智能台灯课程设计

               基于单片机的智能台灯设计   

   姓   名  ＿张良浩＿＿

系 （部） 电气工程与自动化  

专   业   电气工程及其自动化

学   号  ＿B********  

2013年5月 19 日

摘要

社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用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。随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能电饭锅，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，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。

智能台灯以专门感应人体红外信号的热释电红外传感器为基础，以BISS0001信号处理电路，利用单片机进行处理，以达到便于控制的目的。当房间亮度不够时，且有人在附近时，台灯便会自动点亮，省去了黑暗中摸开关麻烦；当学习时由于靠桌面太近，造成坐姿不正，系统就会提示，以纠正坐姿，防止近视；学习太累了时，趴在桌子上睡会儿时，台灯就会自动熄灭；当无人在时，系统也会使台灯自动熄灭，以达到节省能源的目的。

关键词：智能台灯 BISS0001  单片机 ATC51

第一章  绪论

1.1 智能台灯系统概述

随着科技的高速发展，各种各样的科技产品、家用电器开始走入人们的生活，这一切都大大地提高了人们的工作效率、改善了人们的生活，现在电器的发展趋势是智能化，这样会使人们使用起来更加方便。随着智能控制理论和人工智能研究的深入，各种更加逼真地模拟人类智能的家用电器会更多地出现，而单片机和智能理论的结合，将来不但更多地改进现行家用电器，而且将会产生全新的家用电器。 家用电器因为单片机的加入而走向智能化，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着家用电器的发展越来越方便、舒适。随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能化。

台灯是人们生活中用来照明的一种家用电器。它一般分为两种，一种是立柱式的，一种是有夹子的。它的工作原理主要是把灯光集中在一小块区域内，集中光线，便于工作和学习。一般台灯用的灯泡是白炽灯或者节能灯泡，有的台灯还有应急功能，用于停电时无电照明。

目前，灯具市场上出售的灯具种类繁多，一般台灯均采用220V交流电源供电，日光灯管、白炽灯泡为光源，手动开关或触摸感应式开光来控制。但这类台灯存在很多弊端，一是电压是不安全电压，给人们使用带来不安全因素；二是日光灯还具有频闪效应，经常使用会给人的眼睛带来一定的伤害；三是耗电量大、台灯通常都是以日光灯为主，在几瓦到几十瓦之间；四是人工化，人们由于手工操作，往往会忘记关灯，这也造成电能的浪费，到目前为止，在灯具市场上，很少见到采用+5V的直流电源供电的一种人体智能台灯，它具有既不会出现触电，使用寿命长、无辐射、又不污染等优点，有许多普通按键台灯所无法比及的优势，智能化台灯一方面可以更节省电能，有利于环保，另一方面可以纠正使用者的坐姿，预防脊椎变形和眼睛近视。同时，智能台灯在黑暗的时候自动开关灯的功能也让使用者使用起来更方便，省去黑暗摸灯的麻烦。

智能台灯可分为自动和手动两种模式。在自动模式下，台灯能根据环境光的明暗与人是否被台灯所检测到来自动开启台灯。在这里设计了以人体红外辐射（波长为9.5um）传感控制电路。当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，自动感应

开灯；当人体太靠近桌面时，台灯自动感应，警告纠正坐姿，若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭。当人离开时则自动关灯，达到节约能源的目的。手动模式是为了不习惯使用自动模式的人或是台灯中的微机出现故障等紧急情况时用的。在手动模式下，智能台灯和普通台灯是一样使用的。

台灯是一般家庭的生活必需品，但由于经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。全球这么多台灯，估算一下，消耗能源可观。另一个是作为一个必需品，当然要使生活变得更方便，省去了黑暗中开灯的麻烦，并且可以纠正坐姿。本系统在实验室进行了实物实验。热释电红外探测器1的距离是4m左右（距离可调），主要是因为般来说是门离书桌的距离;以便黑暗中时人一到门口则启动，省去了开灯的麻烦，用户可以根据自己的实际情况进行距离调节。热释电红外探测器2的距离是10cm左右（距离可调），主要考虑是当学习时，有时坐姿不正，引起身体离桌面太近，容易引起近视，此时台灯发出警告，提醒注意，若在设定的时间内未离开，则强制熄灭。有时人学习累了，趴在桌子上睡觉，而忘了关灯,这时系统就会检测到，从而启动延时程序，一段时间过后，台灯就会自动熄灭。

