智能照明系统传感器与检测技术—课程设计

1、课程设计报告项 目 名 称： 智能照明系统设计 所 属 课 程： 传感器与检测技术 设 计 日 期： 2013.7.5 班 级 学 号 22号 姓 名 指导教师 成 绩 电气与控制工程学院一、课程设计概述1、课程设计目的本设计的智能照明系统可以根据传感器一定范围内是否有人存在控制附近楼内照明灯的亮灭。系统以at89s51单片机作为控制装置的智能部件，采用热释电红外人体传感器检测人体的存在，对楼内进行合理开灯，系统通过对人体的存在信号识别和智能判断，完成对楼内照明回路的智能控制，实现楼宇照明灯的节能管理。2、课程设计要求1、红外传感器检测15米左右距离内是否有人存在，据此控制灯的开关；2、传感器

2、水平视角100度，垂直视角80度； 3、供电电源ac220v3、课程设计原理本设计分为传感器及信号处理部分，以at89s51组成的中央处理单元部分，灯光控制电路三部分。整个系统是在at89s51单片机控制下完成工作的，其工作过程为：每个单片机系统同时与8路传感器相连，并控制相应8路灯的亮灭。当人体进入到热释电红外传感器的测控范围内时，信号检测电路处理信号，并向at89s51单片机发送一个中断信号，单片机启动灯光控制电路，就对应有一路灯点亮。当人体离开热释电红外传感器的测控范围时, 系统停止工作时间隔10秒灯光熄灭。led显示灯亮的盏数及正在点亮灯的点亮时间；同时单片机有按键输入，可人为控制在白

3、天或休息时灯全灭，检修时灯全亮。二、课程设计内容一、系统设计方案1.1 单片机的选择：采用at89s511.11. at89s51单片机的结构at89s51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位中央处理器和isp flash存储单元，at89s51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。1.12 管脚vcc：电源电压输入端。 gnd：电源地。

4、 p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/

5、o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当 用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口：p3口管脚是8个带 内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入

6、，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口除了作为普通i/o口，还有第二功能： p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断0） p3.3 /int1（外部中断1） p3.4 t0（t0定时器的外部计数输入） p3.5 t1（t1定时器的外部计数输入） p3.6 /wr（外部数据存储器的写 选通） p3.7 /rd（外部数据存储器的读 选通） p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 i/o口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入

7、到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89c51的p0、p1、p2、p3口作为输入时都是准双向口。除了p1口外p0、p2、p3口都还有其他的功能。 rst：复位输入端，高电平有效。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：地址锁存允许/编程脉冲信号端。ale是英文address latch enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。at89s51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74ls373），将端口0的地址总线（a0a7）锁进锁存器中，因为at89s51是以多工的方式送出地址及数据

8、。平时在程序执行时ale引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微

9、拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 psen：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。“psen”为program store enable的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（ea=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到eprom的oe脚。at89s51可以利用psen及rd引脚分别启用存在外部的ram与eprom，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64k的定址范围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：外部程序存

10、储器访问允许。ea为英文external access的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部eprom中）来执行程序。因此在8031及8032中，ea引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录 至8751内部eprom时，可以利用此引脚来输入21v的烧录高压（vpp）。当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端 保持高电平时，此

11、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）。 xtal1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。 xtal2：片内振荡器反相放大器的输出端。1.13单片机最小系统at89s51是片内有rom/eprom的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠。用at89s51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可, at89s51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：有可供用户使用的大量i/o口线。内部存储器容量有限。应用系统开发具有特殊性。时钟电路at89s51虽然有内部振荡电路，但

12、要形成时钟，必须外部附加电路。at89s51单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在xtal1、xtal2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在1.2mhz到12mhz之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，cx1、cx2可在20pf到100pf之间取值，但在60pf到70pf时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6mhz,电容选择65pf。在设计印刷电路板时，晶体

13、和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用npo电容。复位电路at89s51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚rst通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的s5p2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要 vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6mhz时c取22uf,r取1k。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

14、本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过rst端经电阻与电源vcc接通而实现的。按键手动复位电路,时钟频率选用6mhz时，c取22uf,rs取200，rk取1k。1.2、红外传感器的选择:采用热释电红外传感器热释电红外传感器是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距

15、离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。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，从而强其能量幅度。人体辐射的红外线中心波长为910um，而探测元件的波长灵敏度在0.220um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有

16、滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。被动式热释电红外探头的优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺点：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。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。热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线,并将其转变为电压信号。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际使用时,在热释

17、电传感器前需安装菲涅尔透镜,这样可大大提高接收灵敏度,增加检测距离及范围。实验证明,热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜,则其检测距离仅为2 m左右；而配上菲涅尔透镜后,其检测距离可增加到15 m以上。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小,不能直接作为照明系统的控制信号,因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路,使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。根据以上要求,人体热释电检测电路组成框图如图所示。检测对象菲涅尔透镜热释电传感器信号处理电路热释电检测电路组成框图1.3、人体感应方式：采用集成电路bis0001biss0001是一款具有较高性能的传感信号处理

18、集成电路。biss0001是具有较高性能的热释电传感器信号处理集成电路，它主要由运算放大器、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。它具有以下功能：具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配进行信号与处理，双向鉴幅器可有效抑制干扰，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，调解范围宽。内置参考电压。用于多种传感器和延时控制器。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道

