基于51单片机的智能台灯的设计与应用

1、编编 号号 本本科科生生毕毕业业设设计计（ 论论文文 ） 题目：题目： 基于 51 单片机的智能台灯 的设计与应用 物联网工程 学院 微电子学 专业 学 号 学生姓名 谢益祺 指导教师 梁海莲 讲师 二一四年六月 摘摘 要要 随着社会在不断进步，高科技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.电子产品的快速发展，家用电器也越来越智能化，目前已 经应用于实际中的有智能洗衣机，智能空调，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，使用更方便，安全可靠性也更高，效率更高，最

2、重要的是它们为 能源节约提供巨大的帮助. 智能台灯以专门感应人体红外信号的红外传感器为基础，这意味着仅当有人的时候， 红外传感器才输出一个信号，经放大处理后达到单片机的输入门限电压，单片机开始运 行，台灯自动点亮.当人离开的时候，单片机控制台灯自动关闭，以达到节约用电的目的.此 外，单片机内的计时器将会计时一小时，在此之前如果人未离开，计时结束后，台灯上 的蜂鸣器将会响起，提醒使用者应该离开休息一会儿，同时台灯将自动关闭，这个功能 可以帮助保护使用者的视力. 关键词：关键词：单片机；智能台灯；红外传感器；信号放大 ABSTRACT With the progress of society, t

3、he development prospect of new products depends on its high-technology content. As electronic products become more and more advanced, some domestic appliance seems intelligent to some extent, and some technology has been applied into real life at present, such as smart washing machine, smart air-con

4、dition and intelligent induction cooker, etc. All of them have a common characteristic, that is, they all use a MCU（Micro Controller Unit）as their brain. Comparing with those household appliances which have no MCU, they are more convenient, safe and efficient. More important, they make great effort

5、to the project of electrical energy saving. The intelligent desk lamp depend on a kind of infrared sensor which can perceive human beings, that means, it will output a signal when there is someone near it, this signal will be amplified and reach the threshold voltage to trigger the MCU, and then, th

6、e desk lamp will be automatically opened. When you leave, the desk lamp with be shutdown by MCU, this will help saving electrical energy. Besides, the MCU will timing for an hour, if you havent left when that time is up, the buzzer on it will remind you to take a rest, and the light will automatical

7、ly shutdown at same time. This feature can protect your eyesight. Keyword: MCU; Intelligent Desk Lamp; Infrared Sensor; Signal Amplification 目目 录录 第 1 章 绪论.1 1.1 研究课题的意义.1 1.2 智能家电的历史和发展概况.1 1.3 本课题的研究内容、研究方法和实施方案.2 第 2 章 硬件电路系统设计.5 2.1 硬件系统的架构.5 2.2 中央控制模块.5 2.2.1 STC89C52RC 型单片机.6 2.2.2 数码管扫描电路.9

8、2.2.3 蜂鸣器和发光二极管回路.10 2.3 信号采集放大电路设计.11 2.3.1 红外传感器 RE200B.11 2.3.2 运算放大电路.11 2.3.3 信号处理电路.14 第 3 章 软件系统设计与仿真.15 3.1 Keil 编程软件.15 3.2 单片机程序设计.18 3.2.1 数码管动态扫描程序.18 3.2.2 中断程序.20 3.3 仿真测试.21 第 4 章 结论与展望.23 4.1 结论.23 4.2 展望.23 参考文献.24 致谢.25 附录.26 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 研究研究课题的意义课题的意义 随着科技的发展，人们的生活水平不断提高，高科技产

9、品越来越普及，如何研发能 够大大提高人们生活质量并且使用便捷的家用电器成为家电产业的重要研究领域 台灯是人们在日常生活中必不可少的家用电器.相对于普通的日光灯，其功耗更小， 亮度更集中，是人们在夜晚进行阅读和工作的得力助手，但是由于人们在离开时经常忘 记关掉台灯，会造成很大的电力能源浪费.如果台灯离门较远，每当夜晚来临时，人们又 要摸黑去开灯，非常不方便，也有一定的安全隐患. 虽然现在出现运用传感器和微控制器自动控制灯开启与关闭的技术，并广泛运用于 建筑走廊等处所，但是在家居生活方面，自动控制灯具开关的系统却十分少见，而且功 能不够完善，不够“智能” ，比如楼道中的照明灯通常都是采用声音控制.

10、采用声控的方 法可以有效的检测声音信号，再通过中央处理单元控制灯的亮灭，但却无法做到精确识 别和屏蔽干扰，当环境中有较多噪声时，如当有车经过或是有宠物的声响时，照明灯将 不可避免的被噪声影响而产生不必要的点亮，这将造成很大的能源浪费.因此在这里通过 研究以检测人体红外辐射为基础的传感控制电路，来解决目前自动控制电路的不足. 目前已有专门用来感应人体红外辐射波长（约为 9.5 um）的红外传感器，这便为自动 控制照明灯系统提供性能优良的信号采集模块.本课题设计了以 51 单片机为基础，通过 红外传感器检测人体红外辐射信号来控制台灯开启关闭的电路系统.当有人出现在红外线 传感器的探测范围内，并且满

