智能台灯的设计与实现(共17页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业智能台灯的设计与实现摘 要: 随着科技的快速发展，人们享受着科技给生活带来的便利和生活品质量的提升，与传统的产品相比，具有高科技含量的产品有着明显的优势，也更受人们的欢迎。有了高科技的支持，家用电器的功能相比较以前更全面，也更偏向智能化。智能台灯的设计以单片机为中央控制单元，主要由热释电红外传感器，光强信号处理电路和LCD时间温度显示电路组成，软件选用C语言编程。中央控制单元处理红外传感器检测的信号和光强信号并且保障整个系统正常的运行。本系统功能强大,设计更加人性化，使用这种智能台灯提高了生活的品质，它易于操作，方便智能，将会有广阔的开发前景和实用意义。关键词: 智能台灯；热释电红外传感器；单片机 前言台灯是我们日常生活中的小家电，是我们每个家庭必不可少的生活和学习用品，人们使用时经常会由于粗心大意而忘记关灯，这样就会浪费很多的电能。晚上想使用时，人们又得摸黑去开灯，十分麻烦。本次设计和传统的台灯不同，它通过传感器来感应人体红外辐射进而控制台灯的亮灭。当有人出现在台灯红外检测的范围内并且光线强度较弱时，自动感应把台灯点亮；当人离开时台灯自动关闭，可以达到节约能源的目的；本设计有液晶显示屏显示时间温度，台灯工作时显示当前室温，并且有专门设置的按键调节时间。得益于传感器感应技术和智能控制系统的进一步发展，未来人们将会使用更多智能化的产品，会带来更多的便利和惊喜。智能化的家用电器已经逐渐具备科技含量，随着经济水平的普遍提高，人们对生活品质的要求比以往强烈，不再满足老式家用电器傻瓜式的手动操作和简单单一的功能。尽管在生活中传统老式的台灯还是人们使用的主体，但是它们已经满足不了人们对其智能化及节能环保功能的要求，所以台灯的设计里要加入科技的元素。智能台灯相比传统老式的台灯有很多明显的优势，智能台灯比普通的台灯更节省电能，更利于环保。在夜晚的时候自动开关灯的功能让我们省去了在黑暗中摸灯的麻烦。单片机在本次智能台灯的设计中占有重要地位，是系统的中央控制单元，外部电路由光强信号处理电路、红外传感器和LCD时间温度显示电路组成。中央控制单元处理红外传感器检测的信号和光强信号并且保障整个系统正常的运行。本设计功能强大，易于操作，方便智能，将会有广阔的开发前景和实用意义。1 绪论1.1 智能台灯的概述人们在生活和学习的时候常用台灯来照明。目前市场上销售的台灯主要立在桌子上的，还有少数是带有夹子的。台灯使用的流行主要是因为它把光线集中在某一块区域内，方便工作和学习，最重要的是照明效果好节约电能。市场上出售的台灯有不少缺点甚至是安全隐患，电源电压不是安全电压，存在潜在的危险因素；这些台灯存在频闪效应，人的眼睛在这种灯光下时间久了会损害使用者的身心健康；这些台灯不是节能的材料制作的，所以耗电量大不节能；控制台灯亮灭时，往往需要手工进行操作，在夜晚使用比较麻烦。智能台灯比普通的台灯更节省电能，更利于环保。在夜晚的时候自动开关灯的功能让我们省去了在黑暗中摸灯的麻烦。智能台灯采用红外感应技术，所以台灯能根据所处环境光线强度和检测是否有人来自动开启台灯。随着传感器感应技术和智能控制系统的进一步发展，未来人们将会使用更多智能化的产品，会带来更多的便利和惊喜。智能化的家用电器已经逐渐具备科技含量，随着经济水平的普遍提高，人们对生活品质的要求比以往强烈，不再满足老式家用电器傻瓜式的手动操作和简单单一的功能。尽管在生活中传统老式的台灯还是人们使用的主体，但是它们已经满足不了人们对其智能化及节能环保功能的要求，所以台灯的设计里要加入科技的元素。1.2 系统设计的背景 节能环保的意义重大，我国绝大部分的电能是来源于自火力发电，而火力发电会产生大量二氧化碳。