51单片机模拟路灯系统设计毕业论文.pdf

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1、目录 第一章 前言第一章 前言.1 1.1 课题的来源.1 1.2 课题的意义.1 第二章 方案设计第二章 方案设计.2 2.1 功能要求.2 2.2 方案论证.2 2.3 STC12C5A60S2 简介.3 第三章 系统硬件的设计第三章 系统硬件的设计.5 3.1 系统总体方案设计.5 3.2 感光电路模块介绍.6 3.3 时钟芯片 DS1302 电路.10 3.4 液晶显示模块.11 3.5 人体感应电路.14 3.6 灯光驱动模块.16 3.7 AT24C02 存储模块.错误！未定义书签。错误！未定义书签。3.8 EEPROM 存储模块.19 第四章 系统软件的设计第四章 系统软件的设计

2、.21 4.1 软件系统介绍.21 4.1.1 软件介绍.21 4.1.2 主程序介绍.21 4.1.3 主流程图.22 4.1.4 程序代码.22 第五章 调试与仿真第五章 调试与仿真.23 5.1 原理图.23 5.2 PCB 图.24 结论结论.25 致谢致谢.26 参考文献参考文献.27 附件一.28单片机模拟路灯系统设计 单片机模拟路灯系统设计 摘 摘 要：要：本设计以 STC12C5A60S2 单片机作为模拟路灯控制的核心；采用专用时钟 芯片实现精确的时钟功能，设定并显示开关时间。该控制系统根据环境明暗变化自 动开关和关灯，已达到节能的要求。系统采用线路简单、体积小的专用时钟芯片

3、DS1302，DS1302 工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时功率小于 1mW。使用 DS1302 不但使电路功耗降低，而且节省 IO 口资源。采用低功耗的字符型液晶作为显示器件，显示更为直观。使用光敏电阻来检测环境明暗的变化，光敏电阻在不同光强下电阻 会发生明显变化，单片机内部 AD 采集电阻值的变化量达到检测目的。采用对射式收 发一体光电传感器检测物体的运动，使用灵敏光电传感器更有效地实现在物体运动 过程中路灯的自动控制，达到节能的要求。挡路等电路出现故障时，单片机采集路 灯电路采样点的电压后处理采集到的数据，实现自动报警功能。该系统基于可靠地 硬件设计和稳定的软件算法实现题目的基本要求

4、。关键词：关键词：STC12C5A60S2；DS1302；光敏电阻；光电传感器SCM based street lamp control system design SCM based street lamp control system design AbstractAbstract：ThisdesignbySTC12C5A60S2microcontrollerasthesimulationofthestreetlampcontrolUsingspecialclockchiptorealizepreciseclockfunction,setanddisplaytheswitchtime.Th

5、econtrolsystemaccordingtotheenvironmentalchangesautomaticallyswitchandturnoffthelights,lightandshadehasreachedtherequirementsofenergysaving.SystemUSESaspecialclockchipDS1302simplecircuit,smallvolume,DS1302powerconsumptionislow,whileworkingtokeep data and clock information when the power is less than

6、 1 mw.UsingDS1302notonlyreducethepowerconsumptionofthecircuit,andsavetheIOportresources.AsthedisplaydeviceswithlowpowerconsumptioncharactertypeLCD,display is more intuitive.Using photosensitive resistance to detect thechangeofenvironmentlightandshade,photosensitiveresistanceunderdifferentlightintens

7、ityresistanceobviouslyhappens,MCUinternalADsamplingdetectionresistancevariationtoachieve.Basedonthesystemhardwaredesignandthestability of the software algorithm reliably realize the basic requirement ofthesubject.Keywords:STC12C5A60S2 DS1302 Photosensitive resistance Photoelectricsensor1第一章 第一章 前言 前

8、言 1.1 1.1 课题的来源课题的来源 随着全球经济的高速发展，在高速发展的背后却是不可再生能源消耗的加 剧。面对着能源危机，节能减排、低碳生活成了人们的主流。电力资源日益紧 张，这是的设计出一款智能控制软件显得尤为重要。随着经济的发展，国力的 提高，城市的形象越来越重要，因此，路灯照明系统发展迅速。每当夜晚的降 临，华灯初上，忙碌了一天的人们漫步于城市的街道，欣赏这城市的夜景，消 除一天的疲劳。路灯成了城市照明系统中不可或缺的一部分。单片机路灯控制系统是一种新型智能控制系统，它可根据季节改变引起的 天亮、天黑、时间的变化、人们不同的需要，通过按键进行调节。在智能路灯 控制系统设计中，考虑到

