室外智能节能LED照明灯设计(设计论文)

1、摘要现今社会，led的应用表现在许多方面，从led显示器到led节能灯的广泛应用，可以说现阶段led的应用已经渗透到各行各业中，当今社会的发展导致能源趋于枯竭，而led照明灯具有很多的优势，它发出的光是冷光源，光效高，工作电压低，能耗少，寿命长，环保无污染，安全可靠便于维护，在对该课题的选择时考虑到设计过程中需要设计相关的传感器，需要对一定量的数据进行处理，所以在整个设计的过程中加入单片机作为整个系统数据处理和控制核心。在整个系统设计中采用intel公司的8051单片机作为系统的控制处理核心，该单片机内部有足够的资源供系统设计的需要，在传感器方面我们采用的传感器有热释电红外探测器、噪声探测传感

2、器、可见光探测器。另外在处理采集过程中我们采用了a/d转换芯片adc0809、d/a转换芯片dac0832、集成运算放大器lm324、在驱动电路的选择中我们采用ap-2b320，该驱动器用220伏交流市电供电，给发光二极管提供320ma稳定的单向电流，可以串连驱动1040只1瓦的大功率发光二极管工作。通过各种传感器的相互协调工作，通过单片机控制和调节led照明灯的开关和亮度。关键词：led照明灯，单片机，传感器 abstractpresent-day society, led application performance in many aspects, from led display t

3、o the wider use of energy-saving lamps, led can say at this stage of the application have penetrated into all walks of life in the contemporary social development tends to lead to depletion of energy, and led lighting lamps have a lot of advantages, its just cold light, high-efficiency, low voltage,

4、 low energy consumption, long life, environmental pollution-free, safe and reliable easy to maintain, in the choice of the topic to take into account the design process need to design-related sensors, the need for a certain amount of data processing, throughout the design process of accession to the

5、 mcu as a whole system of data management and control of the core. throughout the system design used in the 8051 intel mcu as the control system processing core, the mcu have sufficient internal resources for the needs of system design, the sensor, we used a pyroelectric sensor infrared detector , n

6、oise detection sensors, visible light detectors. also in the collection process, we dealt with by the a / d converter chip adc0809, d / a converter chip dac0832, integrated operational amplifier lm324. in the drive circuit in the choice we use ap-2b320, the 220 volts used in the exchange-driven elec

7、tricity supply, to provide 320 ma led stability of the current one-way, the thread can drive 10 40 only 1 watt the high-power led work. through co-ordination between the various sensors controlled by mcu control and regulation of led lighting switches and brightness.key words: led lighting lamps，mcu

8、，detectors目 录摘要iabstractii1 绪论11.1 课题背景11.2 国内外大功率led与半导体照明产业发展状况11.3 led照明灯和其他照明灯的优缺点31.3.1白炽灯31.3.2日光灯31.3.3节能灯31.3.4 led节能灯41.4半导体照明技术对推动经济与社会发展的意义41.5 国家对推动led照明灯产业具有的好处与优势51.5.1 经济社会效益51.5.2 环境效益51.5.3 中国对发展led照明具有的优势62 系统方案设计72.1 性能指标72.2 方案选择72.2.1 方案提出72.2.2 方案论证82.2.3 方案选定83 系统硬件设计103.1 系统总

9、体框图103.2 具体设计系统框图113.2.1 框图说明113.3核心控制模块123.3.1 mcs-51单片机总体概况123.3.2 微处理器153.3.3 存储器163.3.4 定时器/计数器173.3.5 并行输入/输出和串行输入/输出接口173.3.6中断系统173.4检测电路模块183.4.1 被动式热释电红外探测器183.4.2 环境噪声探测器193.4.3 可见光探测器193.5 数据转换模块203.5.1 adc0809结构框图203.5.2 adc0809功能简介203.5.3 dac0832结构框图223.5.4 dac0832功能简介223.5.5 74hc165结构框

10、图233.5.6 74hc165功能简介233.6 led照明控制和驱动电路模块243.6.1驱动电源的选用243.6.2散热方式253.6.3 led照明控制模块253.6.4 led灯连接方式253.7电源模块273.7.1单片开关电源的两种工作模式283.7.2 topswitch单片开关电源模块介绍283.7.3 单片开关电源反馈电路的四种基本类型293.7.4 电路设计方案303.7.5 多路输出式25v开关电源314系统软件设计334.1 系统软件构架334.2 系统主程序设计344.3传感器子程序设计344.4 中断服务函数子程序设计354.5 驱动控制led子程序设计365 系