二氧化碳是一种会引起温室效应的气体，当大气中的二氧化碳过多的时候，温室效应的问题会更加严重，造成全球的温度升高，随之冰川融化海平面上升，许多海拔低的地区被淹没。此外气候变暖，雨水和土壤湿度进一步减少，土地沙漠化和草原退化等环境问题将变得更加严重，节约电能环境保护已经迫在眉睫。人们在平时的生活中使用智能台灯，节约了电能，给自己带来了方便，为保护自然环境做了贡献，这是一件多么美好的事情。1.3 系统设计的内容智能台灯的设计与实现，单片机作为本设计的中央控制单元，组成部分为光强信号处理电路、红外传感器和LCD时间温度显示电路。本设计能够实现的功能是在有人靠近台灯时且光强较弱时能自动开灯，在人离开台灯的时候自动关灯，可以达到节约电能的目的。系统配备LCD液晶屏显示时间和温度，并有按键调节时间。2 系统设计方案2.1 系统功能定义智能台灯的主要功能有以下三个：第一，当有人出现在台灯的传感器检测范围内并且光线强度较弱时，台灯自动感应点亮；第二，当人离开时台灯自动关闭，可以达到节约能源的目的；第三，液晶显示屏显示时间温度，开机显示当前室温，并且有专门设置的按键调节时间。本设计能达到的功能：光强检测光强弱且有人光强弱且无人光强强灯灭人走灯亮灯不亮灯不亮 图1 系统功能框图智能台灯的设计中单片机作为本设计的中央控制单元，组成部分为光强信号处理电路、红外传感器和LCD时间温度显示电路。本设计能够实现的功能是在有人靠近台灯时且光强较弱时能自动开灯，在人离开台灯的时候自动关灯，可以达到节约电能的目的。系统配备LCD液晶屏显示时间和温度，并有按键调节时间。台灯系统控制由AT89C52单片机为核心构成。系统硬件的框图如下： 中央控制单元传感器及信号处理器光敏电阻信号处理电路LCD显示电路 图2 系统硬件结构框图主要有以下基本分组成：a.检测外部光强、人体波长信号再经过处理成输入信号的部分由光敏电阻、RE200B传感器及BISS0001芯片组成的电路；b.中央控制单元由AT89C52单片机为核心构成，控制系统的运行；c.以LCD液晶显示屏、温度传感器及时钟电路组成的时间温度显示电路，显示实时室温，并有专门设置的按键调整时间。2.2 系统功能模块分析2.2.1 中央控制单元本次智能台灯设计中，由单片机组成的中央控制单元有十分重要的作用。这是整个系统的大脑，它发出操作命令指挥系统工作。它一方面运行传感器及信号处理部分对外部信号进行实时监测，另一方面同时控制着LCD显示电路工作情况。从而能保证整个设计的系统进行正常的运转和工作。为了满足系统设计要求，控制模块中的单片机选用AT89C52芯片，本产品利用厂家的最先进的制造技术为支撑，是一种质量高可靠性好的8位芯片，内含能多次烧入的Flash器件，包含了MCS-52系统的执行指令和89C52管脚设计，本产品还包括了常用8位CPU和ISP Flash存储单元。AT89C52单片机使用高效，确保设计的系统能够安全可靠地运行。2.2.2 信号处理单元传感器及信号处理单元在本次设计中有着举足轻重的地位。本设计选择RE200B传感器和DS18B20传感器作为红外及温度收集器件。外部信号实时监测经过传感信号处理集成电路芯片BISS0001处理后变成数字信号后，由中央控制单元分析处理。在电路中要利用热释电红外传感器采集回来的信号去对台灯进行控制。因为收集的信号将直接指挥系统的控制行为，所以对红外传感器的质量和可靠性要求比较高。第一点，传感器要对人体发出的红外波长感应很灵敏，而对其他的物体发出的红外波长不感应。第二点，它要能够感应一定距离的红外信号，可以借助于菲涅尔透镜的聚焦作用。热释电红外传感器RE200B能检测人发出的红外线波长并转换成电信号输出。为满足以上要求，本系统选择传感器RE200B来监测。2.2.3 LCD显示电路 LCD显示电路体现是本系统的功能一个重要模块，能实现对台灯LCD液晶屏控制从而显示时间温度的功能。