基于AT89C51单片机的照明控制系统设计

摘要日常生活中电能浪费现象比拟严重，就以室内照明为例，由于使用人员不固定以及人员的节能意识的淡薄，白天室内照度很高的情况下，仍然普遍存在开灯作业；即使室内无人或者人数很少的情况下，也是全部开启室内照明。长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象到处存在。本文通过热释型红外传感技术，利用人体的温度作为检测目标。当人进入其探测区域内，红外传感器将人体与空间温度的差值传递给信号处理系统，从而实施对控制电路的驱动与否，实现对控制对象的具体控制，最终由单片机对房间内人数和光线的综合实时控制。根据实际情况自动控制灯的开关，这样就会杜绝严重的浪费现象，并且具有明显的经济价值。关键字：单片机，热释红外传感器，光传感器，照明控制，节能AbstractThewasteofelectricityindailylifeisserious,taketheinteriorlightingasanexample,becausetheuseofpersonnelisnotfixed,andtheweakstaffawarenessofenergysaving,duringthedayunderthehighintensityoflight,peoplestillkeepinglightsonwork;althoughsmallnumberofcases,theyturnonallofthelights;Besides,peopledonotturnoffthelightswhentheyleave.Inthispaper,pyroelectricinfraredsensingtechnologyisused,ittakesthebody'stemperatureasthetesttarget.Whenpeopleenteringthedetectionregion,theinfraredsensorteststhetemperaturedifferencebetweenthebodyandthespace,andpassesthesignaltotheprocessingsystem,toimplementcontrolcircuitornottorealizethecontrolobjectofthespecificcontrol,theendoftheroombythemicrocontroller,andthenumberofreal-timecontroloflight.Automaticcontrolbasedontheactualsituationoflight,thiswilleliminateaseriouswasteandhassignificanteconomicvalue.Keywords：singlechipcomputer，pyroelectricinfraredsensor，lightsensors，illuminationcontrol，energysaving目录摘要 iAbstract ii第一章照明系统总体设计 1第一节系统总体框图 2第二节系统简单流程图 3一、方案一 3二、方案二 4三、方案三 5四、方案比拟与确定 6第二章硬件设计 7第一节主机电路核心器件介绍 7一、AT89C51单片机性能介绍 7二、AT89C51单片机最小系统 13第二节人体红外检测电路 15一、人体红外检测电路总体设计 15二、释电红外传感器 17三、菲涅耳透镜 19四、热释电传感器信号处理芯片 22第三节可见光检测模块 27一、方案一 27二、方案二 30第四节按键电路 33第五节LED指示电路 34第六节执行模块 34一、方案一 34二、方案二 35三、方案比拟与确定 35第七节电源电路 36第三章软件设计 38第一节流程图 38第二节主程序 39第四章硬件抗干扰设计 42第一节单片机干扰的来源和后果 42第二节单片机系统硬件抗干扰常用方法 42第三节本设计采用的抗干扰措施 45总结 46附录 47照明根底知识 47主电路原理图 49系统程序 50中英文资料 52参考文献 61谢辞 62第一章照明系统总体设计作为一名即将毕业的学生。在校期间，对学校的教室以及图书馆的照明设计不太满意。自我认为有很多可以改良的地方。试举一下几种不太好的现象：一是在不需要开灯的情况下，灯长明；二是人走灯长明，以至于管理员很辛苦的一个教室挨一个教室的去关灯。因为这些情况都造成了很多不必要的浪费。这样下来，无形中所浪费的电能是非常惊人的。据测算，这种现象的耗电占其单位所有耗电的40%左右。因此，有必要在保证照明质量的前提下，实施照明节能措施。这不仅可以节约能源，而且会产生明显的经济效益。当然说经过教导，相信肯定可以减少这些浪费能源的情况发生，但从技术上完全可以解决这个问题。廉价实用的单片机就是为此而生的。单片机是在一块芯片上集成了计算机各根本功能部件的计算机系统，包括CPU、ROM、RAM、I/O口、定时器与计数器以及中断系统等等。单片机在现代生活和工业生产中得到了广泛的应用。单片机应用所受到的主要限制不是技术问题，而是创造力和技巧上的问题。针对生活中这种照明中电能浪费的现象设计一套使用单片机控制的智能照明系统。本设计的主要应用范围也是教室、图书馆和办公室等公共场所。该系统应用了两种传感器，人体红外传感器和自然光线传感器，对现场的自然照明情况和人员情况，实现实时自动检测与控制的功能，从而实现节能降耗的目的。具体功能如下：第一，系统设计人体红外检测电路，有进入探测范围时输出信号。第二，系统设计自然光检测电路，对照明现场的亮度进行自动检测。虽在工作时间，但现场的亮度如果能够满足设定要求时，系统同样关闭照明设备。第三，设计按键电路，设定强制开灯和强制关灯按键。如有需要人为开灯或灭灯，可按相应键。比方在教室内，晚上要演示幻灯片，现实条件是室内有人，自然照度不满足工作要求，按照系统的自动控制程序，是不会灭灯的，但我们确实需要灯灭，这时就可以按下强制关灯按键。设计该系统的理念是：第一，“以人为本，人使用灯〞;第二，“节能环保〞。