毕业设计（论文）-红外人体感应开关电路的设计.pdf

毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目红外人体感应开关电路的设计学生姓名刘燕学号1213024049所在学院物理与电信工程学院专业班级通信工程专业1202班指导教师吴燕完成地点物理与电信工程学院通信工程实验室2016年06月05日I红外线人体感应开关电路的设计红外线人体感应开关电路的设计刘燕（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业1202班陕西汉中723003）指导教师：吴燕摘要红外线人体感应开关电路由红外传感器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。人体发射的红外线经过菲涅尔滤光片增强后聚集到采用热释电元件制成的红外感应源上，感应头在接收到人体红外辐射温度发生变化时经检验处理即可产生光照信号。当开关电路在需要照明的环境下，距离感应开关4-5m的地方，一旦有人体经过，开关电路接通并点亮照明用具，持续8s左右熄灭。美中不足的是，感应头一经遮挡就无法正常工作。关键词热释电；红外感应器；菲涅尔透镜IIThedesignofinductionswitchwithinfraredrayofhumanbodyLiuYan(Grade2012Class2MajorofCommunicationEngineeringSchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnologyHanzhong723003Shaanxi)Tutor:：WuYanAbstract：InfraredsensorswitchcircuitbytheinfraredsensormicroprocessorcontrolcircuitLEDcontrolcircuitandassociatedcontrolandmanagementsoftware.HumaninfraredraysemittedthroughtheFresnelfilterinfraredsensorstogatherenhancedsourcepyroelectricelementmadeofinductionheadslosechargebalanceuponreceiptofinfraredradiationtemperaturechangestotheoutwardchargefollow-upICintegratedcircuitistogeneratethelightsignalinspectionprocess.Whenaddingthesensortothecontrolcircuitworkingenvironmentinthelightofweakintensityenvironment4-5mplaceproximityswitchinductivesourcereceivesinfraredsignalsemittedbythehumanbodythroughthehumanbodyandcircuitswitchedpointbrightlightingapplianceslastsabout8sextinguished.Theresultsshowthatintheneedinglightconditionsthisswitchcanbeaconvenientstopstartflyintheointmentisblockedbyasensorheadwillnotworkproperly.KeyWords:PyroelectricinfraredsensorFresnellenIII目录1.引言.12.硬件系统分析与设计.22.1方案论证与选择.22.2红外传感器.22.2.1人体红外线传感器的基本结构和原理.22.2.2红外线传感器的优缺点.52.2.3人体感应模块电路.52.3STC89C52单片机最小系统.62.4LCD1602显示屏.82.5红外人体感应开关系统电路.103.软件系统设计.123.1软件开发环境的介绍.123.1.1KeilVision4介绍.123.1.2Proteus软件介绍.123.2程序设计.133.3系统软件测试.144.电路制作与调试.164.1电路制作.164.1.1电子电路的静电保护.164.1.2元件的焊接.164.2电路调试.165.总结与展望.18致谢.19参考文献.20附录A英文文献原文.21附录B英文文献译文.27附录C红外人体感应开关电路源程序.33附录D元器件清单.37陕西理工学院毕业设计第1页共38页1.引言随着现代化的发展，工业、农业、商业、教育等等行业的用电量都大幅度增加，在这种情况下电能的浪费成为人们普遍关注的问题。一个优秀的照明系统不仅可以提升照明环境的品质，还要做到充分利用和节约能源。目前功能型开关在人们的生产和生活中起着重要作用，市面上各类自动断电开关和声控开关应用比较广泛，但是随着人们对生态环境的重视，这些开关电路已经不能满足人们的需要，这就要求更加节能和环保的自动照明控制产品的出现，以满足人们对高质量生活的需求。目前关于来电断电开关的研究涉及主要两个方面：一是直接利用开关的串并联关系再加上继电器的作用实现停电后来电自动断电功能，该方案成本较低，但是开关体积较大二是运用数字电路进行编程实现自动断电，开关性能稳定，体积较小，但成本较高。国内外对红外感应开关的研究比较成熟，一般采用BISS0001、CSC9803等芯片来处理接收的红外感应信号，这些芯片功能强大但芯片管脚较多，外围电路接法比较复杂。虽然以上两种开关在国内都已经有了一些相关的发明专利，但目前尚没出现将两种功能结合的节能开关。