论文基于单片机的智能台灯设计

1 第九届 科文学院科研立项 设计报告 参参 赛赛 题题 目 目 基于单片机的智能节能台灯设计基于单片机的智能节能台灯设计 参参 赛赛 系系 别 别 信息科学系信息科学系 参参 赛赛 班班 级 级 0909 电信电信 2 2 学学 生生 姓姓 名 名 许益斌 蒋露 丁飞许益斌 蒋露 丁飞 2 目录 摘要摘要 3 ABSTRACT 4 1 绪论绪论 5 2 1 单片机主机系统电路 7 2 1 1系统电路组成 7 2 1 2 系统工作原理 8 2 1 3系统控制核心 8 2 2 红外传感器电路 9 2 2 1人体位置检测 10 2 2 2环境光检测 10 2 2 3过零检测部分 11 2 3 输出控制部分电路 11 2 4 电源控制部分 12 2 5 遥控器部分 13 3 系统的软件设计系统的软件设计 14 3 1 系统程序框图 14 3 2 系统主程序设计 15 3 3 采样子程序设计 17 3 4 滤波程序设计 18 3 5 遥控器程序设计 19 4 结语结语 22 参考文献参考文献 23 附录附录 A 24 3 摘要摘要 这个智能台灯的主要设计思想来源于生活 台灯是一般家庭的生活必需品 但 由于经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费本文给出了一种基于 BISS0001 和单片机 89C51 组成热释电红外传感器控制电路来制作一种智能台灯的设计方法 该方法的控制可以根 据台灯旁边是否有人以及光线的强弱来自行控制台灯的关和开 从而使人们使用起来比 较方便 而且能起到节能的效果 基于单片机控制的智能节能台灯 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 关键词 智能 省电 方便 保护视力 AbstractAbstract The system of the main idea is derived from life the lamp is the average family necessities of life but often forgot to turn off the light of energy and enormous waste of this article gives a monolithic integrated circuits 89c51 biss0001 and based on the infrared sensors interpretation of the control circuit to make an intelligent lamp approach The method of control on the desk next to whether a man and the light of their console to the door and opened people use more convenient and forms of energy conservation Revivification control of a lamp energy the progress human being the market has changed higher technology applications in the product development of new trends and prospects intellectualized technology in the electronics field of application of far reaching significance with the rapid development of electronic products a combination of household monolithic integrated circuits and household functions stronger and more convenient usage and more higher reliability and security the most important thing is more economical electricity and to improve the quality of the household Keywords intelligent electricity and preserve your