11、足一定其它设定条件（如光照强度较暗）时，信号采集模 块可以提供一个有效的激励信号，经过运算放大电路和滤波电路放大滤波后的信号进入 中央处理单元，通过相应指令控制灯的开启与关闭.51 系列单片机作为一种通用型单片机， 可以通过外接模块如传感器、存储器等来实现许多功能，本课题运用 51 单片机的内部计 时模块来实现其他的功能，例如在一定时间人未离开桌面，则发出警告并自动熄灭，当 人离开时红外传感器产生的信号将通过 51 单片机控制灯自动关灯，以达到节约能源的目 的. 1.2 智能家电的历史和发展概况智能家电的历史和发展概况 在介绍智能家电的历史和发展之前，需要引入一个新的概念智能家居.智能家居 是

12、以住宅为平台，通过设计将电子线路技术、网络通信技术、自动控制技术以及其他相 关技术融入到与生活密切相关设施中的一种技术，它能够帮助提升家居的便捷性和舒适 性，同时又能达到环保节能的目的. 智能家电是智能家居中很重要的一部分，它主导着智能家居的发展方向，也承载着 智能家居的主要技术.由于人们还没有完全认识到智能家电为我们的生活带来的巨大改善， 以及市场消费观念还未完全形成，智能家电的发展还是较为缓慢.但随着智能家电市场推 广措施的进一步落实，消费者对智能家电认识的深入，智能家电市场的消费潜力必然是 巨大的，产业前景光明. 智能家电在中国的发展历程约有 20 余载，从人们最初的梦想，到如今真真切切

13、走入 我们的生活，经历了一个漫长而又艰难的发展过程.智能家电在中国的发展可以概况为四 个阶段，分别是萌芽期、开创期、徘徊期和融合演变期1.萌芽期（1994 年到 1999 年） 又称智能小区期，这是智能家电在中国的第一个发展阶段，这时整个行业还处在一个认 知的阶段，国内还没有出现专门生产智能家电的厂商，仅有几家从事智能家电代理销售 的公司，产品也大多不是销售给中国用户.随着国内企业对国外技术的学习和自主创新， 我国的智能家居行业步入了开创期（2000 年到 2005 年） ，国内先后注册了五十多家智能 家电生产企业，当时主要集中在北京、上海、深圳、厦门等地.智能家电的市场营销、技 术培训体系逐

14、步完善起来，在此阶段，国外智能家电产品基本没有进入国内市场.但是国 内市场发展过快，一些问题也随之而来，自 2005 年以后，由于智能家电企业的野蛮成长 和恶性竞争，给智能家电行业带来了很大的负面影响，智能家电行业进入徘徊期（2006 到 2010 年） ，许多厂商过度“包装”智能家电，夸大智能家电的功能，而实际产品却达 不到宣传的效果，产品的不稳定导致较差的用户体验.同时厂商们只顾着快速扩张代理商 的覆盖范围来提高自己的市场占有率，却忽略了对代理商最基本的培训和服务保障，导 致了代理商经营困难，售后服务难以保证.用户和媒体开始质疑智能家电的实用性和可靠 性，在消费上也变得更加谨慎，市场的增长

15、开始减缓，甚至部分地区出现销售额下降的 现象.在 2006 和 2007 这两年，大约有 20 多家智能家电生产企业因经营不善退出市场， 各地代理商结业转行的也不在少数.许多坚持下来的智能家电企业，在这两年也经历了缩 减规模的痛苦.就在这一时期，国外的智能家电品牌却暗度陈仓，悄然进入中国市场，目 前活跃在市场上的国外智能家电品牌都是这一时期进入中国市场的，如 LEGRAND、Honeywell、Schneider Electric 等.国内部分存活下来的企业也逐渐找到自己 的发展方向，成为工业智能控制的厂家. 虽然国内厂商把方向瞄准了工业控制，但从未放弃过智能家居的梦想.进入 2011 年 以

16、来，市场有了明显增长的势头，智能家电市场的增长说明智能家电行业进入了一个新 的拐点，由徘徊期进入一个很重要的时期融合演变期（2011 年到如今）.在该阶段， 智能家电进入一个相对快速的发展阶段，同时吸取了过去的教训，国内厂商们将协议与 技术标准主动互通和融合，形成一个新的行业标准，这大大缩短了研发周期，也规范了 产品的标准，减小了研发的困难.预计在接下来的五到十年，将是智能家电行业快速发展 的时期，也是最不可琢磨的时期，智能家电行业作为提高生活质量，拓展消费市场的制 高点，是国内各企业竞相争夺的战略高地，如果有谁能够掌握智能家居的技术，那么他 将掌握人们未来的生活方式!正因为如此，国内优秀的家

17、居企业越来越重视智能家电的开 发，特别是对适应客户需求的智能家电的研究，一大批国内优秀的智能家电品牌正迅速 崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚! 1.3 本课题的研究内容本课题的研究内容、研究方法和实施方案研究方法和实施方案 本课题运用红外传感器作为“智能控制”的基础，目前已知红外传感器可对人体红 外信号做出响应，但是其响应的幅度和工作频率等参数将直接影响到信号采集放大电路 模块的正常工作，因此合理选择红外传感器对电路的设计是十分重要的.要实现自动控制 的功能，不仅需要掌握单片机的工作原理，还需要熟悉常用单片机的编程语言，完成该 设计系统的单片机控制模块的程序编辑，尤其是对单片机的中断结构和计

