智能家用电器设计.doc

沈阳航空航天大学电子信息工程学院毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 课题来源社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用含量决定着产品发展的新趋势和前景，智能化技术在电子产品领域的应用意义深远。随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能电饭锅，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。随着智能控制理论和人工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的家用电器会更多地出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多地改进现行家用电器，而且将会产生全新的家用电器。家用电器因为单片机的加入而走向智能化，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着家用用电器的发展越来越方便、舒适。随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能化。虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的台灯已经感受到产品更新换代的威胁。与其他的智能化家用电器一样，智能化台灯有许多普通按键台灯所无法比及的优势，智能化台灯一方面可以更节省电能，有利于环保，另一方面可以纠正使用者的坐姿，预防脊椎变形和眼睛近视。同时，智能台灯自动关灯的功能也让使用者使用起来更方便，可以防止由粗心大意带来不不必要的浪费。智能型电器产品由于它们的巨大优势将渐渐进入人们的生活中。我国政府非常重视节能和节约。1997年11月1日我国颁布了中华人民共和国节约能源法，节能已经是法律上的规定，是我国重要国策之一。北京2008年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运”的方针，充分体现政府节能，节约的决心！国家发改委提出了“电机系统节能工程”、“建筑节能工程”、“绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2.4亿吨标准煤的目标。2006年1月将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”，2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB501892005要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少50%。广大电气技术工作者只有认认真真研究节约电能的理论和技术，开发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。照明节能意义重大，我国照明耗电大体占全国总发电量10%12%，2003年我国总发电量为18500亿度，按12%计，照明耗电达2220亿度。据资料报道，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称），年用电量约占全国总发电量的4%5%。照明节能主要从三个方面入手：选用高效节能的电光源和灯具；选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；配置适宜，先进照明控制装置。目前我国城市公共照明每年开支达数百亿元。应积极推广采用国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术：即智能光源降压稳压调光技术。它的技术思想为：在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；后半夜车稀人少时，控制路灯保持较低的照度的照明。在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和推广，节电率高于30%。我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工大楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统”，在城市道路照明应用中运行效果优良。今后尚需政府的行政支持。台灯本来是一个非常简单的照明工具，就是一个电源加一个灯泡，但是随着科技的进步，人们开始对台灯的功能要求也开始日渐提高。所以它的功能也由简单的照明开始向其他的节能和护眼等方面发展，有些台灯还添加了闹钟和定时等功能。而且近年来，我国青少年近视发病率节节上升，发病人数居全球首位，达到历史空前水平。全国政协委员、沈阳何氏眼科医院院长何伟呼吁，关注我国青少年视力健康，切实加强中小学生近视眼的防治工作刻不容缓。何伟委员告诉记者，目前我国共有四亿多近视眼患者，以13亿人口计，约每3个人中就有1个是近视眼，特别是青少年近视的发病率居世界第二，人数居世界第一，且渐趋低龄化，中小学生近视检出率为53.8(城市60.7、农村30.7)，高中以上学生更是高达70。 近视正严重危害青少年的健康成长，同时影响我国高素质人才职业的筛选，缩小特殊职业人员的选取范围，更是对实现我国二十一世纪健康目标的严重挑战。多年来近视眼病在我国、日、韩和东南亚地区特别严重，时时影响着青少年的学习、健康、工作和生活。近年来我国近视眼患病率已上升到世界第二位，仅次于日本，总数量居世界第一。