教室照明自动控制器的设计

毕业论文

教室照明自动限制器的设计

学生姓名：

指导老师:

201年月

摘要

目前，国内学校教室的照明灯具大多采纳手动开关限制，即使严格管理，

还是不行避开的出现遗忘关灯的时候，尤其是在白天，状况更是如此，因而造

成人量的能源奢侈。另外，各种照明灯具都具有确定的运用寿命，在光线足够

的状况下仍接着运用，必定会缩短灯具的运用寿命。因此对教室照明系统进行

自动化限制具有重要意义。而现有成型的教室照明自动限制器在应用中还存在

一些问题，须要对其做进一步的改进。

本论文具体探讨了学校教室的运用特点和照明须要及存在的问题，提出了

一种自动化的教室照明限制系统，采纳低功耗单片机和总线技术，通过光控、

红外检测、声控等芯片的运行来限制照明灯的开关C该系统有数据采集模认、

串口通信、执行模块等的电路设计。通过硬件和软件的协同设计，该系统最终

实现了在白天光照足够的状况下，教室无论有没有人照明灯都不开；在光照不

足够的状况下，通过红外检测与声响检测来推断教室是否有人以此比照明灯进

行限制，并在灯亮的状况下，该系统进入监控状态，若连续五次探测都没有人,

则发出熄灯警告，灯具亮灭闪耀，教室里的人在提示状况下会有所动作，从而

灯具不熄灭，若无反应则关闭电源。

关键词：照明限制，单片机，自动化，红外检测

Abstract

Abstract

Atpresent,themanualswitchmostlyusedindomestic,lightingcontrol,primary

schoolclassroom,evenifthestrictmanagement,therewillinevitablyforgettoturn

offthelightswhen,especiallyinthedaytime,thesituationismoreserious,resulting

inawasteofenergy.Inaddition,variouslightinghascertainuse,stillcontinuetouse

inawell-litconditions,lifewillcertainlyshortenlamp.Buttheexistingmolding

classroomlightingcontrolsystemhassomeproblemsintheapplication,needtodo

researchanddevelopmentinthefurther.

Inthispaper,adetailedstudyofthecharacteristicsandneedsofschool

classroomlightingandtheexistingproblems,putforwardakindofautomatic

lightingcontrolsystem,usinglowpowermicrocontrollerandfieldbustechnology,on

thebasisoftheimprovement,suchasswitchingthelight,infrareddetection,voice

chipoperationtocontrolthelamp.Thesystemhasthecircuitdesignofdata

acquisitionmodule,serialcommunicationmodule,executionetc..Finallythesystem

isrealizedinthedaylight,theclassroomregardlessofwhetheranyonelightsarenot

open.Inthelightisnotsufficient,theinfrareddetectionandnoisedetectiontojudge

whetherapersontocontrolclassroomlampcontrol.Andinthelightofthe

circumstances,thesystementersthesurveillancestate,iffiveconsecutivedetection

arenotpeople,awarningflashinglights,lampsandlanterns,theclassroomwillhave

tomoveinthepromptcircumstances,thusthelampdoesnotgoout,ifnoresponseis

toturnoffthepower.

Keywords：Lightingcontrol,SCM,Automation,Infrareddetection

目录

目录

摘要.................................................................

ABSTRACT......................................................................................................................II