以LCD液晶显示屏、时钟电路和温度传感器组成的时间温度显示电路，在台灯开机的时候就可以显示实时室温，并有专门设置的按键调整时间，使用起来方便实用，对我们的工作和学习大有帮助。2.3 本章小结 本章主要介绍了系统的设计功能的要求以及具体的功能模块。根据系统功能的要求，完成了系统硬件的框图设计。然后分别介绍了LCD显示时间温度、中央控制单元和传感器及信号处理等模块功能的分析以及主要器件的选择要求。3硬件电路原理及设计热释电红外传感器温度传感器光敏电阻电灯控制电路时间温度显示电路信号 处理电路单片机AT89C523.1 系统硬件电路工作原理 图3 系统硬件组成框图系统是在单片机AT89C52控制下工作的。台灯系统的工作情况：当光强变强时，光敏电阻阻值小，检测到电路中的低电平，热释电红外传感器停止工作，中央控制单元不做出反应。当光强变弱时，光敏电阻阻值大，接收到电路中的高电平，从而热释电红外传感器开始工作。当有人进入到传感器的检测范围内且光强较弱时，检测电路发出信号，并向单片机发送一个中断，中央控制单元启动电灯控制电路，台灯点亮。当人体走出传感器的检测范围时，台灯熄灭。3.2 功能模块电路工作原理3.2.1 传感器及信号处理图4 传感器及信号处理部分电路图由光敏电阻、热释电红外传感器RE200B和BISS0001芯片组成的信号检测电路。热释电红外传感器只能检测到人体辐射红外线波，因此当检测到其他物体的时候不会触发信号接收电路。环境背景的作用对两个热释器件差不多有同样的影响，让其发生释电效应相互不产生作用，让检测器没有输出信号。当有人进入检测范围时，人的红外辐射由于部分镜面的作用而聚焦，同时被热释器件接收，当两个热释电器件接收到的人体红外辐射不同，热释电是不同的，无法消除，然后输出探测到的信号。 BISS0001是多种器件组成的数模混合的一种专用集成电路。在环境光线强度强时，光敏电阻的阻值小，电路检测出低电平，传感器停止工作无信号输出。在环境光线强度弱时，光敏电阻的阻值大，电路检测出高电平，传感器开始工作，产生有信号输出。光线强度检测是一个重要部分，有两个关键的元件，一个是光敏电阻，一个是可变电阻，其中光敏电阻的检测能力的强弱是由可变电阻来控制的。3.2.2 单片机控制下的LCD显示电路 图5 单片机控制下的LCD显示电路图 由单片机组成的LCD显示电路。由几个的相互独立电路组合成一个以单片机为中心的时间显示电路；温度传感器选择DS18B20来收集信号，时间的星期、时、分的数字可以调节，时间显示部分的主要是通过液晶屏LCD1602来显示时间温度信息。3.3 主要器件介绍3.3.1 AT89C52单片机简介 单片机芯片选择了AT89C52芯片。为了满足系统设计要求，控制模块中的单片机选用AT89C52芯片，本产品利用厂家的最先进的制造技术为支撑，是一种质量高可靠性好的8位芯片，内含能多次烧入的Flash器件，包含了MCS-52系统的执行指令和89C52管脚设计，本产品还包括了常用8位CPU和ISP Flash存储单元。AT89C52单片机使用高效，确保设计的系统能够安全可靠地运行。图6 AT89C52引脚图3.3.2 热释电红外传感器热释电红外传感器的工作原理是热电效应。热释电效应是指在某些晶体温度表变化时，晶体的产生等量的带相反符号的电荷，发生变电极化现象。在有人进入检测范围时，由于人体温度与环境温度有差别，就会有信号输出。人体会发出特定波长的红外线，红外探头检测人体发出的红外线波长从而开始工作的。在接收到人体红外辐射变化时，热释电元件会打破自身电荷的平衡，从而向外界释放电荷，就有了电压信号。红外探头的传感器包含两个热释电元件，电极化方向正好相反，所在环境的辐射对两个热释元件有同样的影响，产生释电效应相互抵消，所以检测器没有信号输出。