11、统组装与调试375.1 pcb板的设计375.2 电路的组装385.3 硬件调试过程385.3.1 断电调试385.3.2 通电调试385.4 软件调试385.5软硬件调试与结果446 结 论45参考文献46附录a:系统总电路原理图47附录b 系统程序48致谢581 绪论1.1 课题背景当今世界范围内高新技术产业发展有一个非常值得注意的动向是：随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿及白光发光二极管的问世，半导体技术继引发微电子革命之后，又孕育一场新的产业革命照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。第一代半导体灯将采用大功率led作为新光源，在同样亮度下，其耗电仅为普通白炽灯的1/

12、10，而寿命却可以延长100倍。 由于半导体照明具有切能、长寿命、免维护、环保等特性，如同晶体管替代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也是大势所趋。鉴于半导体照明产业令人鼓舞的发展前景，日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划，投入巨资进行研发，我国台湾地区也出台了新世纪照明光源开发计划，大力发展发光二极管产业。美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每年可节电350亿美元。日本提出，2006年就要用半导体灯大规模替代传统白炽灯。根据测算，7年后仅在美国，半导体照明就可能形成一个500亿美元的大产业。为了把握好这个历史性的新产

13、业机遇，政府充分发挥导向作用，2003年6月19日，由科技部、信息产业部、建设部等相关政府部门跨部门、跨地区成立了“国家半导体照明工程”协调领导小组，这标志着国家正式从战略角度启动了“国家半导体照明工程”。led认为是21世纪的照明光源。led发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，led能耗为白炽灯的10%，荧光灯的50%。led寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用led替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12%。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源

14、浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了一套led智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。1.2 国内外大功率led与半导体照明产业发展状况对于led这种将电能转化为光能的发光器件的研究，人们很早就开始。第一只led产品是1962年在ge公司做出的。1993年高亮度红、黄led开始批量生产。1995年，高亮度蓝色、绿色led也相继进入批量生产，使led的发光波长覆盖从红色到蓝色整个可见光谱范围，而且具有高达30%的发光效率。随之

15、而来的白色led的成功研制，更大大拓展了led的应用领域，从此开始形成了一个朝阳无限的led照明产业。我国在高亮度led这一领域起步较晚，从1993年开始，中科院半导体所、北京大学等单位在国家863计划和自然科学基金的支持下，在相关领域开始了许多研究工作。但目前在材料质量、器件指标等方面与国际先进水平还有很大差距，特别是在半导体用于照明的一些关键性产业技术上还未能攻克。led产品中技术壁垒最高的是上中游产品的生产，目前窥视这一巨大商机的厂家不少，但由于技术、资金和产业化工艺的限制，国内真正能实现规模化生产的企业屈指可数。目前，led照明产业竞争的焦点集中在大功率高亮度白光led。各国政府均大力

16、扶持白光led的发展，美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项积极推行，如日本的“21世纪照明计划”计划，将耗资60亿日元推行半导体照明，目标是在2006年用白光led替代50%的传统照明；美国的“下一代照明计划”，时间从2000年-2010年，计划投资5亿美元；欧盟的“彩虹计划”，已在2000年7月启动，通过欧共体的资助，推广应用白光led。美国在led照明的产业技术开发上一直处于领先地位。lumileds是由philips lighting和agilent（原hp）与1998年合资兴办的公司，旨在开发生产照明用的led产品，以抢占未来巨大的市场。到目前，它所生产的1w、3w和5w的luxeo

17、n led是世界上最亮的白光led产品，它的白光效率已经达到30 1m/w，5w器件的光通量达到120 lm。日本在功率型高亮度led的研制与产业化开发方面在国际上处于领先水平，日亚化工、丰田合成和住友电子处于领先地位。日本日亚化工日前宣布，该公司已与美国发光二极管厂商lumileds达成协议，双方将签定led相关专利技术的交叉授权合约，涵盖的对象包括两家公司拥有的所有led相关专利技术。sumitomo住友电子向美国cree公司一年内订购了一亿美元的led合同，这将是cree公司一年的全部生产能力，住友很显然是想独霸整个高亮度led的市场。德国的osram号称刚刚建立了世界上最先进的芯片生产

18、线，将主要用来生产led和半导体激光器。由于osram是世界是第二大灯泡生产厂商，因此用led制成新型节能长寿灯是他们的新目标。在台湾，led相关的公司有几十家，其产能也在迅速的膨胀，已成为世界上最大的led生产基地。2002年，日本住友和台湾博达共同投资在台湾成立了博友科技，专门从事单芯片znse白光led芯片的生产。由于看到白色led在下一代光源新技术应用中的巨大潜力，2002年9月，台湾成立了由11家顶级led公司组成的“下一代光源新技术研发集团”，该组织专注于以白色的led为核心的下一代led新技术的研发。1.3 led照明灯和其他照明灯的优缺点1.3.1白炽灯将灯丝通电加热到白炽状态

