智能照明系统的硬件设计方案

智能照明系统的硬件设计方案1.1系统简介智能照明控制系统是一个由中央控制器、主通信干线、分支、信息接口及控制终端等部分构成，是一个对各区域实施相同的控制和信号采样的网络系统。智能照明的控制终端由调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等单元构成，主控制器和终端之间通过信息接口等元件来连接，实现控制信息的传输。以下将对各模块（CAN通信接口模块，控制面板（键盘和显示）模块，智能继电器模块，传感器模块，调光模块，远程控制模块）做详细介绍。1.2CAN通信接口模块的设计1.2.1芯片介绍(1)SJA1000芯片图1.1SJA1000引角图引脚说明：AD7-AD0：多路地址/数据总线线。ALE/AS：ALE输入信号(INTEL模式)，AS输入信号(MOTOROLA模式)。CS：片选输入，低电平允许访问SJAI00000。RDE：微控制器的/RD信号(INTEL模式)或E使能信号(MOTOROLA模式)。WR：微控制器的/WR信写(INTEL模式)或RD/(/WR)信号(MOTOROLA模式)。CLKOUT:SJAIO00产生的提供给微控制器的时钟输出信号,时钟信号来源于内部振荡器通过编程驱动，时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚脚。VSS1:接地。XTAL1:输入到振荡器放人电路,外部振荡信号输入。注:XTAL1引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。XTAL2:振荡放人电路输出,使用外部振荡信号时开路输出。注:XTAL2引脚必须通过15pF的电容连到VSS1。MODE：模式选择输入，1-INTEL模式，0-MOTOROLA模式。VDD3：输出驱动的5V电压源。TXO：从CAN输出驱动器0输出到物理线路上。TX1：从CAN输出驱动器1输出到物理线路上。VSS3：输出驱动器接地。INT：中断输出，用于中断微控制器，INT在内部中断寄存器各位都被置位时低电平有效;此引脚上的低电平可以把IC从睡眠模式中激活。RST：复位输入，用于复位CAN接口(低电平有效),把RST引脚通过电容连到VSS,通过电阻连到VDD可自动上电复位。VDD:输入到比较器的5V电压源。RXO：从物理的CAN总线输入到SJA1000的输入比较器，支配(控制)电平将会唤醒SJA1000睡眠模式，如果RX1比RX0电平高就读支配(控制)电平，反之读弱势电平;如果时钟分频寄存器的CBP被置位就忽略CAN输入比较器以减少内部延时(此时连有外部收发电路);这种情况下只有RXO是激活的，弱势电平被认为是高而支配电平被认为是低。VSS2：输入比较器的接地端。VDD1：逻辑电路的5V电压源。SJA1000是一种CAN的独立控制器,用于移动目标和一般工业环境中的局域网控制。它是PHILIPS公司早期CAN控制器PCA82C200的替代产品,并且增加了一种新的工作模式PELICAN,这种模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议,因此功能更加强大。它具有如下特点：(1)完全兼容PCA82C250及其工作模式,即BASICCAN模式。(2)具有扩展的接收缓冲器为64字节,先进先出(FIFO)。(3)与CAN2.0B协议兼容；支持11bit和29bit识别码。(4)位速率可达1Mbps；24MHz的时钟频率。(5)支持PELICAN模式及其扩展功能。(6)支持与不同微处理器的接口。(7)可编程的CAN输出驱动器配置。(8)增强了温度范围(-40～125℃)。(2)82C250芯片介绍图1.282C250引脚图引脚说明：TXD：发送数据输入。GND：接地。VCC：提供电压。RXD：接收数据输出。Vref:参考电压输出。CANL：低电平CAN电压输入/输出。CANH：高电平CAN电压输入/输出。Rs:Slope电阻输入。1.2.2SJA1000工作原理CAN总线控制器主要包含:接口管理逻辑IML、发送缓冲器TXB、接收缓冲器TXB.RXFIFO、验收滤波器ACF、错误管理逻辑EML、位时序逻辑BTL、位流处理器BSF几个部分。CAN核心模块负责CAN信息帧的收发和CAN协议的实现。接口管理逻辑负责同外部主控制器的接口,该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过SJA1000的地址/数据总线访问。主控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区然后置位命令寄存器CMR中的发送请求位TR启动CAN核心模块读取发送缓冲区中的数据,按CAN协议封装成一完整CAN信息帧通过收发器发往总线,验收滤波器单元完成接收信息的滤波,只有验收滤波通过且无差错才把接收的信息帧送入接收FIFO缓冲区且置位接收缓冲区状态标志SR.0表明接收缓冲区中已有成功接收的信息帧。1.2.3基于SJA1000的CAN总线硬件接口电路设计89C51具有64KB的寻址空间。本身不带CAN控制器,所以要实现与CAN总线之间的通信需外加CAN控制器和CAN驱动器。在本设计中采用SJA1000型CAN总线通信控制器和AT82C250型总线驱动器。由于MB89P857不具备CAN控制器，本设计中采用SJA1000型CAN总线通信控制器。