基于單片機的智能臺燈控制系統的設計14000字【論文】

基于單片機的智能臺燈控制系統的設計目錄TOC\o"1-3"\h\u7434摘要 26436第一章緒論 322054課題背景 326649課題意義 4135臺燈的發展現狀 54314第二章系統的總體方案設計 7178512.1設計要求 7239332.2方案選擇和論證 7315462.2.1單片機的選擇 76760第3章系統硬件設計 975153.1整體方案設計 9220143.1.1系統概述 9324663.2最小系統模塊 916813.2.1AT89S51簡介 9146723.2.2最小系統電路 1243693.3LED照明電路 1340943.3.1LED燈的原理 13158943.3.2LED燈的特點 13150773.3.3LED燈照明電路原理圖 13225673.4光照強度采集電路 1526903.4.1光敏電阻概述 15177883.4.2光敏電阻工作原理 1533553.4.3光敏電阻的分類 15165223.4.4光敏電阻的主要參數 16275303.4.5ADC0832模數轉換器簡介 16117923.4.6光照強度采集電路 1686053.5人體紅外檢測模塊 17175443.5.1熱釋電紅外傳感器的原理 1756943.5.2熱釋電紅外傳感器的原理特性 1861853.5.3HC-SR501模塊介紹 18312223.5.4人體紅外檢測電路 19306763.6距離檢測模塊 19180703.7蜂鳴器模塊 21109253.8按鍵輸入模塊 2120738第四章軟件設計 21233374.1程序語言和開發環境 2298404.2程序流圖設計 2291744.2.1總體程序流程圖設計 22308824.2.2模數轉換程序設計 2449124.2.3PWM調光程序設計 2714560第5章硬件的組裝與調試 28264225.1元器件的選擇與測量 28163085.2元件的焊接與組裝 2817005.3測試的結果 2840395.3.1手動模式結果 28115135.3.2自動模式結果 30297635.3.3坐姿感應功能 3110164參考文獻 3232679附錄 3313931附錄一元件清單 3322010附錄2原理圖 3427817附錄3設計程序 35摘要如今智能化已經是每個人耳熟能詳的詞語，高科技的出現和應用造就了這個智能化的潮流。大到智能化家居系統，依靠智能化技術來按照自己的喜好調整家居風格，舒適日常生活。小到一盞燈，一個電飯鍋無不有著智能化的身影。但是不論是家居智能化產品還是其他都有著相同的靈魂，他們都是利用單片機來實現自己的智能化操作。隨著電子技術的發展，微型電路更是有了翻天覆地的變化，無論多么復雜的功能都可以在一片芯片上實現。也正是有了這種技術，才大大改變了我們的日常生活。其中最常見的便是照明技術的改進。從普通的電燈、白熾燈、鹵素燈到現在的LED節能燈，都是科技革命給我們的生活帶來的福利。社會在進步，人們的思想也在改變。環境問題不斷地出現，能源的稀缺，都喚醒了每個人環保的理念。功能單一的上一代臺燈，僅僅可以滿足照明等功能。現在的智能化生活已經需要舍棄掉非智能化的產品。所以，現代化生活需要的是綠色環保的新一代臺燈來替換掉功能單一的臺燈我的設計是一種基于PWM調光技術的智能臺燈。我的設計是將調光技術和單片機通過電路板結合在一起實現臺燈光照的調節。該設計的臺燈分為手動模式、自動模式兩種模式，當處于自動模式時，打開臺燈開關后，當紅外傳感器感應到人體出現時，會通過指令自動打開臺燈；而且當環境光強改變時，臺燈光也會隨之改變以滿足保護視力的功能。當人體離開臺燈范圍時，25秒后臺燈自動熄滅。當我們坐姿不當時，身體與桌子的距離太近，提示燈會閃爍，蜂鳴器會發出報警信號。防止學生培養不良坐姿習慣。本設計是通過光敏電阻調節和紅外釋電傳感器來實現節能環保功能。如果處于手動模式，則只會有坐姿感應和手動按鍵調節燈光的功能關鍵詞：單片機；PWM；臺燈；人體紅外感應；環保節能第一章緒論課題背景全球能源危機和氣候變暖問題對于我們每一個人都是不容忽視的問題，要想減緩和解決這些問題最需要關注的就是綠色和節能。