于是我们设计出了一种集上述两种开关功能于一身的红外线来电断电自动节能开关，利用继电器实现来电断电功能，并用STC89C52芯片处理红外感应信号，使得开关体积较小、成本较低；填补国内在这一领域的空白，响应节能号召。这种开关可以用在学生寝室、家庭等场所。用热释电红外探头并对探头接收到的微弱信号加以放大，然后驱动继电器，可以制成热释电人体感应开关。它可应用于电灯的节能自动开关、自动门、安全防护、防盗等设备中。人体会发射特定波长红外线.用专门设计的传感器就可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为10m左右的红外辐射敏感，人体都有恒定的体温，一般在37度，会发射10um左右的特定波长红外线，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。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。人体是一特定波长红外线的发射体，由红外传感器检测到这种红外线的变化并予以放大选频处理后，可以推动适当的负载，此乃人体红外自动开关。这一检测技术较之超声、哑声、微波方式更为灵敏与准确。它要求PIR热释电人体红外传感器的信号放大处理电路有很高的灵敏度并要能准确鉴别生物体与非生物体的运动，使误动作率降到最低。且体积小，自耗电微少。采用热释电红外传感器及专用单片集成电路构成的这种开关能成为人到灯亮、人走灯灭。它安装方便，可直接替换面板式开关，无需改动市电线路。陕西理工学院毕业设计第2页共38页2.硬件系统分析与设计2.1方案论证与选择2.1方案论证与选择方案一：可以利用电路构成被动红外线感应报警器。系统主要有红外线传感器、信号放大电路、电压比较器、开机延时、照明系统和5V电源电路组成。被动红外线感应报警器的红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生光照信号。方案二：基于单片机的红外感应开关电路，该方案模块划分为数据采集、单片机控制、照明等子模块。红外线人体感应开关电路由红外传感器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。此单片机的红外感应灯特点是用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定、照明等功能。方案三：利用模拟电子电路可以构成主动红外入侵报警器。此报警电路主要由发射机和接收机组成，发射机是由电源、发光源和光学系统组成。接收机是由光学系统、放大器、信号处理器等部分组成。主动红外报警器是当有人体入侵该警戒线时，红外线光束被遮挡住，接收机收到的红外信号发生变化，获得这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。目前此类报警器有二光束、三光束还有多光束的红外栅栏等。通过比较由于方案一成本昂贵，方案三的主动式红外线报警器的硬件电路相比于方案二而言较为复杂。综上所述选择方案二：由模拟电子电路构成人体红外线感应报警器电路。红外线人体感应开关电路由红外传感器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。组成框图如图2.1：图2.1红外人体感应电路组成框图2.2红外传感器2.2红外传感器2.2.1人体红外线传感器的基本结构和原理2.2.1人体红外线传感器的基本结构和原理最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛，下面结合几个实例，简单介绍一下人体热释电红外传感器和应用。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。热释电人体红外线传感器（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。热释电效应同压电效应类似，是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在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产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在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会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=0，则传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。由实验证明，传感器不加光学透镜(也称菲涅尔透镜)，其检测距离小于2m，而加上光学透镜后，其检测距离可大于7m。1.热释电效应陕西理工学院毕业设计第3页共38页当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。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，图2.2表示了热释电效应形成的原理。能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。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。热释电红外传感器的结构及内部电路见图2.3所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。图2.3热释电红外传感器的结构及内部电路图对不同的传感器来说，敏感单元的制造材料有所不同。如，SD02的敏感单元由锆钛酸铅制成；P2288由LiTaO3制成。