基于51单片机的智能台灯的设计与应用-学位论文

编号本科生毕业设计（论文）题目：基于51单片机的智能台灯的设计与应用物联网工程学院微电子学专业二〇一四年六月第1章绪论1.1研究课题的意义随着科技的发展，人们的生活水平不断提高，高科技产品越来越普及，如何研发能够大大提高人们生活质量并且使用便捷的家用电器成为家电产业的重要研究领域．台灯是人们在日常生活中必不可少的家用电器.相对于普通的日光灯，其功耗更小，亮度更集中，是人们在夜晚进行阅读和工作的得力助手，但是由于人们在离开时经常忘记关掉台灯，会造成很大的电力能源浪费.如果台灯离门较远，每当夜晚来临时，人们又要摸黑去开灯，非常不方便，也有一定的安全隐患.虽然现在出现运用传感器和微控制器自动控制灯开启与关闭的技术，并广泛运用于建筑走廊等处所，但是在家居生活方面，自动控制灯具开关的系统却十分少见，而且功能不够完善，不够“智能”，比如楼道中的照明灯通常都是采用声音控制.采用声控的方法可以有效的检测声音信号，再通过中央处理单元控制灯的亮灭，但却无法做到精确识别和屏蔽干扰，当环境中有较多噪声时，如当有车经过或是有宠物的声响时，照明灯将不可避免的被噪声影响而产生不必要的点亮，这将造成很大的能源浪费.因此在这里通过研究以检测人体红外辐射为基础的传感控制电路，来解决目前自动控制电路的不足.目前已有专门用来感应人体红外辐射波长（约为9.5um）的红外传感器，这便为自动控制照明灯系统提供性能优良的信号采集模块.本课题设计了以51单片机为基础，通过红外传感器检测人体红外辐射信号来控制台灯开启关闭的电路系统.当有人出现在红外线传感器的探测范围内，并且满足一定其它设定条件（如光照强度较暗）时，信号采集模块可以提供一个有效的激励信号，经过运算放大电路和滤波电路放大滤波后的信号进入中央处理单元，通过相应指令控制灯的开启与关闭.51系列单片机作为一种通用型单片机，可以通过外接模块如传感器、存储器等来实现许多功能，本课题运用51单片机的内部计时模块来实现其他的功能，例如在一定时间人未离开桌面，则发出警告并自动熄灭，当人离开时红外传感器产生的信号将通过51单片机控制灯自动关灯，以达到节约能源的目的.1.2智能家电的历史和发展概况在介绍智能家电的历史和发展之前，需要引入一个新的概念——智能家居.智能家居是以住宅为平台，通过设计将电子线路技术、网络通信技术、自动控制技术以及其他相关技术融入到与生活密切相关设施中的一种技术，它能够帮助提升家居的便捷性和舒适性，同时又能达到环保节能的目的.智能家电是智能家居中很重要的一部分，它主导着智能家居的发展方向，也承载着智能家居的主要技术.由于人们还没有完全认识到智能家电为我们的生活带来的巨大改善，以及市场消费观念还未完全形成，智能家电的发展还是较为缓慢.但随着智能家电市场推广措施的进一步落实，消费者对智能家电认识的深入，智能家电市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明.智能家电在中国的发展历程约有20余载，从人们最初的梦想，到如今真真切切走入我们的生活，经历了一个漫长而又艰难的发展过程.智能家电在中国的发展可以概况为四个阶段，分别是萌芽期、开创期、徘徊期和融合演变期[1].萌芽期（1994年到1999年）又称智能小区期，这是智能家电在中国的第一个发展阶段，这时整个行业还处在一个认知的阶段，国内还没有出现专门生产智能家电的厂商，仅有几家从事智能家电代理销售的公司，产品也大多不是销售给中国用户.随着国内企业对国外技术的学习和自主创新，我国的智能家居行业步入了开创期（2000年到2005年），国内先后注册了五十多家智能家电生产企业，当时主要集中在北京、上海、深圳、厦门等地.智能家电的市场营销、技术培训体系逐步完善起来，在此阶段，国外智能家电产品基本没有进入国内市场.但是国内市场发展过快，一些问题也随之而来，自2005年以后，由于智能家电企业的野蛮成长和恶性竞争，给智能家电行业带来了很大的负面影响，智能家电行业进入徘徊期（2006到2010年），许多厂商过度“包装”智能家电，夸大智能家电的功能，而实际产品却达不到宣传的效果，产品的不稳定导致较差的用户体验.同时厂商们只顾着快速扩张代理商的覆盖范围来提高自己的市场占有率，却忽略了对代理商最基本的培训和服务保障，导致了代理商经营困难，售后服务难以保证.用户和媒体开始质疑智能家电的实用性和可靠性，在消费上也变得更加谨慎，市场的增长开始减缓，甚至部分地区出现销售额下降的现象.在2006和2007这两年，大约有20多家智能家电生产企业因经营不善退出市场，各地代理商结业转行的也不在少数.许多坚持下来的智能家电企业，在这两年也经历了缩减规模的痛苦.就在这一时期，国外的智能家电品牌却暗度陈仓，悄然进入中国市场，目前活跃在市场上的国外智能家电品牌都是这一时期进入中国市场的，如LEGRAND、Honeywell、SchneiderElectric等.国内部分存活下来的企业也逐渐找到自己的发展方向，成为工业智能控制的厂家.虽然国内厂商把方向瞄准了工业控制，但从未放弃过智能家居的梦想.进入2011年以来，市场有了明显增长的势头，智能家电市场的增长说明智能家电行业进入了一个新的拐点，由徘徊期进入一个很重要的时期——融合演变期（2011年到如今）.在该阶段，智能家电进入一个相对快速的发展阶段，同时吸取了过去的教训，国内厂商们将协议与技术标准主动互通和融合，形成一个新的行业标准，这大大缩短了研发周期，也规范了产品的标准，减小了研发的困难.预计在接下来的五到十年，将是智能家电行业快速发展的时期，也是最不可琢磨的时期，智能家电行业作为提高生活质量，拓展消费市场的制高点，是国内各企业竞相争夺的战略高地，如果有谁能够掌握智能家居的技术，那么他将掌握人们未来的生活方式!