近视眼病的防治是一种世界性的重大难题，迄今没有治愈的有效药物和方法。市售的药物和器具只能起到一定的调理和缓解作用，而手术和激光治疗有严格的年龄限制，而且还包含着严重的隐患和风险。除了遗传原因，诱发学生患近视眼病的根源有多种，必须从诱发的所有根源上做起，才能真正防止。随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，单片机真正意义上的嵌入式系统的出现。单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求，例如，芯片级的物理空间、大规模集成电路的低价位、良好的外围接口总线和突出控制功能的指令系统。单片机有计算机系统内核，嵌入到电子系统中，为电子系统智能化奠定了基础。因此，当前单片机在电子系统中的广泛使用，使经典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。又单片微型计算机以其体积小、性价比高、功能强、可靠性高等独有特点，在各个领域（如工业控制、家电产品、汽车电子、通信、智能仪器仪表）得到广泛应用 1.2 任务分析本课题结合实际，针对使用中可能用到的基本功能，研究目的在于实现三个主要的功能。首先是对人体的检测，若检测到人体离开一段时间后，台灯会自动熄灭。然后是光照的自动调节，当采集到的自然光照强度足够时，不会开启照明装置；当自然光照强度不够并检测到有人在学习区域时，采集到的光照强度不同，点亮的灯的个数也就不同，光照强度越弱，点亮灯的个数就越多。这两个功能的实现可以达到一个节能的效果。最后一个功能是对用户坐姿的矫正，当人体超过设定的距离时，会进行报警直至人体恢复标准坐姿，帮助用户养成一个良好的读书坐姿习惯，从而达到对视力的保护。根据系统要求，设计电路主要由CPU（单片机STC89C52），数据采集模块，A/D转换模块，电源电路，声光报警电路，控制电路等几部分组成。光照强度通过传感器采集，传感器得到的数据再经过放大电路，进入A/D通道，将采集到的模拟量转换为数字量。单片机对采样数据进行处理后来控制八个灯管发亮的个数，外界光强很弱时，灯管发亮的个数越多，外界光越强则相反，灯管发亮的个数与外界光强成反比。同时用热释电传感器对人体进行检测，若在规定范围内没有检测到人体信号，则经过5s的延时过后台灯将自动熄灭。若检测到有人在使用台灯，则用另一热释电红外对人体坐姿进行检测，找到头肩肘三个部位，设定好距离范围，若检测到超出设定范围，则进行自动报警。系统设计包括软件设计部分和硬件设计部分，软件仿真主要在proteus里进行，热释电红外传感器和超声波暂时用开关代替。在protel里绘制出原理图，按照原理图进行硬件器件的连接，用keil对其进行编程，将程序导入硬件中，调试以达到系统任务要求。1.3课题分析本课题是对多功能绿色安全台灯控制系统进行设计。该系统通过光强感应器进行实时采集光照强度信息，用热释电红外传感器检测人体内信号，同时用另一热释电红外传感器检测人体不同身体部位。此系统以单片机为核心控制芯片，通过传感器采集到的光照强度和人体各项信号，传感器的选择要满足本课题要求的测量范围，并将采集的信号转换成电压信号。将传感器采集到的微弱信号通过放大电路，使该信号进入转换装置，其中可以将采集到的模拟信号转换为相应的数字信号。最后，把最终得到的数字信号经由单片机处理，与预设检测范围和光照强度进行比较，若测得的距离超过设定的范围则进行报警，光照强度来决定灯管点亮的个数。台灯已经是千家万户的必须生活品，经常由于忘记关灯一起巨大的浪费。在这里设计了人体辐射（波长为9.5um）传感控制电路。当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，点亮台灯，但点亮灯管的个数则与实际的光强成反比。当人体太靠近桌面或左右倾斜时，台灯自动感应，警告矫正坐姿。当人离开时，在规定的延时过后则自动熄灭，达到节能的目的。第2章 系统方案分析本章对控制系统的任务进行分析，对设计方案进行总体的概述，以及各部分电路的器件的选择。2.1 系统方案设计本课题是为实现多功能绿色安全台灯控制系统的要求而设计的，课题的主要研究内容是设计并实现一个基于单片机的多功能台灯的控制系统，该系统具有自动调节亮度，人离开后自动关灯及矫正坐姿等功能。分模块分析和设计，主要分为光强采集、数模转换、人体检测报警等部分。分模块不仅在最初的设计中非常方便，也很有利于后期的检查与调试。系统整体方案设计：根据系统功能要求并考虑产品的性价比，采用热释电红外传感器检测人体信号和光强感应器来采集光照强度，并采用模块化设计方法，以方便系统的调试和后期研究。首先用热释电红外传感器来检测人是否在学习区，当检测到人体在学习区域时，单片机对采集到的光照强度数据进行处理，从而控制灯点亮的个数，达到理想光照强度，检测到外界光照强度越强，点亮灯的个数越少，检测到外界光照强度越弱时，点来那个灯的个数越多。若检测到人体离开了设定的范围，则单片机设定5s的延时，5s后人没回来台灯自动熄灭。当有人在台灯正常点亮时，用另一热释电红外传感器对人体离台灯距离进行检测，若发现用户坐姿不正确超出规定范围 ，则进行报警提醒。主要的工作器件有单片机STC89C52控制系统，将光照强度模拟信号转化为数字信号的模数转换芯片ADC0804，模拟光照强度的光敏电阻等等。系统原理图如图2.1所示。