台灯亮度自动调节电路的设计毕业论文.doc

毕业设计（论文）题 目台灯亮度自动调节电路的设计 系 （院）光电工程系专 业电子信息科学与技术班 级2010级1班学生姓名钱戎华学 号1014080215指导教师李志远职 称讲师二一四年六月十八日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一四年六月十八日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一四年六月十八日滨州学院本科毕业设计（论文）台灯亮度自动调节电路的设计摘 要台灯是人们在生活中用来照明的一种常用的家用电器，但是有人会经常忘记关灯从而造成非常巨大的能源浪费。而且在夜晚时人们需要摸黑去开灯，十分不便。今台灯种类样式繁多，灯泡分为：白炽灯，荧光灯，节能灯，LED灯。多以开关控制，还有触控式，亮度可调式，甚至声控。本设计以节约、智能控制为主，综合运用热释电红外传感器、BISS0001集成芯片和光检测等技术，运用人体红外感应开关来替换台灯的自动开关，实现智能控制，由BISS0001集成芯片和热释电红外传感器RE200B构成感应开关。设计了一种多功能智能LED台灯。该台灯拥有智能开关和自动调光等功能，实现了对台灯的亮度调节的智能控制。用LED作为光源，体积小、重量轻、亮度高、能耗低、寿命长、安全性高、色纯度高、方向性好、维护成本低、环保无污染。LED寿命一般为10万个小时，是白炽灯的100倍，荧光灯的10倍。关键词：自动控制；智能开关；传感器IDesign of Desk Lamp Brightness Automatically Adjust AbstractDesk lamp is used for lighting in life a kind of commonly used household appliances, but people will often forget to turn off the lights is causing enormous energy waste. And people need to turn on the light dark at night, very inconvenient. This desk lamp type style is various, the light bulb is divided into: incandescent lamp, fluorescent lamp, energy-saving lamps, LED lights. How to switch control, and touch, brightness is adjust table, and even voice control. This design is given priority to with saving, intelligent control, the integrated use of pyroelectric infrared sensor, BISS0001 integrated chips and optical detection technology, designed a multi-functional intelligent LED desk lamp. The desk lamp has functions such as intelligent switch and automatic adjusting, realize the intelligent control to adjust the brightness of the lamp. Use LED as light source, small volume, light weight, high brightness, low power consumption, long life, high safety, high color purity and good directivity, low maintenance cost, environmental protection, no pollution. LED life generally for 100000 hours, 100 times that of incandescent lamp, fluorescent lamp 10 times.Keywords: auto-control;smart switch; sensor II目 录第一章 系统总体设计方案11.1 设计背景11.2 设计目标11.3 总体设计21.4 系统主要硬件的选择31.4.1 主控芯片的选择31.4.2 热释电传感器信号处理芯片31.4.3 热释电红外传感器41.4.4 光敏电阻4第二章 硬件系统的设计62.1 单片机最小系统的设计62.2 电源模块的设计72.3 检测电路的设计82.4 热释电传感器电路的设计92.5 信号放大电路的设计10第三章 软件程序的设计113.1 主程序的设计11第四章 系统仿真测试134.1 仿真测试方法134.2 仿真测试过程13结 论16参考文献17谢 辞18i第一章 系统总体设计方案1.1 设计背景 LED被认为是21世纪的照明光源。LED是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，可控制好、无辐射，同样亮度下，LED能耗为白炽灯的10，荧光灯的50。LED寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。