基于单片机的智能节能台灯的设计.doc

摘 要单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，台灯已是千家万户的必需生活用品，当夜晚来临时，人们摸黑去开灯，非常不方便，而当离开时，人们又经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。本文设计制作了一种智能台灯，主要是以红外热释电处理芯片BISS0001和单片机组成的红外传感控制电路。其原理是：以人体红外辐射（波长为9.5um）为传感信号，当人体在台灯的范围内且环境光强较弱时，自动感应开灯，省去黑夜摸灯的麻烦；当人离开台灯传感器检测范围，自动感应关灯。另外当人身体太靠近桌面时，台灯自动感应，蜂鸣器发出警报，警告纠正坐姿，同时灯光控制电路控制灯光变暗，若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭，当纠正好坐姿则消除警报，灯光变亮。其特点是自动开关灯，节约能源；且能纠正坐姿，防止近视。本文首先介绍结合了单片机的智能化电器的普遍推广推动了家用小电器台灯的智能化。然后介绍设计中用到的单片机的功能以及传感器的选择。最后进行台灯的硬件设计和软件设计。关键词：Atmega16单片机；热释电红外传感器；智能台灯；节能AbstractSingle-chip microcomputer penetrated into all areas of our lives,it is very difficult to find the area of almost no traces of single-chip.Lamp is necessary for thousands of households living supplies.When in the dark,the people is very inconvenient to turn on the lights,and they often forger to turned off the lights when they left, it is resulting in a huge waste of energy.In this paper, an intelligent design table lamp, Mainly pyroelectric infrared BISS0001 chip and single-chip processor consisting of infrared sensor control circuit. The principle is that infrared radiation in the human body for the sensor circuit,automatic sensors turn on the lights when the body of the scope of the lamp and the environment when a weak light.In another way,turn off the lights by automatic sensor when people leave the lamp sensor detection range. In addition, when the body is too close to the desktop. The buzzer alarm to warning to correct posture by the lamp automatic sensor. In the same time, lighting control circuit to control lights dimmed. if within a certain period of time not to leave the desktop the lights automatically extinguished, The lights brighten and remove the alarm when the correct good posture . It is features is automatic light switch, energy conservation; can correct posture and prevent myopia.This paper first introduces the intelligent combination of SCM appliances to promote the general promotion of the small household electrical appliances intelligent lamp. And then used to introduce single-chip design features as well as the sensor of choice. The final table of the hardware design and software design.Key Words：Atmega16 Microcomputer;PIR;Intelligent Table lamp;Energy Saving目 录1 引言11.1研究背景11.2研究的意义21.2.1在节约电能方面的意义21.2.2对使用者的眼睛保护及坐姿的调整31.3课题的发展现状41.3.1单片机的发展现状41.3.2台灯的发展现状51.4研究内容62 