《基于单片机的智能红外感应灯系统设计（附电路图）》7900字

I基于单片机的智能红外感应灯系统设计摘要：传统的照明灯基本都是以机械性开关控制开或关，使用时很不方便，譬如光线黑暗时难以找到开关等，为此，本文基于单片机和红外人体传感器以及光敏电阻和人体热释电传感器，设计了一款智能人体红外感应灯，通过硬件电路和软件编程，使得感应灯可随人体接近时，自动亮，而随人离开后，自动灭。所设计的感应灯可用于诸如家庭楼道、小区、酒店、库房等地方，不仅仅用于照明，还起到预警作用。关键词：红外线；感应开关；红外辐射；探测区域目录TOC\o"1-3"\u1综述 11.1智能人体红外感应灯的设计背景 11.2智能化照明发展状况 11.3设计目的和意义 22系统整体方案 32.1系统总体框图 32.2设计器件的选择 32.2.1单片机 32.2.2感应器 43系统硬件电路设计 53.1硬件总体概述 53.2主控模块设计 53.2.1概述 53.2.2单片机的主要特征 63.2.3单片机最小系统 63.3人体感应模块设计 73.4光敏电阻 93.5继电器模块设计 94系统软件设计 115系统分析与调试 126结束语 14参考文献 15附录一 17附录二 18附录三 191综述如今，随着科学技术的高速发展，人们的生活水平以及生活质量不断提高，生活智能化日益成为主流，主要涵盖了照明系统，安全系统到计算机网络等。但如今，因为资源浪费问题日益严重，节能和环保成为当今生活的两大主题。所以对各学校公共场所的智能灯光控制的普及迫在眉睫，所以设计出基于红外感应技术的智能灯光系统，可以提高管理水平并且减少了维修费用，方便人们的生活和工作。1.1智能人体红外感应灯的设计背景中国新能源开发发展相对落后。从照明系统方面来说，目前，其控制方式在我国以手动控制和声控为市场主导地位。而智能化照明系统还没有完全融入人们的生活。所以，在现实生活中，会经常发生资源浪费的现象，比如说居民楼楼道的声控开关在无人情况下听到响动会开启，空无一人的走廊灯依然明亮等情况。这些不只是会造成电能的浪费，而且也无端增加了灯泡的损耗和财产的流失。但随着互联网技术的不断兴起，生活中的方便人们生活的黑科技也不断迭代。传统照明方式已经不能满足人们对于生活和工作的需求，也不能满足国家节约资源保护环境的基本国策。所以，普及智能人体红外感应灯的观念迫在眉睫。近年来，中国建筑体系的不断发展，智能化生活已经渐渐进入大家的视野。这就需要更高的照明技术相匹配。凭借智能家居市场化、大量电子技术的普及化以及智能住宅的快速发展的契机。人们对于智能照明系统越来越了解，也越来越接受。随着互联网技术的快速普及，我们对于便携化生活的要求越来越高，所以，对于生活中常见的使用期间如灯光照面等的要求就会越来越高。本次设计通过不断的改进，自动照明系统的实现可以减少电力浪费，减少民众和国家利益消耗，它已然成为现代住房实现的重要组成部分。1.2智能化照明发展状况传统控制照明方式为手动开关照明及声控照明，这两种照明方式最为普及，如今也运用于大部分家庭。但随着互联网技术的发展，万物互联的观点逐渐深入人心。智能家居的普及使智能化照明技术逐渐步入普通民众生活。从简单的智能照明灯到如今的魅族Lipro智能家居健康灯的发展，无不体现照明技术对于个人，家庭以及国家的优点。现在国家大力倡导乡村振兴战略和城市改造，而灯光照面技术是基本部分。所以，我们需要摒弃以往的非节能的手动以及声控照明方式，普及智能人体红外感应灯的设计。所以，紧跟时代的新发展理念是社会运转的重要因素。智能人体红外感应灯的设计是整个智能家居的基础，现代的智能化照明设计方式主要器件是基于单片机和红外人体传感器，以及光敏电阻和人体热释电传感器，通过设计硬件电路和软件结合，实现的功能是感应灯随人体接近自动亮而随人离开自动灭。