基于51单片机的智能报警灯设计与制作

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目录

1产品功能分析....................................................1

2设计方案遴选....................................................1

2.1单片机的选择................................................1

2.2系统框图设计................................................2

3产品硬件设计....................................................3

3.1系统主控电路设计............................................3

3.2单片机最小系统设计..........................................4

3.3LED提示电路................................................5

3.4光敏模块电路................................................6

3.5人体感应模块................................................7

3.6继电器驱动模块..............................................8

4系统软件的设计..................................................9

4.1系统总体流程图..............................................9

4.2系统程序清单...............................................10

5产品使用说明、.................................................11

5.1产品装配图.................................................11

5.2产品组装与调试.............................................12

5.3产品使用说明...............................................13

6产品设计技术标准..............................................13

7参考资料......................................................14

附录1元器件清单...........................................15

附录2电路原理图...........................................16

附录3PCB设计图............................................17

附录4产品实物图...........................................17

附录5主程序代码...........................................18

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基于51单片机的智能报警灯设计与制作

1产品功能分析

智能感应报警灯可以有效实现对灯光的控制。最重要的输入数据是人体的

发射信号等外部因素发出的环境光变化信号，当智能感应报警灯不开灯时，代

表环境光的变化达到一定强度或没人经过，当智能感应报警灯开灯时，需满足

两个条件，环境光的变化低于一定强度并有人经过。理论数据和实验数据充分

证明，这可以实现上述目标，对教室照明实现智能控制。

智能感应报警灯通常安装在室内，以避免来自电灯和外部光源的阳光直

射，使传感器在接收信号时更加敏感和可靠。

2设计方案遴选

开发的控制模块使用不同强度的环境光和在人体存在的情况下发出的信号

作为主要输入数据。控制模块可以实现控制灯光开关，无论是否有人经过。如

果环境光强度没有达到一定强度，并且有人体经过一定时间，控制模块会自动

打开教室照明，直到人体离开，并在一定时间后关闭。

本说明书所研究的智能感应报警灯主要是由两个模块组成，分别是硬件和

软件。硬件主要功能是为软件模块提供运行的平台，硬件是整个系统运行的底

座。而软件模块是对硬件模块的端口发出的信号，进行汇总、分析和处理，最

终实现智能感应报警灯的各种控制功能。

2.1单片机的选择

从容易学习掌握的角度出发，要求所选单片机支持简单易学的编程语言，

并且拥有软件支持的良好编程环境。同时还应当有丰富的资料支持，包括详尽

的芯片说明书，应用指南，设计方案，范例程序等。

从工作可靠性的角度出发，要求所选芯片有较宽工作温度范围，较低的功

耗和一定的抗干扰能力。按适用的工作温度分，常用单片机芯片可分为商用级、

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工业级、军品级，这里选择一般的商用级即可。在功耗和抗干扰方面，本产品