第一节系统总体框图在设计最初需要一个整体的思路来确定设计的框架。首先根据设计任务来确定所需的功能模块；然后按照一定的作用顺序把各个功能模块连接起来。本系统需要两个传感器来分别检测人体红外信号和自然光强信号，需要按键电路来强制灯的开关，还需要指示电路来指示系统的工作状态，等等。照明电路照明电路继电器执行电路LED指示电路人体红外检测电路AT89C51单片机按键电路自然光检测电路晶振电路复位电路图1-1照明系统总体框图如图1-1，为该照明系统总体框图，包括：系统核心AT89C51单片机，输入为两个传感器电路即人体红外检测电路和自然光检测电路，强制开关的按键电路。输出是LED指示电路以及继电器执行电路。最后由继电器电路来控制照明电路的通断，从而实现照明的自动控制。晶振电路和复位电路是单片机系统工作必不可少的。晶振电路结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个根底上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。复位电路实现单片机各单元值的初始化。除此之外还需要电源电路把220V交流变成单片机及各功能电路的元件所需的电压。照明控制系统的应用有很多优点：不需要常规的翘板开关；不需要人亲自动手去按，可以减少通过皮肤接触导致的细菌传染；不需定期更换开关；即使从美学的角度讲也是有价值的。这种产品对于公共场所是非常理想的。第二节系统简单流程图有了上节设计的系统总体框图，我们就可以进行系统流程图的设计，这里的流程图是方案流程图，是提出来的思路流程图。我们可以提出好几种方案，来进行比拟，评价，最终确定一种比拟合理的方案，如下是我提出的三种方案。一、方案一如图1-2是第一种控制方案的流程图，该方案是一种满足设计任务的最根本和最简单的方案。流程经过初始化以后，先判断有无按键按下，如果有那么执行相应按键处理程序。如果没有，继续判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无按键按下。如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定要求。假设照度满足要求，继续返回灭灯程序；假设不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路。开始开始按键处理程序有无按键？初始化开灯灭灯NNYYNY有人？光照满足？图1-2流程图一在设计系统流程时，是先判断光照还是先检测是否有人是，我遵循的原那么是“以人为本，人使用灯〞。如果没有人，开关灯就无意义，所以应先判断是否有人，而不是先判断光照情况。本方案是智能照明系统的一种最简单的流程图，表现在什么地方呢，就是它只控制灯的亮与灭，没有调光功能。后面的方案将表达方案一的这点缺乏。二、方案二开始开始初始化有无按键?按键处理程序?灭灯开一半全开YNYYNNN有人否？照度>X2?照度>X1?图1-3流程图二如果设计的照明控制系统能够调节照度，那么照明效果和节能效果将会更好。如图1-3具有两个照明调节等级的方案。按键判断与有没有人的判断与方案一相同，可见光照度判断与方案一不同，其工作方式为：设照度X2>X1>0,当环境照度E>X2时，不需要人工照明：当X1<E<X2时，开一半的灯，即可满足照明需求；当E<X1时，灯全部翻开。这样在黄昏，阴天的时候，就可以比方案一节约不少电能。后面的方案更加明显的表达了调光这一功能。三、方案三开始开始初始化，设定照度值E0有无按键?按键处理?有人否？灭灯YNYYNN检测当前照度值E1,与E0比拟启动调光电路E1≥E0？图1-4流程图三方案三流程图如图1-4所示。方案三的特别之处也在于它的可见光检测电路和调光电路。它能够监测当前照度值E1，与设定值E0作比拟，当E1<E0时，启动调光电路进行照明补偿，维持照度不低于设定值E0。方案三的可见光检测电路精度要高于前两种方案，因为它的调光需要一个精确的反响值来设定调光电路的工作。这种方案对于教室，图书馆等场所，这种需要一个恒定照度的场合是非常适宜的，如果希望荧光灯能实现照度调节，需要配合数字整流器。就目前来看，由于大功率LED灯的蓬勃开展，未来使用单片机，PWM，和LED组成的智能照明系统必将成为主流。LED灯是指灯具产品采用LED(Light-emittingDiode，发光二极管)做为主要的发光源。LED灯的结构是一块电致发光的半导体材料，所以LED灯的抗震性能好。LED灯具有节能、环保的优势，在灯具产业的开展已成为主要趋势。从而引起照明领域的又一次革命，而照明质量将会有质的飞跃。以最低的能耗提供最优质的照明。四、方案比拟与确定对于方案一流程经过初始化以后，先判断有无按键按下，如果有那么执行相应按键处理程序。如果没有，继续判断红外检测电路有无探测到有人，无人时，灭灯并返回继续判断有无按键按下。如果探测到有人，就接着判断当前照度是否满足设定要求。假设照度满足要求，继续返回灭灯程序；假设不满足，就给继电器一个动作信号，使其动作，从而开启照明电路。方案二按键判断与有没有人的判断与方案一相同，可见光照度判断与方案一不同，其工作方式为：设照度X2>X1>0,当环境照度E>X2时，不需要人工照明：当X1<E<X2时，开一半的灯，即可满足照明需求；当E<X1时，灯全部翻开。这样在黄昏，阴天的时候，就可以比方案一节约不少电能。第三种方案它够监测当前照度值E1，与设定值E0作比拟，当E1<E0时，启动调光电路进行照明补偿，维持照度不低于设定值E0。方案三的可见光检测电路精度要高于前两种方案，因为它的调光需要一个精确的反响值来设定调光电路的工作。尽管方案一是最简单，最根本的方案，却也表达了智能照明的根本思路。方案二实现两种等级的控制，方案三实现一种连续的控制是比拟难的。这次设计我就以第一种方案来设计该照明系统。