基于单片机的智能台灯控制系统的设计14000字【论文】

基于单片机的智能台灯控制系统的设计目录TOC\o"1-3"\h\u7434摘要 26436第一章绪论 322054课题背景 326649课题意义 4135台灯的发展现状 54314第二章系统的总体方案设计 7178512.1设计要求 7239332.2方案选择和论证 7315462.2.1单片机的选择 76760第3章系统硬件设计 975153.1整体方案设计 9220143.1.1系统概述 9324663.2最小系统模块 916813.2.1AT89S51简介 9146723.2.2最小系统电路 1243693.3LED照明电路 1340943.3.1LED灯的原理 13158943.3.2LED灯的特点 13150773.3.3LED灯照明电路原理图 13225673.4光照强度采集电路 1526903.4.1光敏电阻概述 15177883.4.2光敏电阻工作原理 1533553.4.3光敏电阻的分类 15165223.4.4光敏电阻的主要参数 16275303.4.5ADC0832模数转换器简介 16117923.4.6光照强度采集电路 1686053.5人体红外检测模块 17175443.5.1热释电红外传感器的原理 1756943.5.2热释电红外传感器的原理特性 1861853.5.3HC-SR501模块介绍 18312223.5.4人体红外检测电路 19306763.6距离检测模块 19180703.7蜂鸣器模块 21109253.8按键输入模块 2120738第四章软件设计 21233374.1程序语言和开发环境 2298404.2程序流图设计 2291744.2.1总体程序流程图设计 22308824.2.2模数转换程序设计 2449124.2.3PWM调光程序设计 2714560第5章硬件的组装与调试 28264225.1元器件的选择与测量 28163085.2元件的焊接与组装 2817005.3测试的结果 2840395.3.1手动模式结果 28115135.3.2自动模式结果 30297635.3.3坐姿感应功能 3110164参考文献 3232679附录 3313931附录一元件清单 3322010附录2原理图 3427817附录3设计程序 35摘要如今智能化已经是每个人耳熟能详的词语，高科技的出现和应用造就了这个智能化的潮流。大到智能化家居系统，依靠智能化技术来按照自己的喜好调整家居风格，舒适日常生活。小到一盏灯，一个电饭锅无不有着智能化的身影。但是不论是家居智能化产品还是其他都有着相同的灵魂，他们都是利用单片机来实现自己的智能化操作。随着电子技术的发展，微型电路更是有了翻天覆地的变化，无论多么复杂的功能都可以在一片芯片上实现。也正是有了这种技术，才大大改变了我们的日常生活。其中最常见的便是照明技术的改进。从普通的电灯、白炽灯、卤素灯到现在的LED节能灯，都是科技革命给我们的生活带来的福利。社会在进步，人们的思想也在改变。环境问题不断地出现，能源的稀缺，都唤醒了每个人环保的理念。功能单一的上一代台灯，仅仅可以满足照明等功能。现在的智能化生活已经需要舍弃掉非智能化的产品。所以，现代化生活需要的是绿色环保的新一代台灯来替换掉功能单一的台灯我的设计是一种基于PWM调光技术的智能台灯。我的设计是将调光技术和单片机通过电路板结合在一起实现台灯光照的调节。该设计的台灯分为手动模式、自动模式两种模式，当处于自动模式时，打开台灯开关后，当红外传感器感应到人体出现时，会通过指令自动打开台灯；而且当环境光强改变时，台灯光也会随之改变以满足保护视力的功能。当人体离开台灯范围时，25秒后台灯自动熄灭。当我们坐姿不当时，身体与桌子的距离太近，提示灯会闪烁，蜂鸣器会发出报警信号。防止学生培养不良坐姿习惯。本设计是通过光敏电阻调节和红外释电传感器来实现节能环保功能。如果处于手动模式，则只会有坐姿感应和手动按键调节灯光的功能关键词：单片机；PWM；台灯；人体红外感应；环保节能第一章绪论课题背景全球能源危机和气候变暖问题对于我们每一个人都是不容忽视的问题，要想减缓和解决这些问题最需要关注的就是绿色和节能。每个科学家都在通过各种途径寻找新的材料和方法来制造新的节能减排的工艺。在生活中对于能源的消耗中，照明又是其中的主要输出去向。所以人们便将目光投向了更加节省能源的新材料和更加省电的控制系统。所以节能环保能源的研究便是各国科研的主要方向，LED作为一种发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件。是继白炽灯，荧光灯，冷光灯，卤素灯之后的新一代光源，基于白光的LED灯照明，是一种新型的绿色节能照明方式。LED灯对比于白炽灯等光源，节能环保、体积小、安全、使用寿命长都是其突出的优点。也是我国目前主要研究的新光源，符合习近平总书记提出的建设资源节约型和环境友好型社会的基本要求。所以可以看出在未来LED灯有着多么大的发展前景和无限的未来。目前，市场上的主流台灯已经基本摆脱了白炽灯，荧光灯等作为光源，已经普及了以LED灯作为主要光源。这样便摆脱了低效率，高发热，难调光等缺点：至于卤素灯等已经退出市场的光源由于一旦处理不当会对环境造成严重危害的原因已经不再作为台灯使用了。