eyesight 4 1 1 绪论绪论 智能化产品在各个领域都有出色的应用 所以我们打算研究是智能化台灯 虽然按 键式随着科技的高速发展 各种各样的科技产品 家用电器走入人们的生活 这一切都 大大地提高了人们的工作效率 改善了人们的生活 现在电器的发展趋势是智能化 这 样会使人们使用起来更方便的台灯还是台灯市场的主体 但是 现代电子技术的发展和 人们的需求变化 已使传统的台灯感受到产品更新换代的威胁 智能型的电器产品渐渐 进入人们的生活中 台灯是人们生活中用来照明的一种家用电器 它一般分为两种 一种是立柱式的 一种是有夹子的 它的工作原理主要是把灯光集中在一小块区域内 集中光线 便于工 作和学习 一般台灯用的灯泡是白炽灯或者节能灯泡 有的台灯还有应急功能 用于停 电时无电照明已用来应急 它是千家万户的必需生活用品 目前 灯具市场上出售的台灯种类繁多 一般的台灯均采用 220V 交流电源供电 日 光灯管 白炽灯泡为光源 手动开关或触摸感应式开关来控制 但这类台灯 存在很多 弊端 一是电压是不安全电压 给人们使用带来不安全因素 二是日光灯还具有频闪效 应 经常使用会给人的眼睛带来一定的伤害 三是耗电量大 台灯通常都是以日光灯为 主 在几瓦到几十瓦之间 四是人工化 人们由于手工操作 往往会忘记关灯 这也造 成电能的浪费 到目前为止 在灯具市场上 很少见到采用 6V 的直流电源供电的一种 人体智能台灯 它具有既不会出现触电 使用寿命长 无辐射 又无污染等优点 智能台灯可分成自动和手动两种模式 在自动模式下 台灯能根据环境光的亮暗与 人是否被台灯所检测到 人是否在 来自动开启台灯 当人被微机检测到 环境光又达 到某个程度的时候 可以设定与调节 台灯就会开启 如果环境光没有达到这个程度 台灯不会开启 当人没有被微机检测到 无论多暗 台灯也不会开 1 手动模式是为了不习惯使用自动模式的人或是台灯中的微机出故障等紧急情况时用的 在手动模式下 智能台灯和普通台灯是一样使用的智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 10W 600s 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 5 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 的最归祸首 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 6 2 2 系统主要硬件电路设计系统主要硬件电路设计 2 1 单片机主机系统电路单片机主机系统电路 2 1 1 系统电路组成系统电路组成 AT89C51 单片机 热释电红外传感器 2 信号 处理 电路 电源控制电路 遥控器 热释电红外传感器 1 输出提醒电路 图 2 1 单片机控制系统原理框图 本系统组成如图一所示 主要由三部分组成 1 传感器及信号处理部分 检测人体辐射红外信号及光强信号经过处理后变成可 处理的数字信号 2 以 89C51 组成的中央处理单元 处理信号并发出控制命令 3 输出提醒电路及电源控制控制电路 给出提醒信号并根据 89C51 给出的命令控制灯光 2 7 2 1 2 系统工作原理系统工作原理 整个系统是以 89C51 控制下工作的 其工作过程为 当环境光比较强时 光敏电阻 阻值比较小 信号处理电路检测到低电平信号 禁止热释电红外传感器工作 省去了 89C51 处理过程 当环境光比较弱时 光敏电阻阻值变大 信号处理电路接收到高电平 从而启动热释电红外传感器工作 热释电红外传感器 1 探测比较远的距离 当人体进入 到传感器 1 的控测范围内且光强较弱时 信号检测电路处理信号 并向单片机发送一个 中断 89C51 启动灯光控制电路 使灯慢慢变亮 当环境光比校弱时 且人体过于靠近桌 面 热释电红外传感器 2 检测到信号 同时了在热释电红外传感器 1 的控测范围内 信 号处理电路同时向 89C51 发送信号 89C51 处理信号根据优先级顺序 屏蔽掉热释电红 外传感器 1 的信号 启动延时电路 发出警报使人离开 若在设定的时间内未离开桌面 则启动灯光控制电路 使灯慢慢熄灭 3 当人体离开热释电红外传感器 2 的控测范围且在 热释电红外传感器 1 的控测范围内时 灯光又慢慢变亮 2 1 3 系统控制核心系统控制核心 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 它是 51 系列单片机的一个成员 是 8051 单片机的简化版 