1.3设计目的和意义本文将探讨智能人体红外照明系统的技术。此设计目的可从个人家庭以及国家方面来说。随着当代科技的发展，各个产业对于用电消耗大大增加，如学校用电，基建用电和居民用电等情况。为了遵循可持续发展目标，我们不仅仅是需要开发新能源，而且作为普通公民的我们也要时刻关注电能浪费这个问题，贡献自己的一份力量。对于国家减少资源浪费，对于个人以及家庭减少生活成本并且方便大家的生活。本设计是对照明状态的基本智能控制，其中热释电红外传感器也被广泛应用于居民楼道走廊灯等自动照明控制系统。目的是方便人们的生活，提高用电效率的同时也提高了办事效率。上升到国家层面来说，节约了资源，是大国之间的博弈。从长远角度来讲，对于个人以及家庭，不仅仅是方便人们的日常生活，而且节省家庭。惠及人们的日常生活，提高生活水平和生活质量。从国家战略角度来说，是资源发展的重要一环，广泛应用后将会大大减少资源的浪费。当前国家间的竞争是科技的竞争，而作为科技的基础便是能源，能源资源争夺也是国家间的一大热门。有效缓解资源浪费问题的方法就是提高国民保护和节约资源意识以及构建智能化体系。智能人体红外感应灯的设计必将会是增加人民福祉和促进能源发展的重要组成部分。智能人体红外感应灯的设计只是整个家居智能的基础，当此设计深入人心，普及开来，智能家居也会慢慢融入普通大众的家庭。这也体现了一个国家基建设施的发达。2系统整体方案2.1系统总体框图系统控制的各个单位模块就是以传统单片化电机设计为技术基础的一个控制系统模块。此设计整体可分为输入模块和输出模块。输入模块中主要的是光敏电阻模块以及热释传感器模块。本系统总框图如图2.1所示。图2.1系统总框图通过整体框架的架构，可以清晰了解到智能人体红外感应灯的整体设计思路。所需要的各个部分的元器件，以及电路组装焊接。可以通过此系统总框图架构下对照明灯的有效智能控制。系统的输入参数为是否检测到人体以及光照强度等外界因素。当外界光照强度达到一定阈值时，即使人体检测模块检测到人体，照明灯也不会亮。当外界环境光照强度低于一定临界值并且检测到有人的情况下亮灯。通过多次试验对比，智能人体红外感应灯的设计可灵活运用于生活中的智能照明系统。2.2设计器件的选择2.2.1单片机本科课程所学的单片机课程在此设计中足够使用，STC单片机有抗干扰能力强以及很难破解等优点，所以选用其作为核心架构。STC单片机，执行指令速度快，大约是AT的3-30倍。当我们在使用STC时，单片机时，应该加长其延时大约是AT的10-30倍，具体情况需要我们自行调试。STC单片机在各种工作条件和环境下的性能要求相对来说都是比较低的，当U<5V时，正常工作。当3V<U<4V时，它都还可以正常工作。但AT无法在这般情况下正常工作。所以当设计中出现AT无法正常运转而STC单片机正常运转时，需检查最小系统以检查供电。本次测试中系统选用STC89C51单片机作为其主控制器。已就满足了本设计正常工作运行的要求，且其价格相对来说较为便宜，程序的下载也相对方便，节省了时间，大大减少了成本。2.2.2感应器本次设计的感应部分会包含人体感应部分和灯光感应部分。人体感应部分用来检测是否有人体存在，灯光感应部分用来检测灯光的强弱。二者相结合，硬件部分才能正常运转。人体感应部分采用被动式红外热式传感器，原因就是它的灵敏度比较高，而且它的探测距离比较远，根据实际数据测量可以达到2m-10m。它的工作原理是靠接收红外线辐射来工作。灯光感应部分采用光敏电阻来感应灯光的强弱。当入射光变强，电阻减小，入射光减弱，电阻就会增大。光敏电阻的灵敏性高，而且反应迅速。