可是当前市场上的台灯虽然满足了绿色光源的问题，但是功能却十分单一只有基本的调节功能，缺少了自动调节，人体感应，防近视，坐姿矫正等功能。无法满足我们现阶段的智能生活的要求。而且如今，面对小学生这个庞大的市场，坐姿矫正，视力保护保护功能都是无比重要的功能，可以切实的保护每个学生的视力和坐姿问题。于是，智能型电器也由于它多功能的实用邮电也渐渐走进了人们的生活中。课题意义首先，节能减排是我国能源研究最主要的方面。1998年1月1日我国正式施行了《中华人民共和国节约能源法》，节能是该法律中的核心要义，是我国重要国策之一。节能减排简单来说就是开源节流，从节约能源和减少污染物的排放。《中华人民共和国节约能源法》所提出的节约能源是首先从源头上加强管理，在技术上可行和合理的经济范畴内来实行各种措施以达到减少能源的消耗和环境的污染。“节能减排”政策出自于我国“十一五”规划纲要。十一五期间单位国内生产总值能耗降低20%左右，主要污染物排放总量减少10%，这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重要举措。2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB50189—2005要求全年的总能耗（采暖，通风，空气调节和照明）减少50%。这就要求我们国家的电气技术工作者要贯彻落实节约绿色的政策，通过各种技术来优化我们国家的电器产品来应用于实际。照明节能意义重大。我们全国总发电量的10%都用于我们生活中的日常照明。2019年我国的照明累计用电量达2442205万千瓦时，同比增长6.46%。据资料报道，目前城市照明用电量约占全国总发电量的4%～5%。要想缓解照明用电量的问题需要从三方面来入手，首先需要选择绿色环保的灯具和光源；选择高效的控制系统；更完善的管理模式。在公共照明系统中，发展最完善的便是日本的公共照明系统。目前国际上最著名的智能路灯系统控制技术：即智能降压技术——稳压——调光技术。（1）在车流密集的路段，控制路灯保持较强的光照强度，当进入午夜时分，路灯便自动调节；在夜间三点到黎明时，路灯保持较弱的强度。在日本、德国等国家，该技术得到了大力的推广。已经基本实现了全国普及。如今在我国的新时代智慧城市建设中，我国的5G技术和基建技术的联合，使我国的智慧路灯建设全面提速。这也是全球范围内最新的智能灯光控制系统。此外，我国青少年近视问题也是不容忽视的，我国近视人数一直在不断增加，这是十分严重的健康问题。所以要想缓解青少年的视力问题，加强对视力的保护和近视眼防治。根据我国的最新的第七次人口普查结果显示我国儿童青少年总体近视率较前年小幅提升。教育部联合卫生健康委开展的全国儿童青少年近视情况调查结果显示，2018年全国儿童青少年总体近视率为53.6%，2019年全国儿童青少年总体近视率为50.2%，较2018年下降了3.4个百分点，29个省份2019年近视率较2018年有不同程度下降。受疫情影响，2020年全国儿童青少年总体近视率较2019年有小幅上升。青少年患者人数的急剧增加，对于我国的近视防治是十分可怕的。近视现在已经逐渐发展为每一位父母都十分焦虑的问题，这已经不仅仅是危害健康的问题，同时还会影响我国高素质人才的培养。我国21世纪的健康目标想要实现，需要直面的问题就是近视问题。直到现在近视问题都没有有效的治疗手段只能通过眼镜来进行缓解，而现在医院的激光飞秒手术同样有着视力和年龄的限制，而且有着很严重的隐患和风险。我国中小学生的近视问题主要是由于坐姿不当和作业繁多需要长时间处于光源下造成的。同时对台灯的不当使用也是造成近视的主要原因。虽然目前市场上已经有了智能台灯的出现但是高昂的价格也让大多数人望而却步。本设计的智能台灯有着两种模式的选择，还加入了坐姿感应功能，可以实现调整坐姿保护视力的功能。台灯的发展现状台灯虽然只是日常生活中简单的日用品，但是作为生活中必不可少的物品之一。人们对于台灯的要求也是越来越高，所以台灯的功能也就越来越需要符合人们对于台灯功能的期望。而且，现在集成芯片的出现越来越多的功能可以出现在台灯中，时钟闹钟等功能已经十分常见了。1.护眼台灯的护眼原理护眼灯的的护眼原理主要是通过多个参数来进行判断。第一便是频闪，护眼灯通过电子镇流器将电频率提高，采用三基色荧光粉减少炫光效应，使光线变得柔和而不刺眼，以此来实现台灯的护眼效果。第二便是显色指数，只有90以上才能称为护眼，最低标准是显指85，R9>0。第三色温则需要在4000K以下，最高不要超过5000K。第四就是需要蓝光的危害等级要达到RG0（豁免级）。第四便是照射范围也会决定眼睛的舒适度，台灯的照射范围越广，工作面和周围的照度对比会越小，眼睛会越舒适！当我们都有经历过眼睛长时间盯着亮物看时，眼睛挪开会看不清周围的物体，更严重的会眼前瞬间一片黑，这就是因为两者亮度对比太强导致，我们要保证工作面和周围照度对比越小越好！这就要求我们在使用台灯时，最好也亮着主灯。2.节能台灯现在节能台灯都是从基本的光源入手，例如使用LED节能灯泡。近年来随着绿色节能政策的提出，已经不能仅仅从光源的方面来入手，而且需要从其他的节能方面来加强环保。目前已经有了新型的半导体台灯，使用了新型的发光二极管作为光源，其中又以护眼的黄光最为流行，特别适用于学生的学习和日常生活。通过使用新型的光源，频闪问题得到了基本的解决，本设计的台灯具有着使用寿命长、节能、环保、保护视力、矫正坐姿等多个优点。适用于一般的学习和生活。3.台灯外观智能化台灯不能仅仅局限于功能，在外观上同样也变得更加优化和极具趣味。一些方便、快捷、外观新奇的智能台灯也会增加产品的销售情况。智能台灯不光可以使用单一台灯还可以有台灯与闹钟的组合，有使用投影功能的台灯还有具有取暖功能的台灯。这些新型台灯不仅有着很好的实用性还有着优美的工艺性，而且多变的样式和工艺也是十分迎合人们的喜爱。用料上不仅仅局限于塑料还可以使用不锈钢陶瓷来提高产品的性能和安全。