是一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可 以反复擦除 100 次 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准 的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个 芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 因此 AT89C2051 构成的单片机系 统是具有结构最简单 造价最低廉 效率最高的微控制系统 省去了外部的 RAM ROM 和接口器件 减少了硬件开销 节省了成本 提高了系统的性价比 为很多嵌入式控制 系统提供了一种灵活性高且价廉的方案 如附录 A 所示是由单片机组成的报警及灯光控制电路 当外部无任何中断时 89C51 控制 74LS138 的使能控制端 使后面电路不工作 当有中断一产生时 89C51 启动 74LS138 向 P0 脚低 4 位发送信号 控制灯慢慢亮 当中断 1 和中断 0 同时产生时 89C51 屏蔽掉中断 1 启动 74LS138 向 P0 脚低四位发送数据 使灯光慢慢变暗 这里采 用 74LS138 控制 DC832 可以节省 89C51 的管脚 有利于扩展 以便于控制多盏灯 由于 采有 DC0832 可以有效地使灯实现阶梯形的变化 8 2 2 红外传感器电路红外传感器电路 图 2 2 传感器组成的信号检测及处理部分 图 2 2 是由红热释电红外传感器 光敏电阻 BISS0001 组成的信号检测及处理电路 红热释电红外传感器只对波长为 10 m 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 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 BISS0001 是由运算放大器 电压比较器 状态控制器 延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用 集成电路 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 infare1 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 infare1 检测到人体信号时 产生微弱的信号输出 经 R5 R1005 R4 C1 C6 C7 组成的信号放大滤波电路 4 R1000 R1001 C1000 和 C1001 组成的延时电路 信号经处理后从 2 脚输出 9 2 2 1 人体位置检测人体位置检测 图 2 3 红外检测电路图 如图 2 3 所示人体位置检测是靠一个红外发射管 二极管 向前方发射红外线 如 果人坐在灯前面 那么发射的红外线就会反射回来 被红外接收头检测到后 就会向计 算机传输一个指令 表示人已经到了 2 2 2 环境光检测环境光检测 图 2 4 环境光检测电路 如图 2 4 所示环境光检测是比较重要的一个部分 其中关键的元件有两个 一个是光 敏二极管 一个是 50K 的可变电阻 电位器 光敏二极管的检测能力的强弱 灵敏度 是根据那个可变电阻来控制的 有的人认为天色还挺亮的 灯就开了 那你就把电阻变 大些 光敏二极管的灵敏度就下降了 这样就可以达到等天再暗些再开灯 同样的 如 果你觉的天色已经很暗了 灯还不亮 那你把电阻调小些就可以了 5 这样多调几次 你 就能把智能台灯调到一个最理想的最适合你的状态了 10 2 2 3 过零检测部分过零检测部分 图 2 5 过零检测电路 如图 2 5 所示过零检测电路用于检测电源电压波形的过零点 产生过零脉冲 整流部 分部分产生的全脉动直流电压送到过零检测电路 形成与电压过零点同步的负脉冲同步 信号 送到单片机的中断输入端 INT0 用于触发可控硅进行同步移项 2 3 输出控制部分电路输出控制部分电路 如图 2 6 所示输出控制部分分为两块 图 2 6 继电器控制电路 实框部分 可控硅控制电路 虚框部分 1 继电器控制电路 实框部分 继电器想必大家在初中接触电学时已经学过了 它是通过磁力来控制电路通断 电 11 磁铁通电时 小铁片被吸 于是电路导通 电磁铁不通电时 铁片具有的弹性势能使铁 片碰到另一点 电路不通 所以使用继电器控制电路会发出轻微的啪嗒的声音 也被人 们称为触点式技术 用它来控制台灯 台灯就只有通断两种可能 要么灯亮 要么灯暗 并不能调光 2 可控硅控制电路 虚框部分 