18、时功能必须进 行更加深入的了解. 信号采集放大模块的具体要求：设计出对人体信号采集放大的电路结构，并且要考 虑到外部噪声的干扰，设计合理的滤波电路抑制干扰，在广泛借鉴各种设计的优点的同 时，充分考虑设计中的各个环节，并运用仿真软件对电路进行仿真测试，最后制作实物 对本课题的正确性进行验证. 自动控制模块的具体要求：以 51 单片机为核心，蜂鸣器、八段数码管、发光二极管 等元件构成外围电路，运用 C 语言或者汇编语言编写程序并在 51 单片机开发板上调试， 模拟人来人走的情景，测试自动控制模块的响应能力和正确性，最后与信号采集放大电 路相结合，实现具体的功能. 采用的研究方法：通过阅读书籍掌握红

19、外线传感器工作原理；选择合适的电气元件， 绘制电路原理图；设计单片机控制台灯的点亮与熄灭的程序，并利用相关工具进行功能 调试；将程序烧入进单片机中. 实施方案：在课题的前期，大量阅读参考文献，了解当前热释电红外传感器的应用 情况，对设计所需要的知识，包括红外传感器，51 单片机等进行详细的了解；在课题的 中期，通过对电路的分析，设计应用电路，重点在于信号的收集和电路的控制；在课题 的后期，对设计的过程进行全面的整理，分析仿真的结果，对于设计过程中出现的问题 进行分析总结，最后完成实物的制作以及论文的书写. 第第 2 章章 硬件硬件电路系统电路系统设计设计 2.1 硬件系统的架构硬件系统的架构

20、本设计的硬件系统主要分为两部分，一部分为信号采集放大模块，另一部分为自动 控制模块.信号采集放大模块以红外传感器和光敏电阻为基础，以运算放大器构成的滤波 放大电路为核心，通过外加电容和调节电阻大小来实现稳定的滤波放大功能，要求当有 人进入检测范围时能够输出一个稳定的高电平.自动控制模块以 STC89C52RC 单片机为核 心，通过外接发光二极管、蜂鸣器报警电路和八段数码管搭建完整的台灯控制电路，该 模块可以在有信号输入的时候开始计时，并在八段数码管上显示计时的时间，在达到设 定的时间（如一个小时）后，产生一个激励信号开启蜂鸣器并关闭台灯.系统架构如图 2- 1 所示其中光敏电阻感应光信号，在光

21、线较暗的情况下产生一个激励信号以开启红外传 感器感应电路，红外传感器检测其监测范围内是否有人出现，通过放大滤波后产生一个 有效的激励信号传送至单片机，此后通过单片机内部程序处理一系列的外围 I/O 信号. 红 外 传 感 器 光 敏 电 阻 BISS0001 STC89C52R C 蜂鸣器 八段数码管 LED灯 信号采集模块自动控制模块 图 2-1 系统总体设计图 2.2 中央控制中央控制模块模块 中央控制模块俗称单片机，最初源于“Single Chip Microcomputer（SCM） ” ，在单片 机诞生时，因为它的组成与原理是基于计算机的，所以 SCM 是一个准确的、流行的称谓.随

22、着 SCM 在技术上、体系结构上的进步，其主要作用已经是控制而不是计算了.国际上逐 渐采用微控制器（Micro Controller Unit，MCU）来代替 SCM，形成了单片机领域公认的、 最终统一的名词.在国内因为单片机一词已约定俗成，故继续沿用. 单片机就相当于将组成微型计算机的各功能部件：中央处理器 CPU、随机存取存储 器（Random Access Memory，RAM） 、只读存储器（Read Only Memory，ROM） 、可编程 存储器（Erasable Programmable Read Only Memory，EPROM） 、并行及串行输入输出 I/O 接口电路、定

23、时/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的 微型计算机2.单片机内部具体结构如图 2-2 所示.随着大规模集成电路技术的发展，单片 机内还可包含 A/D、D/A 转换器、高速输入/输出部件、DMA 通道、浮点运算等新的特殊 功能部件. 时钟电路 中央处理器 （CPU） 中断系统 外部中断 I/O接口 程序存储器 （ROM） 外部设备 时钟电路 图 2-2 中央控制单元的内部架构图 2.2.1 STC89C52RC 型型单片机单片机 目前世界上单片机生产厂商很多，如： Intel、Motorola、Philips、Atmel、SST、Winbond、Zilog 等公司，本

24、课题中使用的 STC 系列单片机是深圳宏晶公司的产品，其引脚如图 2-3 所示，它支持在线编程，烧录程序的 时候不用再反复插拔单片机，使用方便，寿命较长.STC89C52RC 型单片机在传承经典 MCS-51 内核设计理念的基础上，做了较多的技术改进与完善，使 STC89C52RC 芯片不 仅具有传统 51 单片机具备的基础功能，还使单个芯片上拥有灵巧的 8 位 CPU，功能上支 持 ISP（在系统可编程）与 IAP（在应用可编程）等功能.STC89C52RC 型单片机可为多 种嵌入式控制应用系统提供更灵活、高效的应用系统解决方案. 该单片机具有 6 时钟/机器周期和 12 时钟/机器周期的两

