吴耿泽—多功能智能台灯-5.15-ok.doc

多功能智能台灯广州大学市政技术学院机械制造与自动化 吴耿泽 指导教师 曾宝莹摘要： 单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，台灯已是千家万户的必需生活用品，当夜晚来临时，人们摸黑去开灯，非常不方便，而当离开时，人们又经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。本文设计制作了一种智能台灯，主要是以红外热释电处理芯片BISS0001和单片机组成的红外传感控制电路。其原理是：以人体红外辐射为传感信号，当人体在台灯的范围内时，自动感应开灯，省去黑夜摸灯的麻烦；当人离开台灯传感器检测范围，自动感应关灯。其特点是自动开关灯，节约能源。关键词：单片机；热释电红外传感器；智能台灯；节能ABSTRACT: Microcontroller penetrated into every field of our lives, almost hard to find which areas no traces of single-chip microcomputer, the desk lamp is families necessary articles for daily use, when the night comes, people go to turn on the light dark, very inconvenient, and when to leave, people often forget to turn off the lights and cause huge waste of energy.This article design an intelligent lamp, mainly based on the infrared pyroelectric processing chip BISS0001 and infrared sensor control circuit composed of single chip microcomputer. Its principle is: to the human body infrared radiation (wavelength of 9.5 um) as the sensing signal, when the body within the scope of the desk lamp, automatic induction lights, saves on the night to touch lamp; When people leave the table lamp sensor detection range, automatic sensor to turn off the lights. Its characteristic is automatically open to turn off the lights, energy saving.Key Words： Microcomputer;PIR Intelligent;Table lamp;Energy Saving目录前 言61 智能台灯与单片机71.1研究背景71.2研究的意义81.2.1在节约电能方面的意义81.3课题的发展现状91.3.1单片机的发展现状91.3.2台灯的发展现状101.4研究内容102 STC12C5A60S2系列单片机的介绍112.1 STC12C5A60S2系列单片机的概述112.1.2引脚功能说明133 传感器的选择及功能介绍143.1热释电红外传感器143.1.1概述143.1.2热释电红外传感器工作原理153.1.3热释电红外传感器的优缺点163.1.4热释电红外传感器的抗干扰性能163.1.5热释电红外传感器的应用前景163.2菲涅尔透镜163.2.1概述163.2.2菲涅尔透镜的工作原理173.2.3 感应范围173.2.4菲涅尔透镜的优点174 硬件电路设计及原理184.1单片机最小系统184.2人体热释电电路. .194.2.1BISS0001的管脚结构和工作原理204.2.2由BISS0001构成的人体红外感应模块214.2.3 人体红外模块与单片机的电路244.3 数码管驱动电路245 软件程序设计245.1总体程序框图245.2单片机程序24结论29参考文献：29致谢30 前 言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。同时，智能台灯在黑暗的时候自动开关灯的功能也让使用者使用起来更方便，省去黑暗摸灯的麻烦。所以我们认为家居生活的发展方向是：应用简单可靠的系统，通过高智能的精准控制和协同，让生活变得更简单更舒适更节约。基于这一理念我们推出了人工智能台灯,它不仅能照亮你的居室，还能照亮通往未来家庭的路。它不仅是一个消费品，更是家庭云系统中的一员,当然它更是一种健康绿色的理念。1 智能台灯与单片机1.1研究背景社会在不断进步，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，同时，智能台灯在黑暗的时候自动开关灯的功能也让使用者使用起来更方便，省去黑暗摸灯的麻烦。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。台灯不仅在功能上日趋向智能化，同时在外观上已逐步向组合化、装饰化、情趣化方向发展。组合化是随着人们生活节奏的加快，一些方便实用、新颖、美观的组合台灯正在市场上兴起，有闹钟与台灯组合的，有小型取暖器与台灯组合的，有微型电讯与台灯组合的，还有把笔架、文具盒、像片框与台灯组合的等等，使台灯更具有实用性。