随着能源紧缺、电价越来越高、环保要求及LED的光效的提高,用LED替代现在台灯普遍使用的白炽灯或荧光灯，环保无污染。另外，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达8090%，并且传统的台灯中的光源体使用的是交流电，所以每秒钟会产生100120次的频闪。LED灯使用直流电驱动，不会产生闪烁现象，保护眼睛，可以获得“柔和”的灯光环境。 另外一个情况是现在我国约30%的人患有近视。近年来，我国的近视率已上升为全球第二，仅次于日本，但近视的总人数确是全球第一。引起近视的主要原因是用眼不健康，如用连续用眼时间过长，看书，学习时的坐姿不正确等。近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途的照明器具的开发，加快绿色、节能光源的产品的开发推广和应用时我国目前照明器材行业结构调整的重点。有关智能台灯的研究目前已经比较成熟，并且部分款式已经投入生产。早期的智能台灯有1995年发明的新颖感应式台灯，通过用手接近台灯来控制亮灭和改变亮度。但其感应范围小，严格意义上仍不算自动调光。随后出现了一批声控、光控，红外感应等方式进行自动开关的台灯。感应范围也扩大到整个房间甚至更远。可控硅的应用使得台灯亮度自动调节得到真正实现。不过可控硅一般用在220V交流电路，台灯灯泡选用普通白炽灯泡。LED台灯的智能开关方面和普通智能台灯没用什么区别，基本上也是采用声控、光控、红外感应等各种形式。在亮度调节方面，由于LED需要恒流驱动，限制了可控硅的使用，大多智能台灯采用了PWM技术，用单片机控制输出占空比来控制LED灯的亮度，来实现对台灯亮度的自动调节。1.2 设计目标台灯亮度自动调节电路主要目的是设计一款智能型LED台灯，并能实现具有智能亮度调节功能和开关控制功能。本设计要求台灯亮度会随着环境光线强度自动进行调节，当环境光线过弱时则会增强台灯的亮度，当环境光线过强时则会降低台灯的亮度，即在一定范围内改变台灯亮度来控制环境光线的强弱，使人眼始终处在一个合适的光照范围内，可以起到保护视力的作用。还要求实现当人离开后，台灯会延时一段时间后再熄灭。当有人靠近台灯一定范围时台灯会自动点亮。并且要求在白天等光线充足的情况下无论人是否接近台灯都不会发光。1.3 总体设计图1.1为系统结构图：电源模块单片机AT89S52 BISS0001集成芯片热释电红外传感器光敏电阻亮度调节模块定值电阻光敏电阻图1.1 系统结构图本设计以BISS0001集成芯片为核心，运用人体红外感应开关来替换台灯的自动开关，实现智能控制，由BISS0001集成芯片和热释电红外传感器RE200B构成感应开关1。当人体接近热释电红外传感器时，传感器会因感应到人体发出的红外信号而输出一个感应信号，信号经放大器BISS0001放大后，给单片机AT89S52一个外部中断信号，使台灯逐渐点亮；然后用单片机定时器延时点亮一段时间，如果在延时点亮这段时间内单片机再次接收到热释红外给的外部中断信号，立即从新开始点亮的延时，这样就做到了有人在使用台灯时台灯持续亮着；当人离开，在点亮延时这段时间内单片机没有再次接收到热释红外给的外部中断信号，点亮延时这段时间过后，台灯就会渐渐熄灭。实现了人来灯亮人走灯灭的功能。再将定值电阻和光敏电阻串联分压，进而改变三极管基极电压，实现LED灯亮度的自动调节。1.4 系统主要硬件的选择1.4.1 主控芯片的选择根据多方面的比较，本设计选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制器。AT89S52是一个CMOS类的8位单片机，具有低功耗，高性能等特点。其芯片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，是采用ATMEL公司的非易失性、高密度存储技术制造的器件，优势在于它可以兼容80C51引脚结构及标准MCS-51指令系统。此外，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。AT89S52独特的优势、强大的功能、较高的性价比，使它在许多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）口，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器2。1.4.2 热释电传感器信号处理芯片BISS0001是一种性能较高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热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、LED灯等装置，可用于台灯亮度自动调节系统。BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器和封锁时间定时器即参考电压等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。BISS0001集成IC有两种工作方式：可重复触发工作方式和不可重复触发工作方式，分别由管脚1的输入电平决定3。当管脚1接低电平时，A=0,BISS0001集成IC处于不可重复触发工作状态。当管脚1接高电平时，A=1,BISS0001集成IC处于可重复触发工作状态。1.4.3 热释电红外传感器 热释电红外传感器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件。