CAN控制器SJA1000的数据线AD0～AD7连接到MB89P857单片机的P56～P49口，CS连接到端口P48，MB89P857的P48作为外部存储器的片选信号。SJA1000的RD、WR、ALE分别与MB89P857对应的引脚相连，INT接MB89P857的INT0使MB89P857可以通过中断方式访问SJA1000。图1.3CAN控制原理图CAN总线控制硬件电路如图1.3所示。从图1.3可以看出,硬件电路主要由微控制器89C51、SJA1000、CAN总线收发器和高速光电耦合器6N137组成。微控制器89C51负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000，实现数据的接收和发送等通信任务。为了增强总线节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0并不直接与PCA82C250的TXD和RXD相接,而是通过6N137与PCA82C250相接,这样,很好地实现了总线上各节点间的电气隔离。不过,光耦合电路用的2个电源VCC和VDD必须隔离。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块实现。这虽然增加了接口电路的复杂性,但却提高了节点的稳定性和安全性。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施，82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线连接，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30PF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的保护作用，82C250的RS脚上接有一个斜率电阻，电阻的大小可根据总线的通讯速度适当调整，一般在16K-140K之间。CAN接口电路负责各节点的串行通信，两只125欧姆的电阻作为CAN线路的匹配电阻。1.2.4采用MAX232芯片接口ＰＣ机与单片机的连接图1.4PC机通过MAX232与单片机的电路连接MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。1.3控制面板模块的设计控制面板它相当于传统照明系统中的照明开关,安装于便于操作的地方,人们可以通过操作控制面板中的某个按钮,来起动照明系统中的某个灯光控制回路的组合,从而调用某个灯光场景。它有一般场景调用面板、可编程场景调用面板、时序场景调用面板和区域联接场景调用面板等。所谓灯光场景,即系统中由不同的照明回路不同的亮暗搭配而组成的一种灯光效果。这种灯场景可以预设置和记忆在调光模块和开关模块中用户可以从控制面板或液晶显示触摸屏上,调动种灯光场景以达到某个照明效果。控制面板是人机信息交互的界面.用户通过视觉、听觉等途径,了解各智能节点的工作状态,同时通过按键等输入器件控制电器的工作。控制面板主要包括单片机、键盘和显示这几部分。智能照明的显示电路是由单片机来控制的，如显示的内容、显示的方式等。单片机在智能照明的控制电路中担任着重要的角色,它的选型决定了控制电路的实现方案。我们利用74HC164芯片的串入并出的功能,和单片机进行串行通讯,并行输出口直接驱动显示器件.这个方案可以扩展单片机的I/O口,降低单片机的资源需求,而且,芯片的安装方法非常灵活,可以减少显示面板的连接导线的数量,提高系统的可靠性,成本方面也具有较大的优势,在按键和显示驱动电路中得到广泛应用。1.1.174HC164芯片说明74HC164为8位移位寄存器,串行输入,并行输出.74HC164的引脚分布如图(1)所示.兼容TTL电平,最高工作时钟频率20MHz,扇出系数10,散耗功率为500mW,输出电流Io(每端)25mA,可以直接驱动LED显示器件.图1.174HC164引脚图图1.2功能图引脚说明：符号引脚说明DSA1数据输入DSB2数据输入Q0-Q33-6输出GND7地(0V)CP8时钟输入（低电平到高电平边沿触发）/M/R9中央复位输入（低电平有效）Q4-Q710-13输出VCC14正电源数据通过两个输入端（DSA或DSB）之一串行输入；任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。两个输入端或者连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。时钟(CP)每次由低变高时，数据右移一位，输入到Q0，Q0是两个数据输入端（DSA和DSB）的逻辑与，它将上升时钟沿之前保持一个建立时间的长度。主复位(MR)输入端上的一个低电平将使其它所有输入端都无效，同时非同步地清除寄存器，强制所有的输出为低电平。1.1.2显示部分设计单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器,简称LED(LightEmittingDiode);液晶显示器,简称LCD(LiquidcrystalDisplay);近几年也有配置CRT显示器的。前者廉价，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图像显示，但接口复杂，成本也较高。在本设计中我们采用发光二极管显示器。