装饰化，装饰化台灯注重装饰效果，体现鲜明的艺术特色，使台灯成为一件具有实用性的艺术品。由于这些台灯不但具有现代工艺性，而且式样多变，工艺精湛，造型也别具匠心。质料上不再是单一塑料制品，还采用不锈钢、铜、玻璃等材料制成，风格各异。有乳白、橘黄、草绿、玫瑰红、湖绿等颜色，消费者可按房间装饰风格及家具风格来选购不同款式、质料的台灯，使台灯与室内布置形成一个完善的艺术整体。情趣化，情趣化台灯往往以小巧玲珑、想象丰富等特点而颇受青少年青睐。基于以上背景，我们提出了基于单片机的智能台灯的设计。1.2研究的意义1.2.1在节约电能方面的意义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M，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。智能节能台灯最大的优点就是省电和方便。方便不用多说了，来之则亮去之则暗，不用动手。省电是比较重要的，现在全世界都缺少电能。2003年，美国和加拿大大面积停电。我国也是，每到夏天就有很多省市拉闸限电。如果用上我们的智能台灯，那么假设一天我们可以节省10min 的开灯时间，灯上装的是10W的节能灯泡（一个10W的节能灯泡相当于40W的白炽灯泡）。节省的电能为10W600s = 6000J ，一个月（30天）就能节省180000J，一年就能节省2190000J的电能，相当于0.6千瓦时。不要小看这个0.6千瓦时的电能。如果全国人都能每年节省0.6千瓦时的电能，那么每年全国会省下7.8亿千瓦时的电能，这7.8亿千瓦时的电能相当节省接近4亿人民币，4亿人民币可以建造多少所希望小学，可以救助多少无家可归的孤儿，可以圆多少贫穷的孩子无法圆的上学梦啊！更重要作用的是环境保护。大家都知道我国有70%的电能来自火力发电厂，而火力发电厂少发一度电（就是1千瓦时）会减少1千克的CO2排放。那么节省3.9亿度的电能就等于少向大气排放39万吨的CO2 ，而CO2是温室效应的罪魁祸首。就是因为全球向大气排入过多的CO2，导致了温室效应的加剧，海平面上升，大片的土地被淹没，气候变暖，降水和土壤湿度进一步减少，气候逐渐干旱，土地沙漠化和草原退化将变的更加严重。智能节能台灯在节约电能的同时也保护了自然环境，一举两得。1.3课题的发展现状单片机在本次智能节能台灯设计中是主要控制单元，主要控制电路灯光控制电路是在单片机的控制下工作。下面就介绍一下智能节能台灯的大脑，单片机的发展状况以及在各个领域中的实际应用。在对其熟悉的基础上对它进行合理的利用。1.3.1单片机的发展现状微型计算机即单片机，1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列单片机，它以等特点，赢得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段。其后，在MCS-48成功的刺激下，许多半导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。到80年代末，世界各地已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，其中包括Motorola公司的6801，6802，Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501，6502等，此外，日本的NEC公司，日立公司等也不甘落后，相继推出了各自的单片机品种。尽管目前单片机的品种很多，但是我国使用最多的是Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51系列是在MCS-48的基础上在上世纪八十年代初发展起来的，虽然它是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。此外，它还具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因此应用愈加广泛，直到现在，MCS-51仍不失为单片机的主流系列。继8位单片机之后，又出现了16位单片机，1983年Intel公司推出的MCS-96系列处理器。单片机就是其中的典型代表。与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且在其它性能方面也有很大的提高，特别是芯片内还增加了一个4路或8路的10位A/D转换器，使其具有A/D转换的功能。纵观单片机近30年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路简单化以及片内存储器容量增加的方向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了32位单片机，但使用的并不多。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特点。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。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。1.3.2台灯的发展现状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。一般的节能台灯都是在灯泡上做研究，尽量使用节能灯具，可以把白炽灯泡换成LED的节能型灯泡。