正因为如此，国内优秀的家居企业越来越重视智能家电的开发，特别是对适应客户需求的智能家电的研究，一大批国内优秀的智能家电品牌正迅速崛起，逐渐成为智能家居产业中的翘楚!1.3本课题的研究内容、研究方法和实施方案本课题运用红外传感器作为“智能控制”的基础，目前已知红外传感器可对人体红外信号做出响应，但是其响应的幅度和工作频率等参数将直接影响到信号采集放大电路模块的正常工作，因此合理选择红外传感器对电路的设计是十分重要的.要实现自动控制的功能，不仅需要掌握单片机的工作原理，还需要熟悉常用单片机的编程语言，完成该设计系统的单片机控制模块的程序编辑，尤其是对单片机的中断结构和计时功能必须进行更加深入的了解.信号采集放大模块的具体要求：设计出对人体信号采集放大的电路结构，并且要考虑到外部噪声的干扰，设计合理的滤波电路抑制干扰，在广泛借鉴各种设计的优点的同时，充分考虑设计中的各个环节，并运用仿真软件对电路进行仿真测试，最后制作实物对本课题的正确性进行验证.自动控制模块的具体要求：以51单片机为核心，蜂鸣器、八段数码管、发光二极管等元件构成外围电路，运用C语言或者汇编语言编写程序并在51单片机开发板上调试，模拟人来人走的情景，测试自动控制模块的响应能力和正确性，最后与信号采集放大电路相结合，实现具体的功能.采用的研究方法：通过阅读书籍掌握红外线传感器工作原理；选择合适的电气元件，绘制电路原理图；设计单片机控制台灯的点亮与熄灭的程序，并利用相关工具进行功能调试；将程序烧入进单片机中.实施方案：在课题的前期，大量阅读参考文献，了解当前热释电红外传感器的应用情况，对设计所需要的知识，包括红外传感器，51单片机等进行详细的了解；在课题的中期，通过对电路的分析，设计应用电路，重点在于信号的收集和电路的控制；在课题的后期，对设计的过程进行全面的整理，分析仿真的结果，对于设计过程中出现的问题进行分析总结，最后完成实物的制作以及论文的书写.江南大学学士学位论文基于51单片机的智能台灯的设计与应用第2章硬件电路系统设计2.1硬件系统的架构本设计的硬件系统主要分为两部分，一部分为信号采集放大模块，另一部分为自动控制模块.信号采集放大模块以红外传感器和光敏电阻为基础，以运算放大器构成的滤波放大电路为核心，通过外加电容和调节电阻大小来实现稳定的滤波放大功能，要求当有人进入检测范围时能够输出一个稳定的高电平.自动控制模块以STC89C52RC单片机为核心，通过外接发光二极管、蜂鸣器报警电路和八段数码管搭建完整的台灯控制电路，该模块可以在有信号输入的时候开始计时，并在八段数码管上显示计时的时间，在达到设定的时间（如一个小时）后，产生一个激励信号开启蜂鸣器并关闭台灯.系统架构如图2-1所示．其中光敏电阻感应光信号，在光线较暗的情况下产生一个激励信号以开启红外传感器感应电路，红外传感器检测其监测范围内是否有人出现，通过放大滤波后产生一个有效的激励信号传送至单片机，此后通过单片机内部程序处理一系列的外围I/O信号.图2-1系统总体设计图2.2中央控制模块中央控制模块俗称单片机，最初源于“SingleChipMicrocomputer（SCM）”，在单片机诞生时，因为它的组成与原理是基于计算机的，所以SCM是一个准确的、流行的称谓.随着SCM在技术上、体系结构上的进步，其主要作用已经是控制而不是计算了.国际上逐渐采用微控制器（MicroControllerUnit，MCU）来代替SCM，形成了单片机领域公认的、最终统一的名词.在国内因为单片机一词已约定俗成，故继续沿用.单片机就相当于将组成微型计算机的各功能部件：中央处理器CPU、随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）、只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）、可编程存储器（ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM）、并行及串行输入输出I/O接口电路、定时/计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机[2].单片机内部具体结构如图2-2所示.随着大规模集成电路技术的发展，单片机内还可包含A/D、D/A转换器、高速输入/输出部件、DMA通道、浮点运算等新的特殊功能部件.图2-2中央控制单元的内部架构图2.2.1STC89C52RC型单片机目前世界上单片机生产厂商很多，如：Intel、Motorola、Philips、Atmel、SST、Winbond、Zilog等公司，本课题中使用的STC系列单片机是深圳宏晶公司的产品，其引脚如图2-3所示，它支持在线编程，烧录程序的时候不用再反复插拔单片机，使用方便，寿命较长.STC89C52RC型单片机在传承经典MCS-51内核设计理念的基础上，做了较多的技术改进与完善，使STC89C52RC芯片不仅具有传统51单片机具备的基础功能，还使单个芯片上拥有灵巧的8位CPU，功能上支持ISP（在系统可编程）与IAP（在应用可编程）等功能.STC89C52RC型单片机可为多种嵌入式控制应用系统提供更灵活、高效的应用系统解决方案.该单片机具有6时钟/机器周期和12时钟/机器周期的两种工作模式，其指令代码完全兼容传统8051；3.3V~5.5V的宽范围工作电压；0~40MHz的可调工作频率，且实际工作频率可达48MHz；采用PDIP封装8K字节程序存储空间，片上集成有512字节数据存储器；拥有32个通用I/O口：P0、P1、P2、P3，均为准双向口（弱上拉）；无需专用编程器和仿真器，可通过串口RXD（P3.0）和TXD（P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成较大程序的下载；内带2K字节EEPROM存储空间；具有3个16位定时器/计数器.