第二章硬件设计第一节主机电路核心器件介绍一、AT89C51单片机性能介绍AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KB闪烁可编程可擦除只读存储器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕和128B的随机存取数据存储器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。如图2-1为AT89C51外形图。图2-1AT89C51外形图AT89C51主要性能参数：与MCS-51产品指令系统完全兼容4K字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz～24MHz128×8字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功率空闲和掉电模式〔一〕AT89C51结构框图于引脚说明图2-2AT89C51结构框图AT89C51结构框图如图2-2所示。引脚功能说明Vcc：电源电压GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1〞可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址〔低8位〕和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1〞，通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对端口写“1〞，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流〔IIL〕。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器〔例如执行MOVA，@A+DPTR指令〕时。P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器〔例如执行MOVX@Ri，A指令〕时，P2口线上的内容〔也即特殊功能存放器〔SFR〕区总R2存放器的内容〕，在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1〞时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流〔IIL〕。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。如下表2-1所示：表2-1P3口第二功能P3端口第二功能第二功能说明P3.0RXD串行口输入端P3.1TXD串行口输出端P3.2外部中断0输入端P3.3外部中断1输入端P3.4T0定时器/计数器0外部信号输入端P3.5T1定时器/计数器1外部信号输入端P3.6外部RAM写选通输出信号P3.7外部RAM读选通输出信号RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将单片机复位。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE〔地址锁存允许〕输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器。ALE仍一时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。但要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲〔〕。如有必要，可通过对特殊功能存放器〔SFR〕区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活，此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。：程序存储允许〔〕输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的信号不出现。/VPP：外部访问允许，欲使 CPU仅访问外部程序存储器〔地址为0000H～FFFFH〕，端必须保持低电平〔接地〕。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如端为高电平〔接VCC端〕，CPU那么执行内部会锁存端状态。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器3放大器的输出端。时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反响元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图2-3：图2-3振荡电路外接石英晶体〔或陶瓷振荡器〕及电容C1、C2接在放大器的反响回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的上下，振荡器工作的稳定性，起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，那么推荐电容使用30pF，而如使用陶瓷振荡器建议选择40pF。〔二〕AT89C51的工作特点空闲节电模式：AT89C51有两种可用软件编程的省电模式，它们是空闲模式和掉点工作模式。这两种方式是控制专用存放器PCON〔即电源控制存放器〕中的PD〔PCON.1〕和IDL〔PCON.0〕位来实现的。PD是掉电模式，当PD=1时，激活掉电工作模式，单片机模式，即PD和IOL同时为1，那么先激活掉电模式。在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能存放器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。终止空闲工作模式的方法有两种，其一是任何一条被允许中断的事件被激活，IDL〔PCON.0〕被硬件去除，即刻终止空闲工作模式。