基于单片机控制的智能台灯

1 绪论

1.1 论文选题背景

社会在不断进步，人类在不断追求，市场在不断变化，高科技应用含量决定着产品发展的新趋势和前景，智能化技术在电子产品领域的应用意义深远。随着电子产品的快速发展，家用电器也越来越偏向智能化，已经应用于实际中的有智能洗衣机，智能电饭锅，智能电磁炉等，而所用的智能化家用电器都用一个共同的特点，都是利用单片机作为中央控制单元。结合了单片机的智能家用电器和普通家用电器相比，功能上更强，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更节省电能，提高了家用电器的品质。

家用电器因为单片机的加入而走向智能化，并且随着人们生活水平的提高日益走向平民化，我们的生活也随着家用用电器的发展越来越方便、舒适。随着家用电器的发展，作为家用电器当中的小台灯也要顺应科技的发展步伐走向智能化。虽然按键式的台灯还是台灯市场的主体。但是，随着现代电子技术的发展和人们的需求变化，传统的台灯已经感受到产品更新换代的威胁。与其他的智能化家用电器一样，智能化台灯有许多普通按键台灯所无法比及的优势，智能化台灯一方面可以更节省电能，有利于环保，另一方面可以纠正使用者的坐姿，预防脊椎变形和眼睛近视。同时，智能台灯在黑暗的时候自动开关灯的功能也让使用者使用起来更方便，省去黑暗摸灯的麻烦。智能型电器产品由于它们的巨大优势将渐渐进入人们的生活中。基于以上背景，我们提出了基于单片机控制的红外智能台灯的设计。

1.2 论文研究的意义

我国政府非常重视节能和节约。1997年11月1日我国颁布了《中华人民共和国节约能源法》，节能已经是法律上的规定，是我国重要国策之一。智能节能台灯最大的优点就是省电和方便。方便不用多说了，来之则亮去之则暗，不用动手，更重要的是能节省电能。节省电能还能保护环境。我国有70%的电能来自火力发电厂，而火力发电厂少发一度电（就是1千瓦时）会减少1千克的CO2排放，而CO2是温室

效应的罪魁祸首。智能节能台灯在节约电能的同时也保护了自然环境，一举两得。

目前我国共有四亿多近视眼患者，特别是青少年近视的发病率居世界第二，人数居世界第一。近视正严重危害青少年的健康成长。我国的中小学生之所以出现这

么严重的近视问题，原因是他们在平时在灯下学习或做作业的时候不注意坐姿，由于离光源太近，久而久之使视力下降，出现了近视眼。目前市场上出售的调光台灯多为手动式，即根据使用者的需要，用手转动调光旋钮，改变台灯的亮度，虽然有节约用电的作用，但无防近视功能。为使中、小学生在灯下看书或做作业时，不能离灯过近，若超过规定(即调定)的距离，灯光便自动变暗乃至熄灭，而离开规定距离，灯光则自动变亮，我们设计了一种智能台灯。它可以在使用者看书写字姿势不正确或者距离台灯太近的时候，灯光会慢慢变暗提醒你纠正，直到你坐姿完全正确为止。从而使你养成良好的读书写字姿势，保护好视力防止近视眼，这个功能都是台灯根据人体探测电路的输出信号来控制，如果晚上工作学习太累不小心趴在台灯下睡着了，台灯的传感器检测到你距离光源太近，经提醒电路暗灯提醒未离开则在单片机程序控制下自动熄灭台灯，同时起到了省电的作用。

1.3 论文研究的内容

本文设计了一种智能化台灯，一方面可以更节省电能，另一方面可以纠正使用者的坐姿。同时智能台灯在黑暗的时候自动开关灯的功能也让使用者使用起来更方便，省去黑暗摸灯的麻烦。本文对智能台灯各部分功能作用予以详细说明。软硬件设计均采用模块化结构，将各模块设计完成后进行总调试。

第一章为绪论，主要阐述了智能节能台灯研究的背景及意义。

第二章对所设计的系统功能及结构框图进行了详细的介绍，接着完成了各个模块功能的分析以及主要器件的选型。

第三章对智能节能台灯的硬件进行设计，划分成为传感器信号处理以及在其控制下的灯光控制电路和提醒电路，分别设计出电路结构，并说明其功能作用。并对电路中所涉及到的芯片进行了简单的介绍。