光照传感器热释电红外传感器1热释电红外传感器2STC89C52时钟电路复位电路AD0804电源蜂鸣器LED指示电路图2.1 系统原理图2.2 单片机的选择单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分器件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器、实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，定时器，内置4KB EEPROM， MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 主要特性有：是增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容8051。工作电压在5.5V3.3V(5V单片机)。工作频率范围在040MHz，相当于普通8051的080 MHz，实际工作频率可达48 MHz。用户应用程序空间为8K字节。片上集成512字节RAM。在系统/应用可编程，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串行口直接下载用户程序，数秒即可完成一片。具有EEPROM功能。共三个16位定时器/计数器。外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路。PDIP封装等。STC89C52引脚图如图2.2所示。图2.2 STC89C52引脚图P0端口（P0.0P0.7，3239引脚）：P0口是一个漏极开路的8位双向I/O口。作为输出端口，每个引脚能驱动8个TTL负载，对端口P0写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0口也可以提供低8位地址和8位数据的复用总线。此时，P0口内部上拉电阻有效。在Flash ROM编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1端口（P1.0P1.7，18引脚）：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。此外，P1.0和P1.1还可以作为定时器/计数器2的外部技术输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），在对Flash ROM编程和程序校验时，P1接收低8位地址。具体功能参见表1：表1 P1.0和P1.1引脚复用功能引脚号功能特性P1.0T2（定时器/计数器2外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）P2端口（P2.0P2.7，2128引脚）：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可以驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，这时可用作输入口。P2作为输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX DPTR”指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行“MOVX R1”指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash ROM编程或程序校验时，P2也接受高位地址和一些控制信号。P3端口（P3.0P3.7，1017引脚）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。对端口写入1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3做输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输入一个电流。在对Flash ROM编程或程序校验时，P3还接收一些控制信号。P3口除做一般I/O口外，还有其他一些复用功能。具体功能如表2所示。表2 P3复用功能引脚号复用功能P3.0 RXD 串行输入口P3.1 TXD 串行输出口P3.2 INT0 外部中断0P3.3 INT1 外部中断1P3.4 T0 定时器0的外部输入P3.5 T1 定时器1的外部输入P3.6 WR 外部数据存储器写选通P3.7 RD 外部数据存储读选通RST(9)引脚：复位输入，当连续输入两个机器周期以上高电平时为有效，用来完成单片机的复位初始化操作。ALE/PROG(30引脚)：地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。PSEN(29引脚)：当从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP(31引脚)：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，令EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应接VCC。XTAL1(19引脚)：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器的输入端。2.3 A/D转换器的选择本试验采用的A/D芯片为ADC0804，它是CMOS 8位单通道逐次渐近型的模/数转换器，其规格及引脚图如图2.3所示，我们可以得到各个引脚的大致功能如下：/CS：芯片片选信号，低电平有效，即/CS=0,该芯片才能正常工作，在外接多个ADC0804芯片时，该信号可以作为选择地址使用，通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片，从而可以实现多个ADC通道的分时复用。