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3 系统硬件核心器件介绍教室节能照明智能控制系统硬件系统硬件核心器件介绍1.1 AT89C51单片机器件简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4KB闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）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1。如图1.1为AT89C51外形图。图1.1 AT89C51外形图a. 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西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文）写周期；全静态操作：0Hz24MHz；1288字节内部RAM；32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。6（1）AT89C51结构框图于引脚说明10。图1.2 AT89C51结构框图AT89C51结构框图如图1.2所示。 b. 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11。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MOV A，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（也即特殊功能寄存器（SFR）区总R2寄存器的内容），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2。表1.1 P3口第二功能P3端口第二功能第二功能说明P1.0RXD串行口输入端P1.1TXD串行口输出端P1.2外部中断0输入端P1.3外部中断1输入端P1.4T0定时器/计数器0外部信号输入端P1.5T1定时器/计数器1外部信号输入端P1.6外部RAM写选通输出信号P1.7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，可通过对特殊功能寄存器（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0000HFFFFH），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则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3。1.2人体红外检测器件简介1.2.1热释电红外传感器热释电红外传感器(Pyroelectric Infrared Sensor，简称PIR)是20世纪80年代发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。13如图1.4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1.5是该传感器的典型应用电路图。图1.4 RE200B实物图图1.5 RE200B应用电路a. 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21mm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、下两部分各分成若干等份，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1020m范围内人的行动。b. 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，一般手机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。1.2.2菲涅耳透镜菲涅耳透镜（Fresnel len），又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯丁简菲涅耳所发明的一种透镜。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1.6为菲涅尔透镜实物图。图1.6 菲涅尔透镜实物图a. 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发明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）表面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1.7是常用圆形镜片外观示意图。图1.7 圆形镜片外观示意图如图1.8是三区多段镜片垂直和平面感应图。图1.8 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1.9，是圆形镜片探测效果图。图1.9 圆形镜片探测效果图b. 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。c. 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。这部分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910m测元件的波长灵敏度在0.220m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710m，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，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。1.2.3热释电传感器信号处理芯片a. SS0001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。如图1.10为芯片的实物图和外观引脚图。表1.2为芯片引脚功能说明表。(a)(b)图1.10 BISS0001芯片实物图与外观图 (a)实物图 (b)外观图表1.2 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(VR0.2VDD)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b. 功能叙述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1.3 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 =3V50A100VOS输入失调电压50mVIOS输入失调电流50nAAVO开环电压增益RL=1.5M60dBCMRR共模抑制比RL=1.5M60dBVYH运放输出高电平RL =500K接0.5VDD4.25VVYL运放输出低电平0.75VVRHVC端输出高电平VRF=5V1.1VVRLVC端输出低电平0.9VVOHVO端输出高电平IOH=0.5mA4VVOLVO端输出低电平IOL=0.1mA0.4VVAHA端输出高电平1.5VVALA端输出低电平1.5V工作原理：如图1.11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、电压比较器、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1.11 BISS0001内部框图如下说明各种情况的工作方式。a不可重触发工作方式各点工作波形：图1.12 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送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，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（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VCVR，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。b可重触发工作方式各点工作波形：图1.13 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，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。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，再经电压比较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，VO4V；无人时VO0.4V。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、窗口比较、噪声抑制及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、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。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，若VS保持为“0”状态，则VO一直保持有效状态;若保持为“0”状态，则在周期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。c. BSS0001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，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统以及多种传感器和延时控制器。1.3可见光检测器件简介1.1.1光敏电阻如图1.14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1.14 光敏电阻外形图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110M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（0.40.76）m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，光电跟踪系统等方面。 光敏电阻的主要参数是：a.光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。b. 暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。c. 灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。d.光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。e. 光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。f.伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。g. 温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。h. 额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。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。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体光敏电阻原理图及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。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复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。1.1.2电压比较器电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)：当“”输入端电压高于“”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“”输入端电压低于“”输入端时，电压比较器输出为低电平；电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此本人们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。18运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。