AVR单片机的特点及功能简介72.1系统构成框图72.2AVR单片机的特点72.3单片机的串口功能82.4 ATmega16单片机PWM功能93 传感器的选择及功能介绍123.1传感器123.1.1传感器的定义123.1.2传感器的分类123.1.3传感器的静态特性133.1.4传感器的动态特性133.1.5传感器的灵敏度133.1.6传感器的分辨力143.1.7传感器的迟滞性143.2热释电红外传感器143.2.1概述153.2.2热释电红外传感器工作原理153.2.3热释电红外传感器的优缺点163.2.4热释电红外传感器的抗干扰性能163.2.5热释电红外传感器的应用前景173.2.6小结173.3菲涅尔透镜173.3.1概述173.3.2菲涅尔透镜的工作原理183.3.3菲涅尔透镜的优点183.3.4小结183.4光敏电阻183.4.1概述193.4.2光敏电阻工作原理193.4.3光敏电阻的分类203.4.4光敏电阻的主要参数203.4.5光敏电阻的制作材料203.5本章小结204 硬件电路设计及原理214.1人体热释电电路214.1.1BISS0001的管脚结构和工作原理224.1.2人体红外模块与单片机的电路254.2灯光驱动电路254.3光线检测与单片机电路264.4报警电路274.5时间显示电路284.6电源电路284.7继电器电路285软件程序设计305.1总体程序框图305.2单片机程序30结 论34参考文献35致 谢361 引言1.1研究背景社会在不断地进步，市场也在不断地变化，高科技的应用含量决定着产品发展的趋势，智能化技术在电子产品领域的应用更是越来越广泛和意义深远。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中央控制单元。结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能方面更强，使用方面更方便，安全可靠性方面也更高，最重要的是更节省电能从而提高家用电器的品质。随着智能控制理论和人工智能的深入研究，各种更加逼真的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。家用电器是因为单片机的加入而走向智能化的，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。虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的台灯已经感受到产品更新换代的威胁。与其他的智能化家用电器一样，智能化台灯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。智能型电器产品由于它们的巨大优势将渐渐进入人们的生活中。台灯不仅在功能上日趋向智能化，同时在外观上已逐步向组合化、装饰化、情趣化方向发展。组合化是随着人们生活节奏的加快，一些方便实用、新颖、美观的组合台灯正在市场上兴起，有闹钟与台灯组合的，有小型取暖器与台灯组合的，有微型电讯与台灯组合的，还有把笔架、文具盒、像片框与台灯组合的等等，使台灯更具有实用性。装饰化，装饰化台灯注重装饰效果，体现鲜明的艺术特色，使台灯成为一件具有实用性的艺术品。由于这些台灯不但具有现代工艺性，而且式样多变，工艺精湛，造型也别具匠心。质料上不再是单一塑料制品，还采用不锈钢、铜、玻璃等材料制成，风格各异。有乳白、橘黄、草绿、玫瑰红、湖绿等颜色，消费者可按房间装饰风格及家具风格来选购不同款式、质料的台灯，使台灯与室内布置形成一个完善的艺术整体。情趣化，情趣化台灯往往以小巧玲珑、想象丰富等特点而颇受青少年青睐。1.2研究的意义1.2.1在节约电能方面的意义我国政府非常注重能源的节约。1997年11月1日我国颁布了中华人民共和国节约能源法，节能已经是法律上的规定，是我国重要国策之一。北京2008年奥运场馆建设，在“科技奥运，人文奥运，绿色奥运”三大理念的基础上，又提出“勤俭办奥运”的方针，充分体现政府节能，节约的决心！国家发改委提出了“电机系统节能工程”、“建筑节能工程”、“绿色照明工程”等十大重点节能工程，通过这十大工程，“十一五”期间将实现节约2.4亿吨标准煤的目标；2006年1月更是将实行国家建设部颁布的“民用建筑节能管理规定”；2005年7月1日开始实施的“公共建筑节能设计标准”GB501892005计划全年总能耗将减少50%。广大电气人员只有认认真真地研究节约电能的理论和开发出优良的节电产品并应用于实际，才能从根本上贯彻国家规定的各项节能法规，造福于社会。照明节能意义重大，我国照明耗电大体占全国总发电量10%12%，2003年我国总发电量为18500亿度，按12%计，照明耗电达2220亿度。据资料报道，目前城市照明（指景观照明和功能照明的统称），年用电量约占全国总发电量的4%5%。照明节能主要从三个方面入手：选用高效节能的电光源和灯具；选用高品质电子镇流器或节能型电感镇流器；配置适宜，先进照明控制装置。目前我国城市公共照明每年开支达数百亿元。应积极推广采用国际上流行的全数字智能路灯节能控制技术：即智能光源降压稳压调光技术。它的技术思想为：在繁忙时段，控制路灯保持较强的照度，午夜时分，自动调光；后半夜车稀人少时，控制路灯保持较低的照度的照明。在美国、德国此类技术得到了政府大力扶持和推广，节电率高于30%。我国已有独立自主知识产权的这方面技术产品如哈工大楼宇自动化研究所研制的“金卤灯调压调光系统”，在城市道路照明应用中运行效果优良。今后尚需政府的行政支持。智能节能台灯的优点是省电和方便。方便不用多说，省电是比较重要的，现在全世界都缺少电能。