第二章系统的总体方案设计2.1设计要求（1）熟悉51单片机集成开发环境，使用c语言编写设计程序；（2）熟练应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；（3）自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；（4）理解智能台灯的原理和掌握实现方法。2.2方案选择和论证2.2.1单片机的选择方案一：采用DSP作为系统控制器。是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求来实现所需功能。大多数DSP采用了哈佛结构，将存储器空间划分成两个，分别存储程序和数据。它们有两组总线连接到处理器核，允许同时对它们进行访问。这种安排将处理器存贮器的带宽加倍，更重要的是同时为处理器核提供数据与指令。在这种布局下，DSP得以实现单周期的MAC指令。GPP使用控制逻辑来决定哪些数据和指令字存储在片内的高速缓存里，其程序员并不加以指定（也可能根本不知道）。方案二：采用单片机作为中央控制器。单片机作为主流的芯片有着多种优点，包括性价比高、功耗低等。单片机软件编程灵活，算术运算功能强，自由度大，而且新一代的89s51单片机不仅完全适配之前的各种51系列单片机，同时还具有随时可编程，可加密等多种功能。同时成本低高适配性更是体现出其优越性。综上所述，拟定方案二选用AT89S51单片机作为主要芯片。2.2.2显示方案的选择目前常见的主要有：采用直流电源LED的调光技术；采用脉宽调制（PWM）来调光；采用可控硅对LED调光。按照常规技术有以下三种方案可供选择。方案一：采用直流电源LED的调光技术LED调光技术最主要的就是调节电流，改变LED的负载电阻也是最简单的方法，所有的DC恒流芯片都有着自己独立的电流接口，是检测的电压和参考电压进行对比。以此来控制电流的稳定，但是限流检测电阻很小，所以给操作带来了很大的困难。所以不可以采用改变电阻大小来改变电流。所以为了准确实现调节，一些设计会采用芯片来控制电压，通过改变电压来实现电流的改变同时，通过调整电流来调整亮度会产生问题，在改变亮度的时候，会改变元件的光谱和色温。同样由于目前的LED都是通过激发黄色荧光粉产生，当电流减小时，蓝光并不会按比例减弱，从而会导致波长变长影响光源的质量。在设计实现的过程中，调节电流会产生十分严重的问题，LED通常是由DC恒流驱动，LED的电压是由电流确定的。从LED伏安特性可知，电流变化就会引起电压的变化，所以通过这种方法调压会改变电源电压和负载电压的关系。方案二：采用脉宽调制（PWM）来调光LED是一个发光二极管，所以可以通过pwm实现快速开关。通过在单位时间内反复地接通和断开LED电流来调节发光亮度，开关频率一般要高于100Hz,以便这个脉冲电流不易被人眼察觉到。流过LED的平均电流I与占空比D是线性比例关系。（2）PWM调光技术是现行十分普遍的调光技术，其核心技术是由于LED亮度与pwm占空比成线性关系。这种稳定的调节关系也成功避免了LED调光技术所带来的弊端。PWM是一种对模拟信号进行数字编码的方法。这种方法可以满足在多种情况下调光的需求。脉宽调制调光的优点：1、不会因为电流的改变而带来色谱偏移；2、pwm调光技术可以达到高精度的灯光调控；3、可以和数字电子技术相结合来达到精密的控制。4、pwm调光技术可以与单片机结合通过程序来进行控制。通过两种方案的对比可以，我们可以清晰地看出对于LED调光技术最好的选择是使用pwm调光技术。采用pwm调光技术，可以通过单片机对灯光进行调控。通过编写的程序可以预先设置好自己所想要实现的功能，通过程序对灯光的开关进行调节。而且pwm调光技术是可以直接用于灯光的手动调控。所以选择方案二来满足功能。

第3章系统硬件设计3.1整体方案设计3.1.1系统概述该设计是使用AT89S51单片机为中央控制器，搭配晶振电路、复位电路、时钟电路等构成最小系统。将其他模块通过单片机联合在一起实现所需功能。其中，照明设备由5mmLED灯珠发光二极管进行模拟，使其设计在外观上更加美观。光照强度采集模块使用光电光线检测传感器来判断;人体感应采用的是HC-SR501RD-624人体红外感应电子模块传感器热释电探头感应开关。该传感器灵明度高，操作简单；防近视检测采用的是光电传感器模块E18-D80NK。声音提醒主要元件是蜂鸣器；指示灯使用普通三极管小灯；按键模块使用四个普通轻触开关来实现模式转换和大小调节；最后使用USB5V进行供电。系统框图如下图1所示。