第四章介绍了智能节能台灯的软件设计，根据硬件结构，先画出总的程序框图，结合台灯设计需要的效果，用C语言编出程序。

第五章对已经设计完成的系统硬件软件进行仿真与调试。

2 系统方案设计

2.1系统功能定义

本文所设计的智能台灯主要有三项功能：第一，当人体在台灯的范围内且光强较弱时，自动感应开灯；第二，当人体太靠近桌面时，台灯自动感应，警告纠正坐姿，若在一定时间内未离开桌面则自动熄灭；第三，当人离开时则自动关灯，达到节约能源的目的。

根据系统设计要求，本系统所具有的功能如下图所示：

图2.1 系统功能框图

通过对系统功能的定义，可以将基于单片机控制的红外智能台灯系统采用人体热释电红外线传感器RE200B作为感应人体红外线的测量器件，它与光敏电阻以及传感信号处理集成电路芯片BISS0001构成传感器及信号处理部分。DAC0832数模转换芯片作为灯光控制电路的一部分实现由数字量到模拟量的转换。74LS138 3-8线译码器芯片、DAC0832数模转换芯片、LM324运算放大器共同组成灯光控制电路。整个系统控制由AT89S51单片机为核心构成。

根据系统功能要求，完成设计任务所需的系统硬件结构框图如下图所示：

图2.2 系统硬件结构框图

本系统组成如上图所示，主要有以下基本分组成：

1） 以RE200B、BISS0001及光敏电阻组成的传感器及信号处理部分：监测人体辐射

红外信号及光强信号经过处理后变成可处理的数字信号；

2） 以AT89S51为核心组成的中央处理单元：处理信号并发出控制命令；

3） 以74LS138、DAC0832及LM324组成的提醒电路和灯光控制电路：给出提醒信

号并根据AT89S51给出的命令控制灯光。

2.2 系统功能模块分析

2.2.1中央控制单元

在本系统中，中央控制单元居于非常重要的地位。它是整个系统的中枢，系统运行所需的每个操作指令都要由其发出。它一方面控制着传感器及信号处理部分对外部环境进行实时监测，另一方面也控制着提醒电路和灯光控制电路工作。从而使整个系统进行正常的运转和工作。

针对以上分析本系统主控模块中的单片机芯片采用了AT89S52芯片，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[1]。此芯片功能强大，能够完全满足系统运行的需求。

2.2.2信号处理单元

传感器及信号处理部分对系统正常工作起着重要的作用。本本系统中采用RE200B作为实时监测人体辐射红外信号的传感器，采用光敏电阻作为监测光强信号的传感器。外部环境实时监测信号经传感信号处理集成电路芯片BISS0001处理后变成可处理的数字信号，交中央控制单元分析处理。

本次设计利用的传感器是热释电红外传感器。传感器在电路中起着很大的作用，要利用它采集回来的信号去对灯光进行控制。系统对热释电红外传感器的性能要求比较高，因为它采集回来的信号将直接影响灯光控制电路的控制行为。首先，这种传感器要对人体发出的红外线感应很灵敏，而对其他的小动物发出的红外线不起作用。其次是能够感应较远距离的红外信号，这就需要借助于菲涅尔透镜的聚焦作用。热释电红外传感器RE200B是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出[2]。针对以上分析本系统采用热释电红外传感器RE200B作为监测人体红外线信号的传感器。

光敏电阻的重要特性是它的阻值大小随着环境光的改变而改变，当环境光比较强时，它的阻值减小，相反当环境光较弱时，它的阻值就会增大[3]。本文的智能节能台灯设计也是利用了光敏电阻的这一特性，用它来感应环境光的强度。若是环境光较强的时候，比如白天时，光敏电阻的阻值就很小，传感器信号处理电路会根据它的阻值进行相应的处理；相反当环境光较弱的时候，比如晚上或者阴天时，它的电阻值就会变大，同时热释电红外传感器要是检测到有人在附近时，传感器信号处理电路就会把这些信号经过处理传到单片机控制电路，从而启动点亮台灯。所以光敏电阻对环境光的检测在电路中也很重要。对光敏电阻要求也很高，要对环境光比较敏感，及时把信号传送到信号处理检测电路。