2003年，美国和加拿大大面积停电。我国也是，每到夏天就有很多省市拉闸限电。如果用上我们的智能台灯，那么假设一天我们可以节省10min 的开灯时间，灯上装的是10W的节能灯泡。节省的电能为10W600s = 6000J ，一个月就能节省180000J，一年就能节省2190000J的电能，相当于0.6千瓦时。不要小看这个0.6千瓦时的电能。如果全国人都能每年节省0.6千瓦时的电能，那么每年全国会省下7.8亿千瓦时的电能，这7.8亿千瓦时的电能相当节省接近4亿人民币，4亿人民币可以建造多少所希望小学，可以救助多少无家可归的孤儿，可以圆多少贫穷的孩子无法圆的上学梦啊！更重要作用的是环境保护。大家都知道我国有70%的电能来自火力发电厂，而火力发电厂少发一度电就会减少1千克的CO2排放。那么节省3.9亿度的电能就等于少向大气排放39万吨的CO2 ，而CO2是温室效应的罪魁祸首。就是因为全球向大气排入过多的CO2，才导致了温室效应的加剧，海平面上升，大片的土地被淹没，气候变暖，降水和土壤湿度进一步减少，气候逐渐干旱，土地沙漠化和草原退化将变的更加严重。智能节能台灯在节约电能的同时也保护了自然环境，简直是一举两得。1.2.2对使用者的眼睛保护及坐姿的调整近年来我国青少年近视发病率越来越高，发病人数居全球首位。关注我国青少年视力健康，切实加强中小学生近视眼的防治工作刻不容缓。目前我国共有四亿多近视眼患者，以13亿人口计，约每3个人中就有1个是近视眼，特别是青少年近视的发病率居世界第二，人数居世界第一，且渐趋低龄化，中小学生近视检出率为53.8，高中以上学生更是高达70。 近视严重危害青少年的健康成长，同时影响我国高素质人才职业的筛选，缩小特殊职业人员的选取范围，更是对实现我国二十一世纪健康目标的严重阻碍。多年来近视眼病在我国、日、韩和东南亚地区特别严重，时时影响着青少年的学习、健康和生活。近年来我国近视眼患病率已上升到世界第二位，仅次于日本，总数量居世界第一。近视眼病的防治是一种世界性的重大难题，迄今没有治愈的有效药物和方法。市售的药物和器具只能起到一定的调理和缓解作用，而手术和激光治疗有严格的年龄限制，而且还包含着严重的隐患和风险。除了遗传原因，诱发学生患近视眼病的根源有多种，必须从诱发的所有根源上做起，才能真正防止。我国中小学生之所以出现这么严重的近视问题，原因是他们在平时在灯下学习或做作业的时候不注意坐姿，由于离光源太近而使视力下降，久而久之就成了近视眼。目前市场上出售的调光台灯多为手动式，即根据使用者的需要用手转动调光旋钮而改变台灯的亮度，虽然有节约用电的作用，但无防近视功能。为使中、小学生在灯下看书或做作业时，不能离灯太近，若超过规定的距离，灯光便自动变暗乃至熄灭，而离开规定距离，灯光则自动变亮，我们设计了一种智能台灯。它可以在使用者看书写字姿势不正确或者距离台灯太近的时候，灯光慢慢变暗而提醒你纠正，直到你坐姿完全正确为止。从而使你养成良好的读书写字姿势，保护好视力防止近视眼，这个功能都是台灯根据人体探测电路的输出信号来控制，如果晚上工作学习太累不小心趴在台灯下睡着了，台灯的传感器检测到你离光源太近而会经提醒电路暗灯提醒未离开则在单片机程序控制下自动熄灭台灯，同时起到了省电的作用。 1.3课题的发展现状单片机在智能节能台灯设计之中是主要控制单元，主要控制电路灯光控制电路是在单片机的控制下工作的。下面介绍一下智能节能台灯的大脑，单片机的发展状况以及在各个领域中的实际应用。1.3.1单片机的发展现状1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列单片机，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段。其后，在MCS-48成功的刺激下，许多半导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。到80年代末，世界各地已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，其中包括Motorola公司的6801，6802，Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501，6502等，此外，日本的NEC公司，日立公司等也不甘落后，相继推出了不同的单片机品种。尽管目前单片机品种很多，但我国使用最多的是Intel公司的MCS-51单片机系列。MCS-51系列是在MCS-48的基础上在上世纪八十年代初发展起来的，虽然它是8位单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。此外，它还有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点，因而应用愈加广泛，直到现在MCS-51仍不失为单片机的主流系列。继8位单片机之后，又出现了16位单片机，1983年Intel公司推出的MCS-96系列处理器。单片机就是其中的典型代表。与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且在其它性能方面也有很大的提高，特别是芯片内还增加了一个4路或8路的10位A/D转换器，使其具有A/D转换的功能。纵观单片机近30年的发展历程，单片机今后将向着多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路简单化以和片内存储器容量增加的方向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了32位单片机，但使用的并不多。