/WR:启动ADC0804进行ADC采样，该信号低电平有效，即/WR信号由高电平变成低电平时，触发一次ADC转换。/RD:低电平有效，即/RD=0时，可以通过数据端口DB0DB7读出本次的采样结果。UIN（+）和UIN（-）：模拟电压输入端，模拟电压输入接UIN（+）端，UIN（-）端接地。双边输入时UIN（+）、UIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负端。当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在UIN（-）接一等值的零点补偿电压，变换时将自动从UIN（+）中减去这一电压。VREF/2：参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外界电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则Vref与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。CLKR和CLKIN：外接RC电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK = 1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz1.28MHz。AGND和DGND：分别接模拟地和数字地。/INT:中断请求信号输出引脚，该引脚低电平有效，当一次A/D转换完成后，将引起/INT=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连（如51单片机的INT0,INT1脚），当产生/INT信号有效时，还需等待/RD=0才能正确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将/INT引脚悬空。DB0DB7：输出A/D转换后的8位二进制结果。图2.3 ADC0804引脚图2.4传感器的选择本次设计设计传感器的选择主要考虑两个部分，一个是光强感应器，对光照强度进行实时采集。另一部分是用于对人体信号的检测。2.4.1光照强度传感器传统的光照传感器主要采用光敏电阻，光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，因此不适宜作检测元件，在自动控制中它常被用作丌关式光电传感器。光敏电阻需要用AD转换器将其信号转换为数字信号，电路复杂，费用高。而且，光敏电阻进行光强度采集不够理想。针对光敏电阻的诸多缺点，提出了一种利用16位高精度数字光强度传感器BH1750FVI进行光强度检测仪的设计方案，利用I2C总线接口数字型光强度传感器，可以避免AD转换系统带来的误差，可在NOKIA5110液晶显示器上进行测量数值的显示。该系统具有光强度采集精度较高、实时性较强等优点，并且电路设汁较为简单，容易实现与集成。不区分光源数字型环境光强度传感器BH1750FVI是日本RHOM株式会社近些年推出的一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据收集的光线强度数据来进行环境监测，其具有165 535 lx的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。本文利用16位数字光强度传感器BH1750FVI和普通的51单片机设计了数字光照强度的数据实时采集与显示。由于光强度传感器精度高，I2C总线接口简单易用，NOKIA5110液晶显示器使用方便、体积较小等特性，较为价廉地实现了高精度数字光照强度的实时采集。经过实验证明其反应速度非常灵敏，测量精度高，适合于对精度要求较高的场合。2.4.2热释电红外传感器本次设计智能节能利用的传感器是热释电红外传感器。传感器在电路中起着很大的作用，要利用它采集回来的信号去对灯光进行控制。热释电红外传感器本身采集到的信号是很微弱的，感应的范围也很小，但是在它正面加上一个菲涅尔透镜以后，它的信号采集范围可以增大到20米左右。本次设计对热释电红外传感器的性能要求比较高，因为它采集回来的信号将直接影响灯光控制电路的控制行为。首先，这种传感器要对人体发出的红外线感应很灵敏，而对其他的小动物发出的红外线不起作用。其次是能够感应较远距离的红外信号，这就需要借助于菲涅尔透镜的聚焦作用。热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路处理技术。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。热释电效应是指当一些晶体受热时，在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷，由于热变化产生的电极化现象。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。其工作原理如下:热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。人体都有恒定的体温，一般在37C左右，会发出10mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生电压信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出21。不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，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，有时造成短时失灵；被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。