声光控制的照明系统设计.doc

编号： 声光控制的照明系统设计题 目： 声光控制的照明系统设计 院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2012年5月 10日29桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第V页 共35页摘 要 我国经济的快速发展，导致电力消费也随之迅速地增长。电力资源已变得越来越紧张。如何节能己成为近年来研究的热点课题。针对我国在城市照明上所存在的巨大的能源消耗以及浪费，本文研究的智能照明节能控制系统正是新型节能控制系统。以AT89S52 单片机为核心,提出一种用热释电红外传感器和光照检测相结合以及一种用声音传感器和关照检测相结合的智能照明控制系统。通过对光线的强弱和检测是否有人，判断自动实现照明开关,进而达到节能的目的。本文主要讨论了智能节能控制系统的整体构思、设计方案，同时还介绍了硬件实施的系统设计、工作原理，详细分析了以89S5l为主控单元的硬件电路设计。实验表明，声光控制的照明节能控制系统可明显的提高照明的用电效率，节约电力能源。在节约能源和电力资源合理利用的今天，本系统有着十分广阔的社会和商业前景。关键字：节能控制；单片机；照明控制；声音传感器；热释电红外传感器Abstract With the rapid development of the Chinese economy, Power consumption is then rapid growth. Electric power resource has become resources shortage. Electric power resource has become very scanty. Hence, how to economize energy sources and reduce wastage has become a hot problem researched in recent years. The main feature is combining the SCR Power Conversion and Intelligent ontrol System modules. As the core to AT89C52, a project of intelligent-illuminating control combined pyroelectric infrared transducer with illumination detection and a project of intelligent-illuminating control combined sound transducer with illumination detection are provided. In the Projection, an auto-switch light is realized by judging the power of optical line and the existence of human body indoor, to achieve the purpose of energy saving. Verified by experiment, the projects are feasible and have some value. We discuss the concept of the intelligent system of energy-saving and controlling street lamp, and introduce the system design of the installation, operation. We detailed analysis the hardware circuit design with a control unit of 89s51, and its electrical connection.Experiments show that the intelligent system of energy-saving and controlling lighting can significantly improved the system lightings electricity efficiency and improved the rate factor in energy.Nowadays, while is conservation and rational utilization of power resources, the device has a very broad social and business prospects.Key words: Energy-saving and controlling; single