即定时器T0、T1、T2；具有4个外部中断，触发方式可设置为下降沿中断或低电平触发，掉电模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；通用异步串行口（UART），还可用定时/计数器编程实现多个UART；工作温度范围从0℃到75℃[3].此外，STC89C52RC型单片机支持两种节电模式，一种为空闲模式，另一种为掉电保护模式.当STC89C52RC在空闲模式下工作时，中央处理器停止工作，允许随机存取存储器、串行I/O口、定时/计数器、中断控制器维持工作；当STC89C52RC在掉电保护模式下工作时，随机存取存储器的内容被保存，振荡器被冻结，单片机的一切工作停止，直到下一次中断或硬件复位才开始正常工作.图2-3STC89C52RC型单片机引脚图STC89C52RC的相关引脚定义如下：VCC/GND：两者为主电源引脚，GND为电源负端，一般视为接地；VCC为电源正端，STC89C52RC的VCC允许范围为3.3V~5.5V.XTAL1/XTAL2：这两个引脚为时钟电路的I/O端.XTAL1接外部晶体的一端，它是片内振荡器反向放大器的输入端.在采用外部时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引脚作为驱动端，其频率范围为0~40MHz；XTAL2接外部晶体的另一端，它是片内振荡器反向放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率.若采用外部时钟电路时，此引脚应悬空不用[4].RST：复位输入端.在该引脚输入两个机器周期以上的高电平将使单片机复位.ALE/PROG：该引脚具有两种功能，即地址锁存允许输出/编程脉冲输入端.在访问片外存储器时，ALE作为锁存扩展地址低位字节的输出控制信号（称允许锁存地址），在一个指令周期中将丢失一个脉冲.在不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率固定输出正脉冲，可供定时或其他需要使用，还可检测CPU是否已经工作.ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL（低功耗高速TTL）.在固化片内存储器的程序（也称为烧录程序）时，此引脚用于输入编程负脉冲.PSEN：片外程序存储器选通控制信号端.在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为程序存储器读选通信号.CPU在向片外程序存储器取指令期间，PSEN信号在12个时钟周期中两次生效.由于现在基本不再使用片外程序存储器，所以这个引脚也就没有用了.EA/VPP：该引脚有两种功能，即内、外程序存储器选择/编程电源输入端.当EA端接高电平时，CPU从片内程序存储器0000H单元开始执行程序，当地址超过4KB时，将自动执行片外程序存储器的程序.当EA端接低电平时，CPU仅访问片外程序存储器.即CPU直接从片外程序存储器0000H单元开始执行程序.在对片外程序存储器编程时，此引脚用于施加编程电压VPP.P0口：P0口是一个标准的双向8位并行接口，既可以作为通用I/O接口使用，也可以作为地址/数据线使用.由特殊功能寄存器P0管理P0口各位的工作状态，其地址为80H，各位地址为80H~87H.在访问片外存储器时，它分时提供低8位地址和8位数据，故这些I/O线有地址/数据总线之称，简写为AD0~AD7.在不做总线时，也可作为普通I/O接口使用.本课题采用P0口作为八段数码管字代码的输出口，由于P0口是漏极开路输出，在连接八段数码管时，需分别加上一个上拉电阻，同时可以防止LED数码管直接与高电位相连造成瞬间的大电流烧坏数码管.P1口：P1口是一个准双向的8位并行I/O口，主要作为通用I/O口使用，由特殊功能寄存器P1管理P1口各位的工作状态，其地址为90H，各位地址为90H~97H.STC89C52RC单片机的P1口除了可以作为一般的I/O接口，其中5位还有第二功能，见表2-1.由表可见P1.0、P1.1用于定时/计数器2，P1.5、P1.6、P1.7用于ISP功能，它的作用是把在PC上编号的程序通过所定义的这三根ISP接口线进行在线下载，即直接传输并固化到STC89C52RC单片机中的闪存中.固化时RST引脚要接到Vcc端，编程前首先要擦除该芯片，接入SCK引脚的时钟频率不能大于单片机频率的1/16.这种方法比使用一般的编程器廉价、方便.表2-1P1口的第二功能引脚号第二功能P1.0T2（定时/计数器2的外部计数输入/时钟输出）P1.1T2EX（定时/计数器2的捕获触发和双向控制）P1.5MOSI（主机输出线，用于在系统编程）P1.6MISO（主机输入线，用于在系统编程）P1.7SCK（串行时钟线，用于在系统编程）P2口：P2口是一个准双向的8位并行I/O口，既可以作为通用I/O接口使用，也可以作为高8位地址线使用.由特殊功能寄存器P2管理P2口各位的工作状态，其地址为A0H，各位地址为A0H~A7H.在访问片外存储器时，它输出高8位地址，即A8~A15.在不做总线时，也可以作为普通I/O接口使用.本课题中使用了P2.0~P2.3口通过电阻与PNP管的基极相连，PNP管的发射极与集电极分别接入电源和八段数码管的位选端相连，当P2.0~P2.3中有一位为低电平时，三极管导通，相应位选端被置高电平，对应位数码管显示数字.P3口：P3口是一个多功能的准双向8位并行I/O口，它的每一位既可以作为通用I/O接口使用，又具有第二功能，见表2-2.