这些材料再做成很薄的薄片，每一片薄片相对的两面各引出一根电极，在图2.2热释电效应的形成原理图陕西理工学院毕业设计第4页共38页电极两端则形成一个等效的小电容，例P1、P2。因为这两个小电容是做在同一硅晶片上的，而它们形成的等效小电容能自身产生极化，极化的结果是，在电容的两端产生极性相反的正、负电荷。但这两个电容的极性是相反串联的。这正是传感器的独特设计之处，因而使得它具有独特的抗干扰性。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。当环境温度变化而引起传感器本身的温度发生变化时，因P1、P2做在同一硅晶片上的，它所产生的极性相反、能量相等的光电流在回路中仍然相互抵消，传感器无输出。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。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；它可以抵抗可见光和大部分红外线的干扰。热释电人体红外线传感器的主要电参数，见表2.1。表2.1热释电人体红外线传感器的主要电参数名称主要参数辅助参数电源电压源极电压源极阻抗电平衡频率响应响应波长工作温度2.210.0V0.32.0V47K10%Max0.330Hz7.514um-10+50。C0.32.0VId=643uA12db（Max）平均大于70%2.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mT=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。C，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。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。3.菲涅尔透镜菲涅尔透镜是根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器(PIR)灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区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，这样PIR就能产生变化电信号。不使用菲涅尔透镜时传感器的探测半径不足2米，只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。配上菲涅尔透镜时传感器的探测半径可达到10米。例如，一些传感器对远在20米处快陕西理工学院毕业设计第5页共38页速行驶的汽车里的人体也能可靠地检测到。菲涅尔透镜采用塑料片制作而成。图3.3为它的平面图。从图中可以看出，透镜在水平方向上分寸成3个部分，每一部分在竖直方向上又等分成若干不同的区域。最上面部分的每一等份为一个透镜单元，它们由一个个同心圆构成，同心圆圆心在透镜单元内。中间和下半部分的每一等份也为分别一个透镜单元，同样由同心圆构成，但同心圆圆心不在透镜单元内。当光线通过这些透镜单元后，就会形成明暗相间的可见区和盲区。由于每一个透镜单元只有一个很小的视角，视角内为可见区，视角外为盲区。任何两个相邻透镜单元之间均以一个盲区和可见区相间隔，它们断续而不重叠和交叉，当把透镜放在传感器正前方的适当位置时，运动的人体一旦出现在透镜的前方，人体辐射出的红外线通过透镜后在传感器上形成不断交替变化的阴影区（盲区）和明亮区（可见区），使传感器表面的温度不断发生变化，从而输出电信号。也可以这样理解，人体在检测区内活动时，一离开一个透镜单元的视场，又会立即进入另一个透镜单元的视场，（因为相邻透镜单元之间相隔很近），传感器上就出现随人体移动的盲区和可见区，导致传感器的温度变化，而输出电信号。菲涅尔透镜不仅可以形成可见区和盲区，还有聚焦作用，其焦点一般为5厘米左右，实际应用时，应根据实际情况或资料提供的说明调整菲涅尔透镜与传感器之间的距离，一般把透镜固定在传感器正前方15厘米的地方。菲涅尔透镜一般采用聚乙烯塑料片制成，颜色为乳白色或黑色，呈半透明状，但对波长为10um左右的红外线来说却是透明的。2.2.2红外线传感器的优缺点2.2.2红外线传感器的优缺点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：（1）信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；（2）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；（3）易受射频辐射的干扰；（4）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；（5）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。抗干扰性能：（1）防小动物干扰探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生光照。（2）抗灯光干扰探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生光照。红外线热释电传感器的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室内，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：（1）红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。（2）红外线热释电传感器远离空调冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。