25、种工作模式，其指令代码完 全兼容传统 8051；3.3 V5.5 V 的宽范围工作电压；040 MHz 的可调工作频率，且实际 工作频率可达 48 MHz；采用 PDIP 封装 8K 字节程序存储空间，片上集成有 512 字节数据 存储器；拥有 32 个通用 I/O 口：P0、P1、P2、P3，均为准双向口（弱上拉） ；无需专用 编程器和仿真器，可通过串口 RXD（P3.0）和 TXD（P3.1）直接下载用户程序，数秒即 可完成较大程序的下载；内带 2K 字节 EEPROM 存储空间；具有 3 个 16 位定时器/计数 器.即定时器 T0、T1、T2；具有 4 个外部中断，触发方式可设置为下降

26、沿中断或低电平 触发，掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；通用异步串行口（UART） ，还 可用定时/计数器编程实现多个 UART；工作温度范围从 0 到 75 3. 此外，STC89C52RC 型单片机支持两种节电模式，一种为空闲模式，另一种为掉 电保护模式.当 STC89C52RC 在空闲模式下工作时，中央处理器停止工作，允许随机存取 存储器、串行 I/O 口、定时/计数器、中断控制器维持工作；当 STC89C52RC 在掉电保护 模式下工作时，随机存取存储器的内容被保存，振荡器被冻结，单片机的一切工作停止， 直到下一次中断或硬件复位才开始正常工作. STC89C52RC 1 3

27、4 5 6 7 9 10 11 13 2 8 12 14 15 16 17 18 19 2021 22 23 24 25 26 27 28 29 32 30 33 31 35 34 36 37 38 39 40(T2)P1.0 (T2 EX)P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 (MOSI)P1.5 (MISO)P1.6 (SCK)P1.7 RST (RXD)P3.0 (TXD)P3.1 (INT0)P3.2 (INT1)P3.3 (T0)P3.4 (T1)P3.5 (WR)P3.6 (RD)P3.7 XTAL2 XTAL1 GND VCC P0.0(AD0) P0.1(AD1) P0.2(

28、AD2) P0.3(AD3) P0.4(AD4) P0.5(AD5) P0.6(AD6) P0.7(AD7) EA/VPP ALE/PROG PSEN P2.7(AD15) P2.6(AD14) P2.5(AD13) P2.4(AD12) P2.3(AD11) P2.2(AD10) P2.1(AD9) P2.0(AD8) 图2-3 STC89C52RC型单片机引脚图 STC89C52RC 的相关引脚定义如下： 1)VCC/GND：两者为主电源引脚，GND 为电源负端，一般视为接地；VCC 为电源正 端，STC89C52RC 的 VCC 允许范围为 3.3 V5.5 V. 2)XTAL1/XTA

29、L2：这两个引脚为时钟电路的 I/O 端.XTAL1 接外部晶体的一端，它是片 内振荡器反向放大器的输入端.在采用外部时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引 脚作为驱动端，其频率范围为 040 MHz；XTAL2 接外部晶体的另一端，它是片内振 荡器反向放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率.若采用外部时钟电路时， 此引脚应悬空不用4. 3)RST：复位输入端.在该引脚输入两个机器周期以上的高电平将使单片机复位. 4)ALE/PROG：该引脚具有两种功能，即地址锁存允许输出/编程脉冲输入端.在访问片 外存储器时，ALE 作为锁存扩展地址低位字节的输出控制信号（称允许锁存地址） ， 在一个指

30、令周期中将丢失一个脉冲.在不访问片外存储器时，该端也以 1/6 的时钟振 荡频率固定输出正脉冲，可供定时或其他需要使用，还可检测 CPU 是否已经工作. ALE 端的负载驱动能力为 8 个 LSTTL（低功耗高速 TTL）.在固化片内存储器的程序 （也称为烧录程序）时，此引脚用于输入编程负脉冲. 5)PSEN：片外程序存储器选通控制信号端.在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲 作为程序存储器读选通信号.CPU 在向片外程序存储器取指令期间，PSEN 信号在 12 个时钟周期中两次生效.由于现在基本不再使用片外程序存储器，所以这个引脚也就 没有用了. 6)EA/VPP：该引脚有两种功能，即内、

31、外程序存储器选择/编程电源输入端.当 EA 端接 高电平时，CPU 从片内程序存储器 0000H 单元开始执行程序，当地址超过 4KB 时， 将自动执行片外程序存储器的程序.当 EA 端接低电平时，CPU 仅访问片外程序存储 器.即 CPU 直接从片外程序存储器 0000H 单元开始执行程序.在对片外程序存储器编 程时，此引脚用于施加编程电压 VPP. 7)P0 口：P0 口是一个标准的双向 8 位并行接口，既可以作为通用 I/O 接口使用，也可 以作为地址/数据线使用.由特殊功能寄存器 P0 管理 P0 口各位的工作状态，其地址为 80H，各位地址为 80H87H.在访问片外存储器时，它分时