传感器实时监测的信号为模拟信号，并不能直接被中央控制单元的单片机所识别这就需要在系统中添加一个能将传感器模拟信号变为数字信号的电路。BISS0001就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。它能将传感器的模拟信号迅速准确的转变为数字信号为单片机的正确控制起到很好的保证。

2.2.3灯光控制电路和报警电路

灯光控制电路及报警电路作为本系统的功能具体体现的重要模块实现对台灯灯

光的控制以及防止过于靠近台灯报警的功能。74LS138、DAC0832及LM324组成的提醒电路和灯光控制电路：给出提醒信号并根据AT89S51给出的命令控制灯光。3—8线译码器74LS138和数模转换芯片DAC0832实现灯光慢慢变亮（暗）的过程。LM324芯片作为放大器实现台灯的正常工作。

2.3本章小结

本章首先进行系统的方案论证。根据对系统功能的定义，初步完成了系统软硬件的框图设计。接着分别介绍了中央控制单元、传感器及信号处理单元以及灯光控制电路和提醒电路模块功能的分析以及主要器件的选型。

3.硬件电路原理及设计

3.1 系统硬件电路工作原理

图3.1 系统硬件组成框图 整个系统是以AT89S51控制下工作的。其工作过程为：当环境光比较强时，光敏电阻阻值比较小，信号处理电路检测到低电平信号，禁止热释电红外传感器工作，省去了AT89S51处理过程。当环境光比较弱时，光敏电阻阻值变大，信号处理电路接收到高电平，从而启动热释电红外传感器工作。热释电红外传感器1探测比较远的距离，当人体进入到传感器1的控测范围内且光强较弱时，信号检测电路处理信号，并向单片机发送一个中断，AT89S51启动灯光控制电路，使灯慢慢变亮。当环境光比校弱时，且人体过于靠近桌面，热释电红外传感器2检测到信号，同时了在热释电红外传感器1的控测范围内，信号处理电路同时向AT89S51发送信号，AT89S51处理信号根据优先级顺序，屏蔽掉热释电红外传感器1的信号，启动延时电路，发出警报使人离开，若在设定的时间内未离开桌面，则启动灯光控制电路，使灯慢慢熄灭。当人体离开热释电红外传感器2的控测范围且在热释电红外传感器1的控测范围内时，灯光又慢慢变亮。

3.2 功能模块电路工作原理

3.2.1 传感器及信号处理

图3.2传感器及信号处理部分电路图

由红热释电红外传感器、光敏电阻、BISS0001组成的信号检测及处理电路。红热释电红外传感器只对波长为10μm（人体辐射红外线波长）左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，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，于是输出检测信号。 BISS0001是由运算放大器、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的数模混合专用集成电路。当外界光强较强时，光敏电阻阻值很小，BISS0001检测到低电平，从而封锁14脚，禁止传感器infare1的信号。当外界光强较弱时，光敏电阻阻值很大，BISS0001检测到高电平，开启14脚；infare1检测到人体信号时，产生微弱的信号输出，经R5、R1005、R4、C1、C6、C7组成的信号放大滤波电路。R8、R9、C9和C10组成的延时电路。信号经处理后从2脚输出。

环境光检测是比较重要的一个部分，其中关键的元件有两个，一个是光敏电阻，一个是10K的可变电阻（电位器）。光敏电阻的检测能力的强弱（灵敏度）是根据那个可变电阻来控制的，有的人认为天色还挺亮的，灯就开了，那你就把电阻变大些，光敏电阻的灵敏度就下降了，这样就可以达到等天再暗些再开灯。同样的，如果你觉

的天色已经很暗了，灯还不亮，那你把电阻调小些就可以了。这样多调几次，你就能把智能台灯调到一个最理想的最适合你的状态。

3.2.2 单片机控制下的灯光控制及报警电路

图3.3单片机控制下的灯光控制及报警电路

由单片机组成的报警及灯光控制电路。当外部无任何中断时，89S51控制74LS138的使能控制端，使后面电路不工作。当有中断一产生时，89S51启动74LS138，向P0脚低4位发送信号，控制灯慢慢亮。当中断1和中断0同时产生时，89S51屏蔽掉中断1，启动74LS138向P0脚低四位发送数据，使灯光慢慢变暗。这里采用74LS138控制DC832可以节省80C51的管脚，有利于扩展，以便于控制多盏灯。采用DC0832可以有效地使灯实现阶梯形的变化[4]。