程序会首先响应中断，进入中断效劳程序，执行完中断效劳程序并紧随RETI〔中断返回〕指令后，下一条要执行的指令就是使单片机进入空闲模式那条指令后面的一条指令。其二是通过硬件复位也可将空闲工作模式终止。需要注意的是，当有硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬件复位脉冲要保持两个机器周期〔24个时钟周期〕有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其它端口。为了防止可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。掉电模式：在掉点模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能存放器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的唯一方法是硬件复位，复位后将重新定义全部特殊功能存放器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。如表2-2所示。表2-2空闲和掉电模式外部引脚模式程序存储器ALEP0P1P2P3空闲模式内部11数据数据数据数据空闲模式外部11浮空数据地址数据掉电模式内部00数据数据数据数据掉电模式外部00浮空数据数据数据Flash闪速存储器的编程AT89C51单片机内部有4K字节的FPEROM，这个Flash存储阵列出厂时已处于擦除状态〔即所有存储单元的内容均为FFH〕，用户随时可对其进行编程。编程接口可接收高电压〔+12V〕或低电压〔Vcc〕的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。AT89C51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些那么是高电压编程方式。用户可从芯片上的型号和读取芯片内的签名字节获得该信息，如表2-3所示。表2-3型号信息Vpp12V5V芯片顶面标识AT89C51AT89C51xxxxxxxx—5AT89C51的程序存储器列阵采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片内的FPEROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用擦除的方式将整个存储器的内容清楚。读片内签名字节及编程接口AT89C51单片机内有3个签名字节，地址为030H、031H和032H。用于声明该器件的厂商、型号和编程电压。读签名字节的过程和单元030H、031H和032H的正常校验相仿，只需将P3.6、P3.7保持低电平，返回值意义如下：〔030H〕=1EH声明产品由ATMEL公式制造。〔031H〕=51H声明为AT89C51单片机。〔032H〕=FFH声明为12V编程电压。〔032H〕=05H声明为5V编程电压。编程接口：采用控制信号的正确组合可对Flash闪速存储阵裂中的每一代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后它将自动定时到操作完成。极限参数如表2-4所示。表2-4AT89C51的极限参数：极限参数名称参数值工作温度-55℃～+125℃储藏温度-65℃～+150℃任一引脚对地电压-1.0V～+7.0V最高工作电压6.6V直流输出电压15.0mA二、AT89C51单片机最小系统AT89C51是片内有ROM/FPEROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用AT89C51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，如图2-4AT89C51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：1、有可供用户使用的大量I/O口线。2、内部存储器容量有限。3、应用系统开发具有特殊性。图2-4AT89C51单片机最小系统〔一〕时钟电路AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。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，C1、C2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12MHz,电容选择65pF。在设计印刷电路板时，晶体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。NPO是一种最常用的具有温度补偿特性的单片陶瓷电容器。它的填充介质是由铷、钐和一些其它稀有氧化物组成的。〔二〕复位电路AT89C51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12MHz时C取22uF,R取1KΩ。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。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。时钟频率选用12MHz时，C取22uF,Rs取200Ω，R0取1KΩ。第二节人体红外检测电路一、人体红外检测电路总体设计人体红外信号检测电路用来监控照明控制单元里是否有人进入。通过检测是否有人体红外信号来实现这一功能。人体辐射的红外线中心波长为910μm测元件的波长灵敏度在0.2～20μm范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10μm，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。图2-5人体红外检测电路框图如图2-5所示，该模块由三局部组成，包括：菲涅尔透镜，热释电红外传感器以及相应的传感器信号处理电路。