对控制系统的要求不高，商用级的单片机芯片就可以满足要求。

综上所述，本产品选用STC89C51作为主控芯片。足够本设计运行，且价格

便宜，下载程序方便。

2.2LED灯的选择设计

近年来，随着LED制造技术的进步和新材料的开发，其颜色已达到可见波

段的所有颜色，其LED的发光效率提高了近1000倍。LED提供比其他模块更

方便、更快的响应检测。

2.3光敏电路的选择

光敏电阻器对光的敏感性类似于人眼对环境光的反应，人眼可以感受到的

光，都会引起光敏电阻器阻值的变化。由于光敏电路对光的反应比其他反应电

路快，所以整个电路能够更快地接收信号并对所需的变化作出反应。

2.4系统框图设计

系统控制单元以微控制器主控模块为中心，其外围电路主要有：系统电源

模块、人体传感器模块、看门狗模块、定时报警模块、硬件时钟模块、遥控模

块、环境光学模块和遥控模块。设计的系统总框图如下图2.4.1系统框图所示。

继电器模块

LED指示模块

光敏模块

人体感应模块

STC89C51RC

继电器模块SLED指示模块

L晶振电路ED指示模块单片机复原电路

块复位电路

LED指示模块

LED指示模

图2.4.块1系统框图

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3产品硬件设计

系统控制单元基于单片机的主控制模块。其他外围电路主要有：系统电源

模块、硬件时钟模块、看门狗模块、环境光模块、人体感应模块、遥控模块、

遥控接收机模块、定时报警模块。

3.1系统主控电路设计

由于控制系统的尺寸和复杂性，需要确保微控制器的控制和基本参数的再

现性以及母函数的测试。第一种类型通常需要考虑ROM容量、芯片速度、工作

电压（1.8V/3V/5V）、I/O引脚数，第二种类型包括双指针、SPI接口、监视狗、

双串口、CAN接口、实时时钟、需要USB接口等附加模块。在这种设计中，唯一

的受控对象是复杂度较低的超声波和声光报警器。通过使用通用的低端微控制

器芯片，可以满足要求。

综上所述，本产品选用STC89C51作为主控芯片。足够本设计运行，且价格

便宜，下载程序方便。

微控制器是将包括中央处理单元（CPU）、RAM数据存储器、ROM程序存储

器、计数器/计时器、中断系统、时钟组件集成、I/O接口电路在内的各种组件

集成到集成电路芯片中的微型计算机。微控制器因其体积小而广泛应用于现代

电子和工业领域，成本低，可靠性高，易于开发和应用。微控制器是智能设备

中最广泛、最活跃的领域之一。在控制领域，控制计算机的低成本、紧凑、操

作可靠性和灵活性越来越受到关注。将微控制器引入各种测量仪器中，实现了

智能化，提高了测试的自动化和准确性，提高了计算机计算速度，简化了测量

仪器的硬件结构，提高了经济性。

中央处理单元（CPU）。它是微控制器的核心，用于执行操作和控制功能的

操作单元和控制单元。操作单元主要包括逻辑计算单元（ALU）、位处理器、累

加器a、寄存器B、缓冲器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW、十进制自适

应电路等。其主要功能是执行算术、逻辑、二进制和数据传输操作。控制单元

主要由时钟、定时电路和一些控制寄存器构成。它的主要功能是调整整个微控

制器的运行，产生同步脉冲，并提供控制信号。

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数据存储。MCS-52系列芯片数据存储器具有128个存储单元，用于存储读

写数据。为了区分外部扩展数据存储器，内部数据存储器通常被称为内部数据

存储器，并缩写为内部存储器。

程序存储器。89C52芯片包括用于存储程序和原始数据的4KB掩模ROM。

通常称为内部ROM或内部程序存储器。计时器/计数器。MCS-52具有用于同步

和计数功能的两个16位计时器/计数器。如图3.1.1系统主控电路原理图所示

图3.1.1系统主控电路原理图

3.2单片机最小系统设计

微控制器的另一个重要组件是并行I/O端口。STC89C51具有表示为P0、

P1、P2、P3的4个并行8位输入输出。每个端口都包含锁定、输出驱动器和输

入缓冲区。实际上，它存储在专用寄存器中，具有字节地址功能和比特地址功

能。当访问芯片外部的扩展存储器时，低8位地址和数据通过端口P0高速传输，

高8位地址通过端口P2高速传输。这四个端口中的每一个都可以用作不可扩展

的室外内存系统中的双向I/O端口。

微控制器的四个I/O端口都是8位双向端口，基本上具有相同的结构和特

性，但每个端口都有自己的特性。

当高电平插入STC89C51微控制器的RST引脚并维持机器的两个循环时，

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微控制器执行内部复位（如果引脚保持高电平，则微控制器处于循环复位状