人体感应模块的感应器是用来感应人体是否存在的，而光敏模块的感应是用来感应光线强弱的，只有二者相互结合，感应到人体存在且光线较暗时，继电器吸合，LED灯亮。当光线较亮或感应不到人体存在，则继电器断开，灯光熄灭。3系统硬件电路设计3.1硬件总体概述本次设计的主要输入参数是自然光照强度以及是否检测到人体飞存在。它能够做到实现自动化和手动控制并行相兼容。在现实生活中，当白天的时候，自然光照充裕时，灯泡熄灭。在自然光照较暗时，并且感应器检测到有人存在时，灯泡会亮,直到其他人停止或离开之后再次延时某个一定的时间后才会关灯。本次设计研究的是智能人体红外感应灯系统，它的结构主要有硬件与软件两个方面。硬件部分是本次毕业设计的基础架构，系统的各项功能正常运转就是在硬件的架构之上，软件的程序编写以及烧录等各种步骤都是在硬件正常运转的情况下进行。而对于硬件的最终运行，需要对各个软件正常运行之后传输出的信号进行接收，采样，分析然后再加以处理，最终使各个模块正常运行。这种智能智能照明方式可以被广泛应用于居民楼道，地库以及教室等各种地方。当硬件中的人体感应模块检测到人体存在并且光线感应模块感应到灯光光线较暗达到一定阈值以后，继电器就会吸合，从而驱动负载通电。当人体离开或者灯光变亮的情况下，会自动延时10秒钟，然后继电器才会断开，灯光熄灭。这种设计相对于传统照明方式的升级在于它的智能化，根据人们的需求相呼应，从而实现灯光的智能化管理。充满人性化。单片机外部可以手动作用做为主部分控制器，单片机内也可以自动作为智能自动化的各个主部分控制器，人体生理传感器和基于智能指纹识别器的光线，用来自动控制每个负载上的指示灯。硬件部分和软件部分相互结合，整个设计才能正常运转。这种安全设计管理方式不仅可以运用到小区居民楼道等场所而且可以广泛地的被应用于大学教室，图书馆等各种大型公共场所。也是未来智能家居发展的重要组成部分。3.2主控模块设计3.2.1概述本次设计选用STC89C5l作为步进电机，控制芯片STC89C51的结构简单并有可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上和使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。STC89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容[3]。3.2.2单片机的主要特征与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环数据保留时间：全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路[4]。80C51单片机的内部主要功能电路框图设计如图3.1所示：图3.1MCS-51系列单片机的内部结构在MSC-51系列的单片机中，我们用80C51作为一个实际案例，来详细地介绍它的基本结构和功能。3.2.3单片机最小系统复位自动控制电路一般主要采用电路上下行供电自动控制复位电路控制和上电按钮自动控制复位两种。在最简单的一个典型上或下电自动稳压复位系统控制电路中，上或下电自动稳压复位系统控制电路是通过连接外部复位自动控制电路元件中的一个稳压电容器来进行自动充电[5]。当时钟器的频率在6MHz时，则C取22uf,R取1KW。除了在自动上机通电后才能进行自动复位外，有时还可能会根据上电按键位置进行手动上电复位。本次智能人体红外感应灯的设计一大特点就是无需手动复位，但配备有手动复位键，当检测到人体并且灯光较暗后，灯光会亮起。当检测不到人体或光敏电阻检测到灯光较亮后，自动延时一段时间后，灯光自动熄灭。其中一个电源水平电阻复位主要指的是由于一个RST端电阻经过一个有源电阻C的连接而得到与一个电源T端VCC的电阻连接而产生得到[6]。