LED显示器结构原理：单片机中通常用七段LED构成字型“8”，另外，还有一个小数点发光二极管，以显示数字、符号及小数点。在这种显示共有共阳极和共阴极两种，发光二极管的阳极连接在一起的（公共端K0）成为共阳极显示器，发光二极管的阴极连接在一起的（公共端K0）成为共阴极显示器。为了保护各段LED不被损坏，须外加限流电阻。LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。静态显示就是当显示器显示某个字符时，相应的段恒定的导通或截止，直到显示另一个字符为止。LED工作于静态显示方式时，各位的共阴极接地；若为共阳极，则接+5V电源。每位的段选线分别与一个八位锁存器的输出口连接，显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变。动态显示就是将所有位的段选线并联在一起，由一个8位I/O口控制。而共阴（或共阳）极公共端K0分别由相应的I/O线控制，实现各位的分时选通。在本次设计中我们采用静态显示。电路原理图如图1.3所示：图1.3LED显示原理图1.1.3键盘部分设计传统矩阵键盘的结构和存在问题：作为微机系统、单片机系统最常用的输入设备,键盘的作用极其重要。键盘按结构可以分为线性键盘和矩阵键盘两种。线性键盘由若干个独立的按键组成,每个按键的一端与微机的一个I/O端口相连,有多少个按键就要有多少根连线与CPU的I/O端口相连。因此,线性键盘只适用于按键少的场合,在系统日益复杂的今天,这种键盘的应用逐渐减少。矩阵键盘的按键按N行M列排列,每个按键占据行列的一个交点,需要的I/O端口数目是N+M,容纳的最大按键数为N×M。显然,矩阵键盘可以减少与CPU的连接引脚,因此也成为微机系统、单片机系统最常用的键盘结构。矩阵键盘,并通过行列扫描法、反转法等技术实现。图1.4矩阵式键盘连接图图1.4所示的矩阵键盘为单片机系统最常用的键盘。但是,这样的矩阵键盘存在两个问题。第一,占用过多的单片机I/O端口。由于AT89C51的P3口有重要的复用功能,因此,真正能作为I/O端口的只有24个引脚。现在,仅仅一个矩阵键盘就占用了8个引脚,造成很大浪费。第二,执行效率不高。传统矩阵键盘往往只能采用定期扫描的方式,也就是每隔一段时间扫描一次键盘。扫描的间隔时间不能太长,否则无法正确识别是否有按键按下。在键盘扫描期间,单片机无法再执行其他程序,造成系统执行效率低下。因此,应该采用中断技术节省CPU资源,提高系统效率。1.1.4基于74HC164的中断串行键盘硬件设计根据74HC164的并行输出原理,单片机可以用一根数据线与74HC164的DSA、DSB相接,而用8个按键与74HC164的数据输出端Q0-Q7相接,构成一个串行键盘。此外,每个按键同时接到单片机的中断INT0,提高系统执行效率、加快键盘扫描速度。每当有按键按下时,INT0低电平触发,系统进入键盘扫描程序。串行键盘的键盘扫描原理和传统矩阵键盘类似,只是由于单片机和74HC164的串行通信方式,因此,单片机需要依次发送若干次按键检测数据才能判断出是哪个按键被按下。矩阵式键盘的结构与工作原理：如图1.5所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。行线通过电阻接正电源，并将列线所接的74HC164的I/O口作为输出端，而行线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。列线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。图1.5基于74HC164的矩阵式键盘电路原理图1.1.5矩阵式键盘的按键识别方法确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下:判断键盘中有无键按下时先将全部列线74HC164的输出口Q0—Q3全置为低电平，然后检测行线的状态。只要有一行的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平行线与4根列线相交叉的4个按键之中。若所有行线均为高电平，则键盘中无键按下。判断闭合键所在的位置，在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将列线置为低电平，即在置某根列线为低电平时，其它列线全为高电平。在确定某根行线被置为低电平后，再逐列检测各行线的电平状态。若某行为低，则该行线与被置为低电平的列线交叉处的按键就是闭合的按键。1.4智能继电器模块继电器的关断与吸合是依靠单片机来实现的。用单片机控制继电器,对继电器发出命令,让其动作或不动,完成其过电压继电器功能。这就需要将电压的值与整定值进行比较。整定值是人为设定的,不同情况用按键修改,并存放在单片机内。在本次设计中我们利用电压/频率转换器LM331测量交流电压的有效值.1.4.1电压-频率变换器LM331的介绍LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路，并且容易保证转换精度。LM331为双列直插式8脚芯片，其引脚为:图1.6LM331引脚图引脚功能:引脚1（PIN1）:为电流源输出端，在f０（PIN3）输出逻辑低电平时，电流源ＩＲ输出对电容CL充电。引脚2（PIN2）:为增益调整，改变ＲＳ的值可调节电路转换增益的大小。引脚3（PIN3）:为频率输出端，为逻辑低电平，脉冲宽度由Ｒt和Ｃt决定。