智能家用電器設計.doc
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第1章 緒論 1.1 課題來源 社會在不斷進步，人類在不斷追求，市場在不斷變化，高科技應用含量決定著產(chǎn)品發(fā)展的新趨勢和前景，智能化技術在電子產(chǎn)品領域的應用意義深遠。隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，家用電器也越來越偏向智能化，已經(jīng)應用于實際中的有智能洗衣機，智能電飯鍋，智能電磁爐等，而所用的智能化家用電器都用一個共同的特點，都是利用單片機作為中央控制單元。結合了單片機的智能家用電器和普通家用電器相比，功能上更強，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更節(jié)省電能，提高了家用電器的品質。隨著智能控制理論和人工智能研究的深入，各種更加逼真地模擬人類智能的家用電器會更多地出現(xiàn)，而單片機和智能理論的結合，將來不但更多地改進現(xiàn)行家用電器，而且將會產(chǎn)生全新的家用電器。 家用電器因為單片機的加入而走向智能化，并且隨著人們生活水平的提高日益走向平民化，我們的生活也隨著家用用電器的發(fā)展越來越方便、舒適。隨著家用電器的發(fā)展，作為家用電器當中的小臺燈也要順應科技的發(fā)展步伐走向智能化。雖然按鍵式的臺燈還是臺燈市場的主體。但是，隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展和人們的需求變化，傳統(tǒng)的臺燈已經(jīng)感受到產(chǎn)品更新?lián)Q代的威脅。與其他的智能化家用電器一樣，智能化臺燈有許多普通按鍵臺燈所無法比及的優(yōu)勢，智能化臺燈一方面可以更節(jié)省電能，有利于環(huán)保，另一方面可以糾正使用者的坐姿，預防脊椎變形和眼睛近視。同時，智能臺燈自動關燈的功能也讓使用者使用起來更方便，可以防止由粗心大意帶來不不必要的浪費。智能型電器產(chǎn)品由于它們的巨大優(yōu)勢將漸漸進入人們的生活中。 我國政府非常重視節(jié)能和節(jié)約。1997年11月1日我國頒布了《中華人民共和國節(jié)約能源法》，節(jié)能已經(jīng)是法律上的規(guī)定，是我國重要國策之一。北京2008年奧運場館建設，在“科技奧運，人文奧運，綠色奧運”三大理念的基礎上，又提出“勤儉辦奧運”的方針，充分體現(xiàn)政府節(jié)能，節(jié)約的決心！國家發(fā)改委提出了“電機系統(tǒng)節(jié)能工程”、“建筑節(jié)能工程”、“綠色照明工程”等十大重點節(jié)能工程，通過這十大工程，“十一五”期間將實現(xiàn)節(jié)約2.4億噸標準煤的目標。2006年1月將實行國家建設部頒布的“民用建筑節(jié)能管理規(guī)定”，2005年7月1日開始實施的“公共建筑節(jié)能設計標準”GB50189—2005要求全年的總能耗（采暖，通風，空氣調節(jié)和照明）減少50%。廣大電氣技術工作者只有認認真真研究節(jié)約電能的理論和技術，開發(fā)出優(yōu)良的節(jié)電產(chǎn)品并應用于實際，才能從根本上貫徹國家規(guī)定的各項節(jié)能法規(guī)，造福于社會。照明節(jié)能意義重大，我國照明耗電大體占全國總發(fā)電量10%～12%，2003年我國總發(fā)電量為18500億度，按12%計，照明耗電達2220億度。據(jù)資料報道，目前城市照明（指景觀照明和功能照明的統(tǒng)稱），年用電量約占全國總發(fā)電量的4%～5%。照明節(jié)能主要從三個方面入手：選用高效節(jié)能的電光源和燈具；選用高品質電子鎮(zhèn)流器或節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器；配置適宜，先進照明控制裝置。目前我國城市公共照明每年開支達數(shù)百億元。應積極推廣采用國際上流行的全數(shù)字智能路燈節(jié)能控制技術：即智能光源降壓——穩(wěn)壓——調光技術。它的技術思想為：在繁忙時段，控制路燈保持較強的照度，午夜時分，自動調光；后半夜車稀人少時，控制路燈保持較低的照度的照明。在美國、德國此類技術得到了政府大力扶持和推廣，節(jié)電率高于30%。