近年来随着绿色照明概念的提出，研制新型的环保节能台灯成为当务之急。目前已有专业人员研发出半导体环保节能台灯，将半导体LED用于室内照明。这是一款实用新型的台灯，由于以发光二极管为光源，再配以专门设计的外形结构，可极大限度地利用光的效率，给人以温馨或者恬静的感觉，特别适用于家庭、宾馆以及办公室等环境的工作、学习、休息等照明与装饰的需要，由于基本消除了频闪，使得灯光对视力保健更有效果，同时，还具有节省电能的效能。实用新型台灯提供的光线照度均匀、无闪烁，并且产品使用寿命长、省电、反应速度快、环保、防爆、冷光源、安全性高，适合一般的工作、学习、居住等。相信随着科技的发展，未来的照明光源将以环保节能的半导体发光器件为主，更易控制和实现多功能化和智能化。1.4研究内容随着智能化技术的飞速发展，智能化家用电器的日益普及，作为千家万户日常使用的家用小电器-智能节能台灯也应运而生。智能台灯是利用单片机的本文设计是选择了STC12C5A60S2系列单片机作为控制芯片。将硬件设计分为传感器及信号处理部分、以STC12C5A60S2系列单片机组成的中央处理单元。对各部分功能作用予以详细说明。软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。本文各章节内容如下：本文第一章阐述了结合了单片机的智能化技术在家用电器领域中的应用，详细介绍了智能节能台灯研究的意义及未来台灯的发展趋势。第二章对中央控制单元做了详细的介绍，选择了STC12C5A60S2系列单片机作为控制器，对其功能、特性做了详细说明。第三章对传感器的概念及其特性进行简单的介绍，对本文设计用到的热释电红外传感器的工作原理及其特性进行详细的说明。第四章对智能节能台灯的硬件进行设计，划分成为传感器信号处理，单片机最小系统，分别设计出电路结构，并说明其功能作用。第五章介绍了智能节能台灯的软件设计，根据硬件结构，先画出总的程序框图，结合台灯设计需要的效果，用C语言编出程序。2 STC12C5A60S2系列单片机的介绍2.1 STC12C5A60S2系列单片机的概述2.1.1主要功能特性及芯片图 STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。高速：1 个时钟/ 机器周期，增强型8051 内核，速度比普通8051 快812 倍宽电压：5.53.3V，2.23.6V（STC12LE5A60S2 系列）增加第二复位功能脚（高可靠复位，可调整复位门槛电压，频率12MHz 时，无需此功能）增加外部掉电检测电路,可在掉电时,及时将数据保存进EEPROM,正常工作时无需操作EEPROM低功耗设计：空闲模式，（可由任意一个中断唤醒）低功耗设计：掉电模式（可由外部中断唤醒），可支持下降沿/上升沿和远程唤醒工作频率：035MHz，相当于普通8051：0420MHz时钟：外部晶体或内部RC 振荡器可选，在ISP 下载编程用户程序时设置 8/16/20/32/40/48/52/56/60/62K 字节片内Flash 程序存储器，擦写次数10 万次以上 1280 字节片内RAM 数据存储器芯片内EEPROM 功能,擦写次数10 万次以上 ISP / IAP，在系统可编程/ 在应用可编程,无需编程器/ 仿真器 8 通道,10 位高速ADC，速度可达25 万次/ 秒,2 路PWM 还可当2 路D/A 使用 2 通道捕获/ 比较单元（PWM/PCA/CCP），也可用来再实现2 个定时器或2 个外部中断（支持上升沿/ 下降沿中断） 4 个16 位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1,2 路PCA 实现2 个定时器可编程时钟输出功能，T0 在P3.4 输出时钟，T1 在P3.5 输出时钟,BRT 在P1.0 输出时钟硬件看门狗（W D T ）高速SPI 串行通信端口全双工异步串行口(UART),兼容普通8051 的串口先进的指令集结构，兼容普通8051 指令集，有硬件乘法/ 除法指令通用I/O 口（36/40/44 个），复位后为： 准双向口/ 弱上拉（普通8051 传统I/O 口）可设置成四种模式：准双向口/ 弱上拉，推挽/ 强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏每个I/O 口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过100mA。图2-1 STC12C5A60S2管脚图2.1.2引脚功能说明 P0.0 P0.7 : P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。P1.1/ADC1 : 标准I/O口PORT11 、ADC 输入通道-1.P1.2/ADC2/ECI/RxD2 : ADC 输入通道-2、PCA计数器的外部脉冲输入脚、第二串口数据接收端P1.3/ADC3/CCP0/TxD2 : 标准I/O口 PORT13 、ADC 输入通道-3 、外部信号捕获(频率测量或当外部中断使用)、高速脉冲输出及脉宽调制输出、第二串口数据发送端P1.4/ADC4/CCP1/SS : 标准I/O口 PORT14 、ADC 输入通道-4 、外部信号捕获(频率测量或当外部中断使用）、高速脉冲输出及脉宽调制输出、SPI同步串行接口的从机选择信号P1.5/ADC5/MOSI : 标准I/O口 PORT15 、ADC 输入通道-5 、SPI同步串行接口的主出从入(主器件的输出和从器件的输入) P1.6/ADC6/MISO : 标准I/O口 PORT16 、ADC 输入通道-6 、SPI同步串行接口的主入从出(主器件的输入和从器件的输出) P1.7/ADC7/SCLK : 标准I/O口 PORT17、ADC 输入通道-7 、SPI同步串行接口的时钟信号P2.0 P2.7 : P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用(A8 A15)。