图1单片机单片机最小系统按键模块光照强度采集模块电源模块人体感应模块距离测量模块照明设备蜂鸣器模块模式指示灯3.2最小系统模块3.2.1AT89S51简介（1）概述AT89S51单片机作为因特尔公司的旗舰产品，具有低耗能、高性价比的优点，是一个8位单片机，片内含有可擦写千次的程序存储器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。（3）AT89S51单片机具有以下特点：该单片机含有基本40引脚，4kb片内程序存储器，128bytes随机数据存储器，和32个I/O口，2个可编程计数器等，相比于AT89C51单片机其具有新设看门狗电路，和可反复编程的功能。除此之外，AT89S51可以通过软件设置省电模式。空闲模式下CPU停止工作，其他电路继续工作；断电模式下，会保存RAM数据，停止其他功能直到复位或中断激活等功能。（2）主要功能特性8031CPU与MCS-51兼容4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)全静态工作：0Hz-33MHz三级程序存储器保密锁定128*8位内部RAM32条可编程I/O线两个16位定时器/计数器6个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路（3）AT89S51单片机引脚功能AT89S51引脚图如图2如下图2引脚图VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口是一个双向I/O口，管脚写1时，定义为高阻态输入。P0口用于外部数据存储器；FLASH编程时，P0口作为原码输入口，校验时会输出原码。P1口：P1口是提供上拉电阻的8位I/O口，P1口能接收门电流。管脚写入1时，会上拉为高，用作输入；管口下拉为低电平时，将输出电流。P2口：P2口是一个内部提供上拉电阻的双向I/O口，P2口可以输出4个门电流，P2口写入1时，内部上拉为高，用作输入。P2口用于外部程序存储器时，P2口输出地址的高八位。在给出地址为1时，会利用上拉优势进行读写。P3口：P3口是8个带上拉电阻的双向I/O口，可接受4个门电流。当P3口写入1时，内部上拉为高电平，用作输入。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存输出电平用于锁存地址的地位字节。/PSEN：是外部存储器的选通信号。在外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。在访问外部数据存储器，俩次有效的PSEN信号将不再出现。3.2.2最小系统电路AT89S51的最小系统如图3.3所示，一个完备的单片机最小系统通常有六个部分，首先是电源电路提供能源；复位电路提供复位纠错功能；单片机的主芯片提供核心控制；程序下载电路提供编程；时钟电路提供时钟信号；I/O负载电路提供外接电路的接口。电源电路：使用5V的电源直接供电。复位电路：复位电路是指在单片机工作时重要的复位电路，AT89S51单片机使用的是高电平产生复位，只有当管脚上持续两个周期高电平才会进行复位。该电路的原理是当电路从初始状态开始工作后，如果不使用复位电路进行复位，则会由于之前的某种干扰会使电路出现错误。所以必须给系统中加入复位电路。时钟电路：时钟电路就是将整个电路按照时钟一样精确运动的电路。不论什么工作都需要按照时钟进行顺序运行。51单片机按照时钟周期将各个模块排布有序，使该电路按照正确顺序进行执行。这些都是单片机最小系统主要的构成部分。下图为单片机的最小系统如图3所示图3单片机最小系统3.3LED照明电路3.3.1LED灯的原理LED是半导体二极管的一种，可以把电能转换为光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。（4）LED的“心脏”是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，连接电源的是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。（5）半导体主要是由两部分组成，一部分是p型半导体，另一部分是n型半导体。P型半导体中空穴是主要部分，N型半导体内部则是电子。当将其结合时会形成P-N结，当有电流通过该P-N结时电子发生移动，会以光子的形式发出能量。当加入反向电压时，则不会发光。全彩LED的主要工作原理：该LED灯主要是通过PWM技术来调节灯光，而该设计是通过红绿蓝的三种基色来实现多种颜色的实现。通过PWM技术改变占空比，在扫描速度快的情况下，利用此技术实现颜色渐变。3.3.2LED灯的特点节能：新一代的节能LED灯能耗不仅只是白炽灯的十分之一，还是其他品种灯光的五分之一。长寿：LED灯的使用寿命可达十多万小时，而且开关灵敏性远远大于其他品种灯泡。可以工作在高速状态：其他品种的灯泡如果频繁的开端，会严重损坏灯丝降低其使用寿命。白炽灯更是会影响到其他电路的安全。LED灯使用固态封装而且体积极小，很方便我们的运输和存储，可以使用各种运输设备不用担心震荡损坏。LED技术如今已经是我国重点的研究方向，各种高新技术的发展使得其价格不断降低和安全性不断提高。LED灯摆脱了灯丝和卤素的使用，不论是使用还是日后的回收再利用都十分的方便。PWM配光技术使得光源扩展为面光源，增大发光面积可以达到消除视觉疲劳的优点。LED外包透镜与灯罩的组合，将光源的合理应用，使得其具备聚光和保护的功能，避免了光照浪费。大功率的LED灯使用大面积封装，使得散热器和灯座一体化，保证了散热和使用寿命，也基本满足了LED灯具结构和造型，使得LED灯的优点大大突出。3.3.3LED灯照明电路原理图LED照明电路如图所示。本设计采用5mmLED灯珠发光二极管作为照明设备，该小灯不仅仅是优化了设计，在外形上也有着独特的表现，使得其外形更加接近使用效果。而且LED小灯符合了国家要求的绿色环保理念。原理图如图4所示图4LED原理图