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特点。此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。随着微电子技术和超大规模集成电路技术的发展，单片机真正意义上的嵌入式系统的出现。单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求，例如，芯片级的物理空间、大规模集成电路的低价位、良好的外围接口总线和突出控制功能的指令系统。单片机有计算机系统内核，嵌入到电子系统中，为电子系统智能化奠定了基础。因此，当前单片机在电子系统中的广泛使用，使经典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。单片机又以其体积小、性价比高、功能强、可靠性高等特点，在各个领域都能得到广泛的应用。1.3.2台灯的发展现状台灯本来是一个非常简单的照明工具，就是一个电源加一个灯泡，但随着科技的进步，人们对台灯的功能要求也开始日渐提高。所以它的功能也由简单的照明开始向其他的节能和护眼等方面发展，有些台灯还添加了闹钟和定时等功能。(1)、护眼台灯的护眼原理护眼台灯主要由单端荧光灯和灯具两部分组成。单端荧光灯为节能灯；灯具里的主要电器元件是电子镇流器和启动器。它的工作原理是把低频闪提高至高频闪，这种护眼灯采用变频电子镇流器，将电频率由50H z提高至5500H z以减少频闪，采用三基色荧光粉，减少了炫光效应，使得光线柔和不刺目，使人眼感受不到频闪不适，以此来减轻视力疲劳。频闪效应是所有荧光灯管的一个测试指标：频闪越少，照明效果越好。普通台灯在50赫兹的交流电状态下正常工作的时候，每秒钟会发生闪烁100次左右，如此高的闪烁频率，光靠人眼是看不出来的。因此，在台灯下用灯时间一长，再加上不注意用眼卫生，极其容易发生近视。而护眼灯的原理则是将50赫兹的电频率提高到40000至55000赫兹，而相应的台灯每秒钟的闪烁频率就会大幅度下降，有的甚至可以下降为零，从而起到保护视力的功能。但是，目前灯具市场里的不少品牌的护眼灯的质量不过关，护眼灯的内部电频率根本无法达到质量要求的40000赫兹以上的要求。(2)、节能台灯一般的节能台灯都是在灯泡上做研究，尽量使用节能灯具，可以把白炽灯泡换成LED的节能型灯泡。近年来随着绿色照明概念的提出，研制新型的环保节能台灯成为当务之急。目前已有专业人员研发出半导体环保节能台灯，将半导体LED用于室内照明。这是一款实用新型的台灯，由于以发光二极管为光源，再配以专门设计的外形结构，可极大限度地利用光的效率，给人以温馨或者恬静的感觉，特别适用于家庭、宾馆以及办公室等环境的工作、学习、休息等照明与装饰的需要，由于基本消除了频闪，使得灯光对视力保健更有效果，同时，还具有节省电能的效能。本实用新型台灯提供的光线照度均匀、无闪烁，并且产品使用寿命长、省电、反应速度快、环保、防爆、冷光源、安全性高，适合一般的工作、学习、居住等局部照明之用。相信随着科技的发展，未来的照明光源将以环保节能的半导体发光器件为主，更易控制和实现多功能化和智能化。1.4研究内容随着智能化技术的发展，智能化家用电器的日益普及，作为千家万户日常使用的家用小电器-智能节能台灯也应运而生。智能台灯是利用Atmega16作为控制芯片。将硬件设计分为传感器及信号处理部分、以Atmega16组成的中央处理单元、提醒电路及LED驱动电路。对各部分功能作用予以详细说明。软件设计采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调。本文第一章为绪论，阐述了结合了单片机的智能化技术在家用电器领域中的应用，详细介绍了智能节能台灯研究的意义及未来台灯的发展趋势。第二章对中央控制单元做了详细的介绍，选择了Atmega16作为控制器，对其功能、特性做了详细说明。第三章对传感器的概念及其特性进行简单的介绍，对本文设计用到的热释电红外传感器和光敏电阻的工作原理及其特性进行详细的说明。第四章对智能节能台灯的硬件进行设计，划分成为传感器信号处理，单片机最小系统以及LED驱动电路和提醒电路，分别设计出电路结构，并说明其功能作用。第五章介绍了智能节能台灯的软件设计，根据硬件结构，先画出总的程序框图，结合台灯设计需要的效果，用C语言编出程序。第六章是本论文的总结和进一步工作展望。2 AVR单片机的特点及功能简介2.1系统构成框图热释电红外模块OOUT3O3UOUT2T23OUT14UVS39VSS8OGNDU11TEN B26EN A红外避障传感器光照传感器ATmega16蜂鸣器电路时间显示电路LED指示电路模式开关图2-1 系统构成框图2.2AVR单片机的特点AVR单片机硬件结构采取8位机与16位机的折中策略，即采用局部寄存器(32个寄存器文件)和单体高速输入/输出的方案(即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑)。提高了指令执行速度(1Mips/MHz)，克服了瓶颈现象，增强了功能；同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故AVR单片机在软/硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。 AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定高阻输入、驱动能力强等特性，使I/O口的资源灵活、功能强大、可充分利用。 