我國已有獨立自主知識產(chǎn)權的這方面技術產(chǎn)品如哈工大樓宇自動化研究所研制的“金鹵燈調壓調光系統(tǒng)”，在城市道路照明應用中運行效果優(yōu)良。今后尚需政府的行政支持。 臺燈本來是一個非常簡單的照明工具，就是一個電源加一個燈泡，但是隨著科技的進步，人們開始對臺燈的功能要求也開始日漸提高。所以它的功能也由簡單的照明開始向其他的節(jié)能和護眼等方面發(fā)展，有些臺燈還添加了鬧鐘和定時等功能。 而且近年來，我國青少年近視發(fā)病率節(jié)節(jié)上升，發(fā)病人數(shù)居全球首位，達到歷史空前水平。全國政協(xié)委員、沈陽何氏眼科醫(yī)院院長何偉呼吁，關注我國青少年視力健康，切實加強中小學生近視眼的防治工作刻不容緩。何偉委員告訴記者，目前我國共有四億多近視眼患者，以13億人口計，約每3個人中就有1個是近視眼，特別是青少年近視的發(fā)病率居世界第二，人數(shù)居世界第一，且漸趨低齡化，中小學生近視檢出率為53.8％(城市60.7％、農村30.7％)，高中以上學生更是高達70％。 近視正嚴重危害青少年的健康成長，同時影響我國高素質人才職業(yè)的篩選，縮小特殊職業(yè)人員的選取范圍，更是對實現(xiàn)我國二十一世紀健康目標的嚴重挑戰(zhàn)。多年來近視眼病在我國、日、韓和東南亞地區(qū)特別嚴重，時時影響著青少年的學習、健康、工作和生活。近年來我國近視眼患病率已上升到世界第二位，僅次于日本，總數(shù)量居世界第一。近視眼病的防治是一種世界性的重大難題，迄今沒有治愈的有效藥物和方法。市售的藥物和器具只能起到一定的調理和緩解作用，而手術和激光治療有嚴格的年齡限制，而且還包含著嚴重的隱患和風險。除了遺傳原因，誘發(fā)學生患近視眼病的根源有多種，必須從誘發(fā)的所有根源上做起，才能真正防止。 隨著微電子技術和超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，單片機真正意義上的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)。單片機能最好地滿足嵌入式應用的環(huán)境要求，例如，芯片級的物理空間、大規(guī)模集成電路的低價位、良好的外圍接口總線和突出控制功能的指令系統(tǒng)。單片機有計算機系統(tǒng)內核，嵌入到電子系統(tǒng)中，為電子系統(tǒng)智能化奠定了基礎。因此，當前單片機在電子系統(tǒng)中的廣泛使用，使經(jīng)典電子系統(tǒng)迅速過渡到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。又單片微型計算機以其體積小、性價比高、功能強、可靠性高等獨有特點，在各個領域（如工業(yè)控制、家電產(chǎn)品、汽車電子、通信、智能儀器儀表）得到廣泛應用 1.2 任務分析 本課題結合實際，針對使用中可能用到的基本功能，研究目的在于實現(xiàn)三個主要的功能。首先是對人體的檢測，若檢測到人體離開一段時間后，臺燈會自動熄滅。然后是光照的自動調節(jié)，當采集到的自然光照強度足夠時，不會開啟照明裝置；當自然光照強度不夠并檢測到有人在學習區(qū)域時，采集到的光照強度不同，點亮的燈的個數(shù)也就不同，光照強度越弱，點亮燈的個數(shù)就越多。這兩個功能的實現(xiàn)可以達到一個節(jié)能的效果。最后一個功能是對用戶坐姿的矯正，當人體超過設定的距離時，會進行報警直至人體恢復標準坐姿，幫助用戶養(yǎng)成一個良好的讀書坐姿習慣，從而達到對視力的保護。 根據(jù)系統(tǒng)要求，設計電路主要由CPU（單片機STC89C52），數(shù)據(jù)采集模塊，A/D轉換模塊，電源電路，聲光報警電路，控制電路等幾部分組成。光照強度通過傳感器采集，傳感器得到的數(shù)據(jù)再經(jīng)過放大電路，進入A/D通道，將采集到的模擬量轉換為數(shù)字量。單片機對采樣數(shù)據(jù)進行處理后來控制八個燈管發(fā)亮的個數(shù)，外界光強很弱時，燈管發(fā)亮的個數(shù)越多，外界光越強則相反，燈管發(fā)亮的個數(shù)與外界光強成反比。同時用熱釋電傳感器對人體進行檢測，若在規(guī)定范圍內沒有檢測到人體信號，則經(jīng)過5s的延時過后臺燈將自動熄滅。若檢測到有人在使用臺燈，則用另一熱釋電紅外對人體坐姿進行檢測，找到頭肩肘三個部位，設定好距離范圍，若檢測到超出設定范圍，則進行自動報警。系統(tǒng)設計包括軟件設計部分和硬件設計部分，軟件仿真主要在proteus里進行，熱釋電紅外傳感器和超聲波暫時用開關代替。