9、体积，功耗功能等因素，选用了性能高、功耗低、体 积小、性能价格比较高的单片机作为系统时钟及低功耗的串行作为存储路灯开、关时间的数据存储器。像这样的系统结构简单，用途广泛，常用于公路两边、桥梁两边或者工厂等，得到明显的节电效果，取得较好的经济效益，受到很高 的评价。1.2 1.2 课题的意义课题的意义 现今，单片机的应用也进入到了环保节能领域中，使其应用发展更上一层 楼。其中最为显著的就是装扮美丽城市夜景的路灯照明工程。我们都知道，路 灯的用电是一个城市公共用电的突出问题，尤其是在深夜期间，车少人少的情 况下，如何降低路灯用电，减少能耗，提高用电效率。智能路灯监控系统以单 片机为核心，主要由现场

10、系统、通讯系统、监护中心 3 部分组成。在引进此系 统后，城市的公共用电得到的明显的改善。使用单片机来控制路灯有以下优点：（1）价格低体积小、重量轻、节能环保等。因为能明显的降低控制器硬件 的成本，而且比一般微处理机更加快速，功能更加优化、全面。（2）显著改善控制的可靠性。因为使用单片机来控制电路，集成电路和大 规模集成电路大大长于分立元件电子电路的平均无故障时。2（3）采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和 上位系统机联接，可随时改变控制参数。（4）硬件电路标准化。因为在电路集成过程中采用一些屏蔽措施，可以避 免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，可靠

11、性比较高。（5）提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力,使伺服系统更趋于 智能化。（6）可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模 块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软 件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。（7）性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础，因为随着微机芯片 运算速度和存贮器容量的不断提高。第二章 第二章 方案设计 方案设计 2.1 2.1 功能要求功能要求 能够定时开关各单元路灯，并能根据环境明暗变化，自动开关灯。通过计 时系统来对时间进行有效的控制。当某个路灯发生故障，故障信号发送给主机，利用

12、显示模块以及输入模块等作为人机界面。2.2 2.2 方案论证方案论证 方案一:采用超声波测距,可以检测小车与 LED 灯之间的距离,但电路比较 复杂,程序比较麻烦,而且很难达到测距误差2 cm。方案二:采用红外反射测距,可以检测小车与 LED 灯之间的距离,从而实现 不同交通情况下自动调节灯亮状态的功能。但需要测量相位差,测量程序比较复 杂。方案三:设置红外感应点,即在规定距离的跑道上设置 S、B、S3 个感测点,将采集到信息传回,由单片机控制路灯工作状态。以上 3 种方案都可以实现不同交度较高,不易实现。方案三比较简单易行,出于综合考虑,我们采用方案三中的设通情况下自动调节灯亮状态的功能,前

13、两 种方案比较复杂,而且要求感应精置红外感应点方案。32.3 STC12C5A60S2 2.3 STC12C5A60S2 简介简介 STC12C5A60S2是 STC 生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速、低 功耗、强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统单片机8051，但速度快 8-12倍。内部集成 MAX810专用复位电路，2路 PWM，8路高速10位 A/D 转换，针 对电机控制，强干扰场合。1、增强型8051CPU，1T（1024G），单时钟/机器周期 2、工作电压5.5-3.5V 3、1280字节 RAM 4、通用 I/O 口，复位后为：准双向口/弱上拉 可设置

14、成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过120mA 5、有 EEPROM 功能 6、看门狗 7、内部集成 MAX810专用复位电路 8、外部掉电检测电路 9、时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器常温下内部 R/C 振荡器频 率为：5.0V 单片机为：1117MHz 3.3V 单片机为：812MHz 10、4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器 T0和 T1 11、3个时钟输出口，可由 T0的溢出在 P3.4/T0输出时钟，可由 T1的溢出在 P3.5/T1输出

15、时钟，独立波特率发生器可以在 P1.0口输出时钟 12、外部中断 I/O 口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升 沿中断的 PCA 模块，Power Down 模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2，INT1/P3.3，T0/P3.4，T1/P3.5，RxD/P3.0，CCP0/P1.3，CCP0/P1.3 13、PWM2路 14、A/D 转换，10位精度 ADC，共8路，转换速度可达250K/S 15、通用全双工异步串行口（UART）16、双串口，RxD2/P1.2，TxD2/P1.3 17、工作范围：-4085418、封装：LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，