（3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。（4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。2.2.3人体感应模块电路2.2.3人体感应模块电路红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，是人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比红光波长更长的光叫红外线，比紫光光波长更短的光叫紫外线。红外线简介，其波长比可见光长的电磁波，波长在1毫米到770纳米之间，在光谱上位于红色光外侧。具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。透陕西理工学院毕业设计第6页共38页过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗等方面有广泛的用途。俗称红外光。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过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。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等。人体感应模块电路如下图2.4所示：图2.4人体感应模块电路图2.3STC89C52单片机最小系统2.3STC89C52单片机最小系统系统采用STC89C52单片机作为微处理器。STC89C52与MCS-51系列单片机完全兼容，它采用静态时钟方式，可以大大节省耗电量。STC89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，功能强大的STC89C52单片机已经应用于较复杂的系统控制场合。STC89C52有40个引脚4，32个外部双向输入输出（IO）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，STC89C52可按照常规方法进行编程，亦可在线编程6。其将通用之微处理器及Flash存储器结合，特别是可反复擦写的FLASH存储器可有效降低开发成本。STC89S52及STC89C52之别，在于C及S，C表示需用并行编程器下载（接线多且复杂），S表示可支持ISP下载，可在89S52系统板上面预留ISP下载接口STC89C52引脚如图2.5所示实物图如图2.6。STC89C52的主要性能和参数：（1）与MCS-51单片机完全兼容的指令和引脚排列以及工作特性。（2）片内程序存储器内含8K可重复擦写的Flash程序存储器。（3）片内数据存储器内含256字节的RAM。（4）3个可编程的16位计数器(定时器)和32个可编程IO口线。（5）串行口是具有一个全双工的可编程的串行通信口。（6）中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个优先权的中断机构。（7）低功耗模式有空闲模式和掉电模式。（8）编程频率是3-24MH编程启动电流是1mA。（9）STC89C52的工作电压为5V。陕西理工学院毕业设计第7页共38页图2.5C52单片机引脚图其中，各引脚的功能为：（1）主电源引脚VCC（40脚），接5V电源正端；GND（20脚），接5V电源地端；（2）外接晶体或外部振荡器引脚XTAL1（19脚），接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚），接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此管脚接外部振荡器的输出端。（3）控制信号线RESET（9脚），复位信号输入端，复位掉电时内部RAM的备用电源输入端。ALE（30脚），地址锁存允许编程脉冲输入，用ALE锁存从P0口输出的低8位地址。在对片内EPROM编程时，编程脉冲由此输入。PSEN（29脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。EA（31脚）访问外部存储器允许编程电压输入。EA为高电平时，访问内部存储器；低电平时，访问外部存储器。（4）多功能IO口引脚8052单片机设有4个双向IO口（P0、P1、P2、P3），每一组IO口线都可以独立地用作输入或输出口，其中：P0口（3239脚）双向口（三态），可作为输入输出口，可驱动8个LSTTL门电路。实际应用中常作为分时使用的地址数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口，先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出9。P1口（18脚）准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。用作输入线时，锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。P2口（2128脚）准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。可作为输入输出口，实际应用中一般作为地址总线的高8位，与P0口一起组成16地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。P3口（1017脚）准双向口（三态），可驱动4个LSTTL门电路。双功能口，作为第一陕西理工学院毕业设计第8页共38页功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途。