态）。复位电路通常使用自动复位和按钮复位两种设备。最简单的自动连接是

通过对外部复位电路的电容器进行充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过

1ms，就可以自动进行电复位。时钟频率6MHz，C取22uF，R取1KΩ。除了打

开重置外，有时还需要通过按下按钮手动重置。此设计使用按钮手动重置。手

动复位按钮有两个选项：电平模式和脉冲模式。通过电阻器将RST连接器连接

到电源VCC，以执行复位。

图3.2.1单片机最小系统原理图

3.3LED提示电路

LED，是一种固态半导体器件，可以将电能转变为可见光，并可以将电流

直接转换为光；它改变了白炽钨丝和三原色粉末节能灯的发光原理。经过分

析，LED的特点非常明显，包括寿命长、发光效率高、辐射低、功耗低。LED

因其高亮度、低热、长寿命、无毒性和可回收性而被公认为21世纪最有前景

的绿色光源。智能灯使用LED开关来指示它是否感知人体以及继电器是否有输

出。如图3.3.1LED提示电路图所示。

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图3.2.1LED提示电路图

3.4光敏模块电路

光敏电阻，也被称为光电导体，通常被用作一种称为硫化镉的材料。此外，

还有硒、硫化铝、硫化铅、硫化铋等材料。这些生产材料具有在特定波长的光

下快速降低其电阻值的特性。事实上，光产生的所有电荷载流子都参与了这条

线，并在外部电场的影响下漂移。电子流到源极的正极，而空穴流到源的负极，

导致光致抗蚀剂的电阻迅速降低。

光敏电阻是半导体的光电导效应产生的电阻，其电阻值随着入射光的强度

而变化，也称为光电导探测器；当入射光较强时，电阻减小，但当入射光较弱

时，电阻增大。还有另一种方式，其中入射光较弱且电阻减小，而入射光较强

且电阻增大。

该设计使用感光度和电阻值的变化来划分电压，并将获得的电压值与LM393

的电压值进行比较。通过调节10K可调电阻，可以调节光限。检测光线是否太

弱，并将信号发送给微控制器进行处理。如图3.4.1光敏电路原理图所示。

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图3.4.1光敏电路原理图

3.5人体感应模块

用于人体存在传感器的热电红外探测器的工作原理和特性如下：

人体具有恒定的体温，通常为37摄氏度，被动红外辐射检测到人体发射的

红外辐射中约有10%来自人体的周围红外辐射一起工作。10μm左右红外线由滤

波器放大，然后聚焦在红外传感器源上。红外传感器源使用热电元件，当它们

接收到人类红外辐射的温度变化并将电荷释放到外部时，热电元件失去电荷平

衡。在检测和处理之后，以下电路可以产生存在于人体中的信号。

全自动感应：当一个人进入他们的检测区域时，他们发出低电平。当人们

离开检测区域时，他们会自动延迟低电平停止，并在待机期间发出高电平。

感应锁定时间：每次感应输出后，感应模块可在延迟后立即设置锁定时间，

在此期间传感器不接受感应信号。该功能允许在“电感输出时间”和“阻塞时

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间”之间执行间隔操作，适用于产品的间隔检测；同时，该功能有效地消除了

电源切换过程中出现的各种干扰。（该时间可以在零点几秒和零点几秒钟之间

设置）。

当有人进入时，移动人体发射的红外辐射被红外传感器接收，这表明人体

被感知并发射到高水平。当人体进入最不敏感的运动方向时，由人体传感器反

射的信号可能不理想，有时可能会失败。因此，应特别注意人体传感器的安装

方向。

人体传感器的第一引脚是电源信号端口，第三引脚是接地信号端口，第二

引脚是检测信号输出端口。在电路设计中，为了使人体传感器的操作更可靠，

增加了晶体管以控制人体存在传感器输出信号的可靠性。如图3.5.1人体感应

模块原理图所示。

图3.5.1人体感应模块原理图

3.6继电器驱动模块

电磁继电器通常由磁芯、线圈、固定器、接触弹簧等组成。只要向线圈两

端施加一定电压，一定量的电流就会流过线圈并产生电磁效应。托盘杆克服复

位弹簧的牵引力被磁芯上的电磁力吸引，从而使托盘杆的移动触点与静态触点

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（通常是断开触点）接触。当线圈闭合时，电磁重力也消失，托盘杆在弹簧反