比起继电器 可控硅就复杂的多 它是一种三态固件器件 SCR 其阳极相当于晶 体管的集电极 阴极相当于发射极 门控极相当于基极 SCR 只工作在导通和截至的状 态 故可作为开关元件 可控硅和继电器只须其中的一个工作 智能台灯就可以正常工 作 但是可控硅比继电器优越的地方在于可控硅使用的是无触点式技术 虽然它也只有 通断两种状态 但是因为它是利用交流电正弦波的一部分 所以它不但开合动作时没有 声音 而且可以对灯泡进行调光 因其调光时是处于 软 状态 所以比机械调光具有 更好的优越性 6 2 4 电源控制部分电源控制部分 图 2 7 电源控制电路 如图 2 7 所示 电源部分是将 220V 的交流电通过变压器转换成 9V 交流电 再通过 整流桥转换成 5V 直流电 因为计算机工作需要 5V 直流电 此时 5V 直流电很不稳定 不符合计算机工作的需求 因此还须将电流通过电解电容和集成稳压块 7805 逐步达到 稳压 滤波的作用 7 稳压示意图通过整流桥的电流如图2 8所示 图2 8 通过整流的电流示意图 12 通过 E0后如图 2 9 所示 图 2 9 通过 E0电流示意图 最后通过集成稳压块 7805 如图 2 10 所示 图 2 10 通过集成稳压块电流示意图 这样的电流在通过 2 个电容后就适合计算机工作了 在电路原理图右上角以 5V 输 出 8 2 5 遥控器部分遥控器部分 图 2 11 遥控器系统电路 如图 2 11 所示 遥控器系统分为发射与接受两个部分 发射部分就是遥控器 接受 部分能接收到遥控器发射的红外线 与人体位置检测的红外线发射管共用红外接收头 13 3 3 系统的软件设计系统的软件设计 系统软件程序设计主要包括 系统程序框图 主程序设计 采样子程序设计 数据处理 程序等 各芯片地址编码为 81551 0 口 7FF8H 7FFDH ADC0809 OBFF8H OBFFFH 9 3 1 系统程序框图系统程序框图 图 3 1 系统程序框图 程序框图如图 3 1 所示 程序开始后 对程序进行初始化 向 P0 脚写入低电平 开 启所有中断 启动计数器 当中断 1 来时 进入中断 1 设置 R0 为 0 调用延时程序 TIME0 延时 10ms 判断 R0 是否等于 7 若不是 则加 1 继续发送数据进入循环 直至 R 7 即实现的是灯慢慢变亮的一个过程 当中断 0 和中断 1 同时产生时 根据优 先级 屏蔽掉中断 1 开启中断 0 调用延时程序 TIME0 延时 1 分钟 查询中断 0 控 制位 防止人体不小心到达热释电探测器的探测范围内 采用延时程序来排除干扰 防止 误判 若为 0 则返回主程序 若为 1 则向 P0 高四位发送数据 使灯保持原来最亮状 态 调用延时程序 TIME1 判断 R0 是否等于 0 若是则中断返回 若不是 则 R0 减 1 继续循环 直至 R0 等到于 0 此程序的目的是实现灯慢慢变暗 10 14 3 2 系统主程序设计系统主程序设计 源程序 ORG0000H AJMP MAIN ORG0003H AJMPDET1 远探测器 ORG0013H AJMPDET0 近探测器 ORG0050H MAIN MOV P0 00000001B 置初始值 DET0 DET1 可重复触发 灯灭 MOVTMOD 00000010B 方式 2 8 位自动重装计数器 MOV TCON 00010000B 开启计数器 T0 MOVIE 10000111B 开启所有中断 SJMP 灯慢慢变亮 DET1 MOVP0 00000001B CALLTIME0 灯亮度延时 10ms MOVP0 00000011B CALLTIME0 MOVP0 00000101B CALLTIME0 MOVP0 00000111B CALLTIME0 MOVP0 00001001B CALLTIME0 MOVP0 00001011B CALLTIME0 MOVP0 00001101B CALLTIME0 15 MOVP0 00001111B CALLTIME1 RETI 灯慢慢熄灭 DET0 CALLTIME1 延时 1 分钟 MOVTCON A ANLA 1 JZ LOOP MOVP0 00001111B CALLTIME0 MOVP0 00001101B CALLTIME0 MOVP0 00001011B CALLTIME0 MOVP0 00001001B CALLTIME0 MOVP0 00000111B CALLTIME0 MOVP0 00000101B CALLTIME0 MOVP0 00000011B CALLTIME0 MOVP0 