引脚4（PIN4）:为电源地。引脚5（PIN5）:为定时比较器正相输入端。引脚6（PIN6）:为输入比较器反相输入端。引脚7（PIN7）:为输入比较器正相输入端。引脚8（PIN8）:为电源正端。如图1.7所示：LM331内部有（1）输入比较电路、（2）定时比较电路、（3）R-S触发电路、（4）复零晶体管、（5）输出驱动管、（6）能隙基准电路、（7）精密电流源电路、（8）电流开关、（9）输出保护点路等部分。输出管采用集电极开路形式，因此可以通过选择逻辑电流和外接电阻，灵活改变输出脉冲的逻辑电平，从而适应TTL、DTL和CMOS等不同的逻辑电路。此外，LM331可采用单/双电源供电，电压范围为4～40V，输出也高达40V。图1.7LM331V/F转换图1.4.2继电器模块基本原理结构电网电压经单相整流后转换为直流电压信号，通过V/F转换器把传感器输出的电压信号转换成相对应的频率信号，采用光电耦合器将频率信号传输到单片机，利用单片机内部的定时／计数器测量信号频率，采用单片机强运算功能，根据电压与频率的线性关系计算电压值。图1.8为该系统结构图。图1.8智能继电器的系统框图1.4.3整流模块设计在线路保护中,单片机要知道被保护线路的电压值才能判断继电器是否需要动作。LM331并不能直接将交流电压转换为脉冲输出,故电压为交流时,要先将交流电整流后方可进行。LM331的最大输出频率为100kHZ,为使LM331的输入端电压Vi与输出端频率保持f0良好的线性关系,且f0不超过满刻度频率范围,Vi最好不要过大。电路设计时,将整流后的直流电压经过分压电路送到LM331的输入端。图1.9整流分压电路1.4.4V/F转换器LM331模块LM331是通用型V/F转换器，频率范围为1-100kHz，最大非线性误差为0.01%，最大温漂为50ppm/℃，电源范围为4-40V，输入电压范围为0.2V-VS。当4.5V≤VS≤10V时．电源电压对增益的影响为0.1％V；当10V≤VS≤40V时，电源电压对增益的影响为0.06％V。LM331的V/F转换外部电路，如图1.10所示:图1.10LM331F/V转换电路原理图图1.10中，输出频率Fout=K*Vi，其中K=Rs/(2.09RtCtRL)。选用典型值Rt=6.8kΩ，RL=100kΩ，Ct=0．0lμF。系统中，取K=1000，故Rs=14.212kΩ。电路中Rs用一只12kΩ的固定电阻和一只5kΩ的可调电阻串联组成，用于调整LM33l的增益偏差和RL，Rt，Ct所引起的偏差。C1为滤波电容，一般取在0．01-0．1μF，在滤波效果较好的情况下，C1采用lμF的电容。为了提高精度及稳定性，以上阻容元件选用低温度系数的器件，我们选用金属膜电阻和聚苯乙烯或聚丙稀电容器。1.4.5光电耦合器6N137在采用两点以上接地的检测或控制系统中，为了抑制地电位差形成的干扰，运用隔离技术切断环路电流是非常有效的方法。从原理上，隔离技术可分为电磁隔离和光电隔离。光电隔离是在两个电路间加入一个光电耦合器，光电耦合器的线性范围有限，用于数字信号传输。同时，光电耦合器的体积小，转换速度快，因而广泛应用于由微机构成的检测或控制系统。采用光电耦合器隔离V／F转换器与单片机，增强系统的抗干扰能力，防止因外部环境恶劣而导致的单片机死机或程序跑飞，同时对单片机也起到电气保护作用。这里选用TOSHIBA的6N137型光电耦合器。图1.11为6N137的典型应用电路。图1.116N137典型应用电路6N137的引脚2为信号输入端，当输入信号为高电平时，发光二极管发光，反向偏置的光敏管光照后被导通，经电流-电压转换送到与门，与门的另一输入端(引脚7)为使能端，当使能端为高电平时，信号输出端(引脚6)输出低电平。当输入信号为低电平时，输出为高电平。Vcc(引脚8)和地(引脚5)之间必须接一只0.1μF高频特性良好的电容，且应尽量靠近引脚8和引脚5放置。发光二极管正向压降1.2～1.7V，正向电流6.5～15mA，所以在引脚3和地之间必须加470Ω限流电阻。

1.4.6单片机AT89C51模块该系统设计需用单片机的一个中断．一个定时器。一个计数器。这里选用AT89C51，其包含2个16位定时/计数器和5个中断。当MCS-51内部的定时/计数器选定为定时模式时，计数输入信号是内部时钟脉冲，每个机器周期产生一个脉冲使计数器加l；一个机器周期为外部时钟振荡频率的1/12，采用12MHz的晶体振荡器，机器周期为1μs。当内部定时/计数器被选定为计数模式时计数脉冲来自外部输入引脚P1.4(T0)或P1.5(T1)。输入信号产生由1到O的负跳变时，计数器加1。由于一次负跳变要用两个机器周期，所以选用12MHz晶体振荡器时，为确保电平在变化之前被采样一次，外部计数输入信号不能超过500kHz。16位定时/计数器的最高计数值为65535，在这里已满足设计需要。系统设置AT89C51的T0为定时器，T1为计数器，当单片机接收到中断信号时，定时、计数同时开始，定时结束，计数也随之结束。再利用单片机的运算功能将计数值除以定时值，就能得到所测信号的频率。通过频率与电压，电压与所测压力的线性关系，即可得到相应的电压值。算法:若输入电压Ui(t)为随时间变化的信号,则输出脉冲频率fo也是随时间变化的。设输入电压是周期为T的正弦交流电整流后电压波形如图2所示。设图2中电压波形函数为U(t),幅值为A,周期为T/2,则输出频率波形的函数为kU(t),幅值为kA,周期也为T/2。