P3.0/RXD : 串口1数据接收端P3.1/TXD : 串口1数据发送端P3.2/INT0 : 外部中断0,下降沿中断或低电平中断P3.3/INT1 : 外部中断1,下降沿中断或低电平中断P3.4/T0/INT/CLKOUT0 : 定时器/计数器0的外部输入 定时器0下降沿中断 定时器/计数器0的时钟输出P3.5/T1/INT/CLKOUT1 : 定时器/计数器1的外部输入 定时器1下降沿中断 定时器/计数器1的时钟输出P3.6/WR : 外部数据存储器写脉冲P3.7/RD : 外部数据存储器读脉冲P4.4/NA : 标准I/O口 PORT44 P4.5/ALE : 地址锁存允许P4.6/EX_LVD/RST2 : 外部低压检测中断/比较器 、第二复位功能脚P4.7/RST : 复位脚XTAL1 : 内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端XTAL2 : 内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。VCC : 电源正极GND : 电源负极，接地3 传感器的选择及功能介绍3.1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5-7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。下面开始详细介绍热释电红外传感器的工作原理以及工作特性。3.1.1概述图3-1 热释电红外传感器实物图图3-2 热释电红外传感器内部电路图3.1.2热释电红外传感器工作原理 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。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。3.1.3热释电红外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：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。3.1.4热释电红外传感器的抗干扰性能（1）防止小动物干扰：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，一般不产生报警。（2）抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。（3）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，不产生报警。3.1.5热释电红外传感器的应用前景随着相关信号处理器性能和可靠性的不断提高，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，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎，广泛应用于各种自动化控制装置中，既可作为红外激光的一种较理想的探测器，又可适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。除了在众所周知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。3.2菲涅尔透镜 3.2.1概述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。下面介绍一下菲涅尔透镜的组成结构及工作原理。图3-3 菲涅尔透镜实物图3.2.2菲涅尔透镜的工作原理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。3.2.3 感应范围图3-4 菲涅尔透镜的感应范围3.2.4菲涅尔透镜的优点菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是PIR（被动红外线探测器）。PIR广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值），成本很低。4 硬件电路设计及原理4.1单片机最小系统单片机最小系统或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。 51系列单片机的最小系统包括: 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等。输入/输出设备单片机复位电路时钟电路电路电源图4-1 单片机最小系统框图复位电路:由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变的性质,可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定.典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以,适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。时钟电路:典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇,方便定时操作)。