chip computer; illumination control; sound transducer; pyroelectric infrared transducer目 录引言11设计要求及构思11.1设计要求11.2设计构思22设计方案分析与选择32.1光传感器方案的选择32.1.1光传感器的选择32.1.2 方案的选择42.2声传感器方案的选择42.2.2 声传感器的选择42.2.3 方案的选择52.3热释电人体红外感应方案的选择52.4智能控制器的选择53硬件电路分析及其原理63.1单片机控制电路63.1.1引脚说明63.1.2单片机控制电路图83.2光照检测电路93.3声音检测电路93.3.1 信号放大电路103.3.2 选频网络113.3.3 A/D转换电路123.4热释电人体红外检测模块123.4.1 biss0001芯片介绍123.4.2 热释电人体红外检测模块电路图164系统软件设计175系统软硬件的制作与调试185.1硬件的制作185.2调试方案195.3硬件电路的调试195.3.1独立元件的检查195.3.2 光照检测电路的检测195.3.2声音检测电路的检测205.3.3 热释电人体红外检测电路的检测205.3.3控制电路和显示电路的调试215.4软件调试216数据记录及分析216.1光照检测电路的数据记录与分析216.2声音检测电路的数据记录与分析226.3热释电人体红外检测电路的数据记录与分析227结论238致谢24附 录126附 录228桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第29页 共35页引言 随着全球经济的发展，能源问题己经成为全球最为关注的问题之一。全人类所面临的主要危机是能源危机。特别是我国的电力能源近年来显得十分吃紧，用电关系到我们的日常生产、生活，甚至严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。解决我国用电能源问题，是以开发清洁与可再生能源为最有效的解决出路，同时，从技术进步、结构调整和机制创新等多方面寻找出路。 当今世界上，科学技术的飞速发展带动了各国生产力的大规模提高。日新月异电子信息技术的高速发展也推动了社会跨跃式的进步，由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其显得重要的是电子信息技术的发展和利用。那些曾经不被人们所重视的光、声音以及人体释电等环境因素，如今在电子信息技术上也得到了广泛的应用。尤其是光能更是人们有待开发的具大的能源宝库。实现高度智能化是电子信息技术发展的主要目标，尽量使机器能独立处理各种工作以至不需要人为干预下，达到节约成本和劳动力的目的。声光控制的照明电路也是如此，就像我们所熟知的走道照明电路利用了声学光学电子人体学等原理实现智能化；平常高速公路上的路灯是应用了时间计时控制原理或光学的原理实现其智能化；另一个我们所知的交通系统红绿灯则是采用了电子学中计数器的原理。可见不同的原理和不同电路能够实现的各种各样的智能化功能。本系统采用MSC-51系列单片机89C51和相关传感器检测设备来设计智能化的照明系统。利用单片机的控制功能达到节能、自动控制的目的。同时也方便了工作人员的管理。本系统使用性强、操作简单、扩展功能强。1 设计要求及构思1.1 设计要求 该课题要求设计一种基于单片机的声光控制节能照明系统，系统以MCS-51系列单片机作为核心控制器件，通过传感器采集环境光照、声音和来人信息，再利用信号调理电路实现信号模式转换，并传送到单片机，由单片机控制照明灯的工作状态。具体要求及指标如下：（1）选择合适的传感器采集声、光信息；（2）测量环光照强度，给出不同光照条件下的测试实验数据，确定开启照明灯光照阀值；（3）光照阈值可人工调整，声控照明时长10s或者可调节；（4）能检测环境中的人活动信息；（5）能检测环境声音，要分辨出频率范围2kHz20kHz，声音强度40dB的声音；当环境光照强度低于设定值，或检测到声音信息时，开启照明，否则关闭；系统具有手动和自动控制两种功能。1.2 设计构思根据题目和设计功能要求，系统的整体框图如图1.1所示。图1.1 系统框图系统的实施方案可以分为以下几个步骤：首先对环境中的光源进行检测，将光照强度的变化转化为电信号的变化，再通过信号放大电路将变化的电信号进行放大，只要电信号强度达到一定程度，信号通过A/D转换，再将电压输入给单片机。光照检测电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路处于导通状态下。当照明电路处于导通状态下时，检测环境声音，通过MIC传感器将非电量信号转换成微弱的电信号，再通过信号放大以及A/D转换后，输入到单片机。通过单片机编程，实现对照明电路的控制。同时也可以用热释电红外感应器检测环境中的来人信息，将信号输入到单片机内，以实现对照明电路的控制。