2.1学校教室自动限制的现状.............................................-3-

2.2系统的整体设计方案................................................-3-

4.1软件的实现原理..............................................-3-

该自动限制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和

声响，都将关闭电源，全部灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者

旁边有异样声响时。则开启电源，点亮灯具，并使限制系统程序进入监控状态，

若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮火闪在警告状态下，若此时

教室有人静止不动，在灯具亮灭闪耀的提示下，自认会有所动作，热释红外探

测器就会探测到这一变更，从而结束警告，式灯具接着点亮，限制器回到监控

状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目

的..............................................................-3-

4.2软件的流程框图..............................................-3-

通过对该自动限制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1所示，该

系统的设计思路是先起先初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定

的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，

通过信号的凹凸来推断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁

铁的关系来限制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就

会散发红外然后被红外模块所发觉。以此来阻挡灯的关闭。...........-3-

4.3软件的程序编写................................................-3-

依据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。..................-3-

结束语...........................................................-3-

致谢.............................................................-3-

in

R录

2.1学校教室自动限制的现状.............................................-3-

2.2系统的整体设计方案.................................................-3-

4.1软件的实现原理..............................................-3-

该自动限制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和

声响，都将关闭电源，全部灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者

旁边有异样声响时。则开启电源，点亮灯具，并使限制系统程序进入监控状态，

若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时

教室有人静止不动，在灯具亮灭闪耀的提示下，自认会有所动作，热释红外探

测器就会探测到这一变更，从而结束警告，式灯具接着点亮，限制器回到监控

状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目

的..............................................................-3-

4.2软件的流程框图..............................................-3-

通过对该自动限制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1所示，该

系统的设计思路是先起先初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定

的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，

通过信号的凹凸来推断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁

铁的关系来限制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就

会散发红外然后被红外模块所发觉。以此来阻挡灯的关闭。...........-3-

4.3软件的程序编写................................................-3-

依据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。..................-3-

结束语...........................................................-3-

致谢.............................................................-3-

2.1学校教室自动限制的现状.............................................-3-

2.2系统的整体设计方案................................................-3-

4.1软件的实现原理..............................................-3-

IV

目录

该自动限制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和

声响，都将关闭电源，全部灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者

旁边有异样声响时。则开启电源，点亮灯具，并使限制系统程序进入监控状态，

若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时

教室有人静止不动，在灯具亮灭闪耀的提示下，自认会有所动作，热释红外探

测器就会探测到这一变更，从而结束警告，式灯具接着点亮，限制器回到监控

状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目

的..............................................................-3-

4.2软件的流程框图..............................................-3-

通过对该自动限制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1所示，该

系统的设计思路是先起先初始化，在第三步信号为基木的前提下，与预先设定

的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，

通过信号的凹凸来推断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁

铁的关系来限制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就

会散发红外然后被红外模块所发觉。以此来阻挡灯的关闭。.........-3-

4.3软件的程序编写..............................................-3-

依据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。................-3-

结束语.........................................................-3-

致谢............................................................-3-

2.1学校教室自动限制的现状.............................................-2-

2.2系统的整体设计方案.................................................-2-

4.1软件的实现原理.............................................-22-

该自动限制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和

声响，都将关闭电源，全部灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者

旁边有异样声响时。则开启电源，点亮灯具，并使限制系统程序进入监控状态，

V

R录

若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时

教室有人静止不动，在灯具亮灭闪耀的提示下，自认会有所动作，热释红外探

测器就会探测到这一变更，从而结束警告，式灯具接着点亮，限制器回到监控

状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目

的.............................................................-22-

4.2软件的流程框图.............................................-22-

通过对该自动限制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1所示，该

系统的设计思路是先起先初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定

的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，

通过信号的凹凸来推断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁

铁的关系来限制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就

会散发红外然后被红外模块所发觉。以此来阻挡灯的关闭。.........-22-

4.3软件的程序编写.............................................-24-

依据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。...............-24-

结束语.........................................................-26-

致谢...........................................................-28-

2.1学校教室自动限制的现状.............................................-2-

2.2系统的整体设计方案.................................................-2-

4.1软件的实现原理.............................................-22-

该自动限制器要求实现以下功能：当有光（自然光）时，不管教室是否有人和

声响，都将关闭电源，全部灯具不会点亮。当无光（自然光）时，若有人或者

旁边有异样声响时。则开启电源，点亮灯具，并使限制系统程序进入监控状态，

若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪在警告状态下，若此时

教室有人静止不动，在灯具亮灭闪耀的提示下，自认会有所动作，热释红外探

测器就会探测到这一变更，从而结束警告，式灯具接着点亮，限制器回到监控

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目录

状态。仍无人无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯有人自启无人自熄的目

的.............................................................-22-

4.2软件的流程框图.............................................-22-

通过对该自动限制器系统的设计可以画出该系统的流程框图如图4.1所示，该

系统的设计思路是先起先初始化，在第三步信号为基本的前提下，与预先设定

的数据做比较，若成立产生了高信号，则进入第五步的红外与声响的检测模块，

通过信号的凹凸来推断是否有人，当有高信号输出的时候，通过单片机与电磁

铁的关系来限制灯的开启。并在此时红外模块进入监测模式，若是有人动作就

会散发红外然后被红外模块所发觉。以此来阻挡灯的关闭。.........-22-

4.3软件的程序编写..............................................-24-

依据此流程框图，我们可以写出该系统的软件编程。...............-24-

结束语.........................................................-26-

致谢...........................................................-28-

1

致谢................................................