每個科學家都在通過各種途徑尋找新的材料和方法來制造新的節能減排的工藝。在生活中對于能源的消耗中，照明又是其中的主要輸出去向。所以人們便將目光投向了更加節省能源的新材料和更加省電的控制系統。所以節能環保能源的研究便是各國科研的主要方向，LED作為一種發光二極管，是一種能夠將電能轉化為可見光的固態的半導體器件。是繼白熾燈，熒光燈，冷光燈，鹵素燈之后的新一代光源，基于白光的LED燈照明，是一種新型的綠色節能照明方式。LED燈對比于白熾燈等光源，節能環保、體積小、安全、使用壽命長都是其突出的優點。也是我國目前主要研究的新光源，符合習近平總書記提出的建設資源節約型和環境友好型社會的基本要求。所以可以看出在未來LED燈有著多么大的發展前景和無限的未來。目前，市場上的主流臺燈已經基本擺脫了白熾燈，熒光燈等作為光源，已經普及了以LED燈作為主要光源。這樣便擺脫了低效率，高發熱，難調光等缺點：至于鹵素燈等已經退出市場的光源由于一旦處理不當會對環境造成嚴重危害的原因已經不再作為臺燈使用了。可是當前市場上的臺燈雖然滿足了綠色光源的問題，但是功能卻十分單一只有基本的調節功能，缺少了自動調節，人體感應，防近視，坐姿矯正等功能。無法滿足我們現階段的智能生活的要求。而且如今，面對小學生這個龐大的市場，坐姿矯正，視力保護保護功能都是無比重要的功能，可以切實的保護每個學生的視力和坐姿問題。于是，智能型電器也由于它多功能的實用郵電也漸漸走進了人們的生活中。課題意義首先，節能減排是我國能源研究最主要的方面。1998年1月1日我國正式施行了《中華人民共和國節約能源法》，節能是該法律中的核心要義，是我國重要國策之一。節能減排簡單來說就是開源節流，從節約能源和減少污染物的排放?！吨腥A人民共和國節約能源法》所提出的節約能源是首先從源頭上加強管理，在技術上可行和合理的經濟范疇內來實行各種措施以達到減少能源的消耗和環境的污染。“節能減排”政策出自于我國“十一五”規劃綱要。十一五期間單位國內生產總值能耗降低20%左右，主要污染物排放總量減少10%，這是貫徹落實科學發展觀、構建社會主義和諧社會的重要舉措。2005年7月1日開始實施的“公共建筑節能設計標準”GB50189—2005要求全年的總能耗（采暖，通風，空氣調節和照明）減少50%。這就要求我們國家的電氣技術工作者要貫徹落實節約綠色的政策，通過各種技術來優化我們國家的電器產品來應用于實際。照明節能意義重大。我們全國總發電量的10%都用于我們生活中的日常照明。2019年我國的照明累計用電量達2442205萬千瓦時，同比增長6.46%。據資料報道，目前城市照明用電量約占全國總發電量的4%～5%。要想緩解照明用電量的問題需要從三方面來入手，首先需要選擇綠色環保的燈具和光源；選擇高效的控制系統；更完善的管理模式。在公共照明系統中，發展最完善的便是日本的公共照明系統。目前國際上最著名的智能路燈系統控制技術：即智能降壓技術——穩壓——調光技術。（1）在車流密集的路段，控制路燈保持較強的光照強度，當進入午夜時分，路燈便自動調節；在夜間三點到黎明時，路燈保持較弱的強度。在日本、德國等國家，該技術得到了大力的推廣。已經基本實現了全國普及。如今在我國的新時代智慧城市建設中，我國的5G技術和基建技術的聯合，使我國的智慧路燈建設全面提速。這也是全球范圍內最新的智能燈光控制系統。此外，我國青少年近視問題也是不容忽視的，我國近視人數一直在不斷增加，這是十分嚴重的健康問題。所以要想緩解青少年的視力問題，加強對視力的保護和近視眼防治。根據我國的最新的第七次人口普查結果顯示我國兒童青少年總體近視率較前年小幅提升。教育部聯合衛生健康委開展的全國兒童青少年近視情況調查結果顯示，2018年全國兒童青少年總體近視率為53.6%，2019年全國兒童青少年總體近視率為50.2%，較2018年下降了3.4個百分點，29個省份2019年近視率較2018年有不同程度下降。受疫情影響，2020年全國兒童青少年總體近視率較2019年有小幅上升。