由特殊功能寄存器P3管理P3口各位的工作状态，其地址为B0H~B7H.本课题中使用了P3.0作为控制LED灯亮灭的输出端；P3.2口和P3.3口用做外部中断，P3.2和P3.3接入同一个信号接收端，分别用于控制灯的开启与熄灭；P3.4口与蜂鸣器回路连接，通过控制P3.4口的状态可以发出蜂鸣器警告.表2-2P3口的第二功能P3.0口的各位第二功能的名称及作用P3.0RXD（串行口的输入端）P3.1TXD（串行口的输出端）P3.2INT0（外部中断0输入端，两种触发方式：低电平触发和下降沿触发）P3.3INT1（外部中断1输入端，两种触发方式：低电平触发和下降沿触发）P3.4T0（定时/计数器0中断的外部输入端）P3.5T1（定时/计数器1中断的外部输入端）P3.6WR（片外RAM写入选通控制端）P3.7RD（片外RAM读取选通控制端）2.2.2数码管扫描电路本设计中所使用的数码管为共阳数码管.当段选为低电平时，所对应的灯段点亮，各位的段选通过一个电阻与P0口相连，这里必须接电阻，防止发光二极管过功率烧坏.位选端通过PNP型三极管与电源相连，PNP型三极管的基极通过一个电阻与P2口相连，控制数码管显示数值的位，其电路如图2-4所示：图2-4数码管显示模块这里要特别注意数码管的位选端不能直接与P2口相连，在实际的电路调试中，若一开始将位选端与P2口相连，将会造成数码管各位显示的字段模糊，这是由于发光二极管属于二极管的一种，其发光主要是由于电子和空穴在该二极管的PN结处发生复合，并以光子的形式发出能量，当发出能量的波长恰好为某中可见光的波长时，就显示出该种颜色的光[5]，PN结的特性可知复合率和载流子的浓度等因素有关，因此必然和流过其内部的正向电流大小有关，而单片机的拉电流不足1mA，这就造成了流过各数码管LED灯的电流很小，亮度较暗，显示的字段难以分辨.而通过PNP管接地后，形成一个完整的回路，可以通过改变与LED灯串联的电阻大小来调节电流，在选择合适的阻值后，数码管各位均可正常显示.两位共阳数码管（四位共阳数码管即为两个两位共阳数码管并接）电路原理如图2-5所示：图2-5两位数码管内部结构图由图2-5原理图可知，当P2.0~P2.3口中的某一位为低电平时，其对应的PNP三极管导通，高电平VCC通过三极管输入到数码管对应位各段发光二级管的阳极，当P0.0~P0.7口中的某几位为低电平时，对应的发光二极管点亮，反之则是熄灭的.又由于编号为A~DP的发光二极管在前面板中是以一定的位置关系摆放的，所以当输入特定的二进制代码的时候，在数码管的前面板上将会显示可见的数字形状，一般的共阳数码管可以显示0~F的字样，转换后的十六进制代码分别为：C0，F9，A4，B0，99，92，82，F8，80，90，88，83，C6，A1，86，8E[6].2.2.3蜂鸣器和发光二极管回路因为要实现电路系统的定时警告功能，所以必须用到蜂鸣器，警报电路原理如图2-6所示，本设计采用的蜂鸣器为有源蜂鸣器，分正负极，必须正确的接在电路中才能正常工作.同理，发光二极管也有正负极，同时还要串联一个电阻，防止过功率烧坏[7].当外部激励信号输入（P3.1口）后，单片机通过P3.0口发送一个高电平信号开启发光二极管并通过内部程序开始计时，计时结束后，单片机将会改变P3.0为低电平关闭发光二极管并且通过P3.4口发送一连串的激励信号控制蜂鸣器有间隔的发出声响.该图中还包含两个按键开关，用来模拟外部中断0和外部中断1的输入.图2-6警报电路原理图2.3信号采集放大电路设计2.3.1红外传感器RE200B本课题使用的RE200B是红外传感器的一种，相对于传统的红外传感器，该传感器采用热释电材料极化随温度变化的特性探测红外辐射，采用双灵敏元互补方法抑制温度变化产生的干扰，提高了传感器工作的稳定性[8].其具体参数如下：双元热释电红外传感器面积为2.0×1.0mm2；工作波长为7~14um；具有1Hz调制频率和0.3-3.0Hz带宽、72.5dB增益；噪声<200mV；工作电压范围为2.2~15V，电流为8.5~24uA源极电压（S端输出信号）大小为0.4~1.1V；工作温度从-20℃到+70℃.上述特性指标均在源极（S极）电阻为47kΩ条件下测量得出的，使用该传感器时，可根据自己的需要调整源极电阻的大小.所有电压参数的测量都是采用峰—峰值定标.使用传感器时，要注意控制管脚的弯曲或焊接部位距管脚基部4mm以上，防止引脚脱落或是过高温度使内部结构失效.2.3.2运算放大电路本课题使用的运算放大器是BISS0001芯片，其内部结构如图2-7所示.该芯片采用两级运算放大器进行信号放大，内部具有双向鉴幅器，具有较强的信号放大和抑制噪声的能力，它配以RE200B红外传感器和少量外接元件（电容和电阻等）可以构成被动式的热释电红外开关[8].其输出电平与大部分单片机要求的输入信号兼容，因此被广泛运用于自动控制模块的信号处理电路中.BISS0001运算放大器具有以下主要特点：1）采用CMOS制造工艺，具有功耗低、速度快、抗干扰能力强的优点；2）采用数模混合的方法，信号处理上更加灵活；3）内部具有多个独立的高输入阻抗运算放大器；内设输出维持时间和触发封锁时间定时器，可自由控制输出信号的延迟.表2-3介绍了BISS0001各引脚的功能.