AVR单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路BOD，多个复位，可设置的启动后延时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 AVR单片机技术体现了单片机集多种器件和多种功能于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统SOC”过渡的发展方向。 综上所述，AVR单片机是8位机中的佼佼者。它具备了高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位的特点。也正因为此，本系统使用了AVR单片机中的一款高端单片机Atmage16作为控制核心。2.3单片机的串口功能单片机作为控制核心其首要职能是接收上位机送来的数据并作相应处理。而通信的可靠性和有效性直接影响到了系统的功能。由于本设计采用的是有线通信，有较好的可靠性，而AVR单片机本身有着强大的串行通信能力，只要对Atmage16内部进行设置就可实现简单通信。AVR单片机的通用同步和异步串行接收器和转发器(USART) 是一个高度灵活的串行通讯设备。主要特点为：（1）全双工操作( 独立的串行接收和发送寄存器)；（2）异步或同步操作；（3）主机或从机提供时钟的同步操作；（4）高精度的波特率发生器；（5）支持5, 6, 7, 8, 或9 个数据位和1 个或2 个停止位；（6）硬件支持的奇偶校验操作；（7）数据过速检测；（8）帧错误检测；（9）噪声滤波，包括错误的起始位检测，以及数字低通滤波器；（10）三个独立的中断：发送结束中断, 发送数据寄存器空中断，以及接收结束中断；（11）多处理器通讯模式；（12）倍速异步通讯模式；（13）增强性的高速同/异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验帧错、两级接收缓冲、波特率自动调整定位（接收时）、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过MCS-51/96单片机的串口，加之AVR单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率通讯。ATMega16单片机控制串口寄存器有UDR,UCSRA,UCSRB,UCSRC,UBRRH。主要功能如下：UDR：USART 发送数据缓冲寄存器和USART 接收数据缓冲寄存器共享相同的I/O 地址，称为USART 数据寄存器或UDR。将数据写入UDR 时实际操作的是发送数据缓冲器存器(TXB)，读UDR 时实际返回的是接收数据缓冲寄存器(RXB) 的内容。UCSRA：控制状态寄存器A，用于显示发送、接收结束，帧错误，数据溢出等串口站工作过程中出现的状态。UCSRB：控制状态寄存器B，用于发送、接收结束中断使能，串口使能等串口功能的设置。UCSRC：控制状态寄存器 C，用于设定奇偶校验位，停止位，同步、异步等串口每帧发送的格式。UBRRH：波特率寄存器,用于存放串口波特率。2.4 ATmega16单片机PWM功能脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。ATmega16就是其中一种，ATmega16自带有四路PWM输出，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：1.设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期2.在PWM控制寄存器中设置接通时间3.设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚4.启动定时器5.使能PWM控制器。快速PWM模式(WGM21:0 =3)可用来产生高频的PWM波形。快速PWM模式与其他PWM模式的不同之处是其单边斜坡工作方式。计数器从BOTTOM计到MAX，然后立即回到BOTTOM重新开始。对于普通的比较输出模式，输出比较引脚OC2在TCNT2与OCR2匹配时清零，在BOTTOM时置位；对于反向比较输出模式，OC2的动作正好相反。由于使用了单边斜坡模式，快速PWM模式的工作频率比使用双斜坡的相位修正PWM模式高一倍。此高频操作特性使得快速 PWM 模式十分适合于功率调节，整流和DAC应用。高频可以减小外部元器件(电感，电容)的物理尺寸，从而降低系统成本9。工作于快速 PWM 模式时，计数器的数值一直增加到MAX，然后在后面的一个时钟周期清零。快速 PWM 模式时序图如下图。图中柱状的 TCNT0 表示这是单边斜坡操作。方框图同时包含了普通的PWM输出以及方向PWM输出。TCNT2斜坡上的短水平线表示OCR2和TCNT2的比较匹配。计时器数值达到MAX时T/C溢出标志TOV2置位。如果中断使能，在中断服务程序，中断服务程序可以更新比较值。工作于快速PWM模式时，比较单元可以在OC2引脚上输出PWM波形。设置COM21:0为2可以产生普通的PWM信号；为3则可以产生反向PWM波形。要想在引脚上得到输出信号还必须将OC2的数据方向设置为输出。产生PWM波形的机理是OC2寄存器在OCR2与TCNT2匹配时置位(或清零)，以及在计数器清零(从MAX变BOTTOM)的那一个定时器时钟周期清零(或置位)。输出的PWM频率可以通过如下公式(3-1)计算得到： (2-1)变量N代表分频因子(1、8、32、64、128、256或1024)。OCR2寄存器为极限值时表示快速PWM模式的一些特殊情况。