19、，利用热辐射发出可见光的电光源。自1879年，美国的t.a.爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯以来，经人们对灯丝材料、灯丝结构、充填气体的不断改进，白炽灯的发光效率也相应提高。1959年，美国在白炽灯的基础上发展了体积和衰光极小的卤钨灯。白炽灯的发展趋势主要是研制节能型灯泡。不同用途和要求的白炽灯，其结构和部件不尽相同。光色和集光性能好，是产量最大，应用最广泛的电光源。但其暖色和带黄色光，有时不一定受欢迎。日本最按时完成制成能吸波长为570-590nm黄色光的玻璃壳白炽灯，使光色比一般的白炽灯白得多。对所需电的总量说来，发出的较低的光通量，产生的热为80%，产生的光仅为20%。寿命相对地较短

20、。 1.3.2日光灯日光灯两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氩和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出柔和的可见光。但日光灯的附件多，故障机会较多，日光灯的价格比钨丝白炽灯贵，日光灯的功率不能做得很大，日光灯发光是闪烁的。白炽灯由于灯丝炽热而发光。所以是连续地发出光来。而日光灯是低压气体放电发光，若通的是直流电可以连续地发光，若通交流电发光就出现闪烁现象。如电源频率是50赫，发光亮暗每分钟就要改变100次。只是因为闪光变化得很快和视觉暂留的作用，所以一般不易察觉。但在日光灯下观察运动的物体时，就会发现有抖动的感觉。因此一般灯光球场都不用日光灯照明1.

21、3.3节能灯节能灯又叫紧凑型荧光灯（国外简称cfl灯）,节能灯节能主要是通过节能灯管的节能和电子镇流器低功耗的体现，电子镇流器不但要保障节能灯管在它的特性下提供启动电流和启动高压，而且在正常工作时要提高灯管的高频稳定的交流电流。通常，25摄氏度是节能灯最佳的工作温度。在实际的应用中，环境的影响和节能灯工作时自身产生的热量会令此最佳的温度无法实现，从而影响了节能灯的亮度。节能灯也分冷色和暖色两种。高品质节能灯的暖光设计和高超的显色技术，让光色悦目舒适，让人真正拥有温馨的氛围。但是生产过程中和使用废弃后有汞污染,目前西方国家对汞污染是相当的重视.国人也越来越认识到了汞污染的危害性.，由于是玻璃制品

22、,易破碎,不好运输,不好安装.，其耗电量还是嫌大了些，容易损坏,寿命短,节能但省钱这句话就是它的最好写照。1.3.4 led节能灯led被认为是21世纪的照明光源。led发光器件是冷光源，光效高，工作电压低，而且能耗低，同样亮度下，led能耗为白炽灯的10%，荧光灯的50%。led寿命可达10万小时，是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍。用led替代白炽灯或荧光灯，环保无污染。使用安全可靠，便于维护。我国照明用电占总发电量的12%。目前，公共建筑的照明灯具控制大多采用手动开关，经常出现没有及时开关的现象，从而造成大量的能源浪费和使用上的不便。另外，不必要的使用，也会缩短灯具的使用寿命。本文阐述了

23、一套led智能照明控制系统设计方案，可以根据工作环境中是否有人员和环境补光亮度等来自动控制照明的开关和亮度。采用本系统具有提高用电效率，节约电能和缓解了用电高峰的电力供应压力双重作用。通过对比可知，led节能灯效果很明显，只要led灯的成本随led技术的不断提高而降低。节能灯、白炽灯以及节能灯必然会被led灯所取代。目前国家越来越重视照明节能及环保问题，已经在大力推行使用led灯了。1.4半导体照明技术对推动经济与社会发展的意义氮化镓（gan）基半导体材料由于具有很宽的禁带宽度、良好的光电学性能（较高的载流子浓度、迁移率、电子饱和速度、击穿电场与较低的介电常数等）和物理化学性能（耐高温、耐腐蚀

24、等），被誉为是继第一代si、ge元素半导体材料、第二代gaas、inp半导体材料之后的第三代半导体材料，或“后硅器件时代材料”的主要代表，是制作高频、高温、高压、大功率集成电路（ic）用微电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料。作为在光电子领域的主要应用之一，利用氮化镓（gan）基半导体材料可制作出超高亮度蓝、绿、白光发光二极管（led）。而在不久的将来可用作节能、环保照明器具的白光led则更是将引起照明产业的革命，有着非常广阔的应用前景。科学家预测，按照目前的技术水平和发展趋势，半导体照明普通市场开始启动的时间大约会在2006年前后，在未来的5至10年，这种灯泡很可能逐渐成为下一代照明