人体热释红外信号通过菲涅尔透镜聚焦，传给热释电红外传感器PIR，然后 PIR将物理信号转换为微弱电信号，接着PIR信号处理电路将微弱电信号进行处理，生产单片机可识别的数字信号。最终有人时，PIR输出为高电平；无人时PIR输出为低电平。这就是该电路模块要实现的功能。图2-6人体红外检测电路图硬件电路如图2-6所示。热释电红外传感器〔PIR〕RE200B对人体信号进行检测，红外传感信号专用处理芯片BISS0001对所采集信号进行初步处理。RE200B的D、G、S端分别为电源端、地端和目标输出电压端。输出信号VO接单片机，供其读取。采用热释电传感器的优势是本钱低，不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性好，可流动安装,，敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应，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同时，它还能鉴别出运动的生物与其他非生物。实际使用中，热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性，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，热释电红外传感器假设不加菲涅尔透镜，那么其检测距离仅为2m左右〔检测人体走过〕而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10m以上，甚至可达20m以上。红外信号采集模块采用红外传感器PIR，采用菲涅尔透镜原理，专门用来与热释电红外传感器配套使用。该传感器由经过特殊设计的透镜组构成，镜片(0.5mm厚)外表刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠，都相隔一个盲区。当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，人在透镜前运动时，顺次从某一单元透镜视场进入又退出，投射信号会出现一个接一个的断续信号，但是热源信号始终都是集中在透镜中部的，将连续的热源信号变成断续的辐射信号，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号传递给信号处理芯片。二、释电红外传感器热释电红外传感器(PyroelectricInfraredSensor，简称PIR)是20世纪80年代开展起来的一种新型高灵敏度探测元件。它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路，如作电源开关控制、防盗防火报警、自动侦测等。如图2-7是RE2000B实物图，G是接地端，S是信号输出端，D是接+5V电源端。图2-8是该传感器的典型应用电路图。图2-7RE200B实物图图2-8RE200B应用电路〔一〕热释电红外传感器工作原理热释电红外传感器主要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、下两局部各分成假设干等份，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10～20m范围内人的行动。〔二〕被动式热释电红外探头的优缺点优点：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。抗干扰性能：1、防小动物干扰。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要求，一般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。〔三〕热释电红外传感器的安装要求热释电红外传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足以下条件：1、热释电红外传感器应离地面2.0～2.2米。2、热释电红外传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。3、热释电红外传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。4、热释电红外传感器不要直对窗口，否那么窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。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。热释电传感器具有本钱低、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，热释电红外传感器假设不加菲涅尔透镜，那么其检测距离仅为2m左右；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10m以上。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于1mV)，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那么波形转变成适合于单片机处理的数字信号。三、菲涅耳透镜菲涅耳透镜〔Fresnellen〕，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯丁·简·菲涅耳所创造的一种透镜。此设计原来被应用于灯塔，这个设计可以建造更大孔径的透镜，其特点是焦距短，且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小。和早期的透镜相比，菲涅耳透镜更薄，因此可以传递更多的光，使得灯塔即使距离相当远仍可看见。如图2-9为菲涅尔透镜实物图。