定。其缺点是引入了延迟。图1.3为读取引脚电平时同步器的时序图。最大和最小传输延迟分别为tpd,max和 tpd,min。考虑第一个系统时钟下降沿之后起始的时钟周期。当时钟信号为低时锁存器是关闭的；而时钟信号为高时信号可以自由通过【4】，如图1.3中sync latch信号的阴影区所示。时钟为低时信号即被锁存，然后在紧接着的系统时钟上升沿锁存到pinxn寄存器。如tpd,max和tpd,min所示，引脚上的信号转换延迟界于1 / 2 11 / 2个系统时钟。tpd,max如图1.4所示，读取软件赋予的引脚电平时需要在赋值指令out和读取指令in之间有一个时钟周期的间隔，如nop指令。out指令在时钟的上升沿置位sync latch信号。此时同步器的延迟时间tpd为一个系统时钟周期。模数转换器特点:10位 精度0.5 lsb 的非线性度2 lsb 的绝对精度65 - 260 s的转换时间最高分辨率时采样率高达15 ksps8 路复用的单端输入通道7 路差分输入通道2 路可选增益为10x 与200x 的差分输入通道可选的左对齐adc读数0vcc的输入电压范围可选的2.56v adc参考电压atmega16有一个10位的逐次逼近型adc。adc与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口a的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0v (gnd)为基准。器件支持16路差分电压输入组合。两路差分输入(adc1、adc0与adc3、adc2)有可编程增益级，在a / d转换前给差分输入电压提供0db(1x)、20db(10x)或46db(200x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端(adc1),而其他任何adc输入可做为正输入端。如果使用1x或10x增益，可得到8位分辨率。如果使用200x增益，可得到7位分辨率。adc包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到adc的电压保持恒定。adc的框图如图1.5所示。adc由avcc引脚单独提供电源。avcc与vcc之间的偏差不能超过0.3v。标称值为2.56v的基准电压，以及avcc，都位于器件之内。基准电压可以通过在aref引脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。adc通过逐次逼近的方法将输入的模拟电压转换成一个10位的数字量。最小值代表gnd，最大值代表aref引脚上的电压再减去1 lsb【6】。通过写admux寄存器的refsn位可以把avcc或内部2.56v 的参考电压连接到aref引脚。在aref上外加电容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。模拟输入通道与差分增益可以通过写admux寄存器的mux位来选择。任何adc输入引脚，像gnd及固定能隙参考电压，都可以作为adc的单端输入。adc输入引脚可选做差分增益放大器的正或负输入。如果选择差分通道，通过选择被选输入信号对的增益因子得到电压差分放大级。然后放大值成为adc的模拟输入。如果使用单端通道，将绕过增益放大器。通过设置adcsra寄存器的aden即可启动adc。只有当aden置位时参考电压及输入通道选择才生效。aden清零时adc并不耗电，因此建议在进入节能睡眠模式之前关adc。adc转换结果为10位，存放于adc数据寄存器adch及adcl中。默认情况下转换结果为右对齐，但可通过设置admux寄存器的adlar变为左对齐。如果要求转换结果左对齐，且最高只需8位的转换精度，那么只要读取adch就足够了。否则要先读adcl，再读adch，以保证数据寄存器中的内容是同一次转换的结果。一旦读出adcl， adc对数据寄存器的寻址就被阻止了。也就是说，读取adcl之后，即使在读adch之前又有一次adc转换结束，数据寄存器的数据也不会更新，从而保证了转换结果不丢失。adch被读出后，adc即可再次访问adch及adcl寄存器。adc转换结束可以触发中断。即使由于转换发生在读取adch与adcl之间而造成adc无法访问数据寄存器，并因此丢失了转换数据，中断仍将触发。adc转换有不同的触发源。设置adcsra寄存器的adc自动触发允许位adate可以使能自动触发。设置adcsrb寄存器的adc触发选择位adts可以选择触发源【8】。当所选的触发信号产生上跳沿时，adc预分频器复位并开始转换。这提供了一个在固定时间间隔下启动转换的方法。转换结束后即使触发信号仍然存在，也不会启动一次新的转换。如果在转换过程中触发信号中又产生了一个上跳沿，这个上跳沿将被忽略。即使特定的中断被禁止或全局中断使能位为0，中断标志仍将置位。这样可以在不产生中断的情况下触发一次转换。但是为了在下次中断事件发生时触发新的转换，必须将中断标志清零。