1.2 设计内容和实现功能

内容及要求: 设计并制作一种智能台灯，主要是以BISS0001和单片机组成的红外传感控制电路。其特点是在有人时且外界光强较弱时能自动开灯，无人时关灯，节约能源；且能纠正坐姿，防止近视。具体要求如下：

1．以专门感应人体红外信号的热释电红外传感器为基础，以BISS0001信号处理电路，利用单片机进行处理，以达到便于控制的目的；

2．当房间亮度不够时，且有人在附近时，台灯便会自动点亮，省去了黑暗中摸开关麻烦；

3．当学习时由于靠桌面太近，造成坐姿不正，系统就会提示，以纠正坐姿，防止近视； 

4.学习太累了时，趴在桌子上睡会儿时，台灯就会自动熄灭；

5.当无人在时，系统也会使台灯自动熄灭，以达到节省能源的目的

根据系统设计要求，本系统所具有的功能如下图所示：

图1-1统功能框图

第二章 系统硬件框图及工作原理

图2-1系统示意图

本系统组成如图3-1所示，主要由三部分组成：

1.传感器及信号处理部分：检测人体辐射红外信号及光强信号经过处理      后变成可处理的数字信号；

2.以C51组成的处理单元：处理信号并发出控制命令；

3.提醒电路及灯光控制电路：给出提醒信号并根据C51给出的命令控制灯光。

整个系统是以C51控制下工作的。其工作过程为：当环境光比较强时，光敏电阻阻值比较小，信号处理电路检测到低电平信号，禁止热释电红外传感器工作，省去了C51处理过程。当环境光比较弱时，光敏电阻阻值变大，信号处理电路接收到高电平，从而启动热释电红外传感器工作。热释电红外传感器1探测比较远的距离，当人体进入到传感器1的控测范围内且光强较弱时，信号检测电路处理信号，并向单片机发送一个中断，C51启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮。当环境光比校弱时，且人体过于靠近桌面，热释电红外传感器2检测到信号，同时了在热释电红外传感器1的控测范围内，信号处理电路同时向C51发送信号，C51处理信号根据优先级顺序，屏蔽掉热释电红外传感器1的信号，启动延时电路，发出警报使人离开，若在设定的时间内未离开桌面，则启动灯光控制电路，使灯慢慢熄灭。当人体离开热释电红外传感器2的控测范围且在热释电红外传感器1的控测范围内时，灯光又慢慢变亮。

第三章 系统功能模块及硬件选型

3.1 系统模块图

3.1.1 传感器及信号处理

图3-1传感器及信号处理部分电路图

由红热释电红外传感器、光敏电阻、BISS0001组成的信号检测及处理电路。红热释电红外传感器只对波长为10μm（人体辐射红外线波长）左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，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。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。 BISS0001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。当外界光强较强时，光敏电阻阻值很小，BISS0001检测到低电平，从而封锁14脚，禁止传感器infare1的信号。当外界光强较弱时，光敏电阻阻值很大，BISS0001检测到高电平，开启14脚；infare1检测到人体信号时，产生微弱的信号输出，经R5、R1005、R4、C1、C6、C7组成的信号放大滤波电路。R8、R9、C9和C10组成的延时电路。信号经处理后从2脚输出。

     环境光检测是比较重要的一个部分，其中关键的元件有两个，一个是光敏电阻，一个是10K的可变电阻（电位器）。光敏电阻的检测能力的强弱（灵敏度）是根据那个可变电阻来控制的，有的人认为天色还挺亮的，灯就开了，那你就把电阻变大些，光敏电阻的灵敏度就下降了，这样就可以达到等天再暗些再开灯。同样的，如果你觉的天色已经很暗了，灯还不亮，那你把电阻调小些就可以了。这样多调几次，你就能把智能台灯调到一个最理想的最适合你的状态。

3.1.2 灯光控制及报警电路

   图3-2单片机控制下的灯光控制及报警电路

     由单片机组成的报警及灯光控制电路。当外部无任何中断时，S51控制74LS138的使能控制端，使后面电路不工作。当有中断一产生时，S51启动74LS138，向P0脚低4位发送信号，控制灯慢慢亮。当中断1和中断0同时产生时，S51屏蔽掉中断1，启动74LS138向P0脚低四位发送数据，使灯光慢慢变暗。这里采用74LS138控制DC832可以节省80C51的管脚，有利于扩展，以便于控制多盏灯。采用DC0832可以有效地使灯实现阶梯形的变化。