表2-3BISS0001各引脚功能引脚名称各引脚的功能A为“1”时允许重复触发，为“0”时不可重复触发VO控制信号的输出端RR1输出维持时间Tx的调节端，用来调节输出信号的脉宽RC1输出维持时间Tx的调节端，用来调节输出信号的脉宽RC2触发封锁时间Ti的调节端，在封锁时间内不再对输入信号响应RR2触发封锁时间Ti的调节端，在封锁时间内不再对输入信号响应VSS参考地端，通常接工作电源负端VRF参考电压输入端，通常接VDD，当接地时可以复位定时器VC触发禁止端，当VC<VR时允许触发，反之则禁止触发IB运算放大器偏置电流设置端，必须接入路才能正常工作VDD工作电源正端2OUT第二级运算放大器的输出端2IN-第二级运算放大器的反相输入端1IN+第一级运算放大器的同相输入端1IN-第一级运算放大器的反相输入端1OUT第一级运算放大器的输出端红外传感器产生的感应信号经过运算放大器OP1进行初次放大，同时滤波电路将一同输入的高频信号过滤，放大后的传感信号耦合至运算放大器OP2的反相输入端进行二次放大，此后将输出信号送到由运算放大器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，仅当OP2输出电压高于VH或是低于VL时才能检测出有效的触发信号VS.由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以当VDD=5V时，可以有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性.OP3构成了一个比较器，当输入电压VC<VR（VR≈0.2VDD）时，OP3输出为低电平，锁住与门AND:A，使其输出为低电平不再变化，禁止触发信号VS向下级传递；而当VC>VR时，OP3输出为高电平，与门AND:A开启，VS的状态传送至状态控制器，VO跳变为高电平，此后进入延时周期Tx.当Tx时间结束时，VO跳变为低电平，同时启动封锁时间定时器进入封锁周期Ti.在Ti时间变化范围内，VS的任何变化都不能使VO发生跳变，可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰.当A端接高电平时，处于可重复触发的状态，可根据需要通过调节RR1、RC1、RR2以及RC2外接的电容电阻大小来改变VO信号的延迟时间和锁存时间，以达到在最大限度的抑制干扰的前提下输出可重复变化的信号.图2-7BISS0001内部结构BISS0001与外部电路构成的放大滤波电路如图2-8（a）所示.在计算其输出电压之前，这里先引入两个概念——“虚短”和“虚断”，运算放大器有两个输入端（除去电源VCC和GND），内部为差分结构，由于理想运算放大器的输入电阻趋近于无穷大，因此流入其两个输入端的电流几乎为零，可视为断路，此为“虚断”；同时由于理想运算放大器的增益无穷大，而输出电压幅值有限，则根据高等数学中收敛的概念——两个数相乘，如果已知其中一个数为无穷大，仅当另一个数趋近于零时，其乘积结果才有可能为收敛——可知运放的两个输入端电压差很小，几乎趋近于零，可近似看做两个输入端的电压相同，相当于短路，此为“虚短”[9].下面计算该电路对输入的响应.这里定义输入信号为Vin，OP2:B的同相端电压为Vp1，反相端电压为Vn1，输出端电压为Vo1，OP2:A的同相端电压为Vp2，反相端电压为Vn2，输出端电压为Vo2，这里忽略所有电容，如图2-8（b），放大倍数的计算与它们无关——C2和C4作为滤波电容在对低频信号放大时是不起作用的，可视为开路，而由于C3和C5的值很大，在短时间内的信号变化对其两端电压影响很小，可视为不变.下面为计算过程：（2-1）（2-2）式（2-1）和（2-2）运用了“虚断”的原理，即流入OP2:A和OP2:B反相端的电流为零，因此根据节点电流守恒可知流过R5和R6的电流大小相同，流过R7和R8的电流大小也相同，此外，式（2-2）运用了叠加法计算电压值，将Vo1和Vo2分别置零，分别求出Vo1和Vo2在Vn2上的分压，相加后即为Vo1和Vo2共同作用在OP2:A反相端的电压[10].（2-3）式（2-3）运用了“虚短”的原理.最后计算得.由于Vin为红外传感器RE200B的输出电压，范围为0.4~1.1V，VM的值约为0.5VDD，我们需要的Vo2在Vin有输入时应该大于VH≈0.7VDD或小于VL≈0.3VDD，因此很容易算出R5、R6、R7和R8的比值大小，在实验电路中我们设定R5=1MΩ，R6=10kΩ，R7=2MΩ，R8=47kΩ.图2-8（a）带滤波放大电路图2-8（b）不带滤波放大电路图2-8BISS0001构成的滤波放大电路2.3.3信号处理电路整个信号处理电路由光敏电阻、红外传感器、BISS0001、滤波电容以及不同大小的电容电阻构成，其电路原理如图2-9所示，注意此图中的电阻电容标号与上一小节有所区别.其中C1、C2、C4为滤波电容，R2与红外传感器的源极（S端）相连，为其内部差分结构提供偏置电流，负系数光敏电阻与R1串联，并在中间节点上与BISS0001的VC（引脚9）相连，当光线较暗时，光敏电阻阻值增大，其分压达到VR后开启BISS0001芯片，使BISS0001的运算放大器能对外部输入信号响应.C2、C3、C4、C5、R3、R4、R5和R6与BISS0001内部OP1和OP2构成两级滤波运算放大电路.R8和C7控制BISS0001输出VO的触发封锁时间Ti，R9和C6控制输出信号的维持时间Tx.R7与BISS0001的IB（10引脚）相连，为其内部提供偏置电流以保证其正常工作.当处在较暗的环境中，红外传感器检测到人体信号，传输到BISS0001的1IN+（引脚14），经过两级运算放大电路，在VO（引脚2）输出从低电平跳变为高电平的上升沿信号，由于本设计采用的单片机外部中断口无论采用何种触发方式（下降沿触发或者低电平触发），都需要保证输入信号端在初始时为高电平，因此还必须在BISS0001输出端VO加上一个反相器再与单片机输入口相连，才能正确的触发.