作用力下返回其初始位置，释放移动触点和原始静态触点（通常为闭合触

点）。这种抽吸和松开达到电路中传导和断开的目的。对于继电器的“常开和

常闭”触点，可区分如下：继电器线圈未通电时处于断开状态的静态触点称为

“常开触点”；处于导通状态的静态触点称为“常闭触点”。继电器通常有两

个电路，一个低压控制电路和一个高压工作电路。

继电器控制接口电路，其中继电器由相应的PNP晶体管驱动。在启动时，

在微控制器初始化之后P3.5处于高电平，并且晶体管截止，使得继电器在启

动之后仍然处于释放状态。当P3.5处于低电平时，晶体管的基极被向下拉动

以产生足以使晶体管导通的基极电流。继电器打开和关闭，驱动负载并打开相

应的灯。如图3.6.1继电器模块原理图所示

图3.6.1继电器模块原理图

4系统软件的设计

在微控制系统中，编程的原则是对微控制系统的资源分配进行控制，这与

利用编程语言提高方向效率的系统中材料资源的分配是一致的，各种各样的美

食会对餐厅的经营产生影响。这一概念在逻辑上对系统的可操作性和运行效率

产生了重大影响，对系统概念的利用至关重要。

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4.1系统总体流程图

开始

系统初始化

NO

光线是否过弱继电器断

开

YES

YES

是否检测到人继电器吸合

体

NO

延时5s

NOYES

是否检测到人

体

图4.1.1系统流程图

4.2系统程序清单

智能感应报警灯

absacc.h

初始化

定义绝对宏程

序

主程序main.c

Intrins.h

IO口定义

移位函数程序

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图4.2.1系统程序清单

5产品使用说明

5.1产品装配图

系统主控

人体感应装

继电器

置

电源开关

图5.1.1产品装配图

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5.2产品组装与调试

图5.2.1产品组装图

运用keil进行嵌入式开发软件有以下几个步骤

（1）打开Keil软件。

（2）创建一个新工程，选择运用的芯片，进行工程配置。

（3）写.c或汇编源文件。

（4）编写产品程序。

（5）修改程序中的错误代码。

（6）通电调试产品。

显示0Error（s）,0Warning（s）.

程序编译成功（无错误）。

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5.3产品使用说明

（1）将产品拿出，摆在平坦的桌面上。将光敏部分和人体感应装置摆在合适

的位置。

（2）把USB接口与DC电源插座接上，通电后烧录程序，在没有设置场景

中，LED是没有显示的

（3）通过调整光的明暗和转动调节器，将灯的感应条件设置在合适的区间

（4)降低灯的亮度，模仿夜间，显示光条件达到的LED灯亮起

（5）在人体感应装置面前晃动，模拟夜间有人经过，继电器内有轻微哒的声

响，然后LED灯亮起

（6）停止在人体感应装置晃动，LED经过大约十秒熄灭

6、产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范。

7参考资料

[1]基于STC89C52单片机的指纹密码锁系统设计与实现[J].杨朋飞,聂亮,陈靖,蔡长龙.传感器与微

系统.2020(05)

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[2]基于单片机的温度报警器[J].柳文静.电子测试.2020(03)

[3]基于无线通信技术的温度报警器设计与实现[J].梁越勇,季航宇,浦希成.计算机与数字工

程.2018(11)

[4]简易温度报警器设计与实现[J].金帅.自动化技术与应用.2018(01)

[5]基于AT89S52单片机的数字温度报警器实现[J].李华,魏光杏.西安文理学院学报(自然科学

版).2016(06)

[6]基于51单片机的温度监测报警系统设计研究[J].孙晓倩.赤峰学院学报(自然科学

版).2015(24)

[7]基于AT89S52和DS18B20的数字温度报警器的设计[J].余红珍,秦宗锋.自动化技术与应

用.2012(12)

[8]基于AT89S52单片机的红外遥控温度报警器的设计与实现[J].聂茹.电子设计工程.2012(21)

[9]基于单片机的温度报警器的设计与仿真[J].陈峰.电脑知识与技术.2010(27)

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附录

附录1元器件清单

元器件编号封装原理图库数量

晶振1XTALCRYSTAL1

电容30C125V/4.7VCAPACITOR1

电容104C2.C5CAP-2.54CAP2

电容10ufC3.C4CAP-4MMCAP2

5MM绿色发光二极管D1LED5MM-GLED1

5MM红色发光二极管D2LED5MM-RLED1

2P接线端口J15.08A-2pinCON21

5V继电器J25V继电器JDQ-51

3MM红色发光二极管L1LED-3MMLED3mmred1

DC电源座子P1DC002POWER1

PNP三极管Q1.3TO-92PNP22

NPN三极管Q2NPNNPN1

2k电阻R1.R3.R5.510AXIAL-0.4RES24

1k电阻R2.R6AXIAL-0.4RES2RES2

10k电阻R4.R9.R11.R12.R13AXIAL-0.4RES25

电位器R7VR3306POT21

光敏电阻R8SIPA02RES41

电源开关S1sw7x7SWITCH1

微动开关S2SW-PBSW-PB1

Header。3-PinT1sipa04Header31

51单片机U1