青少年患者人數的急劇增加，對于我國的近視防治是十分可怕的。近視現在已經逐漸發展為每一位父母都十分焦慮的問題，這已經不僅僅是危害健康的問題，同時還會影響我國高素質人才的培養。我國21世紀的健康目標想要實現，需要直面的問題就是近視問題。直到現在近視問題都沒有有效的治療手段只能通過眼鏡來進行緩解，而現在醫院的激光飛秒手術同樣有著視力和年齡的限制，而且有著很嚴重的隱患和風險。我國中小學生的近視問題主要是由于坐姿不當和作業繁多需要長時間處于光源下造成的。同時對臺燈的不當使用也是造成近視的主要原因。雖然目前市場上已經有了智能臺燈的出現但是高昂的價格也讓大多數人望而卻步。本設計的智能臺燈有著兩種模式的選擇，還加入了坐姿感應功能，可以實現調整坐姿保護視力的功能。臺燈的發展現狀臺燈雖然只是日常生活中簡單的日用品，但是作為生活中必不可少的物品之一。人們對于臺燈的要求也是越來越高，所以臺燈的功能也就越來越需要符合人們對于臺燈功能的期望。而且，現在集成芯片的出現越來越多的功能可以出現在臺燈中，時鐘鬧鐘等功能已經十分常見了。1.護眼臺燈的護眼原理護眼燈的的護眼原理主要是通過多個參數來進行判斷。第一便是頻閃，護眼燈通過電子鎮流器將電頻率提高，采用三基色熒光粉減少炫光效應，使光線變得柔和而不刺眼，以此來實現臺燈的護眼效果。第二便是顯色指數，只有90以上才能稱為護眼，最低標準是顯指85，R9>0。第三色溫則需要在4000K以下，最高不要超過5000K。第四就是需要藍光的危害等級要達到RG0（豁免級）。第四便是照射范圍也會決定眼睛的舒適度，臺燈的照射范圍越廣，工作面和周圍的照度對比會越小，眼睛會越舒適！當我們都有經歷過眼睛長時間盯著亮物看時，眼睛挪開會看不清周圍的物體，更嚴重的會眼前瞬間一片黑，這就是因為兩者亮度對比太強導致，我們要保證工作面和周圍照度對比越小越好！這就要求我們在使用臺燈時，最好也亮著主燈。2.節能臺燈現在節能臺燈都是從基本的光源入手，例如使用LED節能燈泡。近年來隨著綠色節能政策的提出，已經不能僅僅從光源的方面來入手，而且需要從其他的節能方面來加強環保。目前已經有了新型的半導體臺燈，使用了新型的發光二極管作為光源，其中又以護眼的黃光最為流行，特別適用于學生的學習和日常生活。通過使用新型的光源，頻閃問題得到了基本的解決，本設計的臺燈具有著使用壽命長、節能、環保、保護視力、矯正坐姿等多個優點。適用于一般的學習和生活。3.臺燈外觀智能化臺燈不能僅僅局限于功能，在外觀上同樣也變得更加優化和極具趣味。一些方便、快捷、外觀新奇的智能臺燈也會增加產品的銷售情況。智能臺燈不光可以使用單一臺燈還可以有臺燈與鬧鐘的組合，有使用投影功能的臺燈還有具有取暖功能的臺燈。這些新型臺燈不僅有著很好的實用性還有著優美的工藝性，而且多變的樣式和工藝也是十分迎合人們的喜愛。用料上不僅僅局限于塑料還可以使用不銹鋼陶瓷來提高產品的性能和安全。

第二章系統的總體方案設計2.1設計要求（1）熟悉51單片機集成開發環境，使用c語言編寫設計程序；（2）熟練應用所選用單片機的內部結構、資源，以及軟硬件調試設備的基本方法；（3）自行構建基于單片機的最小系統，完成相關硬件電路的設計實現；（4）理解智能臺燈的原理和掌握實現方法。2.2方案選擇和論證2.2.1單片機的選擇方案一：采用DSP作為系統控制器。是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。根據數字信號處理的要求來實現所需功能。大多數DSP采用了哈佛結構，將存儲器空間劃分成兩個，分別存儲程序和數據。它們有兩組總線連接到處理器核，允許同時對它們進行訪問。這種安排將處理器存貯器的帶寬加倍，更重要的是同時為處理器核提供數據與指令。在這種布局下，DSP得以實現單周期的MAC指令。GPP使用控制邏輯來決定哪些數據和指令字存儲在片內的高速緩存里，其程序員并不加以指定（也可能根本不知道）。方案二：采用單片機作為中央控制器。單片機作為主流的芯片有著多種優點，包括性價比高、功耗低等。