系统的每个模块可以有几种不同的实施方案，经过反复比较论证，确定了系统的最终实施方案。各个设计方案的分析和选择的详细介绍将在第二章进行介绍。2 设计方案分析与选择2.1 光传感器方案的选择2.1.1 光传感器的选择在本系统的设计过程中，光照检测是整个系统的总开关。因此必须要选择稳定性强的传感器。日常生活中的光敏器件通常有光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等三种。以下讨论其方案：方案一：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，又称光导管。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件。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,在强光条件下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。因此在设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。方案二：光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管的外型与一般二极管一样，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当有光照时，载流子被激发，产生电子空穴，称为光电载流子，会形成比暗电流大得多的反向电流，该电流称为光电流，此时光敏二极管处于导通状态。同时因为光电流的大小与光照强度成正比，于是就能得到随光照强度变化而变化的电信号。方案三：.光敏三极管和普通三极管相似，还有对电信号放大的功能，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。一般光敏三极管只引出发射极和集电极，基极不引出，为了方便光线入射，管壳同样开窗口。工作时集电结反偏，发射结正偏。光敏三极管具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能，同时光电三极管要比光敏二极管具有更高的灵敏度。综合本系统涉及的光源采集的要求以及上面所描述的各种方案采用光敏电阻即可满足系统需求。光敏电阻和其它半导体光电器件相比有以下特点:(1) 光谱响应范围相当宽.对可见光有较高的响应度。所测光强范围宽。既可测强光也可测弱光；(2) 工作电流大，可达数毫安；(3) 电路设计简单方便；(4) 对光源具有很高的灵敏度。2.1.2 方案的选择方案一：使用光敏器件直接提供给单片机输入信号，并进行相应的后续程序操作；方案二：使用光敏器件和三极管联合驱动的方式，并配合继电器控制高低电平提供给单片机输入传感信号；方案三：使用光敏器件和ua741运放联合驱动方式，并结合三极管和继电器控制提供给单片机输入传感信号。由于方案一提供的输入信号相对来说对环境的要求高，难以实现不符合系统现实生活中的实用性等原则；而方案三不仅能对运放的基值电压进行调整，进而控制调节光敏阀值，还能提供稳定的高低电平。故选取方案三。2.2 声传感器方案的选择 2.2.2 声传感器的选择声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。它用来接收声波，转化为电信号。声音传感器的种类很多，可按各种方式分类：按用途可分为立体声、近讲、无线传声器等。按换能原理可分为电动式、电容式、电磁式、压电式、半导体式传声器;按接收声波的方向性可分为无指向性和有方向性两种，有方向性传声器包括心形指向性、强指向、双指向性等;方案一：选用电容传声器；电容传感器是靠电容量的变化而工作的。它的结构主要由振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻等组成。当膜片受到声波的压力，并随着压力的大小和频率的不同而振动时，膜片极板之间的电容量就发生变化。形成极板上的电荷变化，从而使电路中的电流也跟随着变化，导致负载电阻上的电压输出也发生变化，从而完成了声电转换。电容传声器的优点是频率范围宽、灵敏度高、失真小、音质好。缺点是结构复杂、成本高，多用于高质量的广播、采音、录音、扩音中。方案二：选用无线传声器；无线传声器由传声器、小型无线电发射机和接收机三部分组成。传声器将声音变换成相应的电信号，小型无线电发射机将音频信号调制成无线电波从天线发射出去，再由接收机接收后还原出原来的声音信号。其特点是体积小、使用方便、音质良好、话筒与扩音机间无线、移动自如、且发射功率小，因此被广泛应用在教室、舞台、电视摄制方面。方案三：选用驻极体电容传声器；驻极体电容传声器的工作原理和电容传声器相似，但是驻极体电容传声器是采用一种聚四氟乙烯材料作为振动膜片。而这种材料经特殊电处理后，表面被永久地驻有极化电荷，形成驻极体电容式传声器。这种传感器具有体积小、性能优越、使用方便等特点，被广泛地应用在盒式录音机中作为机内传声器。