图2.6C52单片机实物图单片机最小系统说的通熟易懂的话就是以最少的元器件组成能让单片机工作起来的系统，接下来开始介绍52单片机最小系统必备的器件及其作用。首先电源这对于一个电子产品的话是必不可少，它提供能源给系统运作，在本设计中由于52单片机的工作电压在4.5-5.5V之间都可以正常工作所以我们采用了USB电源线连接手机充电器插头或者5V的移动电源给系统进行供电。其次晶振电路，晶振电路包括两个33PF的电容，分别是C1和C2，以及12M的晶振X1。电容在这里的作用是起振，能够帮助晶振更好地起振。最基本的电路的构成如图2.7所示。图2.7单片机最小系统1、电源电路：向单片机供电。单片机电源：52单片机的工作电压范围：4.0V5.5V，所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为VCC(40脚）：接电源+5V端；VSS(20脚）：接电源地端。2、时钟电路：单片机工作的时间基准，决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度。AT89S52单片机时钟频率范围：012MHz。3、复位电路：确定单片机工作的起始状态，完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”。2.4LCD1602显示屏2.4LCD1602显示屏液晶显示器简称LCD显示器，它是利用液晶经过处理后能改变光线的传输方向的特性显示信息陕西理工学院毕业设计第9页共38页的。液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单片机应用系统中得到了日益广泛的应用。液晶显示器按其功能可分为三类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果。字符型液晶显示器模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等的点阵式液晶显示模块。它是由若干个57或511等点阵符位组成的，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。点阵字符位之间有一定点距的间隔，这样就起到了字符间距和行距的作用。要使用点阵型LCD显示器，必须有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD显示器进行扫描、驱动，以及一定空间的ROM和RAM来存储写入的命令和显示字符的点阵。现在往往将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器连接在一起，称为液晶显示模块LCM。使用时只要向LCM送入相应的命令和数据就可以实现显示所需的信息。目前市场上常用的有16字1行、16字2行、20字2行和40字2行等的字符液晶显示模块。这些LCM虽然显示字符数各不相同，但是都具有相同的输入输出界面。本文将介绍162字符型液晶显示模块CA1602A的应用。FYLCD1602A字符型液晶显示模块为环保型液晶显示模块，是专门用于显示字母、数字元、符号等的点阵型液晶显示模块。分4位和8位数据传输方式。提供57点阵+游标的显示模式。提供显示数据缓冲区DDRAM、字符发生器CGROM和字符CGRAM可以使用CGRAM来存储自己定义的最多8个58点阵的图形字符的字模数据。提供了丰富的指令设置：清显示；游标回原点；显示开关；游标开关；显示字符闪烁；游标移位；显示移位元等。提供内部上电自动复位电路，当外加电源电压超过+4.5V时，自动对模块进行初始化操作，将模块设置为默认的显示工作状态。FYLCD1602A字符型液晶显示模块是2行16字的57点阵图形字符的液晶显示器，它的外观形状如图2.8。图2.8FYLCD1602A的外观FYLCD1602A采用标准的16脚接口，各引脚情况如表2.2所示：表2.2FYLCD1602引脚说明PinNo.SymbolIODescription1VSS电源负端（0V）2VDD电源正端（+5V）3V0LCD驱动电压输入端4RSI指令数据选择信号5RWI读写选择信号6EI使能信号7D0IO数据08D1IO数据19D2IO数据210D3IO数据3陕西理工学院毕业设计第10页共38页11D4IO数据412D5IO数据513D6IO数据614D7IO数据715ALED+(5V)16KLED-(0V)LCD控制器HD44780内有多个寄存器，通过RS和RW引脚共同决定选择哪一个寄存器，选择情况见表2.3。表2.3HD44780内部寄存器选择表RSRW寄存器及操作LL指令寄存器写入LH忙标志和地址计数器读出HL数据寄存器写入HH数据寄存器读出总共有11条指令，它们的格式和功能如下表2.4：表2.4控制命令表序号指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回00000000013置输入模式00000001ID04显示开关控制0000001DCS5光标或字符移位000001SCRLB6置功能00001DLNF7置字符发生存储器地址0001字符发生存储器地址8置数据发生存储器地址001显示数据发生存储器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。LCD使用之前须对它进行初始化8，初始化可以通过复位完成，也可以在复位后完成，初始化过程如下：（1）清屏。（2）功能设置。（3）开关显示设置。（4）输入方式设置。2.5红外人体感应开关系统电路2.5红外人体感应开关系统电路该电路由红外传感器、单片机控制电路、LED控制电路及相关的控制管理软件组成。