3.3.3 光敏电阻光敏电阻的阻值大小是变化的，它随着所在环境光线强度的改变而改变，当环境光比较强时，它的阻值减小，当环境光较弱时，它的阻值就会增大，这是因为它特殊的制作材料决定的。当光线较强的时候，光敏电阻的阻值就很小，传感器信号处理电路会进行有关的处理；当光线较弱的时候，它的阻值就会变大，同时热释电红外传感器要是检测到有人在台灯附近时，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，要对环境光感应敏感，能迅速把信号传送到信号处理电路。3.3.4 BISS0001芯片介绍BISS0001可以自动迅速启动各种日光灯、自动门、电风扇、洗衣机和自动水龙头等装置。本芯片是一种高技术产品，已经广泛用于企业、酒店、超市、仓库及住宅的过道等特殊区域，或用于特殊区域的智能开关灯、照明及警报系统。主要功能如下： a. 为CMOS AD混合特殊的电路； b. 具有一个高输入阻抗运算放大器传感器连接进行信号处理； c. 具有双向的鉴幅器，能消除一定的干扰； d. 内部设置有延迟功能的定时器和封锁功能的定时器； e. 结构优化，安全稳定，调解范围宽； f. 正常工作电压：26V。3.3.5 液晶屏LCD1602LCD1602简介：LCD1602液晶显示器是一种点阵式，工作电压有两种模式可选，3.3或5V，对比度可调，并含有复位电路，提供多种控制命令，我们可以自定义字符发生器CGRAM。 1602LCD 主要技术参数：a.屏幕参数：32个字符；b.芯片工作电压:4.55.5V ；c.工作电流:2.0mA；d.模块最佳工作电压:5.0V ；e.字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm。 图7 显示器实物图 图8 LCD引脚图引脚功能：第1脚：GND为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为LCD调节对比度的端口。接正电源时，对比度弱，接地时，对比度高。第4脚：RS为选择端口。第5脚：RW为读写端口。当读写信号线高电平时为读操作，反之，低电平写操作。第6脚：端口为使能端,负电平时操作命令。第714脚：端口为8位数据传输端。第1516脚：电源或空端口。3.3.6 ADC0804芯片 ADC0804是一种质量好的可靠性高的，这一类的A/D转换器优点明显，价格低廉、传输信号速度快、分辨率高，应用广泛。ADC0804主要技术指标如下： a.高阻抗状态输出 b.分辨率：8 位(0-255) c.存取时间：135 ms d.转换时间：100 ms e.总误差：-1-+1LSB f.工作温度：ADC0804C为0度-70度；ADC0804L为-40 度-85 度 g.模拟输入电压范围：0V-5V h.参考电压：2.5V i.工作电压：5V j.输出为三态结构 图9 ADC0804引脚图3.3.7 温度传感器 DS18B20温度传感器是一种常用的传感器，具有短小精悍，价格低廉，测量准度高的特点。DS18B20数字温度传感器应用广泛，能应用于很多功能不同的电路，同时型号也是多种多样。封装后的DS18B20可用于钢水测温，极地测温，仓库测温，温室测温，实验室测温，医院病房测温，冷库测温等极端条件测温场所。本产品还适用于某些空间较小的区域进行数字测温和控制温度领域。主要特征：a.检测、输出和显示数字温度。b.单条总线的数据通信技术。c.拥有最高12位的分辨率，测试精度能达到负零点五至正零点五摄氏度。d.750ms的MAX工作周期，MAX分辨率时达到e.可以用寄生的工作方式。f.测温的范围：-55至+125摄氏度g.内部设置报警装置。h.内置设有编号，能够多台机器使用3.4 本章小结 本章介绍了以单片机AT89C52为中央控制单元的系统组成部分。