方案四：选用动圈传声器；动圈传声器是一种声压传声器。它的结构主要由振动膜片、音圈、永义磁铁和升压变压器等组成.当声波入射到膜片上时，膜片带动位于磁场中的线圈一起运动，结果在线圈中产生出正比于声压的电信号。动圈传声器是一种最常用的传声器。动圈传声器结构简单、稳定靠、使用方便、固有噪声小，被广泛用于语言广播和扩声系统中。但缺点是灵敏度低.由于其结构原因.当有外磁场干扰时,容易产生磁感应噪声,其频响和音质也要比电容传声器差一些。综合本系统采集的声音信号是人为所发出以及上文描述，应选用电容式传声器作为声音信息的采集装置。这种装置具有灵敏度高、非线性失真小、频响范围宽的特点，能满足本系统的要求。2.2.3 方案的选择传感器在供电电压为12V的情况下，从传感器采集到的信号只有0100mV，而A/D转换的参考电压是5V，所以在对传感器信号处理之前必须要对信号进行放大。常见的小信号放大方案有以下三种：方案一：采用分立元件构成放大输出电路。分立元件放大电路通常由三极管构成，通过外部阻容元件参数的配合使三极管工作在放大区，从而实现小信号的放大。这种放大电路的突出优点是成本低，但是放大电路复杂，难于调整，且易受各分立元件本身参数的影响。方案二：采用专用的仪表放大器集成芯片。仪表放大器是一种高增益、直流耦合放大器，它具有差分输入、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点，电路简单，调整容易，但是成本较高。方案三：采用高速模拟运算放大器。电路设计灵活，对输出信号的幅度易于控制。相对于专用的仪表放大器价格便宜得多，综合比较，选择方案三。实际设计中采用了集成双运放LM358，它是一种集成双运放，抗干扰能力强，价格便宜，对于这次设计系统来说使用合适方便。2.3 热释电人体红外感应方案的选择方案一：从传感器中采集信号进行小信号放大，再通过A/D转换输入给单片机；方案二：应用热释电红外人体感应芯片biss0001集成电路；比较上述两种方案，采用方案二，有以下优点：稳定，调节方便价格也便宜，适合运用人体红外感应模块的检测。2.4 智能控制器的选择本系统的核心是微处理器。PLC和单片机是常采用的微处理控制器。其中PLC具有抗干扰性能好的特点，适用于需要大量开关控制的场合。但使用PLC需要进行复杂的程序编写，在这方面无论是编写难度、可读性还是可维护性都不尽人意，并且PLC在进行大量数据运算方面存在不少困难。而单片机开发简单方便，在这些方面具有一定优势。同时单片机资源丰富，价格低廉，可以缩短研发时间，降低产品成本。因此，本系统选择单片机作为微处理器。本系统将采用AT89S51单片机作为控制器。优点是算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可以用软件编程实现各种算法和逻辑控制，其还有功耗低、体积小、结构简单，技术成熟和成本低。3 硬件电路分析及其原理整个系统的硬件设计可以分为五大部分：单片机控制电路、光照检测电路、声音检测电路、人体红外检测电路以及灯设备控制电路。3.1 单片机控制电路整个系统的核心是单片机控制电路，完成数据的处理和控制任务。本系统采用的单片机的型号为AT89S51。其内部包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几个单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。AT89S51具有一个全双工串行通信口，能够与其它设备进行的串行数据传送。同时该串行口既可以用作同步移位器，也可以当异步通信收发器。3.1.1引脚说明89S51系列单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，图3.1是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和底线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。图3.1 89S51引脚示意图电源引脚（40、20）：单片机使用的是5V电源，其中40引脚接正极（VCC），20引脚接负极（VSS）或接地（GND）。振荡电路（18、19）；单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振动器，使用晶体振荡器，接18、19脚。这两个脚的定义是：时钟电路引脚（XTAL2）18脚：该脚接外部晶体和微调电容的一段，在89S51内部，它是振荡电路反相反大器的输出端。振荡电路的频率就是固有频率。若采用外部时钟电路，该引脚输入外部脉冲。时钟电路引脚（XTAL1）19脚：该脚接外部晶体和微调电容的另一端，在片内，它是反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。具体如图3.2所示。