16、PLCC 管脚说明：P0.0P0.7 P0：P0口既可以作为输入/输出口，也可以作为地址/数据复用总 线使用。当 P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，内部有弱上拉电 阻，无需外接上拉电阻。当 P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线 A0A7，数据线 D0D7。P1.0/ADC0/CLKOUT2：标准 IO 口、ADC 输入通道0、独立波特率发生器的 时钟输出。P1.1/ADC1 P1.2/ADC2/ECI/RxD2：标准 IO 口、ADC 通道2、PCA 计数器的外 部脉冲输入脚，第二串口数据接收端。P1.3/ADC3/CCP0/TxD2：外部信号捕获，高速脉冲输出及脉

17、宽调制输出、第 二串口数据发送端 P1.4/ADC4/CCP1/SS 非 SPI 同步串行接口的从机选择信号。P1.5/ADC5/MOSI SPI：同步串行接口的主出从入(主器件的输入和从器件的 输出)。P1.6/ADC7/SCLK SPI：同步串行接口的主口输出 P2.0P2.7：P2口内部有上拉电阻，既可作为输入输出口（8位准双向口），也可作为高8位地址总线使用。P3.0/RxD：标准 IO 口、串口1数据接收端 P3.1/INT0：非外部中断0，下降沿中断或低电平中断 P3.4/T0/INT 非/CLKOUT0：定时器计数器0外部输入、定时器0下降沿中断、定时计数器0的时钟输出。A/D

18、转换器的结构：STC12C5A60AD/S2系列带 A/D 转换的单片机的 A/D 转换口在 P1口，有8路10 位高速 A/D 转换器，速度可达到250KHz（25万次/秒）。8路电压输入型 A/D，可 做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后 P1口为弱上 拉型 IO 口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为 A/D 转换，不须 作为 A/D 使用的口可继续作为 IO 口使用。单片机 ADC 由 多 路开关、比较器、逐次比较寄存器、10位 DAC、转换结果寄5存器以及 ADC_CONTER 构成。该单片机的 ADC 是逐次比较型 ADC。主次比较型 ADC 由一个

19、比较器和 D/A 转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输 入电压与内置 D/A 转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量 逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型 A/D 转换器具有速度高，功耗低等优 点。需作为 AD 使用的口先将P1ASF 特殊功能寄存器中的相应位置为1，将相 应的口设置为模拟功能。图2.1 STC12C5A60S2引脚图 第三章 第三章 系统硬件的设计 系统硬件的设计 3.1 3.1 系统总体方案设计系统总体方案设计 硬件系统主要由时钟电路、EEPROM 电路、LCD 显示电路、感光电路、键盘 控制电路、灯光驱动电路、人体感应电路和单

20、片机控制电路等部分组成。设计 的系统总框图如图 3.1 所示。6图 3.1 系统模块组成图 3.2 3.2 感光电路模块介绍感光电路模块介绍 本设计要求，各单位路灯能根据环境明暗变化，自动开关灯，因此需要加 入光敏器件。当周围太暗是，光敏传感器就要给出一个信号，相应的原件就会 产生反应。光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。在特定波长的光照射下，其阻值会减小。其原因是由 于光照产生的载流子形成一个通路，在外加电场的作用下运动，从而使光敏电 阻器的阻值迅速下降。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

21、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）就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电 流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定 的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光 敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。其结构如图 3.2 所示：7图 3.2 光敏电阻结构图 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。光敏 电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直

22、流电压，也可以加交流 电压。光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。通常 光的作用下，它的电阻变小，这种现象被称为光学波导效应，因此，光敏电阻 器，也被称为光导管。光敏电阻是一种由金属硫化物，硒化物，碲化物所合成 的半导体。通常情况下通过涂敷，喷涂，烧结或在绝缘基板上，产生一层光敏 电阻器元件和在梳状欧姆电极，然后取出引线，封装在一个密封的壳体，具有 透光性的反射镜，防止水分影响其灵敏度，如图 3.3 所示。在黑暗的环境中，它的电阻值很高，当暴露在光线下时，只要光子的能量大于半导体材料的带隙，在光子能量的吸收电子价带到导带的跃迁能，并有一个带正电的价带中的孔，通过该光电子-