3.3人体感应模块设计全自动直流电压控制传感：电流是一种指系统当一个机器人的移动电流没有进入它的系统检测区域范围时，输出一个较小的高或低电压；但是当一个机器人电流离开被系统检测到的区域时则系统会自动地进行延时或者自动关闭一个小的低电平，高电平被自动送到后台待机[7]。两种触发方式：(1)不可重复地自动触发的延时方式：在被延时感应器接到延时输入的一个低电平后，当延时的某个特定时间段自动停止，它的插入输出将自行从一个新的低电平转换成一个高电平。(2)一种随时可重复地自动触发的延时方式：如果在其所需要感应的时间范围内仍然一直存在一个属于人体的正常活动，它的进入输出就有时会断断继续地一直保持一个低电平，直到被称为感应的一个人物从被称为感应器手中离开后再返回去延时的主要时间段时才结束。具有多重感应闭锁时间：每个感应输入端上的多重感应闭锁模块，在其输出后，直到其延迟时间终止，可以继续跟随传感器设定一个闭锁周期，在此期间传感器不需要接受任何多重感应闭锁信号。这个功能可以完成传感器的输出和锁定时间之间的工作。它们可以用来检测两个产品之间的距离。同时，该函数还可以有效地减少和抑制电压变化对负载转换过程中所产生的各类干扰。(这个时间段可以设定为零点几秒和几十秒)[8]。(1)该类检测探头的主要用来检测人体发出的辐射，红外热式传感器对于人体发出的波长为10μm左右的红外线辐射非常敏感。(2)为了防止对其它紫外线敏感，仅仅用来吸收人体紫外线，在它的灯光照面处还盖有一块带有特别大小的菲泥尔滤光片，作用是明显地抑制对环境的影响。(3)为了准确检测所感到热释人体是否存在，由两个运动方向大致相反的热释电极互相连接而成的电极子元件制成。两个不同热释放光电输入元件之间在辐射中心接触点和辐射环境下的辐射背景光和辐射信号都会同时具有几乎一样的辐射效果，会直接导致元件彼此之间所连接产生的辐射信号与热释放输入效应相互作用抵消，所以通过检测器得到的信号探测器不一定存在这个信号释放输入[9]。人体传感器HP-208的主要特性如下:（1）感应是一种全自动的方式进行感应，当检测者发现任何一个人或机器进入感应区域时，会产生一个高电平(最多为3.3V)；（2）达到高电平的输出在其延时时间段中，如果它的一个感应活动输出进入区域内仍然有一个新的人体正在继续进行感应活动，那么它的感应输出就可能会始终一直保持一个高电平，直到这个感应进入输出的那个人体完全离开后，才会有可能会在延时8秒-15秒后将一个高电平转化成一个低电平[10]；图3.3人体传感器电路图（3）民用机械和工业人体电压传感器的正常电压工作在短时间内的电压波动范围一般为DC3V-DC24V；（4）其灵敏度高，可靠性强；（5）其在工作环境中的温度一般在-15°和+700°之间，适应能力很强[11]。在这种控制电路设计中，为了能够提高和充分改善一个人体内部传感器的最高可靠性，特别多的是电路增加了一个三极晶体管作用来充分保证了在驱动一个人体内部的同时存在人体传感器及其输入控制信号的最高可靠性，同时还说明可以通过它作用来控制驱动一个人的LED，从而起到充当一个控制指令的作用[12]。其基本集成电路硬件结构及线框图显示如图3.3所示。3.4光敏电阻此设计输入模块中最重要的模块之一就是光敏模块，光敏模块主要采用光敏电阻设计。光敏感应部分使用光敏电阻来检测灯光强弱，光敏传导电阻也被广泛称为光敏电导管，常见的技术制作生产工艺和原材料主要为环氧硫化镉。这些被加工制成的激光材料在特殊辐射波长的紫外太阳光直接照射下，其中的阻抗变化系数迅速地大大减小。这是因为在光照产生的载流子参与导电，在电场力的作用下，电子会向电源正极的一端靠近，空穴电子会分别奔向其他电源的正和负极，从而直接导致光敏离子电阻器的电场阻抗系数值迅速降低[13]。