图3.2 晶振原理图复位引脚（RESET）9脚：复位信号输入端是高电平有效，当此脚保持两个机器周期的高电平，就会执行复位操作功能。此管脚还具有第二功能：即当主电源VCC发生故障，降低到低电平规定值时，自动将5V电源自动接入RST端，为单片机提供备用电源。以保证信息不丢失，电源恢复后，能够恢复正常工作。具体复位电路图如图3.3所示。图3.3 复位电路图EA/VPP引脚（31脚）：访问程序存储器控制信号端（也是外部存储器地址允许输入端）。具体功能如下：当EA引脚接高电平时，CPU访问片内EPROM，并执行内部程序存储器中的指令。但在程序计数器PC的值超过OFFH时，将自动转向片外程序存储器的程序。当EA脚接低电平时，CPU只访问外部EPROM，并执行外部程序存储器中的指令。而不管是否有片内程序存储器。此脚还具有第二功能VPP：是对8751片内固化编程时，作为施加较高编程电压输入端。即：8751烧写内部EPROM时，利用此脚输入21V的烧写电压。PSEN（29脚）：程序存储器允许输入端（也叫外部程序存储器读选通信号端）；在读外部ROM时PSEN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作。ALE（30脚）：地址锁存控制信号端。89S51正常工作时，ALE脚不断向外输出正脉冲信号，频率为振荡器频率的六分之一，CPU访问外部数据存储器时，ALE作为锁存8位地址控制信号。平时不访问外部存储器，ALE也以六分之一的振荡频率固定输出正脉冲。因而，AEL信号可以作为对外部输出时时钟或定时信号。另外还有4个8位并行通讯端口：(1) P0口：8位双向I/O端口（3239引脚），即P0.0-P0.7；(2) P1口：8位双向I/O端口（18引脚），即P1.0-P1.7；(3) P2口：8位双向I/O端口（2128引脚），即P2.0-P2.7；(4) P3口：8位双向I/O端口（1017引脚），即P3.0-P3.7；3.1.2单片机控制电路图单片机控制电路如图3.4所示。图3.4 单片机控制电路图图中有两排数据下载口P1，是用来下载程序数据用的，方便在程序调试过程中，可以将下载线直接接到板子上，这样就免去了每次修改程序时都要拿单片机到下载板上下载的麻烦，使用非常方便。S和S1两个按键是用来设置照明系统的工作模式用的。有自动模式和手动模式两种。自动模式中，通过单片机内部程序控制照明。手动模式中，通过开关来控制照明。LED1用于模拟电灯。3.2 光照检测电路光照检测电路相对比较简单，采用光敏电阻对室内光强进行检测如图3.5所示,由RP2与R光敏电阻的分压值确定光照强度的阈值, 送入比较器 LM741反相输入端, 将R1和R2的分压值接入LM741的同相输入端,连接成一个反相比较器，当光照强度逐渐减弱时, 光敏电阻阻值增大, 输入比较器反相端的电压随之也逐渐减少, 若低于所设阈值则比较器输出反相高电平导通三极管PNP，从而继电器有工作电流流过，产生电磁感应，开关跳变，给单片机输入稳定的高电平。图3.5 光照检测电路图3.3 声音检测电路MIC接收到足够的声强时，电路产生谐振并输出一个微弱脉冲，从而将声音信号转换为电信信号。MIC输出信号是一个非常微弱的信号，为了后续电路能够对声强信号进行处理，必须加入信号放大电路。放大的信号需要选频网络，选出带频为2KHz20KHz的信号，此信号再通过A/D转换电路，输出高低电平输入给单片机。具体的声音检测流程如图3.6所示。图3.6 声音检测流程图3.3.1 信号放大电路信号放大电路采用双运算放大器LM358，LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。如图3.7所示：图3.7 声音检测电路图图3.7中，LM358用于单电源工作模式，3端为小信号正向输入。最后的放大倍数等于；调节滑动变阻器可调整放大倍数；因为本声音检测模块要求声音强度40dB，所以放大倍数至少需要放大100倍。3.3.2 选频网络选频网络是一个带通滤波电路。由图3.8所示.图3.8 带通滤波电路构成示意图信号要求频率范围f在2KHz至20KHz之间；滤波电路在2KHz和20KHz的幅频衰减应当3dB范围内。如图3.8所示，带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较，不难发现低通和高通串联可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止频率大于高通滤波电路的截止频率，两者覆盖的带通就提供了一个带通相应。图3.9所示是一个有源滤波电路，由R1、C1组成低通网络，R2、C2组成高通网络，两者串联就组成了带通滤波电路。R3起到改善滤波效果的作用。LM358运放第二级放大器用作同相比例放大电路，要求电压增益3，电路才能稳定地工作。图3.9 有源二阶滤波电路图下面列出图3.9带通滤波电路的性能参数：通带增益 （3-1） 中心频率 （3-2） 通带宽度 （3-3） 选择性 （3-4） 3.3.3 A/D转换电路本系统采用op07运算放大器做成同向比较器，直接输出高低电平给单片机。