19、、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。因此本设计采用biss0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。biss0001的内部结构如图所示。biss0001的主要管脚的功能如下：引脚1为a：可重复触发和不可重复触发选择端。当a为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发。引脚2为v0：控制信号输出端。由vs的上跳变沿触发，使vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。在输出 延迟时间tx之外和无vs的上跳变时，vo保持低电平状态。引脚3为rr1：输出延迟时间tx的调节端。引脚4为rc1：输出延迟时间tx的调节端。引脚5为rc2：触发封锁时间ti的调节端。引脚6为rr2：触

20、发封锁时间ti的调节端。引脚7为vss：工作电源负端。引脚8为vrf：参考电压及复位输入端。通常接vdd，当接“0”时可使定时器复位。引脚9为vc：触发禁止端。当vcvr时允许触发(vr0.2vdd)。引脚10为ib：运算放大器偏置电流设置端。引脚11为vdd：工作电源正端。引脚12为2out：第二级运算放大器的输出端。引脚13为2in-：第二级运算放大器的反相输入端。引脚14为1in+：第一级运算放大器的同相输入端。引脚15为1in-：第一级运算放大器的反相输入端。引脚16为1out：第一级运算放大器的输出端。biss0001有两种工作方式，一种是不可重复工作方式。不可重复工作方式过程如下：

21、首先，根据实际需要，利用运算放大器op1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给运算放大器op2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为vm(0.5vdd)后，将输出信号v2送到由比较器cop1和cop2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号vs。由于vh0.7vdd、vl0.3vdd，所以，当vdd=5v时，可有效抑制1v的噪声干扰，提高系统的可靠性。 cop3是一个条件比较器。当输入电压vcvr时，cop3输出为高电平，进入延时周期。 当a端接“0”电平时，在tx时间内任何v2的变化都被忽略，直至tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当tx时间结束时，vo下跳回低电平，同时启动封锁时

22、间定时器而进入封锁周期ti。在ti时间内，任何v2的变化都不能使vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。第二种工作方式为可重复触发工作方式，其工作过程如下：可重复触发工作方式下的波形在vc=“0”、a=“0”期间，信号vs不能触发vo为有效状态。在vc=“1”、a=“1”时，vs可重复触发vo为有效状态，并可促使vo在tx周期内一直保持有效状态。 在tx时间内，只要vs发生上跳变，则vo将从vs上跳变时刻起继续延长一个tx周期；若vs保持为“1”状态，则vo一直保持有效状态；若vs保持为“0”状态，则在tx周期结束后vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间ti时间

23、内，任何vs的变化都不能触发vo为有效状态。二、系统结构框图本系统主要由光照检测电路、热释电红外线传感器及处理电路、单片机系统及控制电路组成电路组成.它们之间的构成框图如图，总体设计框图所示。按键热释电传感器信号处理电路at89s51时间显示电路控制电路系统结构框图三、系统电路3.1热释电红外信号检测及处理电路热释电传感器s极输出信号送入biss0001的14管脚1in+，经内部第一级运算放大器op1组成传感信号预处理电路，将信号放大。放大后，由c3耦合从12管脚2out输入至内部第二级运算放大器op2放大，再进行第二级放大。再将输出信号v2送到由比较器cop1和cop2组成的双向鉴幅器处理后

24、，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，最后从2管脚v0输出信号(vo)送入单片机进行照明控制。实验所得，当传感器检测室内有人时，biss0001的1管脚接高电平，使芯片处于可重复触发工作方式。输出vo(高电平)的延迟时间tx由外部r8和c7的大小调整；触发封锁时间ti由外部r9和c6的大小调整。热释电红外信号检测及处理电路如图所示。 热释电传感器信号处理电路图 3.2系统供电电路要取得+5v直流稳压电源，传统的方式采用分立元件构成，目前均采用集成三端稳压器7805构成。7805是常用的固定正输出电压的集成稳压器，三端ic是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端

25、。用78系列三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。7805集成三端稳压器的典型应用电路:供电原理图如图所示，这是一个输出为+5v直流电压的稳压电路。变压器tf将交流电网220v的电压v1变为所需要的交流电v2，然后通过全波整流将交流电压v2变成脉冲的直流电压。由于此脉冲的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电容c1加以滤除，从而得到平滑的直流电压vi。但这样的电压还随着电网电压波动、负载和温度的变化而变化。因而在全波整流、滤波之后，还需接入集成三端稳压器进行稳压，使输出的直流电压能稳定在vo=5v，用于给控制

26、系统中单片机系统及其它外围电路的vcc+端供电。+5v直流稳压电路原理图3.3 继电器驱动接口电路继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用. 当输入回路中激励量的变化达到规定值时，能使输出回路中的被控电量发生预定阶跃变化的自动电路控制器件。它具有能反应外界某种激励量（电或非电）的感应机构、对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构，以及能对激励量的大小完成比较、判断和转换功能的中间比较机构。 当继电器线圈的电压或电流达到一定值时，衔铁吸合，使常开触点闭合，触点回路接通；当线圈电压或电流逐渐减小到一定值时，衔铁释放，常开触点也随之断开，触点回路被切断。单片机对光照检测电路和传感器处理电路输出的信号进行检测，输出控制信号由单片机的p20输出。对灯光的开启控制由继电器来实现。这里的继电器由相应的pnp型号的8550三极管来驱动，必须加三极管来驱动，否则信号电路过小将不能使继电器产生吸合动作。开机时，单片机初始化后的p3.5/p3.6为高电平，三极管截止，所以开机后继电器始终处于释放状态，继电器不工作。三极管在室内环境光照较强或光较弱但室内又无人