25、的主流产品，其主要应用领域包括：（1）大屏幕显示、车灯、交通灯、景观灯等领域。高亮度蓝光二极管（led）已经解决了发光二极管的三原色的缺色问题。高亮度发光二极管近年来主要应用于大屏幕彩色显示、汽车尾灯、交通信号灯、多媒体显像和手机及小屏幕lcd背光源等领域。（2）普通照明，替代日光灯和白炽灯。高亮度蓝光二极管的出现，不仅仅是丰富了色彩，有了红橙黄绿青蓝紫全彩，更为重要的意义是由此产生的白光半导体灯。目前，世界上生产蓝光二极管的半导体公司纷纷和老牌灯泡制造商结盟，抢占这个可以说是未来最大的照明市场。可见日前的半导体灯已对传统的白炽灯发起了挑战。1.5 国家对推动led照明灯产业具有的好处与优势1

26、.5.1 经济社会效益据调研机构strategies unlimited估计，全球照明行业市场规模约为120亿美元。据台湾富邦公司预测，未来5年，全球高亮度发光二极管年复合增长率将达到20%，至2007年整体市场规模可达44亿美元。我国高亮度led市场近几年一直保持稳步增长的发展态势。赛迪顾问公司预测，在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明需求的带动下，20032007年我国高亮度led市场规模将保持年均将近25%的增长速度。推进半导体照明产业化工程，其所能取得社会效益更加明显：第一，国内的照明和led企业由于缺乏高新技术和知识产权体系作支撑，只在低附加值的领域徘徊，通过产业化技术的突破，将

27、为我国自主开发下一代半导体照明提供核心技术支撑，实现我国照明工业的跨越式发展。第二，我国人均占有资源储量较少，能源短缺问题将长期存在，国家将不得不从战略上重视照明节能，通过半导体照明产业化技术的突破，逐步形成新型的节能照明产业，有助于节省能源、降低污染，有利于实现国民经济的可持续发展。第三，半导体照明工业的发展，还将带动和形成一个新的产业链。高亮度led的产业化，将带动上游外延片和管芯工业的发展和下游应用产品的开发和更新换代，将会促使一批新兴企业的诞生。1.5.2 环境效益白光led照明第一个突出的优点就是节能，未来白光led照明的耗电量仅为相同亮度白炽灯的10%-20%。1998年全球照明共

28、消耗2300亿美元的电力，同时在发电过程中还产生了4.1亿吨二氧化碳，而假如到2025年有一半的普通光源被半导体照明取代，那就意味着全球每年将节约电费1000亿美元，并减少二氧化碳污染物的排放。现在我国一年耗电量为2000亿千瓦时，光源替代后，每年可节约近1600亿千瓦时，相当于2个三峡电路。白光led照明另一个突出的优点就是环保。只用3伏的直流电压保证其没有电磁干扰，同时长寿命又保证少产生废物，不像日光灯点亮后会产生汞蒸汽灯污染物。普通灯泡寿命只有1000小时；而白光led灯寿命却可以达到10万小时。可大幅度减少灯具损坏抛弃带来的环境污染。1.5.3 中国对发展led照明具有的优势第一，中国

29、拥有巨大的照明工业和照明市场。我国现在是世界照明电器生产大国和出口大国之一，2002年销售收入445亿元，出口创汇43亿美元。但是照明工业大而不强，主要做低端产品，利润率低，缺乏国际市场竞争力。美国现在每年照明用电6000亿度，约占用电总量的20%。我国每年照明用电只有2000亿度，占全国用电总量的12%。这意味着照明工业在我国有着巨大的发展空间。第二，我国在这个领域已具备一定技术和产业基础。与微电子相比，我国在半导体发光器件领域与的差距较小。总体上看来，目前我国半导体发光二极管产业的技术水平，与发达国际只相差3-5年左右。我国已经初步形成了从外延片生产、芯片制备、器件封装集成应用的比较完整的

30、产业链，现在全国从事半导体发光二极管器件及照明系统生产的规模以上的企业有400多家，封装在国际市场上已占有相当大的份额。第三，发展半导体照明产业能够发挥我国的比较优势。半导体照明产业，特别是位于产业链下游的芯片封装和照明系统产业，既是一个技术密集型产业，又是一个劳动密集型产业，其难度和风险都大大低于微电子产业。发展半导体照明产业，能够充分发挥我国的人力资源优势，带动相关产业，并增加出口，吸纳就业。2 系统方案设计2.1 性能指标（1）能够感知人的靠近控制led照明灯的开关；（2）能够根据环境的噪声控制led照明灯的开关和亮度；（3）能够感知环境的光照强度控制led照明灯的开关和亮度；（4）抗干