详细介绍了光敏电阻、热释电红外传感器传感器RE200B、单片机AT89S52、BISS0001芯片、ADC0804转换芯片的资料，包括引脚图及引脚的作用。了解这些芯片的功能之后利用它们设计电路，更加了解在单片机控制下的具体工作情况。4 系统程序设计4.1 系统总体程序框图 图10 系统程序总体框图4.2 主程序流程图 图11 整个系统程序流程图程序初始化LCD清屏显示有按键按下时钟芯片赋初值取时钟、温度温度采集LCD1602显示温度显示温度变化按键中断程序YN图12 LCD显示程序流程图4.3 本章小结本章主要是介绍对中央控制核心AT89C52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，根据硬件电路所要求实现的功能，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概述仿真软件是英国的一家公司开发的软件，可以完成单片机电路的仿真与分析，配备强大全面的元件库能完成多种电路的仿真。强大的绘图功能并支持第三方的电脑语言编译和调试，调试的时候可以同时观测到各个数据变化，在Windows操作系统上运行。5.1.2 Proteus对系统仿真根据设计要求，从Proteus元件库中找到所需要用到的元件，画好电路图并且检查有无错误。最后通过keil uVision软件编写的C语言程序，转换成HEX文件下载到画好的的电路上进行调试。以下是系统的仿真电路图： a.当光线强度弱且有人时，台灯亮 图13 仿真图1 b.当光线强度弱且没有人时，台灯不亮 图14 仿真图2 c.当光线强度强且有人时，台灯不亮 图15 仿真图3 d.当光线强度强且没有人时，台灯不亮 图16 仿真图4 以上几种仿真结果说明：台灯只有在光线强度弱以及有人的情况下才会亮，并且能实现人来灯亮，人走灯灭，LCD显示时间和温度等功能，使用方便还可以节约电能。5.2 本章小结利用仿真软件展示所设计系统的功能，要检验程序是否正确，设计的电路图能否满足功能的要求，就要用PROTEUS软件对设计好的电路系统进行仿真。总结本次智能台灯的设计是以单片机为中央控制单元，主要由热释电红外传感器、光强信号处理电路和LCD时间温度显示电路组成。本设计功能强大，易于操作，方便智能，将会有广阔的开发前景和实用意义。其特点是能够实现在有人时且外界光强较弱时能自动开灯，在人离开的时候自动关灯，达到节约电能的目的。此外本系统还配备液晶显示屏来显示时间温度，当台灯开机时显示当前室温，并且设置有专门的按键来调节时间。根据设计要求，从Proteus元件库中找到所需要用到的元件，画好电路图并且检查有无错误。最后通过keil软件编写的C语言程序，转换成HEX文件下载到画好的电路上进行调试，利用Proteus软件对电路设计与仿真。参考文献：1 谭浩强，C程序设计（第三版），北京，清华大学出版社出版,20052 金发庆，传感器技术与应用，北京 : 机械工业出版社, 2004.8,281-2903 来清民.传感器与单片机接口实例.北京航空航天大学出版社.2008:1-15 4 蔡美琴等.MCS-51单片机系统及其应用M.北京:北京高等教育出版社,1992.15-18.5 黄贤武等.传感器原理及应用M.成都:电子科技大学出版社,1999.110-210.6 陈忠平.基于Proteus的单片机设计与仿真.电子工业出版社.2012.57 李光飞 .单片机课程设计实例指导 .北京：北京航空航天大学出版，20048 黄晓东.单片集成MEMS电容式压力传感器研究.东南大学.2005:30-35 9 程素娥.基于FPGA的智能压力传感器系统.潍坊学院.2009 10 李朝青.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社.1999