1.2热释电红外传感技术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【8】，其结构示意图如图1.6。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换【9】。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达，故引入的沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感感应元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。研发时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电感应元【10】。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的感应元也是有正、负极性的。使用时端接电源正极，端接电源负极，端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性一致的感应元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个感应元上，从而使传感器输出电压信号。制造热释电红外感应元的高热电材料是一种广谱材料，它的感应波长范围为【11】。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。基于热释电红外传感器的工作特点：不需红外线或电磁波等发射源。灵敏度高、控制范围大。隐蔽性好，可流动安装。光学系统感应原理被动式红外输出信号器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号滤波和放大、信号处理和输出信号电路等几部分组成。菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外感应元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电感应元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是输出信号器研发中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为输出信号功能的实现打下基础【12】。菲涅尔光学原理如图1.7所示。在该感应技术中，所谓“被动”是指感应器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成感应目的。被动红外输出信号器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控输出信号器产生输出信号，从而完成输出信号功能。输出信号器的工作电路原理图。当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的感应元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由、组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为，下限截止频率为。由于热释电红外传感器输出的感应信号电压十分微弱（通常仅有左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为左右），所以应对热释电红外传感器输出的电压信号进行放大【13】。本研发运用集成运算放大器来进行两级放大，以使其获得足够的增益。当传感器感应到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。在该比较器中，、用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为和。将这个高低电平变化的信号上升沿信号作为单稳电路的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为的高电平信号。再用这一脉宽信号作为输出信号电路的输入控制信号，来使电路产生的输出信号信号，最后用三极管和再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出的输出信号声【15】。图1.8的是将待测目标、菲涅尔透镜、热释电红外传感器相结合使用时的工作原理示意图。热释电红外感应模块的应用条件：用热释电红外传感器研发的监控输出信号系统具有结构简单、成本低等优点。经过多次测试，该系统工作情况稳定。热释电红外输出信号器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：输出信号器应离地面.米。输出信号器应远离空调、冰箱、火炉等空气、温度变化比较敏感的地方。输出信号器感应范围内不得有隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。