本设计的外部中断0（P3.2）和外部中断1（P3.3）都通过反相器接在BISS0001的VO端，而且两个中断的最短响应时间间隔时间为4s左右，因此必须严格控制R8、R9、C6和C7的大小，使允许重复触发的时间大于4s，避免对中断服务造成干扰或导致自动控制模块产生错误的判断.图2-9信号采集放大电路原理图基于51单片机的智能台灯的设计与应用第3章软件系统设计与仿真3.1Keil编程软件单片机开发中除必要的硬件电路系统外，还离不开应用软件的支持，我们编写的汇编语言源程序要变为中央处理器可执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编.手工汇编的难度大，指令繁杂，出现错误后难以查找，所以目前极少使用手工汇编的方法编写单片机程序.机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，开发者从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，由美国KeilSoftware公司开发的Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，从近年来各单片机开发板厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出.Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起.同时Keil软件支持大多数的WINDOWS系统.因此掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的开发者来说是十分必要的，由于目前在国内只能买到该软件，而且目前市面上买到的51单片机开发板也很可能只支持该软件，因此本课题选用了Keil作为程序编译软件.因汇编语句具有逻辑结构较为简单，兼容性较好等特点，本课题使用汇编语言作为软件开发系统的编程语言，Keil运行界面及操作步骤如下：1.打开Keil界面，新建一个工程，方法如图3-1所示：图3-1新建工程2.将新建工程保存为后缀名为.uvproj的文件，选择单片机类型，由于STC系列单片机完全兼容AT89系列单片机的指令，所以这里选用Atmel公司的AT89C51.如图3-2所示：图3-2选择单片机类型3.如果需要生成Hex文件，则必须设置工程组的属性，步骤如下：右键Target1——OptionsforTarget‘Target1’——Output选项卡，勾选CreateHEXFile.如图3-3所示：图3-3添加程序文件到工程中4.程序的编写与调试成功的界面显示如图3-4所示：图3-4程序的编写与调试界面5.将编译后.HEX文件下载到单片机中进行测试，注意在将开发板接入电脑的时候，需要通过设备管理器查看驱动端口（COM），只有选择正确的端口，程序才能下载到单片机中，具体步骤如下：右键“我的电脑”——“属性”——“硬件”——“设备管理器”——“端口”，查看新添加的端口即可.STC官方的程序烧录软件如图3-5所示：图3-5HEX文件的下载仿真通过以上五个步骤就能后将编写好的程序下载到单片机中，然后通过开发板验证程序所编写的程序是否正确，如若存在问题可进行反复修改调试以达到预期结果.3.2单片机程序设计本课题要求单片机在接收到红外传感信号后立即响应开灯，随后开始计时并在数码管上显示相应的时间，在人离开后再次检测到红外传感信号，灯在一分钟后自动关闭，如果没有接收到第二个红外传感信号，则在开灯一小时之后发出蜂鸣器警告，一分钟后灯自动关闭.由于本设计数码管采用了动态显示的方法，因此在主程序应该为循环扫描显示数码管，并且为了防止由于扫描频率较快造成数码管未完全点亮而使得数码管较暗，显示不够清晰，应该设定合适的延时，也不宜加入太长的延时，否则将会造成数码管的闪烁.单片机程序可大体分为三个部分：开关灯程序块，计时程序（包括延时程序）块和数码管显示程序块.其中开关程序块用来控制LED灯和蜂鸣器的开启和关闭，计时程序用来统计灯开启后的时间，计时程序中的延时程序可用来控制关灯时间设定，也可用于数码管动态扫描延时.显示数码管显示程序块用来将当前的计时时间转化为数码管的前面板字符显示.主程序流程如图3-6所示.图3-6主程序流程图3.2.1数码管动态扫描程序由于本设计的四位八段数码管采用动态扫描的方法，因此需要一直循环扫描数码管的字缓存区，通过定时中断0改变其字缓存区的代码以达到在循环扫描的过程中连续改变数码管显示字段的功能.本设计所编写的程序中对数码管进行的动态扫描的流程图如下图3-7所示.图3-7数码管动态扫描流程图如上述流程所示，扫描程序扫描指定的数据缓存区，通过P0口输出缓存区的字段，然后通过P2口输出位选端数据，即可达到用数码管显示时间的目的.由于单片机的扫描频率特别高，一个显示周期约为几十微秒，所以需要加入一个1ms左右的延时程序，使得数码管能完全点亮.即使四位数码管并不是同时点亮，由于发光二极管的余辉效应和人眼的视觉残留，造成四位数码管同时显示数值的效果.下面对本设计程序中部分使用到的指令进行说明.