下图为整流电压波形图：图中电压的有效值为在T/2时间内对U(t)积分即可求得一个周期脉波与横轴所围的面积ST/2。由于VFC回路的输入电压随时间变化,所以输出脉冲频率也是随时间变化的,对变化的频率而言,在某段时间内对脉冲的计数值Dn就是对频率f在此区间的积分值(取整数)[4]。当正弦交流电压的频率为50Hz时,整流电压和频率的周期均为0·01s。在0·01s内对LM331的输出脉冲计数,设计数值为D,则D为f在其一个周期内的积分值,根据f与U(t)的比例关系,有：从上式可得,只要计数器计出一个周期内电压/频率转换的脉冲数,便可求得正弦交流电压的有效值。k由电压/频率转换电路的元件参数决定。1.5传感器模块智能传感器是系统中实现照明智能管理的自动信息传感元件,它具有动静检测用于识别有无人进人房间、照度动态检测用于自动日光补偿。传感器模块主要是通过传感器将采集的现场的照度及人的信息传给单片机。然后单片机经CAN总线上传给上位机以做进一步的处理。传感器模块主要包括89C51单片机，热释电传感器，照度传感器及A/D转换器等。1.5.1热释电传感器的工作原理普通热释电人体红外线传感器的外形如图1.12所示，D脚和S脚分别为内部场效应管的漏极和源极的引出端，G脚为内部敏感元件的接地引出端。因S和G之间悬空，故使用时其间应接输出电阻R，才能输出传感信号。为了增强抗干扰能力，在此电阻上应并一个电容C。传感器由敏感单元、滤光窗和菲涅尔透镜组成。图1.12热释电红外线传感器外形在自然界，任何高于绝对温度（-273K）的物体都将产生红外光谱，不同温度的物体释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的，而且辐射能量的大小与物体表面温度有关。人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，会发出10μm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报警信号。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。只有当人体移动时，红外辐射引传感器敏感单元的两个等效电容产生不同的极化电荷时，才会向外输出电信号。所以，这种传感器只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，且对可见光和大部分红外线具有良好的抗干扰能力。热释电传感器是通过感应人体的远红外辐射产生电信号,又称远红外探头(PIR)。理论与实践表明,其输出信号的大小与入射远红外幅射变化的速率成正比,即只有人体处于活动状态、远红外辐射发生急剧变化时,传感器才有信号输出,此即热释电传感器的被动探测特性。PIR采用高灵敏度双元件型探头,探头前加装菲涅耳透镜,以增强信号感应灵敏度和扩大感测范围。1.5.2芯片介绍热释电红外探头有些缺点，但是利用特殊信号处理方法后，仍然使它在某些领域具有广阔的应用前景。人体信息处理电路采用专用集成电路BISS0001。BISS0001结构完整,功能齐全,只需少量外围元件就可完成信号的高倍率线性放大、双向鉴幅、信号处理、延迟定时和封锁定时等功能,图1.13BIS0001引脚图引脚说明: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Vc<VR时禁止触发；当Vc>VR时允许触发(VR≈0.2VDD)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BIS0001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。1.5.3热释电传感器原理其原理图如1.14所示：图1.14热释电传感器电路原理图PIR输出的人体感应信号从14脚输入,经内部电路处理后形成有效的触发信号从2脚输出。调节R3、R2(或R4、R5)的比值可改变放大器的增益。输出延迟时间和触发封锁时间由R7、C5和R6、C4设定,为适应单片机控制,设定两值应尽量小。9脚为触发禁止端,可外接功能扩展电路,当自动开关用于照明控制器时,在E、F间接光敏电阻,可实现白天光线充足时禁止开灯。单片机选用美国Atmel公司的AT89C51。BISS0001输出信号反相后从I/O口输入,主动探测电路通过另外两根I/O引线连接,键盘以中断方式工作,用于设置开关延迟断开时间T。单片机根据程序检测人体信号输入的有、无、快、慢,并以此控制开关的开、闭。1.5.4照度传感器的设计（1）照度传感器结构及测量原理专业的光接选器件，对于可见光频段光谱吸收后可将其转换成电信号，电信号的大小对应光照度的强弱。内装有滤光片，使可见光以外的光谱不能到达光接收器，内部放大电路有可调放大器，用于调制光谱接收范围，从而可实现不同光强度的测量。整个探测器所接受的光通量除以探测器的面积，即为所测的光照度E=Φ/A照度计由带滤光器的光电探测器及电子放大器和读数系统组成。（2）产品介绍GZD系统光照度变送器采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器；具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点，适用于各种场所,尤其适用于农业大棚、城市照明等场所。根据不同的测量场所，配合不同的量程，线性度好、防水性能好、可靠性高、结构美观、安装使用方便、抗干扰能力强。1）使用标准1个单位的照度大约为1个烛光在1米距离的光亮度。夏日晴天强光下照度为：10万Lux（3～30万Lux）；阴天光照度为：1万Lux；日出、日落光照强度为：300～400Lux；室内日光灯照度为：30～50Lux；夜里：0.3～0.03Lux（明亮月光下），0.003～0.0007Lux（阴暗的夜晚）。2）技术参数供电电压：12VDC～30VDC；感光体：带滤光片的硅蓝光伏探测器；波长测量范围：380nm～730nm；准确度：±7％重复测试：±5%；温度特性：±0.5%/℃；测量范围：0～200000Lux