在protel里繪制出原理圖，按照原理圖進行硬件器件的連接，用keil對其進行編程，將程序導入硬件中，調試以達到系統(tǒng)任務要求。 1.3 課題分析 本課題是對多功能綠色安全臺燈控制系統(tǒng)進行設計。該系統(tǒng)通過光強感應器進行實時采集光照強度信息，用熱釋電紅外傳感器檢測人體內信號，同時用另一熱釋電紅外傳感器檢測人體不同身體部位。此系統(tǒng)以單片機為核心控制芯片，通過傳感器采集到的光照強度和人體各項信號，傳感器的選擇要滿足本課題要求的測量范圍，并將采集的信號轉換成電壓信號。將傳感器采集到的微弱信號通過放大電路，使該信號進入轉換裝置，其中可以將采集到的模擬信號轉換為相應的數(shù)字信號。最后，把最終得到的數(shù)字信號經(jīng)由單片機處理，與預設檢測范圍和光照強度進行比較，若測得的距離超過設定的范圍則進行報警，光照強度來決定燈管點亮的個數(shù)。 臺燈已經(jīng)是千家萬戶的必須生活品，經(jīng)常由于忘記關燈一起巨大的浪費。在這里設計了人體輻射（波長為9.5um）傳感控制電路。當人體在臺燈的范圍內且環(huán)境光強較弱時，點亮臺燈，但點亮燈管的個數(shù)則與實際的光強成反比。當人體太靠近桌面或左右傾斜時，臺燈自動感應，警告矯正坐姿。當人離開時，在規(guī)定的延時過后則自動熄滅，達到節(jié)能的目的。 第2章 系統(tǒng)方案分析 本章對控制系統(tǒng)的任務進行分析，對設計方案進行總體的概述，以及各部分電路的器件的選擇。 2.1 系統(tǒng)方案設計 本課題是為實現(xiàn)多功能綠色安全臺燈控制系統(tǒng)的要求而設計的，課題的主要研究內容是設計并實現(xiàn)一個基于單片機的多功能臺燈的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有自動調節(jié)亮度，人離開后自動關燈及矯正坐姿等功能。分模塊分析和設計，主要分為光強采集、數(shù)模轉換、人體檢測報警等部分。分模塊不僅在最初的設計中非常方便，也很有利于后期的檢查與調試。 系統(tǒng)整體方案設計：根據(jù)系統(tǒng)功能要求并考慮產(chǎn)品的性價比，采用熱釋電紅外傳感器檢測人體信號和光強感應器來采集光照強度，并采用模塊化設計方法，以方便系統(tǒng)的調試和后期研究。首先用熱釋電紅外傳感器來檢測人是否在學習區(qū)，當檢測到人體在學習區(qū)域時，單片機對采集到的光照強度數(shù)據(jù)進行處理，從而控制燈點亮的個數(shù)，達到理想光照強度，檢測到外界光照強度越強，點亮燈的個數(shù)越少，檢測到外界光照強度越弱時，點來那個燈的個數(shù)越多。若檢測到人體離開了設定的范圍，則單片機設定5s的延時，5s后人沒回來臺燈自動熄滅。當有人在臺燈正常點亮時，用另一熱釋電紅外傳感器對人體離臺燈距離進行檢測，若發(fā)現(xiàn)用戶坐姿不正確超出規(guī)定范圍 ，則進行報警提醒。主要的工作器件有單片機STC89C52控制系統(tǒng)，將光照強度模擬信號轉化為數(shù)字信號的模數(shù)轉換芯片ADC0804，模擬光照強度的光敏電阻等等。系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示。 光照傳感器 熱釋電紅外傳感器1 熱釋電紅外傳感器2 STC89C52 時鐘電路 復位電路 AD0804 電源 蜂鳴器 LED指示電路 圖2.1 系統(tǒng)原理圖 2.2 單片機的選擇 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分器件：CPU、內存、內部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器、實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，定時器，內置4KB EEPROM， MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。 主要特性有：是增強型8051單片機，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容8051。工作電壓在5.5V~3.3V(5V單片機)。工作頻率范圍在0~40MHz，相當于普通8051的0~80 MHz，實際工作頻率可達48 MHz。用戶應用程序空間為8K字節(jié)。