基于单片机控制的智能台灯

基于单片机控制的智能台灯11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，绪论2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。基于单片机控制的智能台灯32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。74LS1383-8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。对外部光强进行实时监测外部光强弱感应到人体红外线外部光强弱且没有感应到人体红外线外部光强较强开灯不开灯不开灯人离开监测不到人体红外线人体过于靠近台灯熄灯台灯自动提醒（台灯慢慢变暗）及时纠正坐姿台灯恢复正常（慢慢变亮）一定时间内不纠正坐姿台灯熄灭系统方案设计4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CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)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ISPFlash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信号处理单元中央控制单元传感器及信号处理部分提醒电路灯光控制电路基于单片机控制的智能台灯5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组成的提系统方案设计6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。基于单片机控制的智能台灯73.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热释电红外传感器2光敏电阻灯光控制电路提醒电路热释电红外传感器1单片机AT89S51信号处理电路硬件电路原理及设计8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