23、空穴对的产生增加在半导体材料的载流子的数目，电阻率变小，从而使光敏电阻压降。光线强度与电阻值成反比，入射光消失了，被光子激发 产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻逐渐恢复了原有的值。图 3.3 光敏电阻实物图8(1)暗电阻、亮电阻 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。此 时流过的电流称为暗电流。例如 MG4121 型光敏电阻暗阻大于等于 0.1M。光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。此时流过的电流称为亮电流。MG4121 型光敏电阻亮阻小于等于 1K。亮电流和暗电流之间的差值称为光电流。显然，暗阻越大越好，光敏电阻 阻值黑暗与光明的阻力尽可

24、能小，那暗电流较小，亮电流较大，使光敏电阻的 灵敏度高。(2)伏安特性 在一定光照强度下，光敏电阻两端所通过的电流与光敏电阻两端电压之间 的关系，称为伏安特性。由图 3.4 可知，光敏电阻伏安特性近似直线，而且没有饱和现象。受耗散 功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压，图中虚 线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。图 3.4 光敏电阻的伏安特性(3)光电特性 光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图 3.5 所示，光 敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适合做检测元件，这是光敏电阻的缺点之 一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。9图 3.5 光敏

25、电阻的光电特性(4)光谱特性 对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的 光谱特性如图 3.6 所示。从图中看出，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅 的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来 考虑，才能获得满意的结果。图 3.6 光敏电阻的光谱特性(5)频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光 照突然消失时，光电流也不立刻为零。这说明光敏电阻有时延特性。光敏电阻 的时延特性与不材料有关，不同的材料会有不同的频率特性。图 3.7 给出相对 灵敏度 Kr，与光强变化频率 f 之间的关系曲线。8I（mA）642204

26、06080100E(lx)10图 3.7 光敏电阻的频谱特性(6)温度特性 光敏电阻受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。温度的变 化对光谱特性也有很大影响。3.3 3.3 时钟芯片 时钟芯片 DS1302 DS1302 电路电路 芯片 DS1302 是由美国 DALLAS 公司生产的一种高性能、低功耗、带 RAM 的 实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，工作电压 为 2.5V-5.5V。芯片 DS1302 采用三线接口与 CPU 进行同步通信，能用突发方式 一次传送多个字节的时钟信号或者 RAM 数据。芯片 DS1302 是芯片 DS1202 的升级产品，其

27、内部有一个 31x8 的用于临时性 存放数据的 RAM 寄存器。它可以兼容 DS1202，但是增加了主电源/后背电源双 电源引脚，能同时对后背电源提供涓细电流的充电。芯片 DS1302 有 12 个寄存器，其中 7 个寄存器与日历、时钟相关。此外，还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器和与 ARM 相关的 寄存器等。引脚功能及结构：DS1302 的引脚排列，其中 Vcc1 为后备电源，Vcc2 为主 电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302 有 Vcc1 或 者 Vcc2 中的较大者供电。当 Vcc2 大于 Vcc1+0.2V 时，Vcc2 给 DS13

28、02 供电。当 Vcc2 小于 Vcc1 时，DS1302 由 Vcc1 供电。RST 是复位/片选线，通过 RST 输11入驱动置高电平来启动所有数据的传送。X1 和 X2 是震荡源，外接 32.768KHz 晶振。SCLK 始终是输入端。VCC21X12X23GND4CE5I/O6SCLK7VCC18U4DS1302Y232.768KHZGND+5BATTERYGND图 3.8 实时时钟芯片 DS1302 3.4 3.4 液晶显示模块液晶显示模块 LCD1602A 是一种工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。（16 列 2 行）。在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生

29、。液晶显示模块已作为很 多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中 都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面 中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。发光管 和 LED 数码管比较常用，软硬件都比较简单。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作 更加方便。（3）液晶显示器

30、通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 IC 上，因而耗电量比其它显示器要少得多。12引脚说明：第 1 脚：VSS 为地电源。第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时 对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器 调整对比度。第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令 寄存器。第 5 脚：R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作

31、。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数 据。第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行 命令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。第 15 脚：背光源正极。第 16 脚：背光源负极。1602LCD 的 RAM 地址映射以及标准字库表:LCD1602 液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了 160 个不同的点阵字 符图形，这些字符图有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日 文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大

32、写的英文字母“A”的代码 是 01000001B（41H），显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我 们就能看到字母。它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：1 为高电平，0 为低电平）。指令 1：清显示，指令码 01H，光标复位到地址 00H 位置。指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H。指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平 左移。S：屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。13指令 4：显示开关控制。D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示。C：控制光标的开与关，高电平表示有