3.4光照强度采集电路3.4.1光敏电阻概述光敏电阻是该设计中节能的重要元器件，其中硫化镉、硒等特殊材料具有十分特殊的功能。这些制作材料在特定波长下，其阻值会随之减小。这些都由于在光照下载流子都参与导电，在电场作用下发生飘逸，从而使得光敏电阻阻值下降。光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1KΩ以下。（6）光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ。光敏电阻带有的独特特性，随着国家不断地加强研究使得光敏电阻带来了极大的利用。光敏电阻总重要的特性就是其电阻阻值会随着光照强度的改变而改变，当光敏电阻受到强光影响时，其阻值会急速降低。当外接光强减弱时，阻值则会急速增加，转换的效率则与其本身有着很大的关系。3.4.2光敏电阻工作原理光敏电阻最主要的工作原理是基于内光电效应。在光敏材料两端接上电极引线后，通过透明的塑料壳进行固定封装就可以制作为光敏电阻，为了增加灵敏度，通常使用特殊的排列方式进行制作。光敏电阻的材料通常是使用硫化物和硒化物等半导体通过喷涂等方法来制作。半导体的结构原理主要是通过化合物制成特殊的涂层以此来实现光电效应，半导体的导电能力通过半导体内载流子树木的多少来判断其能力。3.4.3光敏电阻的分类一、按半导体材料分：本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。后者性能稳定，特性较好，故大都采用它。二、根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：包括紫外光敏电阻；红外光敏电阻；可见光光敏电阻。1、紫外光敏电阻器：其特点是突出感应紫外线，用于探测作用。2、红外光敏电阻器：最为常见的光敏电阻，广泛用于军工专业、航海航天专业、医疗专业等。3、可见光光敏电阻器：这是日常生活应用最广泛的电阻，常常用于光电控制系统；单片机控制系统等微型控制系统。例如街道路灯、场所的消防设施、生活中照明系统的建立。3.4.4光敏电阻的主要参数光敏电阻判断其优越性的主要参数为：光电流、暗电流、光照灵敏度、光谱感应、伏安特性曲线、额定电压等。光敏电阻的频率特性是指当光敏电阻受到光照照射时，光电流要经过一定时间才能稳定，且停止后也不会立刻为零，这就是光敏的时延特性。3.4.5ADC0832模数转换器简介ADC0832是一款8位分辨率的AD芯片，最高分辨率可达256级，这款模数转换器可以适配于该设计的转换要求。其内部电压与参考电压的复用，可以使得芯片的模拟电压保持在可接受范围，而且芯片的转换时间也极低。通过双数据输出作为数据校验，可以有效地减少产生数据误差，转换速度更快，使用更加方便。3.4.6光照强度采集电路本设计的台灯具有自动调节的功能。所以，光照采集电路是该设计必不可少的部分，通过该采集电路可以对灯光进行精密的控制。所以，我选择了光敏电阻作为采集电路的主要部分，光敏电阻采集到的都是模拟量，因此使用模数转换器将模拟量转换为数字量进行处理。3.5人体红外检测模块3.5.1热释电红外传感器的原理存在于自然界的物体，如人体、火焰、冰块等物都会发射红外射线，但波长各不相同。人体的温度大致为36~37℃，所发射的红外波长为9~10m,属远红外区;400~700℃的发热体，所放射出的红外波长为3~5m，属红外区。热释电红外传感器不受白天黑夜的影响，可昼夜不停的监测，广泛用于防盗报警。（7）热释电红外传感器是近年来发展起来的一种高精度探测元件，是一种用于检测人体红外后会自动的传递电信号的传感器，它可以通过非接触方式检测到人体所释放的能量信号。而且可以将电压信号放大可以适用于多种环境的使用和识别。例如人体感应功能、防盗措施等。热释电人体红外传感器(PIP)一般都采用差动平衡结构，由敏感元件、场效应管，高值电阻等组成。敏感元件是使用人体红外材料制作而成的，先把材料分割为很小的薄片，在其两面镀上电极构成极小的电容。为了抑制由于环境对其造成干扰，所以我们可以选择在其镜面上安装透镜，以此来避免干扰。场效应管和高阻值电阻（Rg）。由于敏感元件的阻值一般都十分高，所以需要使用场效应管进行阻抗变换。高阻值的作用通常是释放电荷，来满足传感器的使用。热释电人体红外传感器只有配合菲涅尔透镜使用才能发挥最大作用。不加菲涅尔透镜时，该传感器的探测半径可能不足2m，配上菲涅尔透镜则可达10m～40m，甚至更远。3.5.2热释电红外传感器的原理特性热释电红外传感器是一种高热电系数组成的探测元件，在探测器中装入探测元件可以通过反极性串联以达到抑制干扰的作用。其作用是将探测器接收到的红外射线转换为电压信号，最后通过元件输出。