片上集成512字節(jié)RAM。在系統(tǒng)/應用可編程，無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串行口直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。具有EEPROM功能。共三個16位定時器/計數(shù)器。外部中斷4路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路。PDIP封裝等。STC89C52引腳圖如圖2.2所示。 圖2.2 STC89C52引腳圖 P0端口（P0.0～P0.7，32～39引腳）：P0口是一個漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個引腳能驅動8個TTL負載，對端口P0寫入“1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)的復用總線。此時，P0口內部上拉電阻有效。在Flash ROM編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。 P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅動（吸收或者輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這是可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流。 此外，P1.0和P1.1還可以作為定時器/計數(shù)器2的外部技術輸入（P1.0/T2）和定時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），在對Flash ROM編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。具體功能參見表1： 表1 P1.0和P1.1引腳復用功能 引腳號 功能特性 P1.0 T2（定時器/計數(shù)器2外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器2捕獲/重裝觸發(fā)和方向控制） P2端口（P2.0～P2.7，21～28引腳）：P2口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可以驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。P2作為輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX @DPTR”指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“MOVX @R1”指令）時，P2口引腳上的內容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中的P2寄存器的內容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash ROM編程或程序校驗時，P2也接受高位地址和一些控制信號。 P3端口（P3.0～P3.7，10～17引腳）：P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫入1時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3做輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流。在對Flash ROM編程或程序校驗時，P3還接收一些控制信號。P3口除做一般I/O口外，還有其他一些復用功能。具體功能如表2所示。 表2 P3復用功能 引腳號 復用功能 P3.0 RXD 串行輸入口 P3.1 TXD 串行輸出口 P3.2 INT0 外部中斷0 P3.3 INT1 外部中斷1 P3.4 T0 定時器0的外部輸入 P3.5 T1 定時器1的外部輸入 P3.6 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3.7 RD 外部數(shù)據(jù)存儲讀選通 RST(9)引腳：復位輸入，當連續(xù)輸入兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機的復位初始化操作。 