输出信号器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的话最好把窗帘拉上。另外，输出信号器也不要安装在有强气流活动的地方。2硬件电路设计据调查当今社会约有80%的学生都存在不同程度的近视，而照成近视的原因，除坐姿不当还包括书本纸质、看书是光线不好等原因。通常我们看书比较专注时，会出现天色已晚、阴天、下雨等光照不足，而自己却无法察觉的情况。此时工作学习看书对我们的眼睛健康极为不利。同时，徐州矿业大学徐海学院曾做过一项关于台灯照明问题的调查，其结果如表 2.1所示。从表2.1中我们也可以看到，用户在工作学习中时常会因为光源过亮或昏暗而产生困扰。在光线不足条件下工作对人体伤害要远大于光照太亮所产生的伤害，而市场上的台灯很少关注使用者对于台灯照明强度的需求。本着“设计为人服务的原则”，本文着眼于舒适的照明效果，兼顾使用的便利性，研发了健康、节能、人性化的热释电红外感应台灯控制器。控制器集成了微处理器技术、热释电红外传感技术，在此基础上研发了一款能识别照明强度的台灯控制器。控制器的主要目的是在光照不足时自动打开台灯，避免使用者在光照不足条件下工作；同时控制器还具有另一重要功能：人在灯亮，人走灯灭，避免灯亮而无人使用时的能源浪费。台灯控制器研发工作主要分为两大板块：硬件电路系统的设计、程序控制系统的设计。2.1电气原理图设计控制器的电路主要分为三大部分：主电路部分、稳压直流电源、微控制模块。主电路是台灯工作电路，供电电压为220v。由于台灯状态改变由控制电路进行控制，所以主电路比较简单。稳压直流电源的作用是将220v家庭用电转化为+12v和+5v低压直流电源供微控制模块使用。台灯控制器电气原理图如图2.1所示，图中atmega16未使用端口都应接vcc（文中所有vcc皆指+5v电源）。2.1.1主电路设计主电路由220v电源、白炽灯以及电磁继电器组成。台灯灯泡选用普通白炽灯，功率约为1860w。台灯状态由电磁继电器开关进行控制，同时继电器也是微控制模块信号输出电路。从输入信号到atmega16为控制芯片，再到继电器，实现了台灯的制动化控制。台灯控制器主电路图见图2.22.1.2稳压直流电源设计控制器稳压直流电源降压模块工作流程： 220v降压整流滤波稳压vcc。其工作流程图如图2.3。模块各环节功能如下：变压器：将交流电源电压变为符合整流的+12v交流电。整流电路：将交流电压变换为单向脉动电压。整流元件利用了晶体二极管单向导通的特性。滤波电容：减小整流电压的脉动程度，以适合负载需要。稳压环节：在交流电源电压波动或负载变动时，是直流输出电压稳定。直流稳压电源电气原理图如图2.4。变压器型号：根据经验估算控制模块主要负载：继电器拟采用hk23f型号继电器，其功耗为150mw，工作于+12v电源下，工作电流为12.5ma；人体红外检测模块静态电流为50ua，动作电流1ma，光强检测电路静态暗阻电流约为2.4a，亮阻电流约为1.2ma；atmega16工作于空闲模式功耗为0.35ma；两稳压管正常工作时导通电流约为10ma；电路电流损耗较小，忽略不计。逻辑电路工作最大电流为：23.60ma。选取ht0009型号继电器，继电器工作参数：输入电压：220v，50 / 60hz。输出电压：3-4.5-6-7.5-9-12v可调。输出功率：10.5w。输出电流：50100ma。功率损耗：约为输出功率的8%。电阻r1在电路中起限流保护作用，同时负载变动时的功率损耗，其阻值根据经验值取100。 桥式整流电路二极管：整流电路采用单相桥式滤波电路。输入电压12v；频率：50hz。通过整流二极管的电流：id = 0.5*io 2-1 = 0.5*23.60ma = 11.18ma式中：id-通过二极管的平均电流； io-桥式电路输入电流。由于电容滤波输出电压随负载电阻的变化有较大变化，即电路外特性较差。整流二极管两端电压通常取：uj = uo / 1.2 2-2 = 12 / 1.2v = 10v式中：uj-降压电路二次侧电压有效值；uo-直流电源输出电压。整流二极管所承受最高反向电压：um = 2*u 2-3 = 1.414*10v= 14.14v因此可选用二极管2ap2，反向工作峰值电压30v，最大整流电流为16ma（通过桥式电路平均电流为2*16 = 32ma，大于23.60ma），最大整流是正向压降不大于1.2v。稳压二极管d1：由于输入电流最大为23.60ma，稳定电压为12v。故选用稳压二极管hz12a2，其稳定电压为11.9v12.4v，最大功耗0.5w，最大稳定电流41.7ma，工作与稳定电压电流5ma。滤波电容c1：逻辑电路输入电压为12v，输入最大电流约为23.60ma，根据公式计算负载阻值：rl = u / i 2-4 = 12 / 0.02685 = 446.93根据公式：rl*c1（35）*t / 2 2-5c1（35）*（1 / 50） / （2*250） = （35）*40uf取c1 = 220uf。2.1.3控制模块电路设计微控制模块由输入输出信号电路和微控制芯片电路组成，其中输入信号包括光照强度检测信号和人体红外信号检测，输出信号通过三极管放大控制继电器，改变台灯状态，电气原理图如图2.5。