2.4.3涅菲尔透镜菲涅尔透镜在本次设计中的作用是辅助热释电红外传感器采集人体发出的红外线，它可以把较远距离的人体发出的微弱的红外线信号光聚集起来，热释电传感器在它的作用下可以探测到较远距离人的活动。菲涅尔透镜在传感器信号处理电路中起着重要的作用，在它的辅助之下才能采集到较好的输入信号。菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。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。第3章 硬件电路的设计本章是对多功能绿色安全台灯控制系统的设计，该系统主要包括单片机复位电路、晶振电路、电源电路、数据采集电路、模数转换设备、灯光显示电路和报警电路，下面分别对各个模块详细阐述。3.1 复位电路设计 STC89C52的上电复位电路，只要在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减到1F。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠的复位，RST端的高电平信号必须持续足够长的时间。上电时，VCC的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如果晶振频率为10MHz，起振时间约为1ms，如晶振频率为1MHz，起振时间为10ms。在上电复位电路中，当VCC掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态。复位后，系统将端口置为“1”状态。手动按钮复位需要人为在复位端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源VCC之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则VCC的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。复位电路的主要功能是使单片机进行初始化，在初始化的过程中需要在复位引脚上加大于2个机器周期的高电平。复位后的单片机地址初始化为0000H，然后继续从0000H单元开始执行程序。在复位电路中提供复位信号，等到系统电源稳定后，再撤销复位信号。但是为了在复位按键稳定的前提下，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防在按键过程中引起的抖动而影响复位。图3.1所示的 RC 复位电路可以实现上述基本功能。复位电路图如图3.1所示。图3.1 复位电路 3.2 晶振电路设计 电路中的晶振即石英晶体震荡器。由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。XTAL1接外部晶体的一个引脚，XTAL2接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振。在石英晶体的两个管脚加交变电场时，它将会产生一定频率的机械变形，而这种机械振动又会产生交变电场，上述物理现象称为压电效应。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。石英晶振起振后要能在XTAL2线上输出一个3V左右的正弦波，以便使MCS-51片内的OSC电路按石英晶振相同频率自激振荡。通常，OSC的输出时钟频率fOSC为0.5MHz-16MHz，典型值为12MHz或者11.0592MHz。电容C1和C2可以帮助起振，典型值为30pF，调节它们可以达到微调fOSC的目的。时钟电路如图3.2所示。图3.2 晶振电路3.3 电源电路设计灯光驱动电路是整个系统中硬件电路的关键，他决定着整个系统的工作性能。单片机正常工作电压为5V，因此设计的电源电路主要是提供单片机工作电压。在这个电路中采用了三端集成稳压器W7812和W7805，可以输出5V的直流电压以供给单片机。图3.3是为单片机提供电压的电源电路。图3.3 电源电路W7812和W7805系列为三端正稳压电路，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。工作原理：电源部分是将220V的交流电源通过变压器转换为12V交流电，经桥式整流后由电解电容C1进行滤波，滤波后并联一个电容C2，再接入7812稳压器的输入端。7812的输出端分两路输出，一路为主电路提供12V的电源；另一路并接电容C3，接入7805稳压器的输入端，7805的输出端也并接电容C4，为主电路提供5V电源。电源模块电路中变压器T1选用型号为EI41X20功率6W的220V转12V单组变压器，220V交流电经变压器变压后转换为12V电压。四只整流管选用IN4001-IN4007之间均可。经桥式整流后滤波电容C1两端电压为,该电压是具有一定的纹波的直流电。经过滤波电容C1滤波除去纹波电压后输出电压为,即输入7812输入端的电压为14.4V。7805的输入电压是从7812的输出端并接电阻引入的，所以7805的输入电压为12V,这个输入电压有些偏大。不过考虑到7812的输出电流小于500mA（变压器功率为6W，7812输出端电流约为500mA），7805的发热量也并不算太大，所以这个12V的输入电压仍属于可以接受的。在实际应用中7812和7805常常组合在一起使用。大多数在电流不是很大的场合两者可以直接串并接。在7812前并接了电容C2，这个小容量电容是旁路电容，其主要作用是抑制电路中的可能产生的自激振荡。