若OCR2A等于BOTTOM，输出为出现在第MAX+1个定时器时钟周期的窄脉冲；OCR2为MAX时，根据COM21:0的设定，输出为高电平或低电平。通过设定OC2在比较匹配时进行逻辑电平取反(COM21:0 = 1)，可以得到占空比为50%的周期信号。OCR2为0时信号有最高频率 。这个特性类似于CTC模式下的OC2取反操作，不同之处在于快速PWM模式具有双缓冲。3 传感器的选择及功能介绍3.1传感器传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成，它的性能直接影响到整个检测电路，对检测系统起着重要的作用。3.1.1传感器的定义国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。3.1.2传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。 有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。 按照其用途，传感器可分类为： 压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。以其输出信号为标准可将传感器分为： 模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。 数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。 开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。 现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。按照其制造工艺，可以将传感器区分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。 集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。 薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。 厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。 陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产15。3.1.3传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。3.1.4传感器的动态特性所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。3.1.5传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化y对输入量变化x的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度S是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化1mm时，输出电压变化为200mV，则其灵敏度应表示为200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。3.1.6传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。分辨率与传感器的稳定性有负相相关性。3.1.7传感器的迟滞性迟滞特性表征传感器在正向（输入量增大）和反向（输入量减小）行程间输出-一输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值MAX与满量程输出FS的百分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。3.2热释电红外传感器本次设计智能节能利用的传感器是热释电红外传感器。传感器在电路中起着很大的作用，要利用它采集回来的信号去对灯光进行控制。热释电红外传感器本身采集到的信号是很微弱的，感应的范围也很小，但是在它正面加上一个菲涅尔透镜以后，它的信号采集范围可以增大到20米左右。本次设计对热释电红外传感器的性能要求比较高，因为它采集回来的信号将直接影响灯光控制电路的控制行为。首先，这种传感器要对人体发出的红外线感应很灵敏，而对其他的小动物发出的红外线不起作用。其次是能够感应较远距离的红外信号，这就需要借助于菲涅尔透镜的聚焦作用。下面开始详细介绍热释电红外传感器的工作原理以及工作特性。3.2.1概述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。早在1938年，有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视。直到六十年代，随着激光、红外技术的迅速发展，才又推动了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用开发。近年来，伴随着集成电路技术的飞速发展，以及对该传感器的特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路处理技术20。3.2.2热释电红外传感器工作原理热释电红外传感器和热电偶都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。