32、提供低 8 位地址和 8 位数 据，故这些 I/O 线有地址/数据总线之称，简写为 AD0AD7.在不做总线时，也可作 为普通 I/O 接口使用.本课题采用 P0 口作为八段数码管字代码的输出口，由于 P0 口 是漏极开路输出，在连接八段数码管时，需分别加上一个上拉电阻，同时可以防止 LED 数码管直接与高电位相连造成瞬间的大电流烧坏数码管. 8)P1 口：P1 口是一个准双向的 8 位并行 I/O 口，主要作为通用 I/O 口使用，由特殊功 能寄存器 P1 管理 P1 口各位的工作状态，其地址为 90H，各位地址为 90H97H.STC89C52RC 单片机的 P1 口除了可以作为一般的 I

33、/O 接口，其中 5 位还有 第二功能，见表 2-1.由表可见 P1.0、P1.1 用于定时/计数器 2，P1.5、P1.6、P1.7 用于 ISP 功能，它的作用是把在 PC 上编号的程序通过所定义的这三根 ISP 接口线进行在 线下载，即直接传输并固化到 STC89C52RC 单片机中的闪存中.固化时 RST 引脚要接 到 Vcc 端，编程前首先要擦除该芯片，接入 SCK 引脚的时钟频率不能大于单片机频 率的 1/16.这种方法比使用一般的编程器廉价、方便. 表 2-1 P1 口的第二功能 引脚号第二功能 P1.0T2（定时/计数器 2 的外部计数输入/时钟输出） P1.1T2 EX（定时

34、/计数器 2 的捕获触发和双向控制） P1.5MOSI（主机输出线，用于在系统编程） P1.6MISO（主机输入线，用于在系统编程） P1.7SCK（串行时钟线，用于在系统编程） 9)P2 口：P2 口是一个准双向的 8 位并行 I/O 口，既可以作为通用 I/O 接口使用，也可 以作为高 8 位地址线使用.由特殊功能寄存器 P2 管理 P2 口各位的工作状态，其地址 为 A0H，各位地址为 A0HA7H.在访问片外存储器时，它输出高 8 位地址，即 A8A15.在不做总线时，也可以作为普通 I/O 接口使用.本课题中使用了 P2.0P2.3 口 通过电阻与 PNP 管的基极相连，PNP 管的

35、发射极与集电极分别接入电源和八段数码 管的位选端相连，当 P2.0P2.3 中有一位为低电平时，三极管导通，相应位选端被置 高电平，对应位数码管显示数字. 10)P3 口：P3 口是一个多功能的准双向 8 位并行 I/O 口，它的每一位既可以作为通用 I/O 接口使用，又具有第二功能，见表 2-2.由特殊功能寄存器 P3 管理 P3 口各位的工作状 态，其地址为 B0HB7H.本课题中使用了 P3.0 作为控制 LED 灯亮灭的输出端；P3.2 口和 P3.3 口用做外部中断，P3.2 和 P3.3 接入同一个信号接收端，分别用于控制灯的 开启与熄灭；P3.4 口与蜂鸣器回路连接，通过控制 P

36、3.4 口的状态可以发出蜂鸣器警 告. 表 2-2 P3 口的第二功能 P3.0 口的各位第二功能的名称及作用 P3.0RXD（串行口的输入端） P3.1TXD（串行口的输出端） P3.2INT0（外部中断 0 输入端，两种触发方式：低电平触发和下降沿触 发） P3.3INT1（外部中断 1 输入端，两种触发方式：低电平触发和下降沿触 发） P3.4T0（定时/计数器 0 中断的外部输入端） P3.5T1（定时/计数器 1 中断的外部输入端） P3.6WR（片外 RAM 写入选通控制端） P3.7RD（片外 RAM 读取选通控制端） 2.2.2 数码管数码管扫描扫描电路电路 本设计中所使用的数

37、码管为共阳数码管.当段选为低电平时，所对应的灯段点亮，各 位的段选通过一个电阻与 P0 口相连，这里必须接电阻，防止发光二极管过功率烧坏.位 选端通过 PNP 型三极管与电源相连，PNP 型三极管的基极通过一个电阻与 P2 口相连，控 制数码管显示数值的位，其电路如图 2-4 所示： 图 2-4 数码管显示模块 这里要特别注意数码管的位选端不能直接与P2口相连，在实际的电路调试中，若一 开始将位选端与P2口相连，将会造成数码管各位显示的字段模糊，这是由于发光二极管 属于二极管的一种，其发光主要是由于电子和空穴在该二极管的PN结处发生复合，并以 光子的形式发出能量，当发出能量的波长恰好为某中可见

38、光的波长时，就显示出该种颜 色的光5，PN结的特性可知复合率和载流子的浓度等因素有关，因此必然和流过其内部 的正向电流大小有关，而单片机的拉电流不足1 mA，这就造成了流过各数码管LED灯的 电流很小，亮度较暗，显示的字段难以分辨.而通过PNP管接地后，形成一个完整的回路， 可以通过改变与LED灯串联的电阻大小来调节电流，在选择合适的阻值后，数码管各位均 可正常显示.两位共阳数码管（四位共阳数码管即为两个两位共阳数码管并接）电路原理 如图2-5所示： 图 2-5 两位数码管内部结构图 由图 2-5 原理图可知，当 P2.0P2.3 口中的某一位为低电平时，其对应的 PNP 三极管 导通，高电平