31、扰能力强；（5）led照明灯的亮度一致；2.2 方案选择2.2.1 方案提出 方案一：分立元件声光控制电路图2.1 分立元件声光控制电路图2.1是一个实用的声、光控制延迟led照明灯电路。其特点是：白天，灯自动封锁不亮；一到傍晚，只要有人走动或有人谈话时，灯既点亮，延迟数十秒后，灯有自动熄灭。方案二：以单片机为控制核心的智能控制框图图2.2是一个以单片机为控制核心智能控制电路，它由一系列传感器单元构成。通过传感器感知外部实际情况，并将其微弱信号通过运算放大器放大后，利用a/d转化送到单片机进行一系列的数据处理，通过单片机的运算处理达到智能控制led照明灯的开关和亮度。单片机传感器单元a/d转换

32、单元d/a转换单元led驱动控制单元图2.2 以单片机为控制核心的智能控制电路2.2.2 方案论证方案一：直流在晶闸管vt4的阳-阴极间形成正向阳极电压，从而构成灯的开关的主要回路。控制回路则由vt1vt2等元器件构成，其工作电源来自r7降压限流，vd5隔离、vs稳压与c2滤波，在c2两端可以获得10v左右的稳定直流电压。白天，光敏电阻器rl受自然光线照射呈低电阻，使vt2、vt3无法进入导通态，led不会点亮，夜间，rl呈高电阻，从而解除对vt2、vt3的封锁。此时，若室外有人走动或有人谈话时，脚步声或者是谈话声将被话筒b拾取，并被转换为电信号，由c1经vt1放大，放大后信号经c3耦合，其信

33、号正半周可使vt2导通，vt3也相继导通，c2存储电荷就通过vt3、vd6向c4迅速充电，并使晶闸管vt4开通，led通电发光，人走后，c4存储电荷可通过r8向vt4门极放电，任能维持vt4相继导通，所以灯不会马上熄灭。直至c4电荷其本放完后，vt4失去门极触发电流，当交流电过零时，vt4关断，led才熄灭。电路延迟时间由r8、c4数值决定，可根据需要进行调整。vt4应该采用触发电流较小的0.81a/400600v的单向晶闸管，如mcr100-8.2n6565、bt169等，rl可选用亮度与暗阻相差倍数愈大愈好的mg44、mg45型等光敏电阻器，b应采用灵敏度较高的小型驻极体电容电话筒，如cr

34、z2-113f型等。方案二：以单片机为控制核心的室外智能节能led照明灯，通过相关传感器感应外部实际情况，将外部信号转化为实际的电信号，通过运算放大器、a/d转换电路转化为能被单片机处理的数字信号，通过单片机的一系列运算与处理控制可控硅调节led照明灯的开关和亮度。该方案采用多种传感器相互协调工作，能够更合理、更智能的控制led照明灯的运行。通过单片机端口输出的数字信号控制可控硅调节led照明灯的亮度，能够达到根据环境变化智能的调节led照明灯的亮度的效果的目的。2.2.3 方案选定根据这两种方案的综合考虑，方案一设计简单，实用性也较强，但方案一只能机械的控制led照明灯的开关，不能够根据环境

35、的变化智能的调节led照明灯的亮度。方案二利用单片机为整个系统处理和控制核心，处理各个传感器传来的外部信号数据，同时利用单片机控制led照明灯的开关和亮度，达到智能控制和调节led照明灯亮度效果的目的，该方案各个元器件容易采购且使用性非常广，故在方案选择中方案二较为理想。3 系统硬件设计本系统采用intel公司的8051单片机作为整个系统的控制核心，另外采用三套传感器系统，主要为被动式热释电红外探测器、噪声探测传感器、可见光探测器。利用三套传感器的相互协调工作，达到智能控制led照明灯的开关和亮度的目的。我们采用单片机作为照明系统的核心，单片机的品种规格很多，选取的原则是尽量使系统简单、性能可

36、靠、成本低。我们选用intel的8051单片机，其内含128字节的ram，32条i/o线、2个8位常数可自动重装的8位定时器/记数器。单片机输出脉冲经过d/a转换经过功率放大后可直接接至继电器控制led照明灯的开关。为控制led照明灯的亮度，由单片机输出的脉冲信号经过并串转换后接到数字电位器控制led照明灯的亮度。3.1 系统总体框图在整个系统硬件设计中我们将具体的电路分为五大模块，他们分别由检测电路模块、核心控制模块、a/d和d/a转换模块、led照明控制及驱动模块和电源模块，其中检测电路模块由热释电红外探测器、噪声探测传感器、可见光探测器，核心控制模块主要由51单片机构成，数据转换模块主要