同时这个电容也具有滤波的作用，7812的内部也是非线性器件，一定也会有谐波的出现，所以在输出端还是要再经过滤波才可以的。旁路电容不一定要用贴片电容，什么电容都是可以的。7805前后并接的C3 C4和C2功能是一样的，都是为了防止电路自激合并起滤波作用的。稳压器前后并接电容的大小选择方面只要满足输入端的电容容值大于输出端即可。3.4 数据采集电路设计采集光照强度的任务在仿真电路中主要通过光敏电阻实现。光敏电阻的重要特性是它的阻值大小随着环境光的改变而改变，当环境光比较强时，它的阻值减小，相反当环境光较弱时，它的阻值就会增大，这是跟它本身的制作材料有关的。本文的智能节能台灯设计也是利用了光敏电阻的这一特性，用它来感应环境光的强度。若是环境光较强的时候，比如白天时，光敏电阻的阻值就很小，传感器信号处理电路会根据它的阻值进行相应的处理；相反当环境光较弱的时候，比如晚上或者阴天时，它的电阻值就会变大。所以光敏电阻对环境光的检测在电路中也很重要。对光敏电阻要求很高，要对环境光比较敏感，及时把信号传送到信号处理检测电路。光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。光敏电阻器受光照时的电阻值称为亮电阻，一般为0.5-20千欧；没有光照时的电阻称为暗电阻，阻值一般为1-100兆欧。响应时间表示光敏电阻器对光照反应速度的大小，有上升反应时间和下降反映时间，时间常数越小，说明光敏电阻器反映迅速及动态特性越好。光强采集电路如图3.4所示。图3.4 光强采集电路3.5 模数电路设计A/D转换的作用是进行模数转换，把接收到的模拟信号转换成数字信号输出。在选择A/D转换时，先要确定A/D转换精度、转换速度以及转换位数等，A/D转换的位数确定与整个测量控制系统所需测量控制的范围和精度有关，在多功能台灯控制系统中采用了8位A/D转换器ADC0804。与单片机的连接方式如图3.5所示。图3.5 ADC0804与单片机的连接ADC0804的工作原理：VIN(+)和VIN(-)是差动模拟信号的输入端。输入电压VIN=VIN(+)-VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地。A/D转换器片内有D/A转换和电压比较器。首先向片内D/A输入1000 0000，若电压比较器VINVN(VN为片内D/A转换的输出，VIN为A/D转换器的输入电压)。8位寄存器的首位置1（若VINVN则寄存器第二位置1（若VINVN,则寄存器第三位置1（若VINVN,则写0）；依次下去直到寄存器第八位赋值结束，控制逻辑检测到比较放大器进行8次后，EOC输入信号，让A/D转换器将结果通过锁存缓存器输出至D0-D7.转换状态：首先确保片选信号CS处于低电平（只有CS低电平转换器才会工作），在ADC0804转换期间，INTR处于高电平，当WR赋予一个低脉冲信号时，转换器开始转换，经过一段时间（该时间长短与转换器有关）的工作后，转换结束。不工作时，WR处于高电平，只有给与其一个低脉冲后，才开始转换。数据读取状态:同样确保片选信号CS处于低电平，转换器转换结束后，INTR将由转换器自动清零（若不用中断处理AD转换器，IN角可以不接），用单片机给RD低电平（RD控制转换器内部的锁存器，若不给RD电平，将无法输出转换结果）后，我们可以将转换结果从AD的D0-D7引脚读走。（WR低脉冲信号时，要等待一段时间后才能开始读取）。3.6 灯光电路设计本设计LED光源采用相互并联方式，共有8只5mm高亮度小功率的灯珠组成。每只LED灯珠的压降大约为3.1V,工作电流约为50mA。由白光LED的正向伏安特性可知，当LED端电压超过其导通电压后，较小的电压波动都会导致工作电流的剧烈变化，从而影响LED的正常使用，固LED宜采用三极管驱动方式。该驱动适用于绿色照明LED灯的驱动电路，具有应用电路非常简洁的优点。通过8050三极管的基极，可以方便的进行晶闸管调光方案。由于调光是直接改变流过LED电流的大小来实现亮度调节。除了亮度会改变以外，也会影响白光的质量，即不同电流下发出的白光存在色偏。并利用人眼的视觉残留效应，当LED亮暗变化频率大于120Hz时，人眼就不会感觉到闪烁，而看到的是LED的平均亮度。这样调光优势是LED正向导通的电流是恒定的，LED的色度就不会像模拟调光时产生变化。脉冲信号由单片机P1.2产生，其高低电平决定LED的通断状态。将定时器T1溢出中断定为1/2500秒（400us），每四次脉冲作为一个周期，即频率为625hz。这样，在1/625秒的周期中，通过改变输出脉冲的个数，从而实现LED灯的四级亮度调节，即LED亮度等级由每个周期内的高电平脉冲数目决定。当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，即为三极管的截止状态。当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并且当基极的电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不再怎么变化，此时三极管失去电流放大作用，集电极和发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态，即为三极管的导通状态。当高电平脉冲个数为1时，亮度最低；当高电平脉冲个数为4时，亮度最强。当输入电压为5V时，A/D输出为FFH，即输入电压=AD数据*（5/255）=AD数据/（255/5）=AD数据/51，公共端从最低位是P2.0,最高位是P2.3，电压变化与LED亮度变化关系表如表3所示。灯光电路如图3.6所示。