管芯半导通过直接吸收这些光子而直接照射产生的这种光电辐射效应，只能仅仅局限于直接受到这种光导体照射的一个物体内部表面或一个薄层，虽然其中图3.4光敏电阻结构图直接产生的一些载子和流子也只是可以在只有少数小的地方被扩散照射到内部或被除去，但由于其可以扩散的物体深度有限，因此这些这种光电效应导体通常都被直接制作为形成一种薄层[14]。为了保证能够同时获得高的开关灵敏度，光敏开关电阻器的电极通常一般会选择采用极性二氧化碳或者二硫状晶体结构，其具体结构原理见图如下图3.4所示。3.5继电器模块设计电磁式自动继电器通常认为是由电磁铁心、线圈、衔接磁铁、接触点或者电磁簧片等主要部件所结合组成。只要将线圈衔铁在连接线圈两端附近分别加上一定的励磁电压，线圈中就可以有这种机会自动流过一定的励磁电流，从而可以产生图3.5继电器驱动电路图线圈相应的回归电磁弹簧效果，衔接带铁就可以有这种机会在被电磁力所直接吸引的外力作用下因为克服线圈回归电磁弹簧的巨大拉力而将线圈铁芯自动吸向连接线圈，从而可以使原来衔接带铁的线圈动触的两点与线圈静触的两点(常称为启动触点)相互发生吸合，继电器驱动接口电路如图3.5所示。4系统软件设计在硬件条件准备充分情况下，我们开始探讨系统软件设计问题。在对智能红外人体感应灯设计目的了解后，首先，要明确思路，了解运行步骤，画出程序框架运行图。将整个设计划分为不同模块并整合逐一实现功能。最后完整运行串联，达到光亮有人灯亮，人走灯灭的效果。程序设计的任务就是用编程语言来控制设备，以方便设计的正常运行。之所以采用程序语言设计。首先是其模块化能力强。其次，程序语言设计灵机活性高。所以，系统正常运行需要软件的支持，软件设计部分必不可少。通过深入地了解本次系统设计的具体要求，未了有效地保证整个系统正常工作，在对系统硬件进行设计的基础上采用模块化编程方法，完善整个系统的功能以确保正常工作。该软件设计的主要目的就在于使得单片机可以通过加载和执行程序，对其中的距离、时间及光强度进行测量,根据所得到的测量成绩来控制一个继电器的输出。系统的软件总流程图如图4.1所示。图4.1系统软件总流程图5系统分析与调试这次的软件应用程序调试设计主要目的是在基于KeiluVision4的开发环境下设计进行软件开发的，KeiluVision4开发软件主要用于支持各种C编程语言的基本编程及进行应用程序调试，运用方便，工科本科生在本科期间开展过C语言程序设计课程。主程序主要通过if语句循环来编写，首先判断是否为晚上即灯光较暗时刻，其次判断是否感应到人体，只要二者同时满足，继电器会吸合，LED灯会亮。如果检测到人体离开后，则灯光自动延时10秒，再次感应，未检测到人体，继电器会断开，LED灯熄灭。设计的基本工作要务第一条就是通过软件安装和使用学习如何正确运行使用安装该软件，在简单的安装学习和直接熟悉软件基础上首先了解一套KeiluVision4后，在通过编译和学习掌握一套完整的KeiluVision4后，再直接学习运用STC_ISP_V480软件将所有编程数据都自动烧录到自己的软件开发者模板上，实现了一种基于虚拟化的真人机和虚拟计算机的互相互动连接。所以在开始进行磁盘烧录之前就需要先对STC_ISP_V480进行一些必须的硬件设定KeiluVision4部分程序运行如图5.1所示：图5.1KeiluVision4运行图当程序的调试和烧录工作进行完毕之后，将自动化的计算机与开发板进行相互连接，设置相应串口，完成了供电以及数据的下载。电源打开后，等待身体感应器模块进行预热10余秒。当我们看到黄灯启动就开始闪烁说明人体检测模块正常工作。用瓷杯罩住光电传感器，此时灯光变暗达到一定阈值，同时当