如图3.10所示A/D转换电路图。图3.10 A/D转换电路图3.4 热释电人体红外检测模块BISS001是一款常用的传感信号处理器，由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等器件组成。本系统将热释电红外人体传感器和少量的外接元器件配合感应芯片biss0001组成集成电路。构成一个被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各种自动灯光照明和报警系统。3.4.1 biss0001芯片介绍BISS0001的管脚说明如图3.11所示。图3.11 BISS0001管脚图表3.1 BISS0001管脚说明参数表引脚名称I/O功能说明1AI可重复触发和不可重复触发选择端。当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发2VOO控制信号输出端。由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。3RR1-输出延迟时间Tx的调节端4RC1-输出延迟时间Tx的调节端5RC2-触发封锁时间Ti的调节端6RR2-触发封锁时间Ti的调节端7VSS-工作电源负端8VRFI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9VCI触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR0.2VDD)10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端BISS0001 内部框图如图3.12所示。图3.12 BISS0001内部结构图BISS0001 工作原理:BISS0001的内部是一个数模混合专用集成电路，由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等组成。以下图3.13所示的不可重复触发工作方式下的波形来说明其工作过程。 图3.13不可重复触发工作方式的波形图首先，根据实际需要，外部输入信号经过运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号进行第一级放大。然后经过耦合给运算放大器OP2组成的放大电路，再进行第二级信号放大，同时抬高直流电位抬高至VM(0.5VDD)后，通过将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。当A端接低电平（接地）时，电路处于不可重复触发工作方式，即在输出延迟时间Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。图3.14 可重复触发工作方式的波形图上图3.14所示的可重复触发工作方式下的波形。可重复触发工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在输出延迟时间Tx周期内一直保持有效状态。 在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。3.4.2 热释电人体红外检测模块电路图热释电人体红外检测电路如图3.15所示。图3.15 红外检测电路图由图可知，热释红外传感器的输出信号经由运算放大器OP1将作第一级信号放大后，利用C104耦合送出给由运算放大器OP2组成的放大电路进行第二级信号放大，二级放大输出信号送入双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延时时间器，最后能给单片机送入一个输出信号Vo（为高电平）。图中，CDS1是光敏电阻，用于照明控制，用来检测环境光照强度度。若环境较明亮，CDS1的电阻值会降低，使Vc脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs，输出信号Vo为低电平；当环境较为黑暗时，通过检测热释红外传感器的输出信号，再确定输出信号Vo的状态，送入单片机。输出延时时间Tx由外部R13、RT1和CY1的大小调整，值为： （3-5）触发封锁时间Ti由外部的R33和CY2的大少调整，值为： （3-6）本系统的人体红外检测模块的特点：(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) 具有两种触发方式：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成低电平；可重复触发方式：即感应输出高电平后，延时时间段内，如果有人在其感应范围内活动，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成低电平；(3)具有可调的感应封锁时间和可调的触发输出延时时间。