3.3主要器件介绍

3.3.1 AT89S51单片机简介

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，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51单片机主要功能特性：

◆ 8031 CPU与MCS-51 兼容

◆ 4K字节可编程FLASH存储器(寿命：1000写/擦循环)

◆ 全静态工作：0Hz-24KHz

◆ 三级程序存储器保密锁定

◆ 128*8位内部RAM

◆ 32条可编程I/O线

◆ 两个16位定时器/计数器

◆ 6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

AT89S51单片机引脚结构及功能说明[5]：

图3.4 AT89S51单片机引脚图

本次试验的单片机AT89S51采用PDIP封装形式,引脚结构如上图1.2所示。各对应引脚功能如下：

VCC：供电电压。

GND：接地。

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/地址的第八位。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。

表3-1 P1口各引脚第二功能

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/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，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。

表3-2 P3口各引脚第二功能

RST：复位输入。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：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地位字节。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。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：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：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出[5]。 AT89S51单片机定时中断功能

MCS—51系列的单片机一般有两个内部的16位定时器/计数器．分别称为T0和Tl。这两个计数器分别是由两个8位的RAM单元组成的，即每个计数器都是16位的计数器，最大的计数量是65536。那么这个定时/计数器是如何产生定时作用的呢?举个例子，如果将时钟定时到1分钟，那么秒针计数到60次后，时钟闹铃就会响。这里有个计数和定时之间的概念转化，时间表示为秒针计数值，即秒针每一次走动的时间正好是ls。

单片机中的定时器和计数器是复用的，计数器是记录外部脉冲的个数，而定时器则是由单片机提供的一个非常稳定的计数源。定时器是由单片机的晶振经过12分频后获得的一个脉冲源。当单片机的晶振为12MHz时，计数值1代表的时间就是1us。计数器的容星是16位，也就是最大的计数值到65536，因此计数计到65536就会产生溢出。当定时器/计数器计溢出时，就会使得相关的寄存器标志产生变化，单片机将由此I而产生定时中断，在中断服务程序中处理定时到而需要完成的任务。

AT89S51平时是掉电的，INT0或INT1的下降沿唤醒CPU。当INT0出现下降沿之后恢复为高电平时，CPU被唤醒，执行完INT0的中断服务程序后，CPU进入掉电状态，这时INT1的下降沿唤醒CPU时，只执行INT1的中断服务程序，这时很正常。而如果是INT0出现下降沿后保持为低电平时，CPU被唤醒，执行完INT0的中断服务程序后，CPU进入掉电状态，这时INT1的下降沿唤醒CPU时，先执行INT0的中断服务程序，然后才执行INT1的中断服务程序。

3.3.2 热释电红外传感器RE2008介绍

图3.5热释电红外传感器实物图

图3.6热释电红外传感器内部电路图

热释电红外传感器是一种非常有应用潜力的传感器。它能检测人或某些动物发射的红外线并转换成电信号输出。

热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。热释电效应是指当一些晶体受热时，在晶体两端产生数量相等而符号相反的电荷，由于热变化产生的电极化现象。热释电传感器由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

人体都有恒定的体温，一般在37°C左右，会发出10mm左右特定波长的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后经检测处理后就能产生电压信号。被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元件，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出[6]。

3.3.3 光敏电阻

光敏电阻的重要特性是它的阻值大小随着环境光的改变而改变，当环境光比较强时，它的阻值减小，相反当环境光较弱时，它的阻值就会增大，这是跟它本身的制作材料有关的[5]。本文的智能节能台灯设计也是利用了光敏电阻的这一特性，用它来感应环境光的强度。若是环境光较强的时候，比如白天时，光敏电阻的阻值就很小，传感器信号处理电路会根据它的阻值进行相应的处理；相反当环境光较弱的时候，比如晚上或者阴天时，它的电阻值就会变大，同时热释电红外传感器要是检测到有人在附近时，传感器信号处理电路就会把这些信号经过处理传到单片机控制电路，从而启动点亮台灯。所以光敏电阻对环境光的检测在电路中也很重要。对光敏电阻要求也很高，要对环境光比较敏感，及时把信号传送到信号处理检测电路。要了解光敏电阻是如何工作的，先要对它的组成材料和内部构造有一定的了解，下面介绍光敏电阻的一些特性。