附录.................................................................33

VII

第一章绪论

第一章绪论

1.1课题的背景和意义

奢侈始终是人类社会面对的重大问题，特殊是到了二十一世纪，环保和可

持续发展更成了国家长期发展的重中之重，我国也提出了“节能减排”的号召。

然而在众多的能源问题中，电能的短缺是束缚经济发展和人民生活改善的重要

问题之一。能源的充分利用与合理安排对我们国家的现状的改进有重要意义，

从身边的小事做起，在照明灯的限制上实行智能化的限制，在保证照明强度的

前提下，对于爱护学生的视力和削减能源奢侈方面有重要意义。现在学校的教

室照明灯存在管理落后，爱护性差，布线困难，能源奢侈等问题。现在的教室

照明灯自动限制已经不能满意我们现在的生活学习需求。因此设计一款新的教

室照明灯限制器对教室照明、削减能源奢侈、满意人们的日常生活需求等方面

有及其深远的意义。在本设计中，对教室的人员状况在不同时间不同光照条件

下进行了调查，同时发觉了在白天有个别教室仍旧是出现了在光照条件足够的

状况下开灯甚至教室无人的状况下开灯的现状，对能源造成了奢侈。本设计采

纳以单片机为主体的设计思路，通过单片机与各个模块之间的信息沟通来实现

对灯的亮灭限制。

1.2采纳教室照明自动限制系统的优势

传统的教室照明灯都是通过人手来限制，无论我们怎么样的留意都会出现

遗忘关灯等现象，从而造成能源的奢侈，这与国家提倡的节能减排大相庭径。

而该系统通过光照强度等来自动限制照明灯灯的开关，具体的优越性有以下儿

方面：

挺高了教室照明的智能化程度，解放了人手，使教室的智能化程度更高，

更人性化。

削减了能源的奢侈，通过具体的状况来确定灯的亮灭，从而有效的抑制了

在白天光照足够的状况下仍旧开灯的状况。具有良好的节电效果。

解放了教室工作人员，提高了工作效率。

提高了教室的管理水平，教室照明由原来的手动限制变为智能化限制，削

-0-

第一章绪论

减了维护，巡查费用。

本论文旨在设计一个基于单片机技术的教室照明灯自动限制器。通过各模

块电路、限制电路及限制方法的设计与选择，软硬件的协同设计，最终实现了

教室照明系统自动限制的目的，即在白天光照足够的状况下，教室无论有没有

人照明灯都不开；在光照不足够的状况下，通过红外检测与声响检测米推断教

室是否有人以此比照明灯进行限制，并在灯亮的状况下，该系统进入监控状态,

若连续五次探测都没有人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪耀，教室里的人在提

示状况下会有所动作，从而灯具不熄灭，若无反应则关闭电源。

本设计以单片机为中心，通过红外模块，声响模块以及光敏模块的信号输

入单片机，并通过单片机对继电器的限制来限制灯的亮灭。红外模块对人体的

红外信号进行监测并能输出高信号来推断是否有人，在此基础上协作光敏与声

响模块对教室照明灯自动限制器进行了设计。

-1-

其次章教室照明灯自动限制器的总体设计分析

其次章教室照明自动限制器的总体设计分析

2.1学校教室自动限制的现状

学校的教室白天是同学们上课学习的地方，白天的光中状况一般足够，中

午的人较少，晚上不管是上课还是上自习同学们都须要一个良好的光照条件，

来爱护眼睛与看清书本。教室的灯具一般为荧光灯，能很好的满意光照条件，

但是不行避开的出现白天开灯的状况，造成能源的奢侈。实现照明节能一般是

通过两方面：一方面是通过运用高效的灯具，如节能灯。另一方面是通过限制

系统的改进来实现智能化。即通过优化照明系统来达到节能的效果。

2.2系统的整体设计方案

考虑教室的照明节能，改进照明系统的运行，主要应关注两个方面，合理

利用自然光作为协助光源和依据室内是否有人确定灯的开关，这样能够在保证

照明质量的同时有效避开能源的奢侈。在自然光足够的状况下，因为照光明度

己经达到要求，所以无论教室是否有人都不开灯。从而达到节能的效果，并且

延长了灯管的寿命，削减了灯具的更换和修理费用。

针对教室主要用于学生上课和自习学习的特点，本论文提出一种智能化的

限制器设计，其结构框图如图1所示

图I结构框图

3

第三章系统硬件设计

第三章系统硬件设计

3.1单片机的介绍

本文选择的单片机为AT89s51,其引脚图如图3.1所示

图3.1AT89S51的引脚图

各引脚说明如下：

电源引脚

电源引脚介入单片机的工作电源。VCC（40W）：接+5V电源（直流电源正端）。

VSS（20脚）：接地（直流电源负端）。

时钟引脚

时钟引脚（18、19脚）：XTAL1和XTAL2引脚，该单片机可以运用外部时

钟也可以是运用内部时钟，当运用内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体

和微调电容；当运用外部时钟时，用于接外部时钟信号，假如是外部时钟由

XTAL1引入，XTAL2X悬空。

XTAL1（18脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放

大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采纳外部时钟是，对于HMOS

单片机，此引脚接地：对于CHOMS单片机，此引脚作为外部振荡器信号的输

入端。

XTAL2（19脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输

入端。若采纳外部时钟，对于CHOMS单片机，该引脚作为外部振荡信号的输

入端：对于CHOMS单片机，该引脚悬空不接。

输入/输出引脚

输入/输出（I/O）接口引脚包括POD、Pl口、P2口和P3口。

①P0□:为双向8位三态I/O接口。在不接片外存储器或不扩展I/O接口时,

可作为准双向输入/输出口；在接有片外存储器或扩展I/O接口时,P0□地址总

4

第三章系统硬件设计

线低8位及数据总线分时复用口，一般作为扩展是地址/数据总线口运用。

②P1□:为8位准双向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或

输出线（作为输入时，口锁存器必需置1）。

③P2□:为8位准双向I/O接口，但作为I/O接口运用时，可干脆连接外部

I/O设备；在皆有片外存储器或扩展I/O□旦寻址范围超过256B时，P2口用做

高8位地址总线，一般作为扩展时地址总线的高8位运用

④P3□:P3口的每一条引脚都能够独立定义为第一功能的输入/输出或其次

功能。P3的其次功能如表3-1所示。

限制引脚

RST：即为RESET,VPD为备用电源。该引脚位单片机的上电复位或掉电爱

护端。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期以

上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，单片机就保持复位状态。

ALE/PROG：地址锁存有效输出端。ALE在每个机器周期内输出两个脉冲。

在访问外部储存器时，ALE输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即

使不访问外部存储器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡频率的1/6.