ALE/PROG(30引腳)：地址鎖存控制信號(ALE)是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。 PSEN(29引腳)：當從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。 EA/VPP(31引腳)：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，令EA必須接GND。為了執(zhí)行內部程序指令，EA應接VCC。 XTAL1(19引腳)：振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。 2.3 A/D轉換器的選擇 本試驗采用的A/D芯片為ADC0804，它是CMOS 8位單通道逐次漸近型的模/數(shù)轉換器，其規(guī)格及引腳圖如圖2.3所示，我們可以得到各個引腳的大致功能如下： /CS：芯片片選信號，低電平有效，即/CS=0,該芯片才能正常工作，在外接多個ADC0804芯片時，該信號可以作為選擇地址使用，通過不同的地址信號使能不同的ADC0804芯片，從而可以實現(xiàn)多個ADC通道的分時復用。 /WR:啟動ADC0804進行ADC采樣，該信號低電平有效，即/WR信號由高電平變成低電平時，觸發(fā)一次ADC轉換。 /RD:低電平有效，即/RD=0時，可以通過數(shù)據(jù)端口DB0～DB7讀出本次的采樣結果。 UIN（+）和UIN（-）：模擬電壓輸入端，模擬電壓輸入接UIN（+）端，UIN（-）端接地。雙邊輸入時UIN（+）、UIN（-）分別接模擬電壓信號的正端和負端。當輸入的模擬電壓信號存在“零點漂移電壓”時，可在UIN（-）接一等值的零點補償電壓，變換時將自動從UIN（+）中減去這一電壓。 VREF/2：參考電壓接入引腳，該引腳可外接電壓也可懸空，若外界電壓，則ADC的參考電壓為該外界電壓的兩倍，如不外接，則Vref與Vcc共用電源電壓，此時ADC的參考電壓即為電源電壓Vcc的值。 CLKR和CLKIN：外接RC電路產(chǎn)生模數(shù)轉換器所需的時鐘信號，時鐘頻率CLK = 1/1.1RC，一般要求頻率范圍100KHz～1.28MHz。 AGND和DGND：分別接模擬地和數(shù)字地。 /INT:中斷請求信號輸出引腳，該引腳低電平有效，當一次A/D轉換完成后，將引起/INT=0，實際應用時，該引腳應與微處理器的外部中斷輸入引腳相連（如51單片機的INT0,INT1腳），當產(chǎn)生/INT信號有效時，還需等待/RD=0才能正確讀出A/D轉換結果，若ADC0804單獨使用，則可以將/INT引腳懸空。 DB0~DB7：輸出A/D轉換后的8位二進制結果。 圖2.3 ADC0804引腳圖 2.4傳感器的選擇 本次設計設計傳感器的選擇主要考慮兩個部分，一個是光強感應器，對光照強度進行實時采集。另一部分是用于對人體信號的檢測。 2.4.1光照強度傳感器 傳統(tǒng)的光照傳感器主要采用光敏電阻，光敏電阻的光電流與光照度之間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，因此不適宜作檢測元件，在自動控制中它常被用作丌關式光電傳感器。光敏電阻需要用A／D轉換器將其信號轉換為數(shù)字信號，電路復雜，費用高。而且，光敏電阻進行光強度采集不夠理想。針對光敏電阻的諸多缺點，提出了一種利用16位高精度數(shù)字光強度傳感器BH1750FVI進行光強度檢測儀的設計方案，利用I2C總線接口數(shù)字型光強度傳感器，可以避免A／D轉換系統(tǒng)帶來的誤差，可在NOKIA5110液晶顯示器上進行測量數(shù)值的顯示。該系統(tǒng)具有光強度采集精度較高、實時性較強等優(yōu)點，并且電路設汁較為簡單，容易實現(xiàn)與集成。 不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光強度傳感器BH1750FVI是日本RHOM株式會社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來進行環(huán)境監(jiān)測，其具有1～65 535 lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。本文利用16位數(shù)字光強度傳感器BH1750FVI和普通的51單片機設計了數(shù)字光照強度的數(shù)據(jù)實時采集與顯示。