主要是由一种高热电系数的材料，如钽酸锂、锆钛酸铅系陶瓷、硫酸三甘钛等制成，尺寸为2*1mm的探测元件。是以非接触的形式，检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出4。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如电源开关控制。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高,减少干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。热释电红外传感器多用于检测物体发射的红外线，为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020m范围内人的行动。 热释电红外感应器的优缺点：优点：（1）器件功耗非常小； （2）热释电传感器本身不发出任何辐射； （3）隐蔽性好，价格低廉。缺点：（1）环境温度和人体温度接近时，传感器灵敏度明显下降，有时甚至造成短暂失灵； （2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被抵挡，不易被探头接收；（3） 容易受到各种热源、光源干扰。容易受到射频干扰。1.4.4 光敏电阻 光敏电阻器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）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是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。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。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。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。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体光敏电阻原理图及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。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复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换6。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。第二章 硬件系统的设计2.1 单片机最小系统的设计AT89S52单片机最小系统如图2.1所示，主要包括：复位电路：AT89S52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。2复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用12MHz时C取22uF,R取1K。 时钟电路：本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2MHz到12MHz之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择12MHz,电容选择65pF 7 。 直流电源，为系统的运行所需供电。在实际中，可以选择有主用电源和备用电源。当主用电源有故障时，如意外停电，备用电源工作，为系统供电。主电源可以用一般家用电源，备用电源的选择较灵活，可以用生活中广泛应用的蓄电池。图2.1 AT89S52单片机最小系统图 2.2 电源模块的设计 如图2.2所示，电源模块主要分为：一个桥式整流滤波电路和7812/7805配以少量电容组成。220V交流电源经变压器T1后变换为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330F的电容C2，再接入7812稳压器的输入端。7812的输出端并联一个0.1F的小电容C3后分两路输出：一路为主电路提供+12V的电源；另一路并接一个330F的电容C4，接入7805稳压器的输入端，7805输出端也并接一个0.1F的小电容C5，为主电路提供+5V电源。图2.2 电源模块电路图2.3 检测电路的设计是否有人需要使用台灯检测单元主要由D203B热释电红外线传感器和信号处理芯片BISS0001组成。红热释电红外传感器只对波长为10m（人体辐射红外线波长）左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，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8。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号9。当外界光强较强时，光敏电阻阻值很小，BISS0001检测到低电平，从而封锁14脚，禁止传感器PIR的信号。当外界光强较弱时，光敏电阻阻值很大，BISS0001检测到低电平，开启14脚，这样就省去了单片机的处理过程。传感器PIR检测到人体信号时，产生微弱的信号输出，经R14、R15、R2、C9、C10、C11组成的信号放大滤波电路。R18、R19、C13和C14组成的延时电路。