图2-9菲涅尔透镜实物图〔一〕菲涅尔镜片的原理和应用菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL创造的原理采用电镀模具工艺和PE〔聚乙烯〕材料压制而成。镜片〔0.5mm厚〕外表刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。如图2-10是常用圆形镜片外观示意图。图2-10圆形镜片外观示意图如图2-11是三区多段镜片垂直和平面感应图。图2-11常用镜片感应图当人进入感应范围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。如图2-12，是圆形镜片探测效果图。图2-12圆形镜片探测效果图〔二〕镜片的颜色与参数镜片主要有三种颜色：1、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。2、白色主要用于适配外壳颜色。3、黑色用于防强光干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。每一种镜片有一型号〔以年号+系列号命名〕，镜片主要参数：1、外观描述——外观形状〔长、方、圆〕、尺寸〔直径〕。以毫米为单位。

2、探测范围——指镜片能探测的有效距离〔米〕和角度。

3、焦距——指镜片与探头窗口的距离，精确度以毫米的小数点为单位。〔三〕提高镜片作用效果的方法增强探测动作灵敏度的方法。前面已经阐述区段数量越多被感应人体移动幅度就越小，因此，选用区段多且密的镜片就能增强探测动作灵敏度，人体只要在感应的有效范围内稍微移动就有效。段密度高的镜片在50mm长度有26段之多。增强抗干扰的方法。从前面阐述的原理中得知，区段数量少被感应人体移动幅度就要大，选用区段数量少的镜片就能减少误动作，一是人体运动幅度要大二是区段数量少的镜片形成局部探测，减少外围干扰源菲涅尔透镜的主要作用就是将探测空间的红外线有效地集中到传感器上。通过分布在镜片上的同心圆的窄带〔视窗〕用来实现红外线的聚集，相当于凸透镜的作用。这局部选择主要是看透镜窄带的设计及透镜材质。考虑透镜的参数主要有：光通量、不同透镜同心度、厚度不均匀性、透镜光轴与外形同心度、透过率、焦距误差等。菲涅尔透镜窄带〔视窗〕的设计一般都是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。材质一般用有机玻璃。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。人体辐射的红外线中心波长为910μm测元件的波长灵敏度在0.2～20μm范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10μm，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。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过局部镜面聚焦，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，经信号处理而报警。菲涅尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距〔感应距离〕，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。四、热释电传感器信号处理芯片〔一〕BISS0001概述本设计采用BISS0001来完成对热释电传感器输出信号的处理。BISS0001是一款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、电压比拟器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成。如图2-13为芯片的实物图和外观引脚图。表2-5为芯片引脚功能说明表。(a)(b)图2-13BISS0001芯片实物图与外观图(a)实物图(b)外观图表2-5管脚功能说明序号名称I/O功能1AI可重复触发和不可重复触发控制端，当A=1时，允许重复触发；当A=0时，不可重复触发2VOO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。3RR1--输出延迟时间Tx的调节端4RC1--输出延迟时间Tx的调节端5RC2--触发封锁时间Ti的调节端6RR2--触发封锁时间Ti的调节端7VSS--工作电源负端8VRFI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9VCI触发禁止端。当Vc<VR时禁止触发；当Vc>VR时允许触发(VR≈0.2VDD)10IB--运算放大器偏置电流设置端11VDD--工作电源正端122OUTO第二级运算放大器的输出端132IN-I第二级运算放大器的反相输入端141IN+I第一级运算放大器的同相输入端151IN-I第一级运算放大器的反相输入端161OUTO第一级运算放大器的输出端〔二〕功能表达BISS0001是CMOS数模混合专用集成电路。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。表2-6电气参数〔表中无特殊说明时VDD=5V〕符号参数测试条件参数值单位最小最大VDD工作电压范围――36VIDD工作电流输出空载VDD=3V――50μA――100VOS输入失调电压――50mVIOS输入失调电流――50nAAVO开环电压增益RL=1.5M60――dBCMRR共模抑制比RL=1.5M60――dBVYH运放输出高电平RL=500K接0.5VDD4.25――VVYL运放输出低电平――0.75VVRHVC端输出高电平VRF=5V1.1――VVRLVC端输出低电平――0.9VVOHVO端输出高电平IOH=0.5mA4――VVOLVO端输出低电平IOL=0.1mA――0.4VVAHA端输出高电平3.5――VVALA端输出低电平――1.5V工作原理：如图2-14为BISS0001红外感应信号处理器的内部框图。