人体红外线波长为8~12m，参测元件的探测波长稳定在0~30m，这种稳定不变的探测范围给台灯的使用带来了很大的便利，可以让台灯放在任意地方都可以达到其功能。一旦有人进入到探测区域时，热释电传感器可以及时传递信号。3.5.3HC-SR501模块介绍本设计采用的是人体红外感应HC-SR501，是利用红外技术实现的自动控制。采用的是德国原装探头，该探头的具有高灵敏度、高性价比、超低工作电压等优点。因此在许多的自动感应设计中都有很广泛的应用。尤其是可以在低电压供电等多种环境下完成其功能。模块的电气参数如表1所示产品型号HC--SR501人体感应模块工作电压范围直流电压4.5-20V静态电流<50uA电平输出高3.3V/低0V触发方式L不可重复触发/H重复触发延时时间0.5-200S(可调)可制作范围零点几秒-几十分钟封锁时间2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒电路板外形尺寸32mm*24mm感应角度<100度工作温度-15-+70度感应透镜尺寸直径:23mm(默认)表1电气参数模块的功能特点1、全自动感应:可以全方位的感应人体，当有人进入感应范围时，模块会输出高电平；离开时则自动输出低电平。2、光敏控制：可以根据用户的需求来调控光敏，可以设置多种光敏控制模式，例如强光下不工作，弱光下自动工作等。3、温度补偿：由于温度会影响元器件的灵敏度，例如夏天高温和冬天低温等都会对灵敏度造成影响。所以温度补偿必不可少。4、两种触发方式：（可跳线选择）a、不可重复触发方式:感应到高电平后，经过延时会将高电平自动变为低电平。b、可重复触发方式：即感应输出高电平后，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，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为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动6的时间为延时时间的起始点。（8）5、具有感应封锁时间：感应模块在每一次感应后，可以设置一个时间段以此来封闭模块使用。此功能可以准确区分两种工作，可以使负载在切换时抑制多种干扰。方便数据的采集和分析。6、工作电压范围宽：默认工作电压为4.5伏到20伏。7、微功耗:该产品产生的静态电流很低，十分适合于干电池供电或者低电流供电的产品。8、输出高电平信号：可以实现各种电路的对接。使用范围1、安保消防产品2、基于坐姿感应的灯具3、适用于人体感应的玩具等4、工业化控制和自动控制产品3.5.4人体红外检测电路原理图如图5所示图5红外检测电路原理图3.6距离检测模块本设计利用红外模块E18-D80NK对距离检测，当检测到人体距离红外探头距离过近时，开启蜂鸣器提醒，避免眼睛距离桌面距离过近而导致近视。该红外模块是一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、易于装配、使用方便等特点，（9）可以广泛应用于机器人避障、流水线计件、红外测距等众多自动化产品。传感器的实物图如图6所示。图6E18-D80NK实物图该红外传感器连接简易，该模块具有三种导线。其中两根是用于供电和接地，剩下的一根是连接到单片机作为数据输入输出，当距离该传感器过近时该线会输出低电平，平时为高电平，单片机可以通过数据引脚的电平来判断使用者的状态，可以知道使用者距离桌面的远近，从而触发报警器警告。可以通过传感器来调节报警距离的大小。红外测距模块原理图如图7所示.图7漫反射原理图3.7蜂鸣器模块蜂鸣器是一种电子警报器，采用直流供电方式，可以搭配二极管进行报警音和指示灯的实现。蜂鸣器报警电路如下图8所示图8蜂鸣器原理图3.8按键输入模块键盘是人机交互的主要通道，从系统设计来看，虽然按键仅仅只具有开启电源和调节模式的功能。但是，如果我们键盘设置不合理会给我们的人机交流带来极大的障碍，如果电源按键设置的错误甚至会损坏产品。在单片机应用中，人们在操作键盘时会带来误操和失控等危害。单片机中使用的是独立键盘，他们具有电路简单的功能。而且在程序设置上也十分简单。本设计中由于采用的按键数量较少，只有4个按键，分别是“电源开关”、“模式切换按键”、“亮度减少按键”和“亮度增加按键”，故采用了独立键盘的方式。电路如图9所示。图9按键原理图第四章软件设计4.1程序语言和开发环境C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。用C语言开发系统可以大大缩短开发周期，明显增强程序的可读性，便于改进、扩充和移植。它由美国贝尔实验室的DennisM.Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。该语言应用范围广泛，不仅仅是在软件开发而其他各类科研同样需要用到C语言。（10）KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上都有着很大的优势，因此十分适用于初学者。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将这些部分组合在一起。4.2程序流图设计4.2.1总体程序流程图设计本系统的软件流程图如图所示，接通电源后打开开关，然后进行单片机定时器的初始化，接着判断台灯处于哪种模式，如果按下的话则会切换模式，即手动和自动模式，自动模式变为手动模式；随后根据当前所选择的工作模式，进行不同的处理。如果当前是自动模式，则先通过红外线感应装置，判断台灯前是否有人，有的话则灯变亮；同时通过光敏电阻感应，台灯的亮度也会随之改变，实现人走灯灭人在灯亮，和随着外界环境的变化，智能调节灯光的效果。如果当前是手动模式，则判断增减功能键是否被按下，如果按键2被按下，则降低台灯亮度，如果是按键3被按下，则增加台灯的亮度。而且无论是自动还是手动模式，都会具有坐姿矫正功能，如果检测到人体距离桌面距离太近，就会产生蜂鸣器提醒。程序图如图10所示