33、光标，低电平表示无 光标。B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光 标。指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线。N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示。F：低电平时显示 5X7 的点阵字 符，高电平时显示 5x10 的点阵字符（有些模块是 DL：高电平时为 8 位总线，低电平时为 4 位总线）。指令 7：字符发生器 RAM 地址设置。指令 8：DDRAM 地址设置。指令 9：读出忙信号和光标地址。BF 为忙标志位，高电平表示忙，此时模 块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示

34、不忙，模块就能接收相应的命令 或者数据。指令 10：写数据。指令 11：读数据。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模 块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显 示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符。本设计的灰度调节是采用 10k 电阻和 1.5k 电阻分压的形式，灰度适 中。液晶显示电路如下:1234567891 01 11 21 31 41 51 6U216PINGND+5+5GNDGND+5GNDR110KR21.5K图 3.9 液晶显示电路143.5 3.5 人体感应电路人体感应电路 在自然界，任何高于绝对温度（-273 度）时

35、物体都将产生红外光谱，不同 温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高 低是相关的。在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为 8 一 12um 之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自 然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人 体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通 过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度 的差异。另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射

36、式和反射 式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在 PIR 上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的 移动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化热释红外信号，这样 PIR 就能 产生变化的电信号。人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10 微米左右的 红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10 微米左右的红外线而进行工 作的。人体发射的 10 微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感 应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温 度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后

37、续电路经检测处理后就能 产生报警信号。（1）这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为 10 微 米左右的红外辐射必须非常敏感。（2）为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的 菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。（3）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。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。15（4）人一旦侵入探测区域内，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

38、而报警。（5）菲泥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。被动式热释电红外探头的优缺点：优点是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。缺点是：（1）容易受各种热源、光源干扰（2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。（3）易受射频辐射的干扰。（4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时 失灵。红外线热释电传感器的安装要求：红外线热释电人体传感器只能安装在室 内，其误报率与安装位置和方式有极大的关系。正确的安装应满足下列条件：（1）红外线热释电传感器应离地面 22.2 米。

39、（2）红外线热释电传感器远离空调,冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地 方。（3）红外线热释电传感器和被探测的人体之间不得间隔家具、大型盆景、玻璃、窗帘等其他物体。（4）红外线热释电传感器不能直对门窗及有阳光直射的地方，否则窗外的 热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电 传感器也不要安装在有强气流活动的地方。（5）安装探测器的天花板或墙要坚固，不能有晃动或震动。红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外 线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直 的方向)移动则最为敏感.在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求 得

40、最佳检测灵敏度极为重要的一环。16图 3.10 为人体感应模块内部图。本设计将人体感应模块的输出信号端，利 用三极管的放大原理，将信号放大，来驱动发射模块发射信号。图 3.10 人体感应模块电路图 3.6 3.6 灯光驱动模块灯光驱动模块 本系统中采用一个 1w 的 LED 模拟路灯，它是由一个三极管来驱动的，利用 三极管的开关放大作用来驱动灯。再利用单片机的 PWM 占空比来实现灯的不同 程度亮暗控制。其电路图如图 3.11 所示：R121KA1K2D1LEDQ1ss8550GND+5图 3.11 led 驱动电路17AT24C02 提供电可擦除的串行 1024 位存储或可编程只读存储器(E

41、EPROM)128 字(8 位/字)。芯片在低压的工业与商业应用中进行了最优化。AT24C01 的封装为 8 脚 PDIP、8 脚 JEDEC，SOIC、8 脚 TSSOP，通过 2 线制串行 接口进行数据传输。另外,整个系列有2.7V(2.7V至5.5V)和1.8V(1.8V至5.5V)两个版本。设备操作：C L O C K 和 D A T A 变化：SDA管脚通常外都要拉高。SDA管脚上的数据 只能在SCL低期间改变。数据在SCL高期间改变定义为一个开始或停止信号。开始状态：在任何操作之前必须有一个开始信号-在SCL为高时SDA上产 生一个下降沿。停止状态：SCL为高时SDA产生一个上升沿

42、是停止信号，停止信号后将停止 所有通信。在一个读的序列之后，停止信号将让EEPROM进入备用电源模式。I2C(InterIntegrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线 式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初 为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状 态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件 的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等 多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。I2C总线的硬件结构：I2C串行总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线