输出形式：二线制4～20mA电流输出；三线制0～5V电压输出；液晶显示输出；232/485网络输出。3）使用环境0℃～40℃、0%RH～70%RH（带液晶）；0℃～70℃、0%RH～70%RH(不带液晶)。大气压力：80～110kPa。4）工作原理由于光电二极管的输出与照度（光流量/感光面积）成比例，因此可以构成照度计（其它光度值测量都可以采取相应办法将其变换为感光面的照度进行测量）；再将光电流通过通用运放进行电流—电压转换。5）接线方法供电-和电流输出：黑线；电压输出+：绿线；供电+：红线1.5.5A/D转换部分由于51单片机往往要控制比较多的I／O口，因此使用并行ADC会限制系统I/O口功能的扩展，采用串行ADC比较适合那些低速采样而控制管脚，又比较多的系统端。在本次设计中我们选用芯片TLC2543作为串行A/D转换器。(1)TLC2543的特点及引脚TLC2543是12bit串行A/D转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成，A/D转换串行输入结构，能够节省51系列单片机的I/O资源．其特点有：1)12bit分辨率A/D转换器；2)在工作温度范围内10s转换时间；3)11个模拟输入通道；4)3路内置自测试方式；5)采样率为66kb/s；6)线性误差+1LSB(max)；7)有转换结束(EOC)输出；8)具有单、双极性输出；9)可编程的MSB或LSB前导；10)可编程的输出数据长度。TLC2543的引脚如图1.15所示:图1.15TLC2543引脚图图中AIN0～AINl0为模拟输入端；/CS为片选端；DIN为串行数据输入端；DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；EOC为转换结束端；CLK为I/O时钟；REF+为正基准电压端；REF-为负基准电压端；VCC为电源；GND为地．(2)TLC2543的使用方法1）控制宇的格式控制字为从DA，I'EINPUT端串行输入的8bit数据，它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度以及输出数据的格式．其中高4bit(D7～D4)决定通道号，对于O通道至10通道，该4bit为0000～l010H，当为1011—1101时，用于对，TLC2543的自检，分别测试(Vref++Vref-)/2、Vref+、Vref-的值，当为1110时，TLC2543进入休眠状态．低4bit决定输出数据长度及格式，其中D3、D2决定输出数据长度，01表示输出数据长度为8bit，11表示输出数据长度为16bit，其他为12bit．D1决定输出数据是高位先送出，还是低位先送出，为0表示高位先送出．D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码)，若为单极性，该位为O，反之为1．2）转换过程上电后，片选／CS必须从高到低，才能开始一次工作周期，此时EOC为高，输入数据寄存器被置为0，输出数据寄存器的内容是随机的．开始时，片选/CS为高，I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止，DATAOUT呈高阻状态，EOC为高．使/CS变低，I/OCLOCK、DATAINPUT使能，DATAOUT脱离高阻状态．12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入，随着时钟信号的加入，控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送人)，同时上一周期转换的A/D数据，即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出．TLC2543收到第4个时钟信号后，通道号也已收到，此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样，并保持到第12个时钟的下降沿．在第12个时钟下降沿，EOC变低，开始对本次采样的模拟量进行A/D转换，转换时间约需10us是，转换完成后EO才变高，转换的数据在输出数据寄存器中，待下一个工作周期输出．此后，可以进行新的工作周期．3）TLC2543与89C51单片机的接口示意图89C51单片机没有SPI接口，为了与TLC2543接口可以用软件功能来实现SPI接口，其硬件接口如图1.16所示．图1.16TLC2543与单片机的接口电路1.6调光模块现在照明系统中除一些特殊场合，大多数都使用高效电光源荧光灯，由于一些新的能源法规和协议要求提高能源效率，这就要求人们改进电子镇流器，提高电子镇流器的性能。为电子镇流器增加可调光功能，则是提高照明系统能源效率的重要措施之一。