由于光強度傳感器精度高，I2C總線接口簡單易用，NOKIA5110液晶顯示器使用方便、體積較小等特性，較為價廉地實現(xiàn)了高精度數(shù)字光照強度的實時采集。經(jīng)過實驗證明其反應速度非常靈敏，測量精度高，適合于對精度要求較高的場合。 2.4.2熱釋電紅外傳感器 本次設計智能節(jié)能利用的傳感器是熱釋電紅外傳感器。傳感器在電路中起著很大的作用，要利用它采集回來的信號去對燈光進行控制。熱釋電紅外傳感器本身采集到的信號是很微弱的，感應的范圍也很小，但是在它正面加上一個菲涅爾透鏡以后，它的信號采集范圍可以增大到20米左右。本次設計對熱釋電紅外傳感器的性能要求比較高，因為它采集回來的信號將直接影響燈光控制電路的控制行為。首先，這種傳感器要對人體發(fā)出的紅外線感應很靈敏，而對其他的小動物發(fā)出的紅外線不起作用。其次是能夠感應較遠距離的紅外信號，這就需要借助于菲涅爾透鏡的聚焦作用。 熱釋電紅外傳感器是一種非常有應用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動物發(fā)射的紅外線并轉換成電信號輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應探測紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術的迅速發(fā)展，才又推動了對熱釋電效應的研究和對熱釋電晶體的應用開發(fā)。近年來，伴隨著集成電路技術的飛速發(fā)展，以及對該傳感器的特性的深入研究，相關的專用集成電路處理技術也迅速增長。本文先介紹熱釋電傳感器的原理，然后再描述相關的專用集成電路處理技術。 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。熱釋電效應是指當一些晶體受熱時，在晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。 其工作原理如下:熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產(chǎn)生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。人體都有恒定的體溫，一般在37C左右，會發(fā)出10mm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線而進行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生電壓信號。被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出[21]。 不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價格低廉。但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點，如：信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。 2.4.3涅菲爾透鏡 菲涅爾透鏡在本次設計中的作用是輔助熱釋電紅外傳感器采集人體發(fā)出的紅外線，它可以把較遠距離的人體發(fā)出的微弱的紅外線信號光聚集起來，熱釋電傳感器在它的作用下可以探測到較遠距離人的活動。菲涅爾透鏡在傳感器信號處理電路中起著重要的作用，在它的輔助之下才能采集到較好的輸入信號。 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而增強其能量幅度。 菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。 第3章 硬件電路的設計 本章是對多功能綠色安全臺燈控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)主要包括單片機復位電路、晶振電路、電源電路、數(shù)據(jù)采集電路、模數(shù)轉換設備、燈光顯示電路和報警電路，下面分別對各個模塊詳細闡述。 3.1 復位電路設計 STC89C52的上電復位電路，只要在RST復位輸入引腳上接一電容至VCC端，下接一個電阻到地即可。對于CMOS型單片機，由于在RST端內部有一個下拉電阻，故可將外部電阻去掉，而將外接電容減到1μF。