控制器采用光敏电阻器与电位器串联进行光照强度测量，输出信号为模拟量；光照强度动作界限根据国家关于家用照明电器规定选取250lx（短时间工作最佳照明强度为200500lx）。台灯光照强度调节设定可通过调节r3实现，同时由于光照强度输出信号为模拟量，所以光照强度的设定也可以通过编程实现。常用的光敏电阻进行分压。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。光敏电阻由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110m欧,在强光条件（100lx）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。研发光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使研发大为简化。由于光敏电阻亮阻约为几百至数千欧姆，固串联最大阻值为10k的电位器。模拟信号输出到atmega16处理（atmega16可进行模数处理）。atmega16工作电压为5v，掉电模式工作电流约0.35ma，其他元器件工作电流不大于1ma。选用2cw53型稳压二极管，稳定电压：45.8v；最大稳定电流：41ma；最大功耗：250mw，工作于稳定电压电流为5ma，最低流通电流1ma。电阻r4选择：r4= u / i 2-5= （12-5） / （15）+1） = （1.173.5）取电阻r4阻值为2k因此，选用2cw53型5v稳压二极管，电阻r4取为1k。红外线感应模块采用pir感应模块，电气原理图如图2.6.。工作性能：感应距离7m；感应范围垂直角110，水平角140；工作宽电压为4.520v；静态电流小于50ua,输出电平为0或3.3v，静态功耗50ua，动作电流1ma。输出信号用来控制hk23f电磁继电器，hk23f触点开关k1为主电路开关。其工作参数如下：工作电压：4.55.5v，工作在3v、1mhz、25模式下工作电流1.1ma，空闲模式工作电流0.35ma。r7r10为上拉电阻，工作于i / o端口，有芯片的是内置，有的是需要外接，i / o端口的输出类似于一个三极管的c，当c接通过一个电阻和电源连接在一起的时候，该电阻成为上c拉电阻，也就是说，该端口正常时为高电平；c通过一个电阻和地连接在一起的时候，该电阻称为下拉电阻。 上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的。一般说法是拉电流，下拉电阻是用来吸收电流。从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大，即电阻大，电流小，对于atmega16通常上拉电阻取110k，该控制器电路取其取为10 k。输出信号经电流放大器放大输出给电磁继电器，提供及电气工作。由于电磁继电器功耗比较大，atmega16直接提供电流不足以使继电器工作，所以修要一级放大器。hk23f继电气参数如下图2.7：放大器基极电压：ub = 5v，集电极电压：uc = 12v，电磁继电器工作电压：u = 12v，工作电流：ir = pr / ur 2-6 = 150 / 12 = 12.5ma滑动变阻器r14用于调节基极电流，r15为下拉电阻。三极管放大器选用lm357npn型三极管。变压器校核：ht0009型号变压器输出功率10.5w，输出电流50150ma，其参数值远大于工作所需功率，可以选用。台灯控制器工作总体参数计算：由于人体红外检测模块和光敏电阻动作只是瞬间产生损耗功率可以忽略不计。控制器功耗主要指检测模块不动作时功耗：台灯打开时继电器工作，控制电路总静态功耗：ps，on = uo*is，on*（1+8%） 2-7= uo*（ij+i12+i5+ip+ia+ig） = 12*（12.5+5+5+0.05+0.35+（1.2*10-3） = 232.0mw8%为变压器功率损耗。台灯熄灭时继电器不工作，控制电路总静态功耗：ps，off = uo*is，of 2-8= uo*（ia +i12+i5+ip +ig）= 12*（0.35+5+5+0.05+（1.2*10-3）= 134.8mw式中：ps，on台灯开时静态总功耗； ps，off台灯关时静态总功耗； is，on台灯开时直流电源输出静态总电流； is，off台灯关时直流电源输出静态总电流； iaatmega16空闲模式工作电流； i12hz12a2稳压管工作于稳定电压电流； i52cw53稳压管工作与稳定电压电流； ip人体红外检测模块静态工作电流； ig光照强度检测模块静态工作电流；2.2本章小结本章的主要内容是设计台灯控制器电气原理图、对控制器各元器件功率进行计算并选择适当型号、计算控制器工作参数并确定台灯工作环境。控制器硬件设施是软件编程的基础，为控制系统设计提供了依据。3软件设计3.1iccvavr简介自atmel公司的at90系列单片机诞生以来有很多第三方厂商为at90系列开发了用于程序开发的c语言工具，i