降低输出功率，不仅节能，而且能延长灯的寿命。还能起到变换视觉效果的目的。例如在白天需要照明的场所，由于靠近窗户的地方自然光线较强，可将灯光调暗乃至关闭。在不需要满功率输出时，应用调光系统可节能50%，使灯管寿命延长1.5倍。1.6.1电子镇流器调光功能的主要实现方法调光就是调节光输出，实质是调节灯功率。传统非调光电子镇流器通过闭环控制可使输出功率基本稳定，灯电阻不会发生很大的变化。然而可调光电子镇流器工作在调光模式下时，灯管所呈现的负阻特性是不同的，不能将其视为电阻性负载。因此，可调光电子镇流器与不带调光功能的电子镇流器相比，需要提供一个用户可调的调光控制输入端，并采用适当的方法检测灯电压、灯电流和灯功率，利用反馈电路调节用户设定的灯亮度。电子镇流器调光的法有占空比调节、半桥直流总线电压调节、频率调节和相位调节等。占空比调光法是在保持开关频率不变的情况下，改变开关的导通时间，在导通时间缩短时，传递到灯管上的功率减小。通过占空比调节范围为0—0.5，因此调光范围受到一定限制。当半桥直流总线电压改变时，固定开关频率和占空比，灯功率几乎随直流电压变化呈线性调节特性，从而实现近似线性的平滑灯光调节。但目前应用较多的还是调频和调相这两种解决方案。在本次设计中我们采用调相的方法来实现调光的功能。相位调制调光法：灯功率可以利用通过灯管的电流和出现在灯管两端的电压之间的关系来控制，这种技术称为相位调制。为控制电压和电流之间的相位移，需要对工作频率和驱动电路进行调制。当电流和电压同相位时，交付给灯管的功率最大。当电压和电流不同相位时，仅对灯管交付一小部分功率。在超过谐振频率时，谐振电路基本上呈现电感性，频率升高，相位移增大。为了不对红外遥控器造成干扰，最低工作频率应设置在38KHZ以上。荧光灯不是简单的电阻性负载，它很像一个带小串联电阻的电池。灯电流在高功率电平上往往不再为正弦波。在电压和电流同相位时，灯功率为额定功率的100%，传送到灯管的功率最大。当电压和电流有大的相位移时，灯电流仅为其额定值的1%，传送到灯管的功率非常小。有一部分可调光电子镇流器控制IC（如IR2159）采用脉冲调相调光方案。调相调光法能使灯功率调至1%，并可应用于多灯调光场合，能在任意调光设定值上启动，调光相位与灯功率之间有良好的线性关系。1.6.2基于IR2159的荧光灯可调光电子镇流器的电路设计（1）L6561芯片结构与工作原理简介L6561为电流准连续（TM模式）的APFC控制芯片，即电感电流处于连续模式与断续模式的临界点。L6561是ST公司生产的有源功率因数校正专用芯片。能方便的构成宽电压输入（AC85V—265V），低谐波含量的APFC电源；能直接驱动MOS管，且集成了各种保护功能；由于集成度很高，它大大减少了构成系统所需的元器件，降低了损耗，提高了效率.图1.17L6561引脚图引脚功能：8号引脚为芯片的电源输入端，芯片的正常工作电压范围为11V—18V，芯片内部有一20V的稳压管并连于该引脚与地之间，为防止芯片供电电压过高而将芯片内部稳压管击穿，可在该引脚与外部供电电源间串接一限流电阻；7号引脚为芯片的驱动信号输出引脚，该引脚内部采用了图腾柱结构，具有最大400mA的驱动能力，能直接驱动MOS管；6号引脚为芯片的参考地，该引脚应和主电路的地连在一起；5号引脚为芯片的过零检测引脚，用于确定何时导通MOS管。该引脚检测电感电流过零时产生的电压振荡，有效触发信号为一下降沿；4号引脚为MOS管电流采样引脚，芯片将该引脚检测到的信号与芯片内部产生的电感电流参考信号相比较，用以确定何时关断MOS管；3号引脚为芯片内部乘法器的一个输入端，该引脚与boost电路输入电压相连，确定输入电压的波形与相位，用以生成芯片内部的电感电流参考信号；2号引脚为内部乘法器的另一个输入端，同时为电压误差放大器的输出端，当系统稳定工作时，该点的电压应恒定；1号引脚为系统反馈电压的输入端，该引脚与内部运算放大器的负相输入端相连，同时通过一电阻分压网络与输出电压相连，从而构成负反馈；1号引脚和2号引脚之间应接一补偿网络，该网络一方面构成电压环的PI调节器，另一方面用以补偿系统的动静态性能。

（2）IR2159芯片引脚及功能：IR21592型控制器集成了调光镇流器控制器和600V半桥驱动器，采用16引脚DIP和SOIC封装。IR21592的核心是带外部可编程最低频率的压控振荡器(VCO)。

IR21592的主要特点如下：1）具有欠压锁定(UVLO)模式、预热模式、调光模式和故障模式；2）提供无变压器的灯功率检测相位控制，只需很少的改动，即可将非调光镇流器改为可调光镇流器，调光控制输入DC电压范围为O.5V—5V(5V的DC输入对应最大功率，0.5V对应最小相移)；3)预热时间、预热电流、触发(点火)到调光时间等参数可控，均可利用外部元件编程设置，为镇流器设计提供了高度灵活性；4)提供灯触发失败、灯丝失败、热过载(热关断温度为165℃)、正常工作期间灯失效及AC线路欠压保护与VCC欠电压锁定(VCC关断电平约为10．9V)。1.6.3基于IR21592的调光电子镇流器由L6561和[R21592型控制器组成的高功率因数36W荧光灯调光电子镇流器电路如图1所示其中，示。图1(a)为基于L6561型控制器的有源功率因数校正(PFC)升压型预变换器电路，其前端为EMI滤波器和桥式整流器(BRl)；图l(b)为基于IR21592型控制器的调光镇流器电路。