3.1.3  放大电路

                   图3-3 信号放大滤波电路

使用放大器的滤波电路又称为有源滤波电路。其实有源无源就是看它用到的元器件的性质。用到有源器件（如：三极管，集成放大器等）就构成有源滤波器，若只用到无源器件（电阻，电容，电感等）就是无源滤波器。

有源滤波自身就是谐波源。其依靠电力电子装置，在检测到系统谐波的同时产生一组和系统幅值相等，相位相反的谐波向量，这样可以抵消掉系统谐波，使其成为正弦波形。有源滤波除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。

3.1.4  复位电路

     为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。

                         3-4 复位电路

3.2  主要器件选型

3.2.1 ATS51单片机简介

ATS51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，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位处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的ATS51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

3.2.2 热释电红外传感器RE2008介绍

图3-5热释电红外传感器实物图

图3-6热释电红外传感器内部电路图

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。

热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。热释电效应是指当一些晶体受热时，在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷，由于热变化产生的电极化现象。热释电传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，会发出10mm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电压信号。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。

3.2.3  光敏电阻

光敏电阻的重要特性是它的阻值大小随着环境光的改变而改变，当环境光比较强时，它的阻值减小，相反当环境光较弱时，它的阻值就会增大，这是跟它本身的制作材料有关的[5]。本文的智能节能台灯设计也是利用了光敏电阻的这一特性，用它来感应环境光的强度。若是环境光较强的时候，比如白天时，光敏电阻的阻值就很小，传感器信号处理电路会根据它的阻值进行相应的处理；相反当环境光较弱的时候，比如晚上或者阴天时，它的电阻值就会变大，同时热释电红外传感器要是检测到有人在附近时，传感器信号处理电路就会把这些信号经过处理传到单片机控制电路，从而启动点亮台灯。所以光敏电阻对环境光的检测在电路中也很重要。对光敏电阻要求也很高，要对环境光比较敏感，及时把信号传送到信号处理检测电路

。

 3-7  光敏电阻型号及规格

综合考虑，选用Φ4系列SC4537，价格适中，暗电阻仅为2Ω能满足要求，而亮电阻18~50Ω，有充足的变化范围，可以对环境明暗准确测量。

3.2.4 BISS0001芯片介绍

BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。

1、主要特性

◆ CMOS数模混合专用集成电路

◆ 具有的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配，进行信号预处理

◆ 双向鉴副器可有效抑制干扰

◆ 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽

◆ 内置参考电源

◆ 工作电压范围宽+3V～+5V

◆ 采用16脚DIP封装

芯片引脚连接图如下：

图3-8 BISS0001外引线连接图

3.2.5 3-8线译码器74LS138

    74LS138为3线-8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式。其芯片引脚图如下图所示：

图3-9 74LS138引脚图

1、2、3号引脚为信号输入端，7、9～15号引脚为信号输出端，4、5、5号引脚为使能端，8号引脚接地，16号引脚接电源正极。

当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（/E1)和(/E2)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

3.2.6 D/A转化芯片DAC0832

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

图3-10 DAC0832芯片引脚图

当ILE、/CS、/WR1同时有效时，LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化。/WR1信号为上升沿时，LE=0，将输入数据锁存到输入寄存器。当/XFER、/WR2同时有效时，LE2=1此时DAC寄存器输出随输入而变化。/WR1信号为上升沿时，LE=0，将输入数据锁存到DAC寄存器，数据进入D/A转化器，开始D/A转换。

DAC0832有两种工作方式：单缓冲工作方式和双缓冲工作方式。当DAC0832工作于单缓冲工作方式时，两个寄存器其中DAC寄存器工作于直通状态，输入寄存器工作于受控锁存器状态。在不要求多相D/A 同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作就开始转换，这样可以提高D/A的数据吞吐量。

当DAC0832工作于双缓冲工作方式时，两个寄存器均工作于受控锁存器状态。当要求多个模拟量同时输出时，可爱用双重缓冲方式。

本次设计的系统只要求1个模拟量的输出，所以采用单缓冲工作方式。

3.2.7 四运算放大器LM324

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。

1、LM324特性

◆ 短跑保护输出

◆ 真差动输入级

◆ 可单电源工作：3V-32V

    ◆ 低偏置电流：最大100nA

    ◆ 每封装含四个运算放大器。

    ◆ 具有内部补偿的功能。

    ◆ 共模范围扩展到负电源

    ◆ 行业标准的引脚排列

◆ 输入端具有静电保护功能

2、LM324结构

图3-11  LM324引脚图

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同