但是，每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢

失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个

机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信

号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平常，则在此期间外部程序存储器

（OOOOH-FFFFH）,不管是否有内部程序存储器。留意加密方式1时，/EA将内

部锁定为RESET；当/EA端保持高电平常，此间内部程序存储器。在FLASH编

程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。31脚为片外程序储存区选用

端。

表3-1P3□的其次种功能说明表

-4-

第三章系统硬件设计

引脚号其次功能

P3.0RXD（串行输入）

P3.1TXD（串行输出）

P3.2INTO（外部中断0）

P3.3屈1（外部中断1）

P3.4T0（定时器0外部输入）

P3.5T1（定时器1外部输入）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器写选通）

3.2单片机与继电器的设计

本模块功能是依据单片机的输出信号限制照明设备工作。此模块运用弱电

限制强电，故须要电路电压的隔离，避开强电串入弱电，损坏单片机。继电器

具有动作快、工作牢靠、平安性高，运用寿命长、体积小等优点，运用历史悠

久。在工业中，它广泛的运用于电力爱护，开关限制等场合。继电器可以干脆

隔离强电与弱电，无需另外附加光耦隔离电路。单片机输出无法干脆驱动稣电

器，可以对单片机输出的信号进行简洁的放大，然后驱动继电器，限制照明设

备工作。

继电器的低压限制端工作于低压直流，但对于AT89S51单片机的I/O□来

说还是比较大的，所以我们通常运用图3.2来实现三极管开关实现单片机I/O与

继电器的低压限制端接口。

-5-

第三章系统硬件设计

图3.2单片机与继电器的连接图

继电器由衔铁、铁芯、触点簧片、线圈等组成的。只要在线圈两端加电压,

线圈中就会流过电流，从而产生电磁效应，继电器线圈只有两个头，加上额定

电压后线圈流过额定电流，产生的电磁力就克服弹簧力，通过电磁机构使常开

触点闭合、常闭触点断开。通常只有接触器才分.主触点和协助触点。继电器运

用时通常就是把一般触点串联或者并联用在主回路和限制回路中，完成限制任

务。吸引衔铁的电磁力，克服弹簧的张力被吸引到铁芯，主触点与衔铁驱动的

协助触点（常开触点）吸合。当线圈断电时，吸力消逝，弹簧的反作用力将使

衔铁返回到原来的位置，从而使可动触点与原来的静止触点（常闭触点）释放。

通过吸合、释放，从而达到电路的导通、断开的目的。对于继电器的“常开，

常闭”触点，它可以理解为继电器线圈不通电时处于断开状态的静触点称为“常

开触点”；在接通状态，静触点是“常闭触点”。

-6-

第三章系统硬件设计

技术参数：

I额定工作电压是指在继电器线圈正常运行所需的电压。依据继电器的型号

有所不同，电磁继电器可以用沟通电压，也可以是直流电压。

2直流电阻是指继电器线圈的直流电阻，由万用表测量。

3产生的最小电流是继电器通电吸合电流。在正常运用中，电流必需稍大于

一个给定的上拉电流，使继电器可以产生稳定的效果。对于所施加的线圈电压,

一般不超过1.5倍的额定电压，否则会产生较大的电流导致线圈烧毁。

4放电电流是继电器产生的最大脱扣动作时•的电流。继电器闭合状态的电流

减小到确定程度时，继电器就会复原到未通电的释放状态。此时电流远小于上

拉电流。

5触电切换电压和电流是继电器装置允许施加的电压和电流。它确定了继电

器限制电压和电流的大小，运用时不能超过此值，否则很简洁损坏继电器的触

点。

继电器的选用：

1首先要了解的必要条件

①限制电路的电源电压，可供应的最大电流；

②所述限制电路的电压和电流；

③被控电路须要几组，什么样的形式的接触。继电器的选择，一般限制电

路的电源电压可以作为选择的依据。应当给继电器限制电路供应足够的电流，

否则继电器不稳定。

2获得相关数据，以确定运用条件，可以找到相关信息，确定需求和规格的