37、有adc0809、dac0832和74hc165构成，led照明控制及驱动模块主要由ap-2b320和数字电位器构成，电源模块我们采用简单的单片开关电源，总体框图如图3.1所示：检测电路模块核心控制模块led照明控制和驱动模块电源模块数据转换模块图3.1 系统总体框图3.2 具体设计系统框图单片机被动式热释电红外探测器运算放大器a/d噪声探测传感器运算放大器a/d其他传感器运算放大器a/d可见光探测器a/d运算放大器d/a运算放大器继电器并串转换器开关led驱动电路图3.2 室外智能节能led照明灯设计系统框图3.2.1 框图说明mcs-51单片机是美国intel公司在1980年推出的高性能8

38、位单片微型计算机，较原来的mcs-48系列就够更为先进，功能增强，它包括51和52两个子系列。它含有运算器、控制器、片内存储器、4个i/o接口、串行接口、定时器/存储器、中断系统、振荡器等功能部件。对于该系统的设计，该单片机拥有足够的资源满足系统设计的需要。被动式热释电红外探测器有三个关键性的元件：菲涅尔滤光晶片，它通过截止波长812mm的菲涅尔滤光晶片，起带通滤波器的作用，使环境的干扰受到明显的控制作用；菲涅尔透镜，作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射在pir(热释电红外传感器)上，第二个作用是探测警戒区内红外线能量的变化，并由系统内固化软件对所采集的数据进行运算加工，由控制系统

39、内的控制软件通过控制逻辑来决定是否发出开灯信号。热释电红外传感器(pir)将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。环境噪声探测器：主要是通过探测环境中人类日常活动所产生的噪声进行探测，并与红外线部分的数据在系统内部进行或运算，以补偿在环境温度非常接近人体时红外探测不敏感而无法判定是否有人进入需要照明的区域。可见光探测器：通过对光电管、光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比较，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长。其次是当光照强度减弱时，它的响应时间相对增加，装置在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定。考虑到光敏电阻对温度变化较为敏感，偏置电路中的电阻可以采用与

40、探测元件温变系数相近的光敏电阻，以防止工作点漂移。led驱动电路：采用ap-2b320作为电源变换器驱动大功率led，用单片机控制继电器的输出来控制led照明灯的开关，用单片机控制数字电位器控制led照明灯的亮度。3.3 核心控制模块3.3.1 mcs-51单片机总体概况（1）主要功能mcs-51单片机室美国intel公司在1980年推出的高性能8位单片微型计算机，较原来的mcs-48系列就够更为先进，功能增强，它包括51和52两个子系列。在51子系列中，主要有8031、8051、8751三种机型，他们得指令系统与芯片引脚完全兼容，仅片内rom有所不同，51子系列的主要功能为：1）8位cpu.

41、2)片内带振荡器，震荡频率范围为1.212mhz；可有时钟输出。3）128个指节得片内数据存储器。4）4kb得片外程序存储器。5）程序存储器得寻址范围为64kb.6）片外数据存储器得的寻址范围为64kb.7）21个字节专用寄存器。8）4个8位并行i/o接口：p0、p1、p2、p3。9）1个全双工串行i/o借口，可多机通信。10）2个16位定时器/计数器。11）111条指令，含乘法指令和除法指令。12）中断系统有5个中断源，可编程为两个优先级。13）有强得位寻址、位处理能力。14）片内采用单总线结构。15）用单一+5v电源。52子系列主要有8032、8052两种机型。与51子系列的不同在于：片内

42、数据存储器增至256个字节；片内程序存储器增至8kb；有3个16位定时器/计数器；有16个中断源。其他性能均与51子系列相同。（2）内部结构框图图3.3 mcs-51系列单片机得内部结构框图在图3.3可以看出：它含有运算器、控制器、片内存储器、4个i/o接口、串行接口、定时器/存储器、中断系统、振荡器等功能部件，图中sp是堆栈指针寄存器，栈中占用了片内ram的部分单元；未见通用寄存器，因单片机内有存储器，与访问工作寄存器一样方便，所以就把一定数量得片内ram字节化作工作寄存器；psw室程序状态寄存器，简称程序状态字，相当于其他计算机得标准寄存器；dptr是数据指针寄存器，在访问片外rom、片外

43、ram、甚至扩展i/o接口时特别有用；b寄存器由称乘法寄存器，它在累加器a协同工作，可进行乘法操作和除法操作。（3）外部引脚说明mcs-51单片机有40个引脚。用hmos工艺制造得芯片采用双列直插式封装，低功耗的、采用chmos工艺制造得机型也有用方形封装结构的。见图3.4。现将各引脚分别说明如下：1）主电源引脚vcc：接+5v电源正端。vss：接+5v电源地端。2）外接晶体引脚xtal1：片内反相放大器输入端。xtal2:片内反相放大器输出端。外接晶体时，xtal1与xtal2各接晶体得一端，借外接晶体与片内反相放大器振荡器。3）输入/输出引脚p0.0p0.7：p0口得8个引脚。在不接片外存