00000001B RETI LOOP RET 延时 10ms TIME0 SETBTR0 MOVR0 20 D 1 MOVR1 250 DJNZR1 DJNZR0 D 1 16 CLRTR0 RET 延时 1 分钟 TIME1 SETBTR0 MOVR0 250 MOVR1 200 MOVR2 60 D 2 DJNZR0 D 2 MOVR1 200 DJNZR1 D 2 MOVR2 60 DJNZR2 D 2 CLRTR0 RET END 3 3 采样子程序设计采样子程序设计 根据电路图 2 5 因 EOC 未接入单片机 故只能采用延时等待的方法来读取 A D 转 换结果 ADC0809 的 INO 和 INl 两个地址分别是 OBFF8H OBFF9H INO 通道采集到的 11 个数据放入以 ADTURNO 片内 21H 为首址的一片数据区内 IN1 通道采集到的 11 个 数据放入以 ADTURN1 片内 2CH 为首址的另一片数据区内 程序清单 AD MOV R0 ADTURNO MOV R6 OBH ADLOOP MOV DPTR OBFF8H 启动 INO 通道 A D 转换 GOON MOVX DPTR A MOV R7 OAOH 延时等待转换结束 DLAY NOP NOP NOP 17 NOP NOP DJNZ R7 DLAY MOVX A DPTR MOV R0 A 将转换后的数据送入以 ADTURNO 为首址的一片 RAM 内 INC RO DJNZ R6 ADLOOP SJMP AD RET 3 4 滤波程序设计滤波程序设计 相关部分程序代码 MAOPAO MOV Rl ADTURNO MOV R5 OAH CLR OOH FILTER MOV 3CH R1 INC Rl MOV A R1 CLR C SUBB A 3CH JNC NEXT MOV A Rl MOV R1 3CH DEC R1 MOV Rl A INC Rl SETB OOH NEXT DJNZ R5 FILTER JB OOH MAOPAO 18 MOV LINEADRO 26H RET 3 5 遥控器程序设计遥控器程序设计 控制台灯部分程序代码 LL LCALL RING30 MOV R7 1H MOV R1 38H CLR 7EH WAIT0 JBC 7EH DD LJMP WAIT0 DD MOV R1 38H MOV A R1 RR A RR A RR A RR A MOV R4 A RL A ADD A R4 MOV DPTR TAB JMP A DPTR TAB LJMP ZERO LJMP EIGHT LJMP FOUR LJMP STOP LJMP TWO LJMP ZERO LJMP SIX LJMP LL 19 LJMP ONE LJMP LL LJMP FIVE LJMP LL LJMP THREE LJMP LL LJMP SEVEN LJMP LL ORG 0250H ZERO LJMP LL ONE LCALL RING40 OO1 MOV R7 01H CLR 7EH WAIT1 JBC 7EH WW1 LJMP WAIT1 WW1 MOV R1 38H MOV A R1 CJNE A 50H BB1 LJMP ZZ1 BB1 CJNE A 80H QUIT1 SETB P1 3 CLR P1 2 CLR P1 1 CLR P1 0 LJMP QUIT1 ZZ1 CLR P1 3 CLR P1 2 CLR P1 1 CLR P1 0 LCALL RING50 QUIT1 LJMP LL 20 4 4 结语结语 首先 通过本次智能台灯系统的设计 在各方面能力上都有着很大程度上提高 单 片机方面的专业知识也有很深的了解 也深刻了解写一篇设计报告的步骤和格式 有过 这样的一次训练 相信在以后的毕业设计报告中会起到很大的帮助 而且学会良好的格 式会为将来的工作提供较好的基础 本系统的主要设计思想来源于生活 台灯是一般家庭的生活必需品 但由于经常忘 记关灯而造成巨大的能源浪费 全球这么多台灯 估算一下 消耗能源可观 另一个是 作为一个必需品 当然要使生活变得更方便 省去了黑暗中开灯的麻烦 并且可以纠正 坐姿 本系统在实验室进行了实物实验 热释电红外探测器 1 的距离是 4m 左右 距离可 调 主要是因为般来说是门离书桌的距离 以便黑暗中时人一到门口则启动 省去了开灯 的麻烦 用户可以根据自己的实际情况进行距离调节 热释电红外探测器 1 的距离是 10cm 左右 距离可调 主要考虑是当学习时 有时坐姿不正 引起身体离