單片機軟件編程靈活，算術運算功能強，自由度大，而且新一代的89s51單片機不僅完全適配之前的各種51系列單片機，同時還具有隨時可編程，可加密等多種功能。同時成本低高適配性更是體現出其優越性。綜上所述，擬定方案二選用AT89S51單片機作為主要芯片。2.2.2顯示方案的選擇目前常見的主要有：采用直流電源LED的調光技術；采用脈寬調制（PWM）來調光；采用可控硅對LED調光。按照常規技術有以下三種方案可供選擇。方案一：采用直流電源LED的調光技術LED調光技術最主要的就是調節電流，改變LED的負載電阻也是最簡單的方法，所有的DC恒流芯片都有著自己獨立的電流接口，是檢測的電壓和參考電壓進行對比。以此來控制電流的穩定，但是限流檢測電阻很小，所以給操作帶來了很大的困難。所以不可以采用改變電阻大小來改變電流。所以為了準確實現調節，一些設計會采用芯片來控制電壓，通過改變電壓來實現電流的改變同時，通過調整電流來調整亮度會產生問題，在改變亮度的時候，會改變元件的光譜和色溫。同樣由于目前的LED都是通過激發黃色熒光粉產生，當電流減小時，藍光并不會按比例減弱，從而會導致波長變長影響光源的質量。在設計實現的過程中，調節電流會產生十分嚴重的問題，LED通常是由DC恒流驅動，LED的電壓是由電流確定的。從LED伏安特性可知，電流變化就會引起電壓的變化，所以通過這種方法調壓會改變電源電壓和負載電壓的關系。方案二：采用脈寬調制（PWM）來調光LED是一個發光二極管，所以可以通過pwm實現快速開關。通過在單位時間內反復地接通和斷開LED電流來調節發光亮度，開關頻率一般要高于100Hz,以便這個脈沖電流不易被人眼察覺到。流過LED的平均電流I與占空比D是線性比例關系。（2）PWM調光技術是現行十分普遍的調光技術，其核心技術是由于LED亮度與pwm占空比成線性關系。這種穩定的調節關系也成功避免了LED調光技術所帶來的弊端。PWM是一種對模擬信號進行數字編碼的方法。這種方法可以滿足在多種情況下調光的需求。脈寬調制調光的優點：1、不會因為電流的改變而帶來色譜偏移；2、pwm調光技術可以達到高精度的燈光調控；3、可以和數字電子技術相結合來達到精密的控制。4、pwm調光技術可以與單片機結合通過程序來進行控制。通過兩種方案的對比可以，我們可以清晰地看出對于LED調光技術最好的選擇是使用pwm調光技術。采用pwm調光技術，可以通過單片機對燈光進行調控。通過編寫的程序可以預先設置好自己所想要實現的功能，通過程序對燈光的開關進行調節。而且pwm調光技術是可以直接用于燈光的手動調控。所以選擇方案二來滿足功能。

第3章系統硬件設計3.1整體方案設計3.1.1系統概述該設計是使用AT89S51單片機為中央控制器，搭配晶振電路、復位電路、時鐘電路等構成最小系統。將其他模塊通過單片機聯合在一起實現所需功能。其中，照明設備由5mmLED燈珠發光二極管進行模擬，使其設計在外觀上更加美觀。光照強度采集模塊使用光電光線檢測傳感器來判斷;人體感應采用的是HC-SR501RD-624人體紅外感應電子模塊傳感器熱釋電探頭感應開關。該傳感器靈明度高，操作簡單；防近視檢測采用的是光電傳感器模塊E18-D80NK。聲音提醒主要元件是蜂鳴器；指示燈使用普通三極管小燈；按鍵模塊使用四個普通輕觸開關來實現模式轉換和大小調節；最后使用USB5V進行供電。系統框圖如下圖1所示。圖1單片機單片機最小系統按鍵模塊光照強度采集模塊電源模塊人體感應模塊距離測量模塊照明設備蜂鳴器模塊模式指示燈3.2最小系統模塊3.2.1AT89S51簡介（1）概述AT89S51單片機作為因特爾公司的旗艦產品，具有低耗能、高性價比的優點，是一個8位單片機，片內含有可擦寫千次的程序存儲器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。（3）AT89S51單片機具有以下特點：該單片機含有基本40引腳，4kb片內程序存儲器，128bytes隨機數據存儲器，和32個I/O口，2個可編程計數器等，相比于AT89C51單片機其具有新設看門狗電路，和可反復編程的功能。