上電復位的過程是在加電時，復位電路通過電容加給RST端一個短暫的高電平信號，此高電平信號隨著VCC對電容的充電過程而逐漸回落，即RST端的高電平持續(xù)時間取決于電容的充電時間。為了保證系統(tǒng)能夠可靠的復位，RST端的高電平信號必須持續(xù)足夠長的時間。上電時，VCC的上升時間約為10ms，而振蕩器的起振時間取決于振蕩頻率，如果晶振頻率為10MHz，起振時間約為1ms，如晶振頻率為1MHz，起振時間為10ms。在上電復位電路中，當VCC掉電時，必然會使RST端電壓迅速下降到0V以下，但是，由于內部電路的限制作用，這個負電壓將不會對器件產(chǎn)生損害。另外，在復位期間，端口引腳處于隨機狀態(tài)。復位后，系統(tǒng)將端口置為“1”狀態(tài)。 手動按鈕復位需要人為在復位端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源VCC之間接一個按鈕。當人為按下按鈕時，則VCC的+5V電平就會直接加到RST端。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的時間要求。 復位電路的主要功能是使單片機進行初始化，在初始化的過程中需要在復位引腳上加大于2個機器周期的高電平。復位后的單片機地址初始化為0000H，然后繼續(xù)從0000H單元開始執(zhí)行程序。在復位電路中提供復位信號，等到系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，再撤銷復位信號。但是為了在復位按鍵穩(wěn)定的前提下，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復位信號，以防在按鍵過程中引起的抖動而影響復位。圖3.1所示的 RC 復位電路可以實現(xiàn)上述基本功能。復位電路圖如圖3.1所示。 圖3.1 復位電路 3.2 晶振電路設計 電路中的晶振即石英晶體震蕩器。由于石英晶體震蕩器具有非常好的頻率穩(wěn)定性和抗外界干擾的能力，所以，石英晶體震蕩器是用來產(chǎn)生基準頻率的。通過基準頻率來控制電路中的頻率的準確性。同時，它還可以產(chǎn)生振蕩電流，向單片機發(fā)出時鐘信號。XTAL1接外部晶體的一個引腳，XTAL2接外晶體的另一端。在單片機內部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，該引腳接外部振。在石英晶體的兩個管腳加交變電場時，它將會產(chǎn)生一定頻率的機械變形，而這種機械振動又會產(chǎn)生交變電場，上述物理現(xiàn)象稱為壓電效應。一般情況下，無論是機械振動的振幅，還是交變電場的振幅都非常小。但是，當交變電場的頻率為某一特定值時，振幅驟然增大，產(chǎn)生共振，稱之為壓電振蕩。這一特定頻率就是石英晶體的固有頻率，也稱諧振頻率。石英晶振起振后要能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以便使MCS-51片內的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。通常，OSC的輸出時鐘頻率fOSC為0.5MHz-16MHz，典型值為12MHz或者11.0592MHz。電容C1和C2可以幫助起振，典型值為30pF，調節(jié)它們可以達到微調fOSC的目的。時鐘電路如圖3.2所示。 圖3.2 晶振電路 3.3 電源電路設計 燈光驅動電路是整個系統(tǒng)中硬件電路的關鍵，他決定著整個系統(tǒng)的工作性能。單片機正常工作電壓為5V，因此設計的電源電路主要是提供單片機工作電壓。在這個電路中采用了三端集成穩(wěn)壓器W7812和W7805，可以輸出5V的直流電壓以供給單片機。圖3.3是為單片機提供電壓的電源電路。 圖3.3 電源電路 W7812和W7805系列為三端正穩(wěn)壓電路，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣。內含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 工作原理：電源部分是將220V的交流電源通過變壓器轉換為12V交流電，經(jīng)橋式整流后由電解電容C1進行濾波，濾波后并聯(lián)一個電容C2，再接入7812穩(wěn)壓器的輸入端。7812的輸出端分兩路輸出，一路為主電路提供12V的電源；另一路并接電容C3，接入7805穩(wěn)壓器的輸入端，7805的輸出端也并接電容C4，為主電路提供5V電源。 