图1.18基于IR21592的调光调光镇流器电路工作原理：PFC升压变换器为镇流器电路提供接近于1的线路功率因数和低总谐波电流失真THD(<15％)及400V的DC总线电压VBUS。在输入接通AC供电线路后，桥式整流器输出DC脉动电压VDC通过R5和RLM2(10Ω)对IC2的VCC引脚上的电容器CVCC2(4.7μF)充电。当CVCC2上的电压超过12.5V的导通阈值时，IC2启动，IC2内VCO起振，半桥驱动器开始工作。只要半桥产生输出，C12、VSI和D4组成的电荷泵电路为IC2的VCC脚供电。半桥输出高频信号经C12、二极管Dl整流和C4滤波为IC1的8引脚(VCC)供电，使IC1启动并使PFC变换器开始工作。IC2引脚1上由R4和RVCD组成的分压器用作检测经全波整流的线路电压。只有当VCC引脚上的电压超过导通门限电压并且VDC引脚上的电压大于5.1V时，IC2才能启动并进入预热模式。在预热模式，IC2引脚2内部VCO在最高频率上振荡，半桥输出带50％的占空因数，HO引脚与LO引脚上的驱动输出之间的死区时间内部设定为2μs，从而避免Q2和Q3“直通”。预热时间由IC2引脚3外部电容器CCPH确定。当CCPH上的电压大于5.1V时，预热阶段结束后，IC2进入触发模式。在触发模式下，工作频率从预热频率向最低频率fMIN偏移。最低工作频率由IC2引脚7外部电阻器RFMIN设定。在频率线性降低过程中，当接近输出级LC串联电路固有频率时，将发生谐振，在CRES上产生的高压脉冲施加到灯管的两端，使灯管击穿而点亮。一旦灯触发成功，IC2则进入运行模式，若失败，IC2则进入故障保护模式。IR21592有1个调光接口。IC2引脚4允许0.5V-5V的DC电压输入，执行模拟灯功率控制。5V的电压对应于最小相位移(最大灯功率)。调光接口输出是IC2引脚MIN的电压，该电压与IC2内部定时电容器(CT)上的电压VCT相比较，产生频率独立的数字接口相位。CT从lV～5V的充电时间确定IC2输出栅极驱动器(H0与LO)的导通时间。在负载电流中可能对应于-180°的相位移。对于0°~90°的调光范围，利用引脚MIN和引脚MAX上的外部电阻器将IC2引脚MIN上的电压限制在1V~3V之间。对应于DIM引脚上5V的输入，RMAX决定最小相移参考(最大灯功率)。RMIN设置最大相移(最小灯功率)，对应于0.5V的调光输入。Q3源极电阻器RCS感测半桥电流。只要IC2引脚CS上的电压超过1.6V，则电路进入故障保护模式。由R17和R16组成的分压器和C1l组成灯检测电路。在灯出现故障时，IC2关闭。IC2引脚8外部电阻RIPH设置基准峰值预热电流。自举二极管D3和电容器C7组成IC2内部高侧驱动器的供电电路。1.7远程控制模块PT2262/2272是一对带地址、数据编码功能的红外遥控发射/接收芯片。其中发射芯片PT2262-IR将载波振荡器、编码器和发射单元集成于一身，使发射电路变得非常简洁。1.7.1芯片介绍（1）PT2262引脚及功能说明：图1.19PT2262引脚图引脚说明：Pin1—Pin6（A0-A5）:地址输入端，可编成“1”、“0”和“开路”三种状态。Pin7、Pin8、pin10-Pin13（A6/D0-A11/D5）:地址或数据输入端，地址输入时用Pin1-Pin6，做数据输入时只可编成“1”、“0”两种状态。Pin14（TE）:发射使能端，低电平有效。Pin15、Pin16（OSC1、OSC2）:外接振荡电阻，决定振荡的时钟频率。Pin17（Dout）:数据输出端，编码由此脚串行输出。Pin9、Pin18（VDD，Vss）:电源+，-输入端。（2）PT2272引脚及功能说明：图1.20PT2272引脚图引脚说明：Pin1-Pin6（A0-A5）：地址输入端，可编成“1”、“0”和“开路”三种状态。要求与PT2262设定的状态一致。Pin7、Pin8、pin10-Pin13（D0-D5）:数据输出端，分暂存和锁存两种状态。Pin14（DI）:脉冲编码信号输入端。Pin15、Pin16（OSC1、OSC2）:外接振荡电阻，决定振荡的时钟频率。Pin17（VT）:输出端，接收有效信号时，VT端由低电平变为高电平。Pin9、Pin18（VDD，Vss）:电源+，-输入端。（3）LT0038引脚及功能说明：LT0038是塑封一体化红外遥控接收集成电路，外形如下图图1.21LT0038外形结构第1脚为GND；第2脚为＋5V；第3脚为OUT输出。它内部包含了红外光接收、电信号放大、整形、解调等电路，不需要任何外接元件，可独立完成从红外线接收到输出兼容TTL电平信号的所有工作，没有红外输入信号时为高电平，接收到红外信号时为低电平，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。LT0038适合于对38kHz载频二进制码进行接收解调。1.7.2工作原理PT2262/PT2272工作原理：PT2262-IR发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。由各地址、数据的不同接脚状态决定，编码从输出端Dout输出，通过红外发射管发射出去。其编码时序波形如图1.21所示。Dout输出的编码信号是调制在38kHz载波上的，OSC1、OSC2外接的电阻决定载频频率，一般电阻可在430k—470k之间选择即可。图1.22PT2262—IR编码时序图PT2272的暂存功能是指当发射信号消失时，PT2272的对应数据输出位即变为低电平。而锁存功能是指，当发射信号消失时，PT