39、 VCC 通过三极管输入到数码管对应位各段发光二级管的阳极，当 P0.0P0.7 口中的某几位为低电平时，对应的发光二极管点亮，反之则是熄灭的.又由于编号为 ADP 的发光二极管在前面板中是以一定的位置关系摆放的，所以当输入特定的二进制代 码的时候，在数码管的前面板上将会显示可见的数字形状，一般的共阳数码管可以显示 0F 的字样，转换后的十六进制代码分别为： C0，F9，A4，B0，99，92，82，F8，80，90，88，83，C6，A1，86，8E6. 2.2.3 蜂鸣器和发光二极管回路蜂鸣器和发光二极管回路 因为要实现电路系统的定时警告功能，所以必须用到蜂鸣器，警报电路原理如图 2-6

40、所示，本设计采用的蜂鸣器为有源蜂鸣器，分正负极，必须正确的接在电路中才能正常 工作.同理，发光二极管也有正负极，同时还要串联一个电阻，防止过功率烧坏7.当外部 激励信号输入（P3.1 口）后，单片机通过 P3.0 口发送一个高电平信号开启发光二极管并 通过内部程序开始计时，计时结束后，单片机将会改变 P3.0 为低电平关闭发光二极管并 且通过 P3.4 口发送一连串的激励信号控制蜂鸣器有间隔的发出声响.该图中还包含两个按 键开关，用来模拟外部中断 0 和外部中断 1 的输入. 图2-6 警报电路原理图 2.3 信号采集放大电路设计信号采集放大电路设计 2.3.1 红外传感器红外传感器 RE20

41、0B 本课题使用的 RE200B 是红外传感器的一种，相对于传统的红外传感器，该传感器采 用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变 化产生的干扰，提高了传感器工作的稳定性8.其具体参数如下：双元热释电红外传感器 面积为 2.01.0 mm2；工作波长为 714 um；具有 1 Hz 调制频率和 0.3-3.0 Hz 带宽、72.5 dB 增益；噪声200 mV；工作电压范围为 2.215 V，电流为 8.524 uA 源极电压（S 端输 出信号）大小为 0.41.1 V；工作温度从-20 到+70 . 上述特性指标均在源极（S 极）电阻为 47 k 条件下测

42、量得出的，使用该传感器时， 可根据自己的需要调整源极电阻的大小.所有电压参数的测量都是采用峰峰值定标.使 用传感器时，要注意控制管脚的弯曲或焊接部位距管脚基部 4 mm 以上，防止引脚脱落或 是过高温度使内部结构失效. 2.3.2 运算放大电路运算放大电路 本课题使用的运算放大器是 BISS0001 芯片，其内部结构如图 2-7 所示.该芯片采用两 级运算放大器进行信号放大，内部具有双向鉴幅器，具有较强的信号放大和抑制噪声的 能力，它配以 RE200B 红外传感器和少量外接元件（电容和电阻等）可以构成被动式的热 释电红外开关8.其输出电平与大部分单片机要求的输入信号兼容，因此被广泛运用于自 动

43、控制模块的信号处理电路中.BISS0001 运算放大器具有以下主要特点：1）采用 CMOS 制造工艺，具有功耗低、速度快、抗干扰能力强的优点；2）采用数模混合的方法，信号 处理上更加灵活；3）内部具有多个独立的高输入阻抗运算放大器；内设输出维持时间和 触发封锁时间定时器，可自由控制输出信号的延迟.表 2-3 介绍了 BISS0001 各引脚的功能. 表 2-3 BISS0001 各引脚功能 引脚名称各引脚的功能 A为“1”时允许重复触发，为“0”时不可重复触发 VO控制信号的输出端 RR1输出维持时间 Tx的调节端，用来调节输出信号的脉宽 RC1输出维持时间 Tx的调节端，用来调节输出信号的脉

44、宽 RC2触发封锁时间 Ti的调节端，在封锁时间内不再对输入信号响 应 RR2触发封锁时间 Ti的调节端，在封锁时间内不再对输入信号响 应 VSS参考地端，通常接工作电源负端 VRF参考电压输入端，通常接 VDD，当接地时可以复位定时器 VC触发禁止端，当 VCVR 时允许触发，反之则禁止触发 IB运算放大器偏置电流设置端，必须接入路才能正常工作 VDD工作电源正端 2OUT第二级运算放大器的输出端 2IN-第二级运算放大器的反相输入端 1IN+第一级运算放大器的同相输入端 1IN-第一级运算放大器的反相输入端 1OUT第一级运算放大器的输出端 红外传感器产生的感应信号经过运算放大器 OP1

45、进行初次放大，同时滤波电路将一 同输入的高频信号过滤，放大后的传感信号耦合至运算放大器 OP2 的反相输入端进行二 次放大，此后将输出信号送到由运算放大器 COP1 和 COP2 组成的双向鉴幅器，仅当 OP2 输出电压高于 VH 或是低于 VL 时才能检测出有效的触发信号 VS.由于 VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以当 VDD=5 V 时，可以有效抑制1 V 的噪声干扰，提 高系统的可靠性.OP3 构成了一个比较器，当输入电压 VCVR 时，OP3 输出为高电平，与门 AND:A 开启，VS 的状态传送至状 态控制器，VO 跳变为高电平，此后进入延时周期 Tx.当 Tx时间结束时，V