定时/计数器0采用方式1工作，选用晶振的工作频率为12MHz，此时机器周期为1us，计数1000000次为1s，工作方式1为16位计数，最大计数值为65535[11]，为方便计算，取计数的模为50000，初始计数值为65535-50000=15535，转换为十六进制后为3CB0H，即定义定时/计数器高八位（TH0）初始值为3CH，低八位（TL0）初始值为0B0H，计时溢出循环20次即为1秒，1秒循环60次即为1分钟，1分钟循环60次即为1小时，程序如下：MOVTMOD,#01H；定时/计数器0以方式1工作MOVTL0,#0B0H；设定低8位初始值MOVTH0,#3CH；设定高8位初始值SETBTR0；定时/计数器0开始计时SETBIT0；设定外部中断0为下降沿触发扫描字段程序：MOVA,SEC；将秒缓存数据送入累加器CJNEA,#60,TT1；判断是否秒循环60次，没有则跳出中断INCMIN；分钟缓存数据加1MOVA,MIN；将分钟缓存数据送入累加器MOVB,#10；赋值除数10给暂存器BDIVAB；将A除以B，商存于A中，佘数存于B中MOVDPTR,#TABLE；调用字段代码表MOVCA,@A+DPTR；查找代码表，取数码管显示代码MOV51H,A；将分钟十位数存入地址51H中MOVA,BMOVCA,@A+DPTRMOV52H,A；将分钟个位数存入地址52H中位选端程序：MOVACC,#077H；定义数码管位选（选中显示分钟十位数码管）MOVP2,ACC；数码管按ACC指向的位显示字ACALLDELAY；延迟RRA；选择下一位延时程序：DELAY:MOVR1,#2；总循环两次D1:MOVR7,#248；二级循环248次D2:DJNZR7,D2；R7减一不为零则继续循环减一DJNZR1,D1；R1减一不为零则继续循环减一RET；跳出延时程序[12]延时程序的时间计算方式如下：已知MOVRn,#data类占用一个机器周期，DJNZRn,rel类指令占用两个机器周期，一个机器周期为1us，该延时程序的延迟时间T=1+2×(1+248×2+2)+1=1000us=1ms.以上只描述了该程序的主要部分，其余部分见附录.3.2.2中断程序本程序使用了外部中断0、计时中断0和外部中断1，因此必须对各中断进行合理安排避免各中断服务的混乱.51单片机中这三个中断的优先级从高到低依次为外部中断0>计时中断0>外部中断1，各自的中断入口地址依次为0003H、000BH和0013H，由于本设计采用了多个外部中断，且优先级各异，因此必须正确处理各中断间的关系，其中断顺序流程如图3-8所示.图3-8中断程序注意到在执行外部中断1和外部中断0的时候，要首先把这两个中断的中断允许EX1和EX0置零，避免在未执行完中断程序的时候反复触发中断[13].由于计时中断0的默认优先级高于外部中断1，所以必须在外部中断1的中断服务程序中开启计时中断0的允许位ET0，若在一开始就将ET0置位，会造成在开启定时/计数器0后立即就进入计时中断程序，而这并不是我们预期的效果.当进入外部中断1后，转入开灯程序，同时外部中断0的允许位EX0随即被置1，由于外部中断0的优先级最高，当再次有中断信号进入时，优先响应外部中断0服务，此时外部中断1服务和计时中断0服务被屏蔽，跳入关灯程序，要注意此处必须先关闭外部中断0防止重复响应，在外部中断0服务程序的最后应加上一个初始化程序，使得关灯后外部中断1允许位被重新开启，为下一次检测到开灯信号的中断服务1做准备.3.3仿真测试本设计使用PROTEUS作为整体电路的仿真软件．PROTEUS是世界上著名的仿真软件，其包含了大部分常用单片机的模型，因此最受单片机开发者的热爱．它从原理图布局、到单片机与外围电路的协同仿真，真正实现了电路和单片机仿真的完美结合，是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台[14]．在编译方面，它能够支持Keil编译器生成的.HEX文件，从总体上考虑，PROTEUS是本设计进行软件仿真的最佳选择．用PROTEUS画出的单片机最小系统如图3-9所示，由于PROTEUS中没有STC系列单片机，这里用AT89C51代替，两者的.HEX文件和程序语句相互兼容.可以从图上看出，单片机的最小系统包含复位电路和晶振电路.晶振频率采用11.0592MHz，计算时近似看作12MHz晶振旁边的两个电容均是30pF．复位电路选用的电解电容是1uF，电阻是10kΩ.图3-9单片机最小系统原理图本设计要求在PROTEUS中进行单片机功能的仿真，所以要将编译好的.HEX文件送入单片机中，PROTEUS中可以向单片机中添加程序文件，具体步骤如下，双击单片机，出现一个名为“EditComponent”的选项卡，其中有一项为“ProgramFile”，点击文件夹图标，找到.HEX所在的目录，将.HEX添加进单片机即可，如图3-10所示.在实际的仿真中，会遇到一个新的问题，原程序的动态扫描中延时程序太短，扫描频率太高，超出了仿真程序的最高时序限制，出现“SimulationisnotrunninginrealtimeduetoexcessiveCPUload”的错误，因此必须修改延时程序，延长扫描周期，才可以使数码管正常显示.图3-10导入.HEX文件第4章结论与展望4.1结论通过对具体电路的设计与分析，成功的完成了电路的仿真测试，并在验证仿真结果无误的情况下进行实物制作，但是在该过程中，遇到的困难较多，除了上文所述的数码管显示模糊之外，还遇到了传感器感应距离较短，光敏电阻阻值不够精确等问题.这些都导致了信号采集电路输出的不稳定，通过查阅资料，发现通常RE200B型红外传感器都应配有一个菲涅尔透镜，戴在红外传感器的探头上，它能够将周围的红外线聚集于一点，相当于增强了红外信号，从而大幅提高了红外传感器的性能，也增大了红外传感的检测距离；针对光敏电阻阻值精度不够的问题，通过使用万用表测量其在不同环境中的阻值，经合理计算，选用合适的分压电阻，得到的最佳方案是用一个可变电阻与光敏电阻串联，这样就可以通过调节可变电阻来改变其分压，也就相当于调节光敏电阻对光感应的灵敏度.通过对本课题的研究，了解了单片机的工作原理，能够通过汇编编写单片机程序，验证并成功实现具体功能.