图3.7 光敏电阻实物图

光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，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。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）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。 1、光敏电阻工作原理

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 2、光敏电阻的分类

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线；红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中；可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统。

3、光敏电阻的主要参数

光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性光谱特性，频率特性，温度特性。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流。

3.3.4 BISS0001芯片介绍

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。 1、主要特性

◆ 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，进行信号预处理 ◆ 双向鉴副器可有效抑制干扰

◆ 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，调节范围宽 ◆ 内置参考电源

◆ 工作电压范围宽+3V～+5V ◆ 采用16脚DIP封装

芯片引脚连接图如下：

图3.8 BISS0001外引线连接图

2、引脚说明

1 A I 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

2 VO O 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。

3 RR1 -- 输出延迟时间Tx的调节端 4 RC1 -- 输出延迟时间Tx的调节端 5 RC2 -- 触发封锁时间Ti的调节端 6 RR2 -- 触发封锁时间Ti的调节端 7 VSS -- 工作电源负端

8 VRF I 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 9 VC I 触发禁止端。当VcVR时允许触发(VR≈0.2VDD) 10 IB -- 运算放大器偏置电流设置端 11 VDD -- 工作电源正端

12 2OUT O 第二级运算放大器的输出端 13 2IN- I 第二级运算放大器的反相输入端 14 1IN+ I 第一级运算放大器的同相输入端 15 1IN- I 第一级运算放大器的反相输入端 16 1OUT O 第一级运算放大器的输出端 3、BISS0001的工作原理

BISS工作方式分为两种：不可重复触发工作方式和可重复触发工作方式。 我们先以下图所示的不可重复触发工作方式下的波形来说明BISS0001的工作过程

:

图3.9不可重复触发工作方式下的波形

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。

以下图所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。

图3.10可重复触发工作方式下的波形

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时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。

本次设计的系统需要实时监测外部环境的变化，所以采用可重复触发的工

作方式。

3.3.5 3-8线译码器74LS138

74LS138为3线-8线译码器，共有54/74S138和54/74LS138两种线路结构型式。其芯片引脚图如下图所示：

图3.11 74LS138引脚图

1、74LS138引脚说明

1、2、3号引脚为信号输入端，7、9～15号引脚为信号输出端，4、5、5号引脚为使能端，8号引脚接地，16号引脚接电源正极。 下面就74LS138的真值表来具体说明其工作过程：

表3.3 74LS134集成译码器功能表

2、工作原理

当一个选通端（E3）为高电平，另两个选通端（/E1)和(/E2)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。 利用 E1、E2和E3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配器。

3.3.6 D/A转化芯片DAC0832

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。 1、DAC0832的主要特性参数 ◆ 分辨率为8位； ◆ 电流稳定时间1us；

◆ 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； ◆ 只需在满量程下调整其线性度； ◆ 单一电源供电（+5V～+15V）； ◆ 低功耗，200mW。 2、DAC0832引脚图

图3.12 DAC0832芯片引脚图

3、引脚说明

* D0～D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；

* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；

* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； * Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V；

* AGND：模拟信号地；

* DGND：数字信号地

4、DAC0832工作原理

当ILE、/CS、/WR1同时有效时，LE=1，输入寄存器的输出随输入而变化。/WR1信号为上升沿时，LE=0，将输入数据锁存到输入寄存器。当/XFER、/WR2同时有效时，LE2=1此时DAC寄存器输出随输入而变化。/WR1信号为上升沿时，LE=0，将输入数据锁存到DAC寄存器，数据进入D/A转化器，开始D/A转换。

5、DAC0832的工作方式

DAC0832有两种工作方式：单缓冲工作方式和双缓冲工作方式。当DAC0832工作于单缓冲工作方式时，两个寄存器其中DAC寄存器工作于直通状态，输入

寄存器工作于受控锁存器状态。在不要求多相D/A 同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作就开始转换，这样可以提高D/A的数据吞吐量。