46、O 跳变为低电 平，同时启动封锁时间定时器进入封锁周期 Ti.在 Ti时间变化范围内，VS 的任何变化都 不能使 VO 发生跳变，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰.当 A 端接高电平时， 处于可重复触发的状态，可根据需要通过调节 RR1、RC1、RR2 以及 RC2 外接的电容电 阻大小来改变 VO 信号的延迟时间和锁存时间，以达到在最大限度的抑制干扰的前提下输 出可重复变化的信号. 图 2-7 BISS0001 内部结构 BISS0001 与外部电路构成的放大滤波电路如图 2-8（a）所示.在计算其输出电压之前， 这里先引入两个概念“虚短”和“虚断” ，运算放大器有两个输入端（除去电源

47、 VCC 和 GND） ，内部为差分结构，由于理想运算放大器的输入电阻趋近于无穷大，因此流入其 两个输入端的电流几乎为零，可视为断路，此为“虚断” ；同时由于理想运算放大器的增 益无穷大，而输出电压幅值有限，则根据高等数学中收敛的概念两个数相乘，如果 已知其中一个数为无穷大，仅当另一个数趋近于零时，其乘积结果才有可能为收敛 可知运放的两个输入端电压差很小，几乎趋近于零，可近似看做两个输入端的电压相同， 相当于短路，此为“虚短”9.下面计算该电路对输入的响应.这里定义输入信号为 Vin，OP2:B 的同相端电压为 Vp1，反相端电压为 Vn1，输出端电压为 Vo1，OP2:A 的同相端 电压为

48、Vp2，反相端电压为 Vn2，输出端电压为 Vo2，这里忽略所有电容，如图 2-8（b） ， 放大倍数的计算与它们无关C2 和 C4 作为滤波电容在对低频信号放大时是不起作用 的，可视为开路，而由于 C3 和 C5 的值很大，在短时间内的信号变化对其两端电压影响 很小，可视为不变.下面为计算过程： inp VV 1 Mp VV 2 （2-1） 87 8 11 RR R VV on （2-2） 65 6 65 5 212 RR R V RR R VV oon 式（2-1）和（2-2）运用了“虚断”的原理，即流入 OP2:A 和 OP2:B 反相端的电流为零， 因此根据节点电流守恒可知流过 R5

49、和 R6 的电流大小相同，流过 R7 和 R8 的电流大小也 相同，此外，式（2-2）运用了叠加法计算电压值，将 Vo1和 Vo2分别置零，分别求出 Vo1 和 Vo2在 Vn2上的分压，相加后即为 Vo1和 Vo2共同作用在 OP2:A 反相端的电压10. 11pn VV （2-3） 22pn VV 式（2-3）运用了“虚短”的原理.最后计算得.由于 inMo V R R R R V R R V) 8 7 1 ( 6 5 ) 6 5 1 ( 2 Vin为红外传感器 RE200B 的输出电压，范围为 0.41.1 V，VM 的值约为 0.5VDD，我们 需要的 Vo2在 Vin有输入时应该大于

50、 VH0.7VDD 或小于 VL0.3VDD，因此很容易算出 R5、R6、R7 和 R8 的比值大小，在实验电路中我们设定 R5=1 M，R6=10 k，R7=2 M，R8=47 k. 图 2-8（a）带滤波放大电路 图 2-8（b）不带滤波放大电路 图 2-8 BISS0001 构成的滤波放大电路 2.3.3 信号处理电路信号处理电路 整个信号处理电路由光敏电阻、红外传感器、BISS0001、滤波电容以及不同大小的 电容电阻构成，其电路原理如图 2-9 所示，注意此图中的电阻电容标号与上一小节有所区 别.其中 C1、C2、C4 为滤波电容，R2 与红外传感器的源极（S 端）相连，为其内部差分

51、 结构提供偏置电流，负系数光敏电阻与 R1 串联，并在中间节点上与 BISS0001 的 VC（引 脚 9）相连，当光线较暗时，光敏电阻阻值增大，其分压达到 VR 后开启 BISS0001 芯片， 使 BISS0001 的运算放大器能对外部输入信号响应.C2、C3、C4、C5、R3、R4、R5 和 R6 与 BISS0001 内部 OP1 和 OP2 构成两级滤波运算放大电路.R8 和 C7 控制 BISS0001 输出 VO 的触发封锁时间 Ti，R9 和 C6 控制输出信号的维持时间 Tx.R7 与 BISS0001 的 IB（10 引脚）相连，为其内部提供偏置电流以保证其正常工作.当处在

52、较暗的环境中，红外传感 器检测到人体信号，传输到 BISS0001 的 1IN+（引脚 14），经过两级运算放大电路，在 VO（引脚 2）输出从低电平跳变为高电平的上升沿信号，由于本设计采用的单片机外部 中断口无论采用何种触发方式（下降沿触发或者低电平触发），都需要保证输入信号端 在初始时为高电平，因此还必须在 BISS0001 输出端 VO 加上一个反相器再与单片机输入 口相连，才能正确的触发.本设计的外部中断 0（P3.2）和外部中断 1（P3.3）都通过反相 器接在 BISS0001 的 VO 端，而且两个中断的最短响应时间间隔时间为 4 s 左右，因此必 须严格控制 R8、R9、C6