同时提高了分析电路的能力，不仅仅局限于外围电路，更能从整体出发，从各组成部分的内部结构和功能方面入手，更加全面透彻的分析整个电路的工作原理，同时通过分析不同简单芯片的内部结构，不断获取新的知识，扩充自己的知识储备.学会了运用多种仿真软件进行电路的功能模拟、问题分析，以达到最优化设计的目的.在实物制作过程中遇到与仿真结果相左的情况时，能通过测量工具对实际电路进行测量调试，不断的改进电路，提出新的解决方案，提升了“发现问题解决问题”的能力，是一个长足的进步.4.2展望在电子技术飞速发展的社会环境下，人民对生活水平要求不断提高的大背景下，这种基于传感器的自动控制技术将越来越受人们的青睐.目前我国的智能家居行业正随着电子技术的不断创新逐步发展.虽然我国的智能家电处在一个过度阶段，但是仍具有较好的技术基础，如现有的音视频设备、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电等，相信随着人们需求的不断提高与市场经济的不断发展，在不久的将来，基于自动控制技术甚至包括互联网技术的智能家居将成为人们生活中不可缺少的一部分.参考文献致谢江南大学学士学位论文参考文献高小平.中国智能家居的现状及发展趋势[J].低压电器，2005，(4)：18-21.张迎新，胡欣杰，赵立军，等.单片机与微机原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2011，5-8.林喆，孙清，于莹莹.基于STC89C52的单片机开发系统的设计与研究[J].电大理工，2011，(3)：9-11.Mt,Prospect.MCS-51MicrocontrollerFamilyUser’sManual[M].IntelCorporation,1994,20-21.ManninenP,etal.MethodforAnalyzingLuminousIntensityofLight-EmittingDiodes[J].MeasurementScience&Technology,2007,18(1):28-30.蓝厚荣.单片机驱动LED数码管的方法[J].电气时代，2008，(4)：94-95.ScottWeber.MCU-BasedLightControl-LongerSerialCommunicationonDifferentialWires[J].CircuitCellar-TheMagazineforComputerApplications,2012,(265):32-35.王明亮.红外热释电处理芯片BISS0001介绍[EB/OL]./element/biss0001.html.余钊.集成运算放大器的虚短虚断概念分析[J].科技传播，2013，(15)：111-116.邱关源，罗先觉.电路(第5版)[M].北京：高等教育出版社，2006，84-86.王节旺.一种基于STC89C52RC单片机的计时系统的设计方案[J].微型机与应用，2011，30(6)：28-30.JohnDRoberts,etal.MicroprogrammedControlUnitProgrammingReferenceManual[J].ACMSIGMICRONewsletter,1972,3(3):18-20.李传鸿.用软件方式灵活设置AT89系列单片机的多中断优先级并实现多级中断嵌套的一种方法[J].电脑知识与技术，2008，2(11)：359-360.伍冯洁，谢陈跃，谢斌.Proteus与Keil软件的整合在单片机实验开发中的应用[J].电子测量技术，2008，31(6)：100-107.基于51单片机的智能台灯的设计与应用致谢经过长时间的学习和研究，终于将本课题完成，在这个过程中，我学到了很多，不仅加深了对理论知识的理解，更提高了自己的动手能力，尤其提高了发现问题并解决问题的能力.在这里，我要感谢我的的导师梁海莲，本课题最终成功的完成离不开她耐心的指导.她认真严谨的科学态度深深地感染和激励着我.从课题的选择到项目的最终完成，梁老师都始终给予我细心的指导，还记得当年梁老师在教导我们电路课程的时候也是认真负责，课后习题的每一处错误都为我们认真的批注，如此认真的工作态度让我在学习的道路上更加的努力.在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有许多学姐、学长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!PAGEPAGE5 附录本设计程序如下：BUFEQU51H;51H~54H连续四个字节存放显示器数据MINEQU55H;分钟计数器SECEQU56H;秒钟计数器DEDAEQU57H;存放50ms计数值ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPDOWNORG000BHLJMPT0_SRVORG0013HLJMPUPORG0050HMAIN:ACALLINIT ;初始化数据MOVP1,#01HSETBP3.4;初始化蜂鸣器MOVA,#03HMOVP0,A;数码管初始化SETBEA;开启总中断SETBIT1;设置外部中断1为下降沿触发SETBEX1;开启外部中断1LOOP:ACALLCONV;调用字代码转换子程序ACALLDISP;调用显示扫描子程序SJMPLOOP;循环UP:PUSHACCPUSHPSWSETBP3.0CLREX1;关闭外部中断1允许ACALLTIMER;定时/计数器0初始化，开始计时POPPSWPOPACCRETIDOWN:PUSHACCPUSHPSWCLRTR0