继电器型号。假如继电器已经在手，可以依据数据是否匹配。最终确认大小是

否适当。

3本论文主要用于一般电器所以主要考虑小型继电器电路板安装布局。

继电器是一种电子限制器件，它具有限制系统（又称输入回路）和被限制

系统（又称输出回路），通常应用于自动限制电路中，它事实上是用较小的电流

-7-

第三章系统硬件设计

去限制较大电流的一种“自动开关二继电器的作用是在电路中起着自动调整、

平安爱护、以弱控强，转换电路等作用。

继电器K1的限制端（4,5）有三极管Q1来驱动，只要单片机P0.7输出高

电平则三极管Q1导通，继电器K1的限制端通过电流，电磁铁工作吸引衔铁，

于是K1的接触端1,3导通，电灯L工作。当P0.7为低电平常，三极管Q1截止，

K1的限制端没有电流通过，电磁铁不工作，于是接触1,3断开，灯停止工作，

可见继电器帮助单片机I/O口实现了低压5VDC限制高压220VAe的目的。

由于继电器K1的电磁铁有确定的电感，在断电瞬间可能会产生较大的反向

电压对三极管QI不利，因此在继电器K1限制端反接一个二极管D1用于放电。

3.3光敏模块的设计

光敏二极管是光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高

频性能好，牢靠性好、体积小、运用便利等优点。

光电管在一个真空的玻璃泡内装有两个电极，光电阴极和阳极。光电阴极

有的是贴附在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上，阴极对光敏感的

一面是向内的，在阴极前装有单根金属丝或环状的阳极，当阴极受到适当波长

的光线照耀时变放射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电内管就

产生了电子流，在外电路中便产生了电流。

光敏二极管的结构与一般二极管相像，装在透亮的玻璃外壳中，它的PN结

装在管顶，可干脆受到光照耀，光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态

的。在没有光照耀时，反向电阻很大，反向电流很小，称为暗电流。当光照耀

在PN结上，光子打在PN结旁边时，使PN结旁边产生光生电子和光生空穴对,

使少数载流子的浓度大大增加，因此通过PN结的反向电流也随之增加。假如入

射光照度产生变更，光生电了-空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电强

度也随之变动。可见，光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。照度为照耀

到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。照度的符号为E（Ev）；单位

为勒克斯（流明/单位面积），符号为

其中，。一一光通量，A——面积。

-8-

第三章系统硬件设计

光通量的单位为“流明二光通量通常用中来表示，在理论上其单位相当于

电学单位瓦特，因视觉对此尚与光色有关。所以依标准光源及正常视力度量单

位采纳“流明”，符号：1m。

1.光通量是每单位时间到达、离开或通过曲面的光能量。

2.光通量是灯泡发出亮光的比率。

流明(1m)是国际单位体系(SI)和美国单位体系(AS)的光通量单位。假

如将光作为穿越空间的粒子(即光子)，那么到达曲面的光束的光通量与1秒

钟时间间隔内撞击曲面的粒子数成确定比例。

光通量的物理表达式为：

id①(X)

中二K1"(2)cU

J。d2

式中：

K：光敏度、感光度(类比：胶卷的感光度)、人眼对于彩色的感知实力K=

683.002lm/WoK值使光通量的单位与辐射功率的单位得到统一。

X：波长，事实上人眼只对波长位于380nm〜780nm的可见光有反应，习惯

上我们把低于380nm的光波称为紫外线(Ultraviolet,简称UV),把高于780nm

的光波称为红外线(Infrared,简称IR),这一点也反映在了视见函数V(Q中。

V(X)：称为人眼相对光谱敏感度曲线，亦作视见函数曲线，是总结了众多针

对人眼的测试阅历而得到的，它描述了人眼对不同波长的光的反应强弱。

人眼对亮度的敏感程度与颜色有关，在整个可见光范围内并不是匀称的.可

以用相对敏感函数曲线进行描述.