信号经处理后从2脚输出。自动识别用户及环境光强电路如图2.3所示： 图2.3 自动识别用户及环境光强电路2.4 热释电传感器电路的设计 热释电红外传感器电路部分如2.4所示：图2.4 热释电红外传感器电路热释电红外传感器RE200B采用+5V稳压源供电。其的输出信号电压十分微弱，通常为10-20mV。输出信号频率为0.1Hz-10Hz。图中R1为热释电传感器RE200B的源极电阻（又称灵敏度调节电阻），其作用是调整热释电红外传感器的灵敏度。R1的阻值常常选用47K的电阻。电容C6的作用是滤除热释电红外传感器输出信号中高频干扰部分，通常选用0.1uF的电容。在实际应用中，常常会出现传感器不灵敏的情况至经常出现误触发了提高热释电红外传感器感受红外线的灵敏度，通常要在热释电红外传感器前加装配套的抛物面形或半球形的菲涅耳透镜。对C6，R1进行调整。一般做法是在C6后面再并接一个0.01uF的小电容提高滤波质量，或者把R1换成4.7 K的电阻。也可以把R1改为电位器来灵活调整热释电传感器的灵敏度。2.5 信号放大电路的设计信号放大电路部分的电路图如图2.5所示：图2.5 信号放大电路由图可知，该部分信号放大电路由两个运算放大器组成。其中第一级放大电路由R7、R8、C9，C10组成。第二级放大电路由R5、R6、C7，C8组成。第一级放大电路即运算放大器OP1是传感信号的预处理电路。其作用是将热释电红外传感器输入的传感信号进行放大，然后耦合给运算放大器OP2。R7,R8的作用是决定运算放大器OP1的电压增益。R7选1M的电阻，R8选47K的电阻，C9选0.1uF的小电容，C10选47uF的电解电容。第三章 软件程序的设计3.1 主程序的设计该系统的工作软件主要完成以下功能：信号输入模块实现相应传感器信号输入单片机数据通道，在控制系统软件中，将热释电红外探测器和光强度探测的信号经BISS0001处理后输出的信号作为单片机的外部中断信号，由此产生决定台灯开关的开关信号，另外将环境光强数据A/D转换，然后作为系统调节亮度的控制信号编码输出到系统的输出模块，达到控制LED发光亮度的目的，实现智能照明的目的。如图3.1是一种系统最基本的实现方案的流程图。控制方案的流程图，流程经过初始化以后，判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无人。如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定要求。若照度满足要求，继续返回灭灯程序；若不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路。流程图如下：图3.1 主程序初始化流程图本系统设计流程是先判断是否有人，如果无人，不论环境光照是否满足，灯都不会开；如果有人，再判断光照是否满足，在光照满足的条件下，则不会开灯，反之则开灯。灯光的调节由定值电阻和光敏电阻串联分压，进而改变三极管基极电压，来实现LED灯亮度的自动调节。第四章 系统仿真测试4.1 仿真测试方法本次调试采用Proteus软件仿真，Proteus软件不仅具有其它EDA工具软件（例multisim）的功能，及原理布图、PCB自动或人工布线 、SPICE电路仿真，还有互动的电路仿真、仿真处理器及其外围电路的独有特点，而且有智能原理图设计（ISIS）模块、完善的电路仿真功能（Prospice）模块、独特的单片机协同仿真功能（VSM）模块、实用的PCB设计平台11 。4.2 仿真测试过程因为在Proteus的元器件库中没有硬件设计中用到的主控部件的芯片AT89S52、BISS0001集成芯片及热释电红外传感器，所以无法直接调用这些器件进行仿真。采用如下方法：AT89S52与单片机MCS-51产品兼容，只不过AT89S52相对而言多了ISP功能，在仿真测试时可用AT89C51代替AT89S52；省去数码管驱动芯片ICM7218A，将四位的7段数码管换成如图所示的两个数码管；用滑动变阻器代替传感器，调整相应的滑动变阻器的阻值，相当于改变光照亮度。仿真测试过程：在Proteus环境下绘制好仿真原理图后，调入用Keil软件已编译好的目标代码文件：*.HEX，点击运行按钮，可以在Proteus的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程。点击运行时，按下复位键，系统复位，LED灯不亮，仿真图如图4.1所示：图4.1 灯不亮松开复位键，运行，当有人时，传感器会因感应到人体发出的红外信号而输出一个感应信号，信号经放大器BISS0001放大后，给单片机AT89S52一个信号，在光线不足的时候，改变光敏电阻的阻值，使灯的亮度随光线的强弱变化而改变LED灯的亮度，仿真电路如图4.2所示：图4.2 灯亮当无人时，传感器没有感应到人体发出的红外信号，因此，不论光线是否充足，灯都不会被点亮，仿真电路如图4.3所示：图4.3 灯不亮 结 论设计出了一款亮度自动控制的LED台灯。该系统以AT89S52单片机为核心，通过软件编程与硬件设计相结合，完成了台灯亮度自动控制和智能开关的功能。综合运用热释电红外传感器、BISS0001集成芯片和光检测等技术，运用人体红外感应开关来替换台灯的自动开关，实现智能控制，由BISS0001集成芯片和热释电红外传感器RE200B构成感应开关。完成多功能智能LED台灯设计，当环境光线过弱时则会增强台灯的亮度，当环境光线过强时则会降低台灯的亮度，即在一定范围内改变台灯亮度来控制环境光线的强弱。实现了在光线不足的情况下有人靠近台灯时会自动点亮。但是，由于专业知识有限