除此之外，AT89S51可以通過軟件設置省電模式。空閑模式下CPU停止工作，其他電路繼續工作；斷電模式下，會保存RAM數據，停止其他功能直到復位或中斷激活等功能。（2）主要功能特性8031CPU與MCS-51兼容4K字節可編程FLASH存儲器(壽命：1000寫/擦循環)全靜態工作：0Hz-33MHz三級程序存儲器保密鎖定128*8位內部RAM32條可編程I/O線兩個16位定時器/計數器6個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內振蕩器和時鐘電路（3）AT89S51單片機引腳功能AT89S51引腳圖如圖2如下圖2引腳圖VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口是一個雙向I/O口，管腳寫1時，定義為高阻態輸入。P0口用于外部數據存儲器；FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，校驗時會輸出原碼。P1口：P1口是提供上拉電阻的8位I/O口，P1口能接收門電流。管腳寫入1時，會上拉為高，用作輸入；管口下拉為低電平時，將輸出電流。P2口：P2口是一個內部提供上拉電阻的雙向I/O口，P2口可以輸出4個門電流，P2口寫入1時，內部上拉為高，用作輸入。P2口用于外部程序存儲器時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址為1時，會利用上拉優勢進行讀寫。P3口：P3口是8個帶上拉電阻的雙向I/O口，可接受4個門電流。當P3口寫入1時，內部上拉為高電平，用作輸入。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存輸出電平用于鎖存地址的地位字節。/PSEN：是外部存儲器的選通信號。在外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。在訪問外部數據存儲器，倆次有效的PSEN信號將不再出現。3.2.2最小系統電路AT89S51的最小系統如圖3.3所示，一個完備的單片機最小系統通常有六個部分，首先是電源電路提供能源；復位電路提供復位糾錯功能；單片機的主芯片提供核心控制；程序下載電路提供編程；時鐘電路提供時鐘信號；I/O負載電路提供外接電路的接口。電源電路：使用5V的電源直接供電。復位電路：復位電路是指在單片機工作時重要的復位電路，AT89S51單片機使用的是高電平產生復位，只有當管腳上持續兩個周期高電平才會進行復位。該電路的原理是當電路從初始狀態開始工作后，如果不使用復位電路進行復位，則會由于之前的某種干擾會使電路出現錯誤。所以必須給系統中加入復位電路。時鐘電路：時鐘電路就是將整個電路按照時鐘一樣精確運動的電路。不論什么工作都需要按照時鐘進行順序運行。51單片機按照時鐘周期將各個模塊排布有序，使該電路按照正確順序進行執行。這些都是單片機最小系統主要的構成部分。下圖為單片機的最小系統如圖3所示圖3單片機最小系統3.3LED照明電路3.3.1LED燈的原理LED是半導體二極管的一種，可以把電能轉換為光能。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。（4）LED的“心臟”是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，連接電源的是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。（5）半導體主要是由兩部分組成，一部分是p型半導體，另一部分是n型半導體。P型半導體中空穴是主要部分，N型半導體內部則是電子。當將其結合時會形成P-N結，當有電流通過該P-N結時電子發生移動，會以光子的形式發出能量。當加入反向電壓時，則不會發光。全彩LED的主要工作原理：該LED燈主要是通過PWM技術來調節燈光，而該設計是通過紅綠藍的三種基色來實現多種顏色的實現。