当DAC0832工作于双缓冲工作方式时，两个寄存器均工作于受控锁存器状态。当要求多个模拟量同时输出时，可爱用双重缓冲方式。

本次设计的系统只要求1个模拟量的输出，所以采用单缓冲工作方式。

3.3.7 四运算放大器LM324

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之

一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输出电压范围也包含负电源电压。

1、LM324特性

◆ 短跑保护输出

◆ 真差动输入级

◆ 可单电源工作：3V-32V

◆ 低偏置电流：最大100nA

◆ 每封装含四个运算放大器。

◆ 具有内部补偿的功能。

◆ 共模范围扩展到负电源

◆ 行业标准的引脚排列

◆ 输入端具有静电保护功能

2、LM324结构

图3.13 LM324引脚图

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同[7]。

3.4电路原理图的绘制和电路的焊接

在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。在第二章中已分析了系统并绘制了框图，并根据框图分别设计了各部分电路。在PROTEL上对原理图进行了绘制，从而得出了最终的完整电路原理图以及系统的PCB板图[附录1、附录2]。

3.4.1 PROTEL简介

PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server （客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。Protel 99SE采用数据库的管理方式。该软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 99大体相同，新增加了一些功能模块，功能更加强大。新增的层堆栈管理功能，可以设计32个信号层，16个地电层，16个机械层。新增的3D功能在加工印制版之前可以看到板的三维效果。其具有的打印功能，可以轻松修改打印设置控制打印结果。Protel 99SE容易使用的特性还体现在其帮助功能，按下右上角的小问号，然后输入你所要的信息，可以很快地看到特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用帮助顾问[8]。

3.4.2 电路的焊接

当通过PROTEL绘制出完整的电路原理图后，就可以按照绘制好的原理图进行电路的焊接，焊接时要注意虚焊和短路情况出现。焊接是要先焊单片机的主电路，以便

于对各部分电路的测试。当焊完一部分子电路后，要先输入子程序进行检测，看是否有输入或输出。焊完后，就可以进行电路总体性能测试了。在测试之前，一定要先对电路检测，看是否有短路情况出现，以免芯片损坏[9]。电源输入电压也是关键因素，在供电之前先量量。

3.5 本章小结

本章详细介绍了以8051单片机为核心芯片的硬件电路图及其涉及到的一系列硬件。详细介绍了光敏电阻、RE200B传感器、AT89S51芯片、BISS0001芯片、74LS138芯片、DAC0832A/D转换芯片的资料，包括引脚图极其引脚的作用。了解这些芯片的功能之后利用他们设计传感器及信号处理部分电路和在单片机控制下的灯光控制电路并分析他们具体如何工作。本系统以AT89S51为控制芯片，通过74LS138，DAC0832A/D转换把控制信息传达到台灯，控制台灯的工作。硬件设计的好坏是本系统是否稳定、可靠工作的关键。最后用PROTEL绘制完成系统电路图以及PCB图并完成系统硬件的焊接工作。

4 系统程序设计

4.1 系统总体程序框图

图4.1 系统程序总体框图

上图为基于单片机控制的红外智能台灯系统程序总体框图。本系统因为单片机控制的器件比较少，所以程序较为简单。程序开始时，对系统所有数据进行初始化开启所有中断并启动计时器，然后设置中断返回入口。因为系统要求对外部环境要进行实时的检测，所以程序要不断的进行循环。

4.2 主程序流程图

图4.2 整个系统程序流程图

程序开始后，对程序进行初始化。向P0脚写入低电平，开启所有中断，启动计数器。当中断1来时，进入中断1，设置R0为0，调用延时程序TIME0（延时10ms），判断R0是否等于7，若不是，则加1，继续发送数据进入循环，直至R=7，即实现的是灯慢慢变亮的一个过程。当中断0和中断1同时产生时，根据优先级，屏蔽掉中断1，开启中断0。调用延时程序TIME0（延时1分钟），查询中断0控制位;防止人体不小心到达热释电探测器的探测范围内，采用延时程序来排除干扰，防止误判[11]。若为0，则返回主程序；若为1，则向P0高四位发送数据，使灯保持原来最亮状态，调用延时程序TIME1，判断R0是否等于0，若是则中断返回，若不是，则R0减1，继续循环，直至R0等到于0，此程序的目的是实现灯慢慢变暗。

基于对以上程序流程的理解写出了完整的C语言源程序[附录二]。

4.3 本章小结

本章主要是介绍在前面硬件电路设计的基础上，对中央控制单元AT89S51的程序设计。先是把程序框图画出来，然后画出具体各个步骤的程序流程图，根据硬件电路所要实现的效果，利用C语言编出合理的程序。