外界元件由使用者根据需要选择。由图可见BISS0001是由运算放大器、电压比拟器、状态控制器、延迟时间定时器和封锁时间定时器即参考电压等构成的数模混合专用集成电路。可广泛应用于多种传感器和延时控制器。图2-14内部框图如下说明各种情况的工作方式。1．不可重触发工作方式各点工作波形：图2-15不可重触发工作方式各点工作波形首先，根椐实际需要，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，再进行第二次放大，同时将直流电位抬高为VM〔≈0.5VDD〕后，将输出信号V2送到由比拟器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，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是一个条件比拟器。当输入电压VC＜VR〔≈0.2VDD〕时，COP3输出为低电平封住了与门U2，禁止触发信号Vs向下级传递；而当VC＞VR，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，直到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。2．可重触发工作方式各点工作波形：图2-16可重触发工作方式各点工作波形在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，那么VO将从VS上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；假设VS保持为“1〞状态，那么VO一直保持有效状态；假设VS保持为“0〞状态，那么在TX周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何VS的变化都不能触发VO为有效状态。热释电传感器S极输出信号送入BISS0001的14脚，经内部第一级运算放大器放大后，由C3耦合从12脚输入至内部第二级运算放大器放大，再经电压比拟器构成的鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，最后从12脚输出电压信号送人单片机进行照明控制。实验所得，当传感器检测室内有人时，VO≈4V；无人时VO≈0.4V。由于PIR信号变化缓慢、幅值小,针对该特点,专用信号处理器一般分为3步处理滤波放大、窗口比拟、噪声抑制及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、电压比拟器、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。它采用CMOS工艺、数模混合，具有独立的高输人阻抗运算放大器，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。它有两种工作方式供选择，通过将引脚A置1或0。可设置为可重复触发方式和不可重复触发方式。本系统选择可重复触发方式。在将传感信号进行预处理后,通过双向鉴幅器可检测出有效触发信号VS。由于选择的是可重复触发方式，VS可重复触发VO为有效状态，并可促使VO在延时周期Tx内一直保持有效状态。延时周期的大小可通过R1和C1调节。在Tx时间内，只要VS发生上跳变，VO就会从VS上跳变时刻起继续延长一个Tx周期，假设VS保持为“0〞状态，那么VO一直保持有效状态;假设保持为“0〞状态，那么在周期Tx结束后VO恢复为无效状态,并且在封锁时间Ti时间内，任何VS的变化都不能触发VO为有效状态。表2-7BISS0001极限参数名称极限参数〔Vss=0V〕电源电压-0.3V～6V输入电压范围VSS-0.3V～VDD+0.3V〔VDD=6V〕各引出端最大电流±10mA〔VDD=5V〕工作温度-10℃～+70℃存放温度-65℃～+150℃〔三〕BISS0001的应用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。它能自动快速开启各类白炙灯、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、库房及家庭的过道等敏感区域，或用于平安区域的自动灯光、照明和报警系统以及多种传感器和延时控制器。第三节可见光检测模块一、方案一方案一电路图如图2-17所示。该方案的感光器件为光敏电阻RL，R1为精密电阻。光敏电阻RL一端接+5V电源，另一端与R1的电阻分压。图2-17方案一电路图该方案的感光器件为光敏电阻RL，R1为精密电阻。光敏电阻RL一端接+5V电源，另一端与R1的电阻分压。当有光照射时，光敏电阻阻值下降，三级管VT进入饱和状态，输出为低电平；当无光照时，三极管VT截止，输出为高电平。集电极输出经非门整形后直接与单片机I/O口连接。使用一个光敏电阻作为光线传感器检测环境的光照度,光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。图2-18光敏电阻光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换〔将光的变化转换为电的变化〕。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线〔可见光〕的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值〔暗阻〕可达1～10M欧,在强光条件〔>100LX〕下，它阻值〔亮阻〕仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性〔即光谱特性〕与人眼对可见光〔0.4～0.76〕μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化