44、储器与不扩展i/0接口时，可采用为准双向输入/输出接口。在接有片外存储器或扩展i/o接口时，p0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。p1.0p1.7:p1口得8个引脚。可作为准双向i/o接口使用。对于52子系列，p1.0与p1.1还有第二种功能：p1.0可用作定时器/计数器2得计数脉冲输入端t2；p1.1可用作定时器/计数器2得外部控制端t2ex.p2.0p2.7：p2口得8个引脚。一般可作为准双向i/o接口；在接有片外存储器或扩展i/o接口且寻址范围超过256个字节时，p2口用为高8位地址总线。p3.0p3.7:p3口的8个引脚。一般可作为准双向i/o接口使用外，还有第二功能，详见下表

45、1.表3.1 p3口的第二功能引脚第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2int0（外部中断0请求输入端）p3.3int1（外部中断1请求输入端）p3.4t0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）p3.5t1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）p3.6wr（片外数据存储器写选通信号输出端）p3.7rd（片外数据存储器读选通信号输出端）4）控制线ale/proc：地址锁存有效信号输出端。在访问片外程序存储器期间，每机器周期该信号出现两次，其下降沿用于控制锁存p0口输出得低8位地址。即使不在访问片外程序存储器期间，该信号也以上得频率出现，因此可用作对外输出得时钟脉冲。但在

46、访问片外数据存储器期间，ale脉冲会跳空一个，作为时钟输出就不妥了。对于片内含eprom得机型，在编程期间，此引脚用作编程脉冲prog的输入端。psen:片外程序存储器读选通信号的输出端，或称片外取指令信号输出端。在向片外程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期该信号两次有效，以通过数据总线p0口读回指令或常数。在访问片外数据存储器期间，psen信号将不会出现。rst/vpd:rst写全是resert，是复位端。单片机得振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期得高电平就可以实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚上高电平必须持续10ms以上才能保证

47、有效复位。ea/vdd:片外程序存储器的选用端。该引脚有效时只选用片外程序存储器，否则计算机上电或复位后先选用片内程序存储器。图3.4 mcs-51系列单片机芯片引脚图3.3.2 微处理器（1）运算器微处理器又称为cpu，由运算器和控制器两大部分组成。运算器在图3.3的中部，以算术逻辑单元alu为核心，含有累加器a、暂存器、程序状态字psw，b寄存器等许多部件。1）算术逻辑单元它在控制器所发生的内部控制信号的控制下进行各种算术操作和逻辑操作。mcs-51系列单片机的算术逻辑单元能完成带进位位加法、不带进位位加法、带进位位减法、加1、减1、逻辑与、逻辑或、逻辑异或、循环移位以及数据传送、程序转移

48、等一系列的操作。2）累加器进入alu作算术操作和逻辑操作的操作数很多来自a,操作数的结果也常送入a，有许多单操作数指令都是针对a的。3）程序状态字程序状态字psw是一个8位寄存器，它包含了许多程序状态信息，其各位的含义见表2所示。表3.2 程序状态字各位的含义d7d6d5d4d3d2d1d0cacf0rs1rs00vp（2）控制器控制器含有指令寄存器、指令译码器、定时及控制电路等部件，能根据不同的指令产生相应的时序和控制信号。（3）振荡器和cpu时序1）振荡器mcs-51系列单片机片内含有一个高增益的反相放大器，通过xtal1和xtal2外接作为反馈元件的晶体后便成为自激振荡器。晶体呈感性，与

49、c1、c2构成并联谐振电路。振荡器的震荡频率主要取决于晶体；电容的值则有微调作用，通常取30pf左右。电容的安装位置应该尽量靠近单片机芯片。2）cpu时序振荡器输出的震荡脉冲经过2分频成为内部时钟信号，用作单片机各功能部件的按序协调工作的控制信号；其周期称为时钟周期。3.3.3 存储器既是单片机，片内除了cpu外，必然还有存储器。只读存储器用作程序存储器，在计算机工作前，已事先存入各种程序、常数、表格；读写存储器又称随机存储器，它的存储单元的内容根据需要既可读出、也可以写入和改写，用作数据存储器，存放输入、输出数据和中间计算结果，或与外存交换信息，以及作为堆栈，在必要时可保存断点、保存现场。单

50、片机的片内存储器一般即有只读存储器，也可以有读写存储器。mcs-51系列单片机片内含有的存储器容量见表3，在感到容量不够时，可以另外扩展片外存储器；加用片外程序存储器或片外数据存储器。表3.3 mcs-51系列单片机内含有的存储器容量mcs-51系列单片机型号存储器类型片内程序存储器容量/b片内数据存储器容量/b掩膜romepromramsfr51子系列8031-12812880514k-1281288751-4k12812852子系列8032-25612880528k-2561283.3.4 定时器/计数器定时器/计数器时mcs-51单片机的重要功能模块之一。在检测、控制及智能仪器等应用中，