定时器初始化按键1按下？增加亮度切换控制模式开始（按下开关）定时器初始化按键1按下？增加亮度切换控制模式开始（按下开关） 是否自动模式？是 自动模式？最近30s检测到有人？最近30s检测到有人？按键2按下？是按键2按下？熄灭台灯是熄灭台灯按键3按下？降低亮度检测环境亮度调节台灯亮度否按键3按下？降低亮度检测环境亮度调节台灯亮度 否 是结束蜂鸣器提醒距离桌面过近？ 否结束蜂鸣器提醒距离桌面过近？ 是图10总体程序图4.2.2模数转换程序设计读取ADC0832芯片中数据之前，单片机要先发出一个初始信号给ADC芯片，由于ADC0832有两路转换通道，因此还需发出一个通道选择信号，告诉ADC芯片要选择哪个通道进行转换。之后就进行采集结果的读取，ADC芯片会返回2字节数据，第1字节是进行正向传输，第2字节是反向传输，是因为可以把这两数据进行校验，以判断是否出现错误。最后把读取的结果返回主函数。如图11所示开始开始发送初始信号发送初始信号选择转换通道选择转换通道第一次读取第一次读取第二次读取第二次读取返回读取结果返回读取结果结束结束图11模数转换程序图

4.2.3PWM调光程序设计PWM称为脉冲宽度调制，PWM调光的原理主要是首先确定一个固定的时间周期，在本设计中把这个周期定为10毫秒，这个周期的时间不宜过长，否则会有台灯闪烁的现象。然后在这个周期里面，确定不同的高低电平比例，即可确定不同的台灯亮度。如下流程图所示，假如N的取值是3，那么就是点亮台灯3毫秒，熄灭台灯7毫秒，然后又重新点亮3毫秒，熄灭7毫秒，依此循环。这样亮灭的时间比例就是3:7，亮的时间所占的比例越大，台灯就越亮。如图12所示开始开始点亮台灯点亮台灯延时N毫秒（N延时N毫秒（N<=10）熄灭台灯熄灭台灯延时1延时10-N毫秒结束结束图12pwm调光

第5章硬件的组装与调试5.1元器件的选择与测量本次设计的主要元器件有：AT89S51单片机，晶振，电阻，电容，开关，按键，杜邦排线，USB电源转换线，LED发光二极管，ADC0832模数转换器，光敏电阻传感器，HC-SR501人体红外感应电子模块传感器，光电传感器模块，蜂鸣器等。（11）这些元器件都需要我们认真地查询资料和了解每个元器件的注意事项。焊接时尤其要注意各元件的正负极性和电阻电容大小、芯片引脚顺序等细节。5.2元件的焊接与组装组装电路是在开发板上进行焊接和连接的，同时还应注意以下等方面。购买元器件时应确保元器件的完整和可用性，确保其不会伤害人体和造成危害所有的电路应保证焊接组装方向一致，以方便焊接和合理安排排线。分离元件应仔细辨明元器件的正反方向，标志应当位于合适的易观察的位置方便检查。对于区分正负极性的元件更应仔细，防止烧坏元器件。为了便于后期检查，根据作用不同要区分不同颜色的导线。在焊接时应当尽量做到排版简洁和方便。5.3测试的结果5.3.1手动模式结果当台灯处于手动模式时，只有坐姿感应和按键调节灯光功能。下图为测试图片。如图13所示图13结果图5.3.2自动模式结果当处于自动模式时，当有人处于台灯范围内时会自动开灯，并且会通过光敏电阻随着周围光照强度的改变而改变台灯的亮度。当台灯范围内无人时，经过25秒后台灯自动熄灭。下图为测试结果图，如图14所示图14

5.3.3坐姿感应功能当处于自动模式时，会启动坐姿感应功能，当学生距离桌子太近时，会触发蜂鸣器报警和红色二极管发光提醒。下图为测试结果。如图15所示图15参考文献[1]周瑶.高校教室灯光节能控制系统的设计[D].郑州大学,2010.[2]居大鹏.LED驱动器的调光技术[J].电子产品世界,2010,17(11):34-36.[3]贾传圣,郝敏啟.基于单片机控制太阳能跟踪系统的设计[J].电气制造,2014(12):23-25.[4]李彦.基于构造运动光场的高精度直线时栅位移传感器研究[D].重庆大学,2016.[5]马瑶.LED晶粒分拣技术的机器视觉研究[D].西安工业大学,2010.[6]王彦华,刘希璐.光敏电阻器原理及检测方法[J].装备制造技术,2012(12):101-102+113.[7]余敏.可调光数字式LED驱动电源设计[D].浙江理工大学,2012.[8]郭奇.智能家居控制平台的设计与实现[D].沈阳理工大学,2012.[9]李继强.基于单片机控制的一款电动小车的设计[J].硅谷,2012,5(23):51-52.[10]翟晓雄.POS机远程维护管理系统的研究与实现[D].复旦大学,2013.[11]林超伦.基于ZigBee的智能小区LED路灯控制系统的研究与设计[J].电子世界,2019(21):146+148.