43、SDA，另一根是时钟 线SCL。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的 时钟线SCL接到总线的SCL上。为了避免总线信号的混乱，要求各设备连接到总线的输出端时必须是开漏 输出或集电极开路输出。设备上的串行数据线SDA接口电路应该是双向的，输出 电路用于向总线上发送数据，输入电路用于接收总线上的数据。而串行时钟线 也应是双向的，作为控制总线数据传送的主机，一方面要通过SCL输出电路发送 时钟信号，另一方面还要检测总线上的SCL电平，以决定什么时候发送下一个时18钟脉冲电平；作为接受主机命令的从机，要按总线上的SCL信号发出或接收SDA 上的信号，也可以向SCL线发

44、出低电平信号以延长总线时钟信号周期。总线空闲 时，因各设备都是开漏输出，上拉电阻RP使SDA和SCL线都保持高电平。任一设 备输出的低电平都将使相应的总线信号线变低，也就是说：各设备的SDA是“与”关系，SCL也是“与”关系。总线的运行（数据传输）由主机控制。所谓主机是指启动数据的传送（发 出启动信号）、发出时钟信号以及传送结束时发出停止信号的设备，通常主机都 是微处理器。被主机寻访的设备称为从机。为了进行通讯，每个接到I2C总线的 设备都有一个唯一的地址，以便于主机寻访。主机和从机的数据传送，可以由 主机发送数据到从机，也可以由从机发到主机。凡是发送数据到总线的设备称 为发送器，从总线上接收

45、数据的设备被称为接受器。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8bit数据后，向发送数据的IC发出特定 的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单 元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递 信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。如图3.12所示：图3.12 开始、结束信号图 目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有：CYGNAL的 C8051F0XX系列

46、，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系 列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口。总线基本操作：I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。SS开 结19总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制 总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电 平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停 止条件。控制字节：在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器

47、件 类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，EEPROM一般应为1010），接着三位 为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。写操作：写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一 次装载的字节不同有所不同。读操作：读操作有三种基本操作：当前地址读、随机读和顺序读。图4给出的是 顺序读的时序图。应当注意的是：最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关 心”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期时发出停止条件或者在第9个时钟 周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件。如图3.13为AT24C02存储模块。A01A12A23GND4SDA5SCL6WP7VCC8U2A

48、T24C02GND+5R310KR410K+5R510K图3.13 AT24C02存储模块 3.8 3.8 EEPROM EEPROM 存储存储模块模块 单片机键盘有独立键盘和矩阵式键盘两种：独立键盘每一个 I/O 口上只接 一个按键，按键的另一端接电源或接地（一般接地），这种接法程序比较简单且 系统更加稳定；而矩阵式键盘式接法程序比较复杂，但是占用的 I/O 少。根据20本设计的需要这里选用了独立式键盘接法。独立式键盘的实现方法是利用单片机 I/O 口读取口的电平高低来判断是否 有键按下。将常开按键的一端接地，另一端接一个 I/O 口，程序开始时将此 I/O 口置于高电平，平时无键按下时 I

49、/O 口保护高电平。当有键按下时，此 I/O 口 与地短路迫使 I/O 口为低电平。按键释放后，单片机内部的上拉电阻使 I/O 口 仍然保持高电平。我们所要做的就是在程序中查寻此 I/O 口的电平状态就可以 了解我们是否有按键动作了。在用单片机对键盘处理的时候涉及到了一个重要的过程，那就是键盘的去 抖动。这里说的抖动是机械的抖动，是当键盘在未按到按下的临界区产生的电 平不稳定正常现象，并不是我们在按键时通过注意可以避免的。这种抖动一般 10200 毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟 是微秒的单片机而言则是慢长的。硬件去抖动就是用部分电路对抖动部分加之 处理，软件去抖

50、动不是去掉抖动，而是避抖动部分的时间，等键盘稳定了再对 其处理。所以这里选择了软件去抖动，实现法是先查寻按键当有低电平出现时 立即延时 10200 毫秒以避开抖动（经典值为 20 毫秒），延时结束后再读一次 I/O 口的值，这一次的值如果为 1 表示低电平的时间不到 10200 毫秒，视为 干扰信号。当读出的值是 0 时则表示有按键按下，调用相应的处理程序。硬件 电路如图 3.14 所示：SWPBS2SWPBS3SWPBS4SWPBS5SWPBGND图 3.14 按键控制电路21第四章 第四章 系统软件的设计 系统软件的设计 4.1 4.1 软软件系统介绍 件系统介绍 4.1.1 4.1.1