依据上文的内容，设计STC12C5A60S2系列单片机最小系统，见下图图4-2 STC12C5A60S2系列单片机最小系统4.2人体热释电电路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。BISS0001是一款高性能的被动式热释电红外线传感信号处理器. 它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。BISS0001是一款具有较高性能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被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。图4-3 BISS0001实物图4.2.1BISS0001的管脚结构和工作原理图4-4 BISS0001引脚图BISS0001引脚功能：引脚1 (A) :可重复触发和不可重复触发选择端. 当设为“1”时,允许重复触发;反之,不可重复触发.引脚2 (VO ) :控制信号输出端. 由有效触发的上跳变沿触发,使VO 输出从低电平跳变到高电平视为有效触发. 在输出延迟时间外和无有效触发时, VO保持低电平.引脚3、4 (RR1、RC1) : 输出延迟时间Tx 调节端.引脚5、6 (RC1、RR2 ) : 触发封锁时间Ti 调节端.引脚11、7 (VDD、VSS ) :工作电源正、负端.引脚8 (VRF /RESET) : 参考电压及复位输入端. 通常接VDD ,当接“0”时,可使定时器复位.引脚9 (VC ) :触发禁止端. 当VC 0. 2VDD时,禁止触发;反之,允许触发.引脚10 ( IB ) :运算放大器偏置电流设置端端.引脚13、12 ( 2 IN - 、2 OUT) :第2级运算放大器反向输入端、输出.引脚14、15、16 (1 IN +、1 IN - 、1 OUT) :第1级运算放大器同向输入端、反向输入端、输出端.4.2.2由BISS0001构成的人体红外感应模块图4-5 HC-SR501人体感应模块图4-6 BISS0001的热释电红外开关 电气参数如下表所示:表4-1 电气参数电气参数HC-SR501 人体感应模块工作电压范围DC 4.5-20V静态电流50uA电平输出高3.3 V /低0V触发方式L 不可重复触发/H 重复触发延时时间5S(默认)可制作范围零点几秒-几十分钟封锁时间2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒电路板外形尺寸32mm*24mm感应角度100 度锥角感应距离5-7 米以内工作温度-15-+70 度感应透镜尺寸直径:23mm(默认) 功能特点:1. 全自动感应:人进入其感应范围则输出高电平， 人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。2. 光敏控制：可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。温度补偿可作一定的性能补偿。3. 两种触发方式：（可跳线选择）a.不可重复触发方式:即感应输出高电平后，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平；b.可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，其输出将一直保持高电平，直到人离开后才延时将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点)。4. 具有感应封锁时间(默认设置:无封锁时间)：感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。此功能可以实现“感应输出时间”和“封锁时间”两者的间隔工作，可应用于间隔探测产品；同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。(此时间可设置在零点几秒几十秒钟)。5. 工作电压范围宽：默认工作电压DC4.5V-20V。4.2.3 人体红外模块与单片机的电路图4-7 人体红外模块与单片机的电路4.3 数码管驱动的仿真图4-8 总体仿真电路5 软件程序设计5.1总体程序框图信号处理电路单片机AT89C51热释电红外传感器数码管不亮无人数码管亮并计时有人5.2单片机程序#include#define N 10#define uint unsigned int#define uchar unsigned charvoid delay(int z);uint h=0,tt=0,min=0,s=0;uchar code table=0x7e,0x0c,0xb6,0x9e,0xcc,0xda,0xfa,0x0e,0xfe,0xde,0x80;sbit beep=P10;sbit duan=P26;sbit wei=P27;void main() TMOD=0x01; EA=1; ET0=1; TH0=0x3C; TL0=0xB0;/ 设置定时器的初值 duan=0; wei=0; while(1) if(beep=1)/是否有按键 TR0=1;/无按键不启动 else/有按键启动 TR0=0;/开定时器 wei=1; P0=0xff; wei=0; while(beep=0);/等待按键松口 wei=1; P0=0xfe;/段选0 wei=0; duan=1; P0=tableh/10;/显示小时的高位 duan=0;