51、常用定时器作为实时时钟，实现定时检测、定时控制。还可用定时器产生毫秒宽的脉冲，驱动步进电动机一类的电气机械。计数器主要用于外部事件的计数。8031/8051/8751单片机有两个可编程的定时器/计数器定时器/计数器0与定时器/计数器1，可由程序选择作为定时器用或作为计数器用，定时时间或计数值也可由程序设定；每个定时器/计数器都具有4种工作方式，可用于程序选择；任一定时器/计数器在定时时间到或计数时间到时，可由程序安排产生中断请求信号或不产生中断请求信号；8032/8052有3个可编程定时器/计数器，增加了定时器/计数器2，定时器/计数器2有3种工作方式，可用程序选择。3.3.5 并行输入/输出

52、和串行输入/输出接口mcs-51单片机微型计算机芯片有32根输入/输出线，组成4个8位并行输入/输出接口，分别称为p0口、p1口、p2口和p3口。这4个接口可以并行输入/输出8位数据；也可按位使用，即每一根输入/输出线都能独立地用作输入和输出。mcs-51单片机中地异步通信串行接口能方便地与其他计算机或串行传送信息地外围设备实现双机、多机通信。串行口有4种工作方式，见表3.4表3.4 串行口的工作方式sm0sm1工作方式功能波特率00方式0移位寄存器方式，用于并行i/0扩展fosc/1201方式18位通用异步接收器/发送器可变10方式29位通用异步接收器/发送器fosc/3或fosc/6411

53、方式39位通用异步接收器/发送器可变3.3.6中断系统中断系统是计算机地重要组成部分。实时控制、故障自动处理时往往用到中断系统，计算机与外围设备间传送数据及实现人机联系也是常常采用的中断方式。mcs-51中断系统地功能为：5个中断源；2个中断优先级，从而可实现二级中断嵌套；每一个中断源的优先级可用程序设定。与中断系统工作有关地特殊功能寄存器有中断允许控制寄存器ie、中断优先级控制寄存器ip以及定时器/计数器控制寄存器tcon等。3.4 检测电路模块3.4.1 被动式热释电红外探测器被动红外探测器有三个关键性的元件：菲涅尔滤光晶片，它通过截止波长812mm的菲涅尔滤光晶片，起带通滤波器的作用，使

54、环境的干扰受到明显的控制作用。 菲涅尔透镜，作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射在pir(热释电红外传感器)上，第二个作用是探测警戒区内红外线能量的变化，并由系统内固化软件对所采集的数据进行运算加工，由控制系统内的控制软件通过控制逻辑来决定是否发出开灯信号。热释电红外传感器(pir)将透过滤光晶片的红外辐射能量的变化转换成电信号，即热电转换。因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异，信号被采集到伺服系统以后，由软件对该新采集的数据与系统内存中已经存在的前

55、期探测数据进行延时比较，以判断是否真的有人等红外线源进入警戒区，还是只是环境波动，甚至是元件自身内部噪声的影响，以免发生误判断。因此，红外探测传感部分软硬件主要是通过探测环境红外线变化来判断是否有人进入需要照明的警戒区。匹配低噪放大器的作用是当探测器上的环境温度上升，尤其是接近人体正常体温(37)时，传感器的灵敏度下降，经由它对放大器的增益进行补偿，增加其灵敏度。另外由于距离等衰减因素的存在，温度传感器和内部软件的初始数据并不需要定在37这个点上，而是要综合环境因素，元件灵敏度最近线性能区段来定初始值。一般都会低于人体温度，这恰好也是元件比较灵敏且元件比较接近最近线性的区段。若在建筑公共区间使

56、用该系统还要考虑随着季节变化而采用不同的初始值，并对控制软件增加相应的控制模块，主要是因为建筑内公共区间的温度变化要比室内温度变化范围要大一些，情况也复杂一些。3.4.2 环境噪声探测器主要是通过探测环境中人类日常活动所产生的噪声进行探测，并与红外线部分的数据在系统内部进行或运算，以补偿在环境温度非常接近人体时红外探测不敏感而无法判定是否有人进入需要照明的区域。在本设计中我们采用灵敏度较高图3.5 环境噪声探测器的具体连接电路图的小型驻极体电话话筒。在本设计中的连接电路图如图所示：3.4.3 可见光探测器通过对光电管、光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比较，发现光敏电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长。其次是当光照强度减弱时，它的响应时间相对