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它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T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。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Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=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T，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37C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21。3.2.3热释电红外传感器的优缺点不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。但是，被动式热释电传感器也有缺点，如：信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；易受射频辐射的干扰；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵；被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。3.2.4热释电红外传感器的抗干扰性能（1）防止小动物干扰：探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。（2）抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。（3）抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。3.2.5热释电红外传感器的应用前景随着相关信号处理器性能和可靠性的不断提高，热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎，广泛应用于各种自动化控制装置中，既可作为红外激光的一种较理想的探测器，又可适用于防盗报警、来客告知及非接触开关等红外领域。除了在众所周知的搂道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。3.2.6小结经过前面的介绍，对热释电红外传感器有了充分的了解，包括它的工作原理以及各种抗干扰特性。它的各种特性都满足本次智能节能台灯对传感器的要求，特别是它对人体发出的红外特别敏感的特性很符合需要。利用它的这一特性还可以把它运用到日常安全防盗系统中去，因为防盗报警系统所针对的采集对象也是人体发出的红外线。3.3菲涅尔透镜菲涅尔透镜在本次设计中的作用是辅助热释电红外传感器采集人体发出的红外线，它可以把较远距离的人体发出的微弱的红外线信号光聚集起来，热释电传感器在它的作用下可以探测到较远距离人的活动。菲涅尔透镜在传感器信号处理电路中起着重要的作用，在它的辅助之下才能采集到较好的输入信号。下面介绍一下菲涅尔透镜的组成结构及工作原理。3.3.1概述菲涅尔透镜 (Fresnel lens) 多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。菲涅尔透镜在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。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。3.3.2菲涅尔透镜的工作原理菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而增强其能量幅度。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用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化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 3.3.3菲涅尔透镜的优点菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的带通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本。典型的例子就是PIR（被动红外线探测器）。PIR广泛的用在警报器上。如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子。这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。成本很低。3.3.4小结通过前面对菲涅尔透镜组成材料和在工作过程中起的作用可以知道，菲涅尔透镜是利用透镜的特殊光学原理，对人体发出红外线信号进行聚集，类似于凸透镜的聚焦原理。菲涅尔透镜价格也比较低廉，考虑到我们的智能节能台灯针对的是广大的普通用户，成本要比较低，才能适合广大的消费者。所以在本次设计中所使用的元件都尽量考虑物美价廉的。3.4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。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