表3 各数值变化量关系电压（V）AD输出灯珠点亮情况0511111 111111021111 110021531111 000032041100 000042550000 0000图3.6 灯光显示电路3.7 报警电路设计在单片机应用系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来警示，供操作人员参考。但对于某些特殊状态，就像台灯系统一样，灯光的警示并不明显，我们进行鸣音报警。我采用的是单频音报警。实现单频音报警的电路比较简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，当在蜂鸣器两引脚上加上3-15V直流工作电压，就能产生3KHz左右的蜂鸣震荡音响，压电式蜂鸣器结构简单、耗电少，更适用于在单片机系统中应用。压电式蜂鸣器，约需10mA驱动电流，可在某端口接上一只三极管和电阻组成的驱动电路来驱动。当人体过于靠近台灯时，热释电红外传感器感受到人体信号就时就会输出一个感应信号，该感应信号经三极管Q2输出，三极管相当于一个开关作用。当P3.0输出低电平时，进行报警。报警电路如图3.7所示。图3.7 系统报警电路第4章 系统软件的设计为使程序结构简单，任务明确，易于编写、调试和修改，本系统软件采用模块化程序设计。这样，不仅程序可读性好，而且便于功能扩充。对于使用频繁的子程序，可以建立子程序库，便于多个模块调用，从而加快了软件设计进度。根据课题的要求，程序设计的总体思路是分为主程序和各个模块子程序两大部分。主程序主要实现数模转换、光强采集以及报警（代替控制设备电路）等功能分别在子程序中实现。4.1 主程序设计主程序设计给出了设计的总体框架，是整个系统软件设计的核心，它明确的阐明了系统软件设计的步骤。其流程图如图4.1所示。开始调用AD转换子程序调用灯光显示子程序调用判断人体信号子程序调用矫正坐姿子程序图4.1 总流程图 4.2 AD转换子程序AD转换器的主要作用是将采集到的光照强度进行模数转换和信号输入。首先要启动AD转换器，允许进行AD转换，WR由低变高时进行转换，查询转换结束产生INTR信号停止转换，然后对转换后数据结果进行读取，把数据存储到ad data中，停止读取数据。这一部分流程图如图4.2所示。启动ADAD开始转换转换是否结束NY读取转换数据结果把数据存到ad-data中返回主程序停止转换图4.2 AD转换子程序流程图4.3 可调亮度子程序的设计当输入电压为5V时，A/D输出为FFH，即输入电压=AD数据*（5/255）=AD数据/（255/5）=AD数据/51，数码管A-H接在P3口，公共端最低位是P2.0，最高位是P2.3。如果电压为0V即AD小于等于51，四位数码管为0xff；如果电压为1V即AD小于等于102时，四位数码管显示为0xfc；如果电压为2V即AD小于等于153时，四位数码管显示为0xf0；如果电压为3V即AD小于等于204时，四位数码管显示为0xc0；如果电压为4V即AD小于等于255时，四位数码管显示为0x00。这一部分流程图如图4.3所示。开始Y没有点亮00ad-data=255返回灯点亮一级c0读取AD数据ad-dataad-data=51灯点亮四级Nad-data=102NY灯点亮三级0-7ad-data=153灯点亮两级00ad-data=204YYYNN图4.3 数据处理与显示子程序流程图4.4 矫正坐姿子程序的设计启动AD，对AD数据进行读取并显示。如果检测到人不在，则进行一个5s的延时。若人在，一次对人体三个不同部分进行检测，先对头进行检测，若头超出设定范围则进行报警；若头在规定范围内，则对肩进行检测，若肩不在规定范围内则进行报警；最后对肘进行检测，若肘不在规定范围内，则进行报警。这一部分程序流程图如图4.4所示。N肘是否在范围头是否在范围内开始Y肩是否在范围YNNY报警返回主程序图4.4 报警子电路程序流程图第5章 系统的调试单片机的硬件调试和软件调试是分不开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件调试则是无从做起。硬件电路板焊接完成后，进行联机仿真调试。5.1 系统硬件电路的调试首先应该排除逻辑故障。这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或信号电路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。然后排出失效的元器件。造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已经坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格、和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排出错误。最后排查电源故障。在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC和GND之间电位，若在4.85V之间属于正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。在调试过程中遇到了这几个问题：上电后，电源指示灯不亮，各点电位为零，用万用表检测后发现电源插座出现虚焊现象，重新焊接后，接入电源指示灯亮，各点电位正常；还有当用示波器检测30脚，发现没有时钟频率出输出，仔细分析发现30脚没有接高电平；5.2 系统软件仿真的调试根据本系统的硬件原理在proteus里连好原理图进行仿真，在Keil uVision3里编译生成的hex文件导入STC89C52芯片进行系统调试。首先，分模块（主要对A/D转换模块、数据处理与显示模块、报警模块）进