在环境光明时，人眼对于波长X=555nm(环境黑暗时为507nm)的光线最

为敏感，我们定义这时的相对视敏度Vs(555尸1.当X为其它值时，Vs(X)均小于

1.假如对于某一波长X的单色光,其辐射功率为P(X),相对视敏函数为Vs(X),则可

以定义光通量为Y(X)=P(X)*Vs(X)o

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第三章系统硬件设计

当P(X)以瓦为单位时，Y(X)的单位为光瓦.只有当X=555nm时/瓦光辐射

功率产生6831m(流明)的光通量。

光敏电阻运用光电导体制成的光电器件，又称光导管，它是基于半导体内

光电效应工作的。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，运用时可见直流

偏压，也可加沟通电压。光敏电阻的工作原理是当无光照时.，光敏电阻值(暗

电阻)很大，电路中电流很小。当光敏电阻受到确定波长范围的光照时，它的

阻值(亮电阻)急剧削减，因此电路中的电流快速增加。

光敏电阻的管心是一块安装在绝缘衬底上的带有两个欧姆接触电极的光电

导体。半导体汲取光子而产生的光电效应，仅限于光照的表面薄层。虽然产生

的载流子也有少数扩散到内部去，但深化厚度有限，因此光电导体一般都做成

薄层。为了获得很高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采纳梳状，所以提高了光

敏电阻的灵敏度。

光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体密封在带有玻璃的

壳体中。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性，光谱响应从紫外区始

终到红外区，而且体积小、重量轻、性能稳定。

常用的光敏三极管型号有：3DU5C3DU313DU333DU1073DU303

L14C1PT334等3DU系列为金属壳封装，顶端为玻璃透光窗，对880nm的光线

灵敏度最高，常与红外发光二极管配套运用，具有灵敏度高，响应速度快的特

点。

常用的红外发光二极管型号有：GL3S2GLALN3035GLA等

3.3.1光敏元件的选择

LXI970,包含PIN型光电二极管，高增益放大器和两个互补电流输出端。

芯片特点：PIN光电二极管光谱特性及灵敏度都与人的眼睛相像，可代替人眼感

受亮度的明暗变更，并将接受的可见光装换成电流信号。光电二极管阵列峰值

响应波长为520mm电流灵敏度为().38uA/lx,暗电流为10uA。

(DLX1970非线性误差小，无需运用蓝光滤光片，即可以有效的衰减紫外光

及红外光。

⑵两个互补输出端电流不对称仅为土0.5%,可任选一段作为输出。

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第三章系统硬件设计

⑶微功耗，低压供电。采纳+2〜+5.5V电源，电源电流低至85HA（典型值）

工作温度范围是-40℃〜+85C,外型尺寸2.95mmX3mmX1mm,其结构如图3.3

所示。

图3.3LX1970引脚图

51单片机的读写限制信号P36P3.7分别与P2.7经过或非门连接到

ADC0809的启动端START和输出允许端0E。计算得ADC0809端口地址为

7FFFHo

LX1970转换后的电压信号没有经过运算放大器放大，干脆送A/D转换。可

采纳延时的方法读取A/D变更的电压数量一般来说，ADC0809完成转换时间不

超过200us,假如须要刚好读取数字量，可以将0809的EOC端经过反相器连

接到51单片机外部中断0端口，ADC0809转换完成通过触发外部中断口在中断

服务程序当中完成数据的读取和处理。其连接图如图332所示。

D

图3.3.2光敏原件的连接图

ADC0809各脚功能如下:

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第三章系统硬件设计

D7-D0：A/D转换器的数据输出端，该输出端具有三态特性，能与计算机总

线相接。

IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。

VCC：+5V工作电压。

GND：地。

REF（+）：参考电压正端。

REF（-）：参考电压负端。

START：A/D转换启动信号输入端。

ALE：地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）

EOC：转换结束信号输出引脚，起先转换时为低电平，当转换结束时为高

电平。

0E：输出允许限制端，用以打开三态数据输出锁存器。

ADC0809内部逻辑结构如图3.3.3所示

图3.3.3ADC0809内部逻辑结构

A/D转换后得到的数据应刚好传送给单片机进行处理.数据传送的关键问

题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可

采纳下述三种方式。

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0809转换时间为128us,相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机