附录附录一元件清单AT89s511片51单片机最小系统板1个12M晶振1个30pF独立电容2个电阻1k2个电阻10k2个轻触开关3个5mmLED灯珠发光二极管1个有源蜂鸣器1个光敏电阻1个ADC08321个三极管2个HC-SR501人体红外感应传感器1个红外测距感应器1个电源开关1个电源座1个PCB9*15电路板1张导线若干电源线1根

附录2原理图附录3设计程序//宏定义#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar//头函数#include<reg52.h> ucharpdatatt[51]; //定义空数组用于AD0832取平均值ucharscale,rsd_sec; //定义占空比比例，热释电计时秒变量ucharsec;bitbdataflag_auto,flag_rsd,flag_jiejin=1; //位定义自动切换的，闪烁标志，报警位标志，热释电动作标志，接近传感器标志bitflag_BJ;bitsleep;uintlum; //ad0832读出值ucharm;//函数声明//voiddelay(uchari);//管脚声明sbitLED=P2^5; //灯光控制输出sbitLED_ALARM=P2^0;sbitrsd=P3^2;//热释电sbitjiejin=P1^4;//接近开关sbitbuzz=P3^3;sbitqiehuan=P3^7;sbitadd=P3^6;sbitdec=P3^5;sbitCS=P1^3; //CS定义脚，连接ADC0832CS脚sbitSCL=P1^0; //SCL定义脚，连接ADC0832SCL脚sbitDO=P1^1; //DO定义脚，连接ADC0832DO脚/*****************延时函数：大约1ms************************/voiddelay(uchari){ucharj,k;for(j=i;j>0;j--)for(k=125;k>0;k--);}/***********读数模转换数据********************************************************/ //请先了解ADC0832模数转换的串行协议，再来读本函数，主要是对应时序图来理解，本函数是模拟0832的串行协议进行的unsignedcharad0832read(bitSGL,bitODD){ unsignedchari=0,value=0,value1=0; SCL=0; DO=1; CS=0; //开始 SCL=1; //第一个上升沿 SCL=0; DO=SGL; SCL=1; //第二个上升沿 SCL=0; DO=ODD; SCL=1; //第三个上升沿 SCL=0; //第三个下降沿 DO=1; for(i=0;i<8;i++) { SCL=1; SCL=0;//开始从第四个下降沿接收数据 value<<=1; if(DO) value++; } for(i=0;i<8;i++) { //接收校验数据 value1>>=1; if(DO) value1+=0x80; SCL=1; SCL=0; } CS=1; SCL=1; if(value==value1) //与校验数据比较，正确就返回数据，否则返回0 returnvalue; return0;}/*****************按键函数*****************/voidwork(){ uintlum_mean,lum_all; ucharb,c; if(qiehuan==0) //自动切换按键按下 { delay(10); //去抖 if(qiehuan==0) //再次判断按键按下 { buzz=0; //蜂鸣器鸣响 flag_auto=!flag_auto;//自动模式标志位取反 if(flag_auto==1) //当切换到手动模式时首先将LED发光比例设置在50% scale=20; buzz=1; } while(!qiehuan);//按键释放松开按键后关闭蜂鸣器 } if(flag_auto==1) { if(add==0) //加键按下 { delay(10); if(add==0) { scale++; //灯光比例++ if(scale>=41) scale=41; } } if(dec==0) //减键按下时 { delay(10); if(dec==0) { scale--; //灯光比例-- if(scale<=1) scale=1; } } } else { if(flag_rsd==1&&sleep==0) //有人在范围内时 { for(b=0;b<49;b++) //将空数组tt【】内数值整体左移一位 { tt[b]=tt[b+1]; //将后一数值放到前一位置 } tt[49]=ad0832read(1,0);//将读出的ad数值放入tt【49】 for(c=0;c<50;c++) //将tt【】内数值相加 { lum_all=lum_all+tt[c]; } lum_mean=lum_all/50; //将总数/50取出平均值 lum_all=0; //将总数清零 if(lum_mean<=30)scale=1; //判断取出平均值大小小于30发光强度0% elseif(lum_mean>=150)scale=41; //大于150发光强度100% elsescale=((lum_mean-30)/3)+1; //其他值时将其计算得到发光强度（计算目的是为了得到一个1-41之间的数值控制灯光变化） } else { scale=1;