STC89C52是专为热释电红外传感器（PIR）配套设计的集成电路，采用CMOS工艺制造，具有性能指标高、一陕西理工学院毕业设计第11页共38页致性好、功耗低、外围电路简单、安装调试方便、工作可靠性高等优点。红外感应开关系统电路如图2.9所示。XTAL218XTAL119ALE30EA31PSEN29RST9P0.0AD039P0.1AD138P0.2AD237P0.3AD336P0.4AD435P0.5AD534P0.6AD633P0.7AD732P1.0T21P1.1T2EXSS2P1.2ECI3P1.3CEX04P1.4CEX15P1.5CEX2MISO6P1.6CEX3SCK7P1.7CEX4MOSI8P3.0RXD10P3.1TXD11P3.2INT012P3.3INT113P3.4T014P3.7RD17P3.6WR16P3.5T115P2.7A1528P2.0A821P2.1A922P2.2A1023P2.3A1124P2.4A1225P2.5A1326P2.6A1427RP2AT89C51RC2RP3CRYSTALRP41nFRP51nFD714D613D512D411D310D29D18D07E6RW5RS4VSS1VDD2VEE3RP9LM016L234567891RP8RESPACK-8CS1CH02CH13GND4VCC8CLK7DI5DO6U1ADC0832R15K12LDR2TORCH_LDRQ1PNPRL1PCJ-105D3MHD1LED-BLUE图2.9中，R2为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R2的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。RL1是工作方式选择开关，当RL1连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当RL1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。Q1可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。试验时要在暗室里进行，在距离感应头2-3m的地方身体有动作时，灯会被点亮，持续一定时间后会自动熄灭。图2.9红外感应开关系统电路图陕西理工学院毕业设计第12页共38页3.软件系统设计3.1软件开发环境的介绍3.1软件开发环境的介绍3.1.1KeilVision4介绍3.1.1KeilVision4介绍本设计采用KeilVision4进行编程实现。KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令人事半功倍。开发界面如图3.1所示。图3.1开发界面截图Keil优点：KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。3.1.2Proteus软件介绍软件介绍Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC101216182430DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus界面截图如图3.2所示：Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：multisim）的功能。这些功能是：1原理布图2PCB自动或人工布线3SPICE电路仿真。革命性的特点：1互动的电路仿真：用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，ADDA，部分SPI器件，部分IIC器件。2仿真处理器及其外围电路可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境.陕西理工学院毕业设计第13页共38页图3.2Proteus界面截图3.2程序设计程序设计函数的开头一般都是先对单片机和一些外围器件需要进行初始化才能正常使用的器件进行初始化和重新赋值一些变量，初始化完后进去死循环，如果不进入死循环程序运行一次就会退出，如果加入死循环程序就会不断地进行循环达到实时检测执行的目的。在主程序的设计中需要注意的是主函数中不宜放过多的代码，具体的代码一般都是采用函数进行封装然后在主函数进行调用，这样也可以方便阅读修改。具体流程图如下3.3所示，图中所示1602为显示器。详细程序见附录C。图3.3主函数流程图陕西理工学院毕业设计第14页共38页3.3系统软件测试系统软件测试测试所需的工具：KEIL软件、系统硬件、PL2303下载器等。系统的软件方面通过KEIL软件进行编写，将编写好的程序生成.HEX文件后通过PL2303下载器下载到单片机中。通过观察整个系统运行的状态，然后进行反复的修改调试程序，最终得到一个完善的程序。编译界面如图3.4所示，下载界面如图3.5所示：图3.4编译界面截图图3.5下载界面截图在系统软件调试上主要遇到如下问题：在向LCD1602液晶发送清屏指令的时候，LCD1602并未成功的清楚屏幕。解决方法：通过查阅LCD1602的使用手册，得到清屏的指令的确是0 x01和程序上写的完全相同，而却显示屏可以显示出内容这表明程序发送指令是没有错误的，但是显示并未清屏。于是怀疑是否发送了清屏指令后里面进去下一个内容的显示，而LCD1602的处理速度不够，所以并未正真的陕西理工学院毕业设计第15页共38页执行清屏指令。通过添加40ms的延时后，重新下载进程序后发现清屏指令被执行了。通过仔细的阅读手册发现，LCD1602清屏的确需要1.64ms的执行时间，最终程序采用了4ms的延时。展示运行结果如图所示3.6，当光照强度为128以下即51时，触发感应器，继电器开关闭合，电路中的照明灯点亮。XTAL2