53、和 C7 的大小，使允许重复触发的时间大于 4 s，避免对中断服 务造成干扰或导致自动控制模块产生错误的判断. 图 2-9 信号采集放大电路原理图 第第 3 章章 软件系统软件系统设计设计与仿真与仿真 3.1 Keil 编程软件编程软件 单片机开发中除必要的硬件电路系统外，还离不开应用软件的支持，我们编写的汇 编语言源程序要变为中央处理器可执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种 是机器汇编.手工汇编的难度大，指令繁杂，出现错误后难以查找，所以目前极少使用手 工汇编的方法编写单片机程序.机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于 MCS-51 单片机的汇编软件有早期的 A51，随着单

54、片机开发技术的不断发展，开发者从普 遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，由美国 Keil Software 公司开发的 Keil 软件是目前最流行开发 MCS-51 系列单片机的软件，从近年来 各单片机开发板厂商纷纷宣布全面支持 Keil 即可看出. 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）将这些部份组合在一起.同时 Keil 软件支持大多数的 WINDOWS 系统.因此掌握这一软件的使用对于使用 51 系列单片 机的开发者来说是十分必要的，由于目前在国内只能

55、买到该软件，而且目前市面上买到 的 51 单片机开发板也很可能只支持该软件，因此本课题选用了 Keil 作为程序编译软件. 因汇编语句具有逻辑结构较为简单，兼容性较好等特点，本课题使用汇编语言作为软件 开发系统的编程语言，Keil 运行界面及操作步骤如下： 1.打开 Keil 界面，新建一个工程，方法如图 3-1 所示： 图 3-1 新建工程 2.将新建工程保存为后缀名为.uvproj 的文件，选择单片机类型，由于 STC 系列单片机完 全兼容 AT89 系列单片机的指令，所以这里选用 Atmel 公司的 AT89C51.如图 3-2 所示： 图 3-2 选择单片机类型 3.如果需要生成 He

56、x 文件，则必须设置工程组的属性，步骤如下：右键 Target1 Options for Target Target1Output 选项卡，勾选 Create HEX File.如图 3-3 所示： 图 3-3 添加程序文件到工程中 4.程序的编写与调试成功的界面显示如图 3-4 所示： 图 3-4 程序的编写与调试界面 5.将编译后.HEX 文件下载到单片机中进行测试，注意在将开发板接入电脑的时候，需要 通过设备管理器查看驱动端口（COM），只有选择正确的端口，程序才能下载到单片机 中，具体步骤如下：右键“我的电脑”“属性”“硬件”“设备管理器” “端口”，查看新添加的端口即可.STC 官方

57、的程序烧录软件如图 3-5 所示： 图 3-5 HEX 文件的下载仿真 通过以上五个步骤就能后将编写好的程序下载到单片机中，然后通过开发板验证程 序所编写的程序是否正确，如若存在问题可进行反复修改调试以达到预期结果. 3.2 单片机程序设计单片机程序设计 本课题要求单片机在接收到红外传感信号后立即响应开灯，随后开始计时并在数码 管上显示相应的时间，在人离开后再次检测到红外传感信号，灯在一分钟后自动关闭， 如果没有接收到第二个红外传感信号，则在开灯一小时之后发出蜂鸣器警告，一分钟后 灯自动关闭.由于本设计数码管采用了动态显示的方法，因此在主程序应该为循环扫描显 示数码管，并且为了防止由于扫描频率

58、较快造成数码管未完全点亮而使得数码管较暗， 显示不够清晰，应该设定合适的延时，也不宜加入太长的延时，否则将会造成数码管的 闪烁. 单片机程序可大体分为三个部分：开关灯程序块，计时程序（包括延时程序）块和 数码管显示程序块.其中开关程序块用来控制 LED 灯和蜂鸣器的开启和关闭，计时程序用 来统计灯开启后的时间，计时程序中的延时程序可用来控制关灯时间设定，也可用于数 码管动态扫描延时.显示数码管显示程序块用来将当前的计时时间转化为数码管的前面板 字符显示.主程序流程如图 3-6 所示. 开启外部 中断1 数码管扫 描程序 是否有外 部中断1 N 开灯51H54H 连续四个字节存放显示器数据 MI

59、N EQU 55H ;分钟计数器 SEC EQU 56H ;秒钟计数器 DEDA EQU 57H ;存放 50ms 计数值 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP DOWN ORG 000BH LJMP T0_SRV ORG 0013H LJMP UP ORG 0050H MAIN:ACALL INIT ;初始化数据 MOV P1,#01H SETB P3.4 ;初始化蜂鸣器 MOV A,#03H MOV P0,A ;数码管初始化 SETB EA ;开启总中断 SETB IT1 ;设置外部中断 1 为下降沿触发 SETB EX1 ;开启外部中断 1 LOOP:ACALL CONV ;调用字代码转换子程序 ACALL DISP ;调用显示扫描子程序 SJMP LOOP ;循环 UP:PUSH ACC PUSH PSW SE