4 系统软件设计本系统采用C语言编写程序。C语言能够把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来，一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由，区分大小写。C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。C语言的运算非常灵活，功能十分丰富，运算种类远多于其它程序设计语言。在表达式方面较其它程序语言更为简洁，如自加、自减、逗号运算和三目运算使表达式更为简单。 下图4.1为系统软件设计流程图。图4.1 系统软件设计流程图软件部分的主要任务是完成对光照检测电路和对声音检测电路以及热释电人体红外检测电路的输出信号进行处理。在光照较强时，系统继续只对光照检测电路的输出状态进行检测。知道光照较弱时，系统对声音检测电路的输出状态进行检测或者对热释电人体红外电路的输出状态进行检测。当检测到有声音或者有人时，系统控制照明设备点亮并按设定的时间进行延时。5 系统软硬件的制作与调试5.1 硬件的制作电路设计软件Protel是目前国内最流行的通用CAD软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的CAD工作平台。根据设计好电路使用Protel软件画好原理图，生成网络表后装载到PCB环境中生成需要的PCB。然后经过PCB的打印、转印、腐蚀、钻孔、焊接元器件等步骤完成硬件电路板的制作。5.2 调试方案根据电路原理图、PCB 图把电路板实物做出来后，下一步就是电路板调试。电路板调试是最关键的一步，前面所做的电路设计的成功与否就是在调试步骤里体现的。本系统的调试主要分为硬件调试和软件调试两种。经过电路原理分析设计后，需要制作硬件电路，同时也需要边制作硬件电路边调试。这样更有利于发现硬件链路的问题的以及分析和解决问题，为后面调试做准备，而且不会因为一个小小链路问题而影响整体电路的检查，从而可以节约大量的调试时间。例如当单片机控制模块硬件制作好后，就可以先调试显示程序。首先完成单元功能模块的调试，然后进行系统调试，调试的整体思想和步骤都大同小异。不过整体的系统调试是最重要的一部分，虽然各个模块的调试都通过了，但是系统调试过程中可能会出现新的问题。5.3 硬件电路的调试硬件单元电路制作好后，在上电之前，应该先对各个独立元件进行链路检查，在排除了虚焊、短路、断路等问题后再加电进行电路功能的调试。具体调试过程如下所述：5.3.1 独立元件的检查焊接好的电路板子，在通电调试之前，都必须认真检查电路连线是否有误。通常的检查的方法是按照电路图和PCB图，进行逐级对应检测，目的在于有无短路、断路和虚焊。特别是注意电源是否接错，电源与地是否有短接，集成电路和晶体管的引脚是否接错，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固等。用万用表检测是不是有短路和断路现象。在给系统上电前，首先查看电源输出是否正确，有没有过高或偏低。上电后，用万用表检测各个芯片管脚输出值是不是符合要求，特别是看看芯片有没有出现过热的现象。如果不符合要求，就需要芯片管脚是否焊上。如果芯片发热，就需要马上断电，查看电源是否正确输出以及线路有没有短路。5.3.2 光照检测电路的检测首先用万用表检测光敏电阻在黑暗环境和光照环境中的电阻值的变化，大概从几兆欧姆到几十欧姆。然后检测运放做成的比较器是否正常工作。检测比较器的基电压，然后再检测比较器的输出电压。调节比较器的输入电压，查看输出电压是否正常。接着就是检测三极管的B极和E极电压。调节Vbe至三极管导通，查看继电器是否能正常工作。如果不能，查看继电器的电压是否达到额定的电压。当电路能正常工作了，就检测电路的输出。在黑暗的环境中，电路输出是否是低电平；在日光的环境中，电路输出是否是高电平。5.3.2 声音检测电路的检测在此模块中，运算放大电路是比较重要的部分。因为从传感器采集的信号只有几毫伏到几十毫伏，一定要进行放大，才能进行输出。假如运放做不好，出来的信号差，系统的准确度就会降低，甚至会检测不到信号。运放模块的检查，可以从输入端进行10毫伏的输入，然后检查输出端进行电压测量，看下放大倍数是否符合要求。假如相差太大，那就要进行相关电阻的检查。因为运放的放大倍数是由相关电阻的阻值决定的。另外，调试时可以从放大电路的输入端输入一个毫伏级的电压，在输出端测量输出电压，多测几组数据，看放大倍数是否近似为一个常数，如果几组数据的增益相差较大，则说明放大电路的线形不好，要进行线路和电路的优化，使其满足测量需要。采集信号进过运放之后还需要经过选频网络。为了方便调频，可将低频和高频分开进行调制。先设置输入信号幅度大概在3V左右，频率为中心频率10KHz左右。经过低频网络时，调节电阻，使其在20KHz时下降3db，即幅度下降至0.707倍。