器周期.可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时

间一到，转换确定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因

此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数

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第三章系统硬件设计

据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断恳求信号，以中断方式进行

数据传送。

不管运用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据

传送。首先送出口地址并以信号有效时，0E信号即有效，把转换数据送上数据

总线，供单片机接受。所用的指令为MOVX读指令，该指令在送出有效口池址

的同时，发出有效信号，使0809的输出允许信号OE有效，从而打开三态门输

出，是转换后的数据通过数据总线送入A累加器中。

这里须要说明的示，ADC0809的三个地址端A、B、C即可如前所述与地址

线相连，也可与数据线相连，例如与D0〜D2相连。这是启动A/D转换的指令

与上述类似,只不过A的内容不能为随意数，而必需和所选输入通道号IN0〜IN7

相一样。例如当A、B、C分别与DO、DI、D2相连时，启动IN7的A/D转换

指令如下：

MOVDPTR,#FEOOH；送入0809的口地址

MOVA,#07H；D2D1DO1U选择IN7暹道

MOVX@DPTR,A；启动A/D转换

54/74373八D锁存器（3S,锁存允许输入有回环特性）简要说明：373为三

态输出的八D透亮锁存器，共有54/74S373和54/74LS373两种线路结沟型

式，其主要电器特性的典型值如下（不同厂家具体值有差别）：

型号tpd

74LS37317ns120mW

373的输出端0（）〜07可干脆与总线相连。当三态允许限制端OE为诋电

平常，00〜07为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平常，

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第三章系统硬件设计

0()〜07呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存港内部的逻辑操

作不受影响。当锁存允许端LE为高电平常，0随数据D而变。当LE为低

电平常，0被锁存在已建立的数据电平。当LE端施密特触发器的输入滞后作

用，使沟通和直流噪声抗扰度被改善400mV。引出端符号：

DO〜D7数据输入端

0E三态允许限制端(低电平有效)

LE锁存允许端

00-07输出端

外部管腿图：

逻辑图：

真值表:

极限值:

电源电压...........................................................7V

输入电压

54/74S373..........................................................5.5V

54/74LS373..........................................................7V

输出高阻态时高电平电压............................................5.5V

工作环境温度

54XXX......................................................-55~125℃

74XXX..........................................................0^70℃

存储温度..................................................-65〜150℃

举荐工作条件:

74LS373单位

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第三章系统硬件设计

最小额定最大

电源电压VCC544.555.5

VV

744.7555.25

输入高电平电压ViH2V

输入低电平电压540.7

VV

ViL740.8

输入高电平电流54-1

n,A

IoH74-2.6

输入低电平电流5412

mA

ToL7424lllrt

脉冲宽度twLE(H)615nS

LE(L)7.315

保持时间tHDio;101nS

起立时间tSETD0101nS

3.3.2A/D转换应留意的问题

(1)采样速度

采样速度确定了数据采集系统的实时性，采集速度越高，对模拟信号复原

的越好，即实时性好。采样速度由模拟信号带宽，数据通道数和每个周期的采

样数确定，奈奎斯特，数据采集系统无损再现的必要条件是，采样频率违反采

样最高频率的两倍，为了保证采样精度，可以增加每个周期的采样数并在A/D

转换器钱设置低通滤波，消退信号中无用的高频信号重量。

⑵孔径误差

模拟量信号到数字信号转换是一个动态的过程，须要确定的转换时间，而

模拟量总在不断地变更，造成输出的不确定性误差，为了确保较少的孔径误差,

要求A/D转换器具有与之相对应的转换速度，否则，就应当在A/D转换器前加

入采样/保持电路。

(3)系统通过率

系统通过率通过输入放大器的稳定时间，模拟多路选择器，采样/保持电

路的采集时间以及A/D转换器的稳定和转换时间来确定，在数据采集系统中，

有正常依次和重叠两种采集方式，采纳低辨别率不A/D削减模/数转换环节及采

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第三章系统硬件设计

纳重叠采集时，可获得较大带宽的通过滤波速度。

（4）模/数转换精度

用来描述前向通道采集和转换系统精度的常用方法是，计算系统中各环节

的方和根误差。前向通道中信号源阻抗、信号带宽、A/D转换辨别率和系统的通

过率都会影响这些误差的计算。正常状况下，前向通道的总误差应小于等于A/D

转换器的量化误差。否则选取高辨别率A/D转换器就失去了意义。

3.4红外模块的设计

红外线是太阳光线中众多不行见光线中的一种，红外线是波长介乎微波与

可见光之间的电磁波，波长在76（）纳米至1毫米之间，是波长比红光长的非可

见光。覆盖室温下物体所发出的热辐射的波段。透过云雾实力比可见光强。在

通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途，俗称红外光。

菲涅尔透镜在许多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成

本比一般的凸透镜低许多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄

膜放大镜、红外探测器等。

菲涅尔透镜多是由聚烯燃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另

一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在许多时候相当于红外线及可见

光的凸透镜，效果较好，但成本比一般的凸透镜低许多。菲涅尔透镜可依据光

学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测

区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变更的形

式在PIR（被动红外线探测器）上产生变更热释红外信号。其实，这一原理与放

大镜类似却又有所不同。放大镜是利用光的折射原理放大成像，折射后的路途

依旧是直线，而我们的菲涅尔透镜呢，大家细致视察就可以发觉，在玻璃表面

布满了细小的同心圆条纹，那么当光线通过透镜时，就会绕过其间的条纹，弯

曲变形，产生衍射现象。换一种说法就是，光偏离了原本平直的路途，因此大

家便看到了放大却又不清晰的景象。此外，菲涅尔透镜又相当于可见光的凸透

镜，但成本却比凸透镜来的低得多，因此它被广泛地应用于生活当中。

菲涅耳透镜的作用有两个：第一，聚焦效果，即将热释电红外信号折射（反

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第三章系统硬件设计

射）在PIR上，二是将探测区域内分为若干个亮区与黑区，使进入检测区域的

移动对象可以以温度变更的形式在PIR上产生的热释电红外信号。

菲涅耳透镜，简洁的说，它是在镜头的一侧有等距齿形，通过这些齿模，

你可以达到正确指定光谱范围内的光学带通（反射或折射）的作用。传统的光

学抛光设备的带通光学滤波器造价品货的。菲涅耳透镜可以大大降低成本。

典型的例子是PIR。PIR广泛用于警报的。假如你看一看，你会发觉在每个

PIR塑料的小帽子。这是菲涅耳透镜。小帽子的内部都刻齿模。这样的菲涅耳透

镜的入射光的频率峰值可能仅为10微米（人体红外辐射的峰值）。

菲涅尔透镜焦屏上还刻有局部测光或点测光区域。早期AF单反机在光线较

暗环境中对焦时，往往很难望见对焦框，就难以推断相机是以哪一点来作为对

焦点，新一代单反机对焦屏上的对焦点会发光，或者将对焦声音提示，便于在

困难环境中确认对焦。不同类型的对焦屏有不同的用途、拍摄人像可能用如裂

像对焦屏更好，带横竖线或刻度的对焦屏适用于建筑物摄影和文件翻拍；中间

部分没有裂像而只有微棱的对焦屏适用于小光圈镜头，它不会有裂像一边亮一

边黑的缺点。不少单反相机焦屏可由用户自己更换。又称螺纹透镜。

热释电效应指的是极化强度随温度变更而表现出的电荷释放现象宏观上是

温度的变更使材料的两端出现电压或产生电流。当温度变更时，极化强度发生

变更，原先的自由电荷不能完全屏蔽束缚电荷，于是表面上出现自由电荷，他

们在旁边空间形成电场对带点微粒有吸引或排斥作用。通过与外电路的连接，

则可在电路中观测到电流。升温柔降温两种变更截然相反。与压电效用不同的

是，热释电效应中极亿的变更是由温度变更引起的，压电效应中是由压力引起

的。本课题针对学校教室的环境，选用红外人体感应传感器（PR）RE200B对人体

信号进行检测。RE200B是传感器的一种，RE200B采纳热释电材料极化随温度

变更的特性探测红外辐射，并协作双灵敏元互补方法抑制温度变更产生的干扰,

提高了传感器的工作稳定性。

RE200B是热释电红外传感器。这种传感器是由一种晶体材料做成，当这种

晶体表面受到红外线照耀时，会在晶体表面产生电荷。随着光线对晶体照灌的

变更，电荷量也会发生变更。这个变更的电信号可以通过场效应管来进行测量,

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第三章系统硬件设计

基本就是这样的一个原理制作了这样的传感那。

这种传感器对于不同波长的光线照耀都能产生不同程度的响应，因此在传

感器前会加入一个滤镜窗口，这就是为什么我们能看到的RE200B的25封装形

式中有一个像玻璃似的小窗。当然通过这个滤镜可以限定晶体对特定波长的光

线产生响应，一般在8um〜14um,这样就特别接近人体辐射的红外线波长了。

特点：①CMOS工艺。②数模混合。③具有独立的高输入阻抗运算放大

器。④内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。⑤内设延迟时间定时器和封锁时间

定时器。⑥采纳16脚DIP封装。

BISS0001是由运算放大器、电压比