電源模塊電路中變壓器T1選用型號為EI41X20功率6W的220V轉12V單組變壓器，220V交流電經(jīng)變壓器變壓后轉換為12V電壓。四只整流管選用IN4001-IN4007之間均可。經(jīng)橋式整流后濾波電容C1兩端電壓為,該電壓是具有一定的紋波的直流電。經(jīng)過濾波電容C1濾波除去紋波電壓后輸出電壓為,即輸入7812輸入端的電壓為14.4V。7805的輸入電壓是從7812的輸出端并接電阻引入的，所以7805的輸入電壓為12V,這個輸入電壓有些偏大。不過考慮到7812的輸出電流小于500mA（變壓器功率為6W，7812輸出端電流約為500mA），7805的發(fā)熱量也并不算太大，所以這個12V的輸入電壓仍屬于可以接受的。 在實際應用中7812和7805常常組合在一起使用。大多數(shù)在電流不是很大的場合兩者可以直接串并接。在7812前并接了電容C2，這個小容量電容是旁路電容，其主要作用是抑制電路中的可能產(chǎn)生的自激振蕩。同時這個電容也具有濾波的作用，7812的內部也是非線性器件，一定也會有諧波的出現(xiàn)，所以在輸出端還是要再經(jīng)過濾波才可以的。旁路電容不一定要用貼片電容，什么電容都是可以的。7805前后并接的C3 C4和C2功能是一樣的，都是為了防止電路自激合并起濾波作用的。穩(wěn)壓器前后并接電容的大小選擇方面只要滿足輸入端的電容容值大于輸出端即可。 3.4 數(shù)據(jù)采集電路設計 采集光照強度的任務在仿真電路中主要通過光敏電阻實現(xiàn)。光敏電阻的重要特性是它的阻值大小隨著環(huán)境光的改變而改變，當環(huán)境光比較強時，它的阻值減小，相反當環(huán)境光較弱時，它的阻值就會增大，這是跟它本身的制作材料有關的。本文的智能節(jié)能臺燈設計也是利用了光敏電阻的這一特性，用它來感應環(huán)境光的強度。若是環(huán)境光較強的時候，比如白天時，光敏電阻的阻值就很小，傳感器信號處理電路會根據(jù)它的阻值進行相應的處理；相反當環(huán)境光較弱的時候，比如晚上或者陰天時，它的電阻值就會變大。所以光敏電阻對環(huán)境光的檢測在電路中也很重要。對光敏電阻要求很高，要對環(huán)境光比較敏感，及時把信號傳送到信號處理檢測電路。 光敏電阻器又叫光感電阻，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。通常，光敏電阻器都制成薄片結構，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內就激發(fā)出電子—空穴對，參與導電，使電路中電流增強。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對增加了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將逐漸復合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復原值。光敏電阻器受光照時的電阻值稱為亮電阻，一般為0.5-20千歐；沒有光照時的電阻稱為暗電阻，阻值一般為1-100兆歐。響應時間表示光敏電阻器對光照反應速度的大小，有上升反應時間和下降反映時間，時間常數(shù)越小，說明光敏電阻器反映迅速及動態(tài)特性越好。光強采集電路如圖3.4所示。 圖3.4 光強采集電路 3.5 模數(shù)電路設計 A/D轉換的作用是進行模數(shù)轉換，把接收到的模擬信號轉換成數(shù)字信號輸出。在選擇A/D轉換時，先要確定A/D轉換精度、轉換速度以及轉換位數(shù)等，A/D轉換的位數(shù)確定與整個測量控制系統(tǒng)所需測量控制的范圍和精度有關，在多功能臺燈控制系統(tǒng)中采用了8位A/D轉換器ADC0804。與單片機的連接方式如圖3.5所示。 圖3.5 ADC0804與單片機的連接 ADC0804的工作原理：VIN(+)和VIN(-)是差動模擬信號的輸入端。輸入電壓VIN=VIN(+)-VIN(-)，通常使用單端輸入，而將VIN(-)接地。A/D轉換器片內有D/A轉換和電壓比較器。首先向片內D/A輸入1000 0000，若電壓比較器VIN>VN(VN為片內D/A轉換的輸出，VIN為A/D轉換器的輸入電壓)。8位寄存器的首位置1（若VIN
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