然后再接入高频网络，调节电阻，使其在2KHz时下降3db，即幅度下降至0.707倍。通过选频网络后，信号就需要经过第二级放大电路。第二级放大电路是同相比例放大电路，要求电压增益Av3，所以需要调节滑动变阻器，使其放大倍数小于2。通过示波器调节反馈电阻，使其波形正确稳定。最后就是op07做成的比较器进行A/D转换。同时也是需要单独测试比较器是否工作。同时需要检测基电压和输出电压。由于在原来放大后的信号中对比较器的输入端有放大后的直流电压，导致A/D转换结果有很大误差，后来通过敷地、隔离等措施以及调高基值电压，保证了测量的准确性。5.3.3 热释电人体红外检测电路的检测由于芯片的缘故，感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间。首先根据新芯片资料对芯片各个管脚进行检测。因为传感器的输入信号也是只有几毫伏到几十毫伏。所以需要检测芯片的每一级输入输出是否正确。同时调节电阻，调节输出延时时间。在整个单元模块的调试过程中,因为没事先把芯片资料看懂，没有根据芯片要求送9号管脚3V电压，调试了很久都没有什么效果，后来通过反复检查才发现，原理图画错了。通过给9号管脚一个电源电压和电阻分压，整个电路就能正常工作了。5.3.3 控制电路和显示电路的调试单片机控制电路和照明设备显示电路是做在同一块板子上的。调试是可通过下载程序以及点亮LED灯检测模块是否工作。如是不可以，排除器件本身问题后，再检查它和单片机之间的连线是否接通。5.4 软件调试软件的调试既包括程序本身语法的调试，又包括在电路板上功能的调试。在编程过程中，为了得到满足要求的用户程序，一般都需要有一个对程序的调试过程，甚至需要经过多次反复的调试才能完成。在调试程序前为了调试方便，避免程序出错时将单片机拆来拆去的麻烦，在电路板上做了一个下载口，可以将下载线直接插到电路板上进行调试，这样就可以一边进行调试，一边修改程序。当完成了语法调试后，再根据设计的要求修改程序完成电路的功能。在编写程序的时候一定要根据电路实现的功能和连接方式，认真分析，画出程序的流程图，并根据自己画出的流程图一步一步的去写出程序。根据系统的特点，软件系统应该按模块进行调试，当各个模块调试通过后再将各个模块整合起来，进行综合调试，直到得到预期结果。6 数据记录及分析6.1 光照检测电路的数据记录与分析由于测试环境的限制。本系统只能创造五种环境对光照电路进行检测：分别为日常光照下、盖上黑盖子的黑暗环境下、盖上红盖子的红光环境下、盖上绿盖子的绿光环境下以及盖上白盖子的白光环境下（盖子为矿泉水瓶的盖子，只是颜色为黑、红、绿、白）。系统的电源电压为12V，基值电压测得为5.9V。各种环境下的数据记录如下表6.1：表6.1 五种环境下光照电路测试数据记录日常光照黑光绿光红光白光比较器输入电压（2端）6.7V0.5V2.7V2.9V3.2V比较器输出电压（6端）0V11.7V11.7V11.7V11.7V模块电路输出电压值0V4.6V4.6V4.6V4.6V由上表6.1中可以知道在黑光、绿光、红光、白光的光照下，模块输出高电平。在日常光照下，模块输出低电平。同时本系统的光照阀值可以根据上表中调节滑动变阻器，改变比较器的基值电压（3端）。6.2 声音检测电路的数据记录与分析本模块的的放大电路的放大倍数为0到1500倍。由于LM358有电压封顶，本系统的放大倍数调节到112倍已足够使用。频率范围在500Hz-19KHz。同向比较器的电压增益为Av=2。A/D转换部分（即电压比较器）的输入端（悬空）时的电压值为0.8V，所以比较器的基值电压的电压值必须大于0.8V以上。本系统调节的基值电压值为1.2V。在实际制作中，由于传感器的非线性误差以及电元器件和放大电路的误差构成实际测得的数据与理论数据有出入。特别是频率范围并未达到毕设要求。主要原因是放大电路的误差。虽然放大电路采用了各种措施抑制干扰，但是传感器输出信号经过放大电路放大后不可避免的引入误差。由于放大电路的设计不够优化，各种抗干扰措施采取的不到位，使得本设计在滤波效果上不是很理想，这也是本系统尚待改进的地方。6.3 热释电人体红外检测电路的数据记录与分析本模块的测试得到的输出封锁时间约为3s，输出延时时间约为1s-10分钟。根据设计要求，调节输出延时时间约为10s。本模块最重要的测试数据是距离范围，具体如下表6.2所示。表6.2 人体红外距离检测数据统计表距离测试次数成功检测到的次数1m10102m1073m1034m1015m100由表6.2可知，一米以内测试人体红外的成功率达到100%，随着距离越远，成功率就越低，越难检测到人体活动。7 结论本次设计了一个基于89S51单片机的智能照明系统，包括方案选择、软硬件设计、系统调试、测试结果纪录与分析。本文详细的阐述了一个系统从方案设计到系统实现，此系统的实现与应用将大大的节约照明所耗能源，杜绝能源的浪费，减轻照明财政负担。系统本着实用与易于实现相统一的原则，选择设计方案。并采用模块化设计方法，各模块之间无直接联系，便于今后系统功能