5 系统仿真调试

5.1 PROTEUS对系统仿真

5.1.1软件Proteus概述

Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 ②支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。③提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件。④具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大[12]。

5.1.2 Proteus对系统仿真

根据设计要求，从元件库中找出所需要用到的元件。在本次智能节能台灯设计中，用到了单片机芯片AT89S51，74LS138译码器，DAC0832转换芯片等。热释电红外信号处理芯片BISS0001在元件库中没有，需要利用Proteus绘图工具栏自己画一个。此外系统用到了一些电容，电阻和蜂鸣器等，都在相应的元件库中找。

下面是整个系统的仿真电路图

图5.1红外智能台灯仿真电路图

图5.2 信号处理部分电路仿真图

5.2 系统的调试

在硬件电路焊接和软件程序设计分别完成的基础之上，进行软硬件的结合与调试。通过下载将在电脑上已完成的程序下载到单片机芯片中。在调试中发现软件中存在的问题，及时解决问题，确保系统能正常工作并达到设计要求。通过反复的调试与实验，可以证明该系统能够较好地完成设计所需的基本要求。

5.3 本章小结

实践是检验真理的唯一标准，那么要检验程序是否正确，就要利用PROTEUS仿真软件对整个电路系统进行仿真，仿真结果能实现硬件设计要求的话就说明程序是没问题的。

结束语

通过本次设计系统，使自己熟悉了电路的开发和制作及论文的编著写。在系统设计和论文写作中遇不少难题，但通过各种方法进行了解决。

本系统的主要设计思想来源于生活。台灯是一般家庭的生活必需品，但由于经常忘记关灯而造成巨大的能源浪费。全球这么多台灯，估算一下，消耗能源可观。另一个是作为一个必需品，当然要使生活变得更方便，省去了黑暗中开灯的麻烦，并且可以纠正坐姿。热释电红外探测器1的距离是4m左右（距离可调），主要是因为般来说是门离书桌的距离;以便黑暗中时人一到门口则启动，省去了开灯的麻烦，用户可以根据自己的实际情况进行距离调节。热释电红外探测器2的距离是10cm左右（距离可调），主要考虑是当学习时，有时坐姿不正，引起身体离桌面太近，容易引起近视，此时台灯发出警告，提醒注意，若在设定的时间内未离开，则强制熄灭。有时人学习累了，趴在桌子上睡觉，而忘了关灯,这时系统就会检测到，从而启动延时程序，一段时间过后，台灯就会自动熄灭。

本系统的主要技术难点在于对人体红外信号的采集及处理。由于采用的是热释电红外传感器，当人体进入其感应范围时，传感器就会产生几mV信号，然后通过以BISS0001为中心的信号处理电路，对信号进行二次放大，并滤波，以防止外界的信号产生干扰。信号经过BISS0001后从而转化为数字信号输出，便于用单片机进处理。

本系统制作的主要设计源泉来源于生活，因此创新之处也在于处理生活中一些比较常见的问题。以专门感应人体红外信号的热释电红外传感器为基础，以BISS0001信号处理电路，利用单片机进行处理，以达到便于控制的目的。当房间亮度不够时，且有人在附近时，台灯便会自动点亮，省去了黑暗中摸开关的麻烦；当学习时由于靠桌面太近，造成坐姿不正，系统就会提示，以纠正坐姿，防止近视；当学习太累了时，趴在桌子上睡会儿时，台灯就会自动熄灭；当无人在时，系统也会使台灯自动熄灭，以达到节省能源的目的。除了硬件部分采用防干扰技术外，在软件中也采用了防干扰技术，当中断0产生时，并不立即执行，而是对其进行延时，防止由于不小心而进入到探测器2的范围内，以免产生误判。

虽然本系统以达到了使生活方便的目的，但是电路还是不够简单。因为当有多个热释电红外传感器时，就需要相应的信号检测电路。改进之处在于用一个信号处理电

基于单片机控制的智能台灯

路同时控制多个传感器。还有一个不足之处在台灯开启时，产生的光强容易干扰光敏电阻对环境光强的判别，引起误判，现在的处理方法是传感器部分与控制部分单独分开放置。同时智能台灯还可以拓展一些闹钟或者定时提醒休息等功能。

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