通過PWM技術改變占空比，在掃描速度快的情況下，利用此技術實現顏色漸變。3.3.2LED燈的特點節能：新一代的節能LED燈能耗不僅只是白熾燈的十分之一，還是其他品種燈光的五分之一。長壽：LED燈的使用壽命可達十多萬小時，而且開關靈敏性遠遠大于其他品種燈泡?？梢怨ぷ髟诟咚贍顟B：其他品種的燈泡如果頻繁的開端，會嚴重損壞燈絲降低其使用壽命。白熾燈更是會影響到其他電路的安全。LED燈使用固態封裝而且體積極小，很方便我們的運輸和存儲，可以使用各種運輸設備不用擔心震蕩損壞。LED技術如今已經是我國重點的研究方向，各種高新技術的發展使得其價格不斷降低和安全性不斷提高。LED燈擺脫了燈絲和鹵素的使用，不論是使用還是日后的回收再利用都十分的方便。PWM配光技術使得光源擴展為面光源，增大發光面積可以達到消除視覺疲勞的優點。LED外包透鏡與燈罩的組合，將光源的合理應用，使得其具備聚光和保護的功能，避免了光照浪費。大功率的LED燈使用大面積封裝，使得散熱器和燈座一體化，保證了散熱和使用壽命，也基本滿足了LED燈具結構和造型，使得LED燈的優點大大突出。3.3.3LED燈照明電路原理圖LED照明電路如圖所示。本設計采用5mmLED燈珠發光二極管作為照明設備，該小燈不僅僅是優化了設計，在外形上也有著獨特的表現，使得其外形更加接近使用效果。而且LED小燈符合了國家要求的綠色環保理念。原理圖如圖4所示圖4LED原理圖

3.4光照強度采集電路3.4.1光敏電阻概述光敏電阻是該設計中節能的重要元器件，其中硫化鎘、硒等特殊材料具有十分特殊的功能。這些制作材料在特定波長下，其阻值會隨之減小。這些都由于在光照下載流子都參與導電，在電場作用下發生飄逸，從而使得光敏電阻阻值下降。光敏電阻是用硫化鎘或硒化鎘等半導體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內光電效應。光照愈強，阻值就愈低，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下。（6）光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態，暗電阻一般可達1.5MΩ。光敏電阻帶有的獨特特性，隨著國家不斷地加強研究使得光敏電阻帶來了極大的利用。光敏電阻總重要的特性就是其電阻阻值會隨著光照強度的改變而改變，當光敏電阻受到強光影響時，其阻值會急速降低。當外接光強減弱時，阻值則會急速增加，轉換的效率則與其本身有著很大的關系。3.4.2光敏電阻工作原理光敏電阻最主要的工作原理是基于內光電效應。在光敏材料兩端接上電極引線后，通過透明的塑料殼進行固定封裝就可以制作為光敏電阻，為了增加靈敏度，通常使用特殊的排列方式進行制作。光敏電阻的材料通常是使用硫化物和硒化物等半導體通過噴涂等方法來制作。半導體的結構原理主要是通過化合物制成特殊的涂層以此來實現光電效應，半導體的導電能力通過半導體內載流子樹木的多少來判斷其能力。3.4.3光敏電阻的分類一、按半導體材料分：本征型光敏電阻、摻雜型光敏電阻。后者性能穩定，特性較好，故大都采用它。二、根據光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器：包括紫外光敏電阻；紅外光敏電阻；可見光光敏電阻。1、紫外光敏電阻器：其特點是突出感應紫外線，用于探測作用。2、紅外光敏電阻器：最為常見的光敏電阻，廣泛用于軍工專業、航海航天專業、醫療專業等。3、可見光光敏電阻器：這是日常生活應用最廣泛的電阻，常常用于光電控制系統；單片機控制系統等微型控制系統。例如街道路燈、場所的消防設施、生活中照明系統的建立。3.4.4光敏電阻的主要參數光敏電阻判斷其優越性的主要參數為：光電流、暗電流、光照靈敏度、光譜感應、伏安特性曲線、額定電壓等。光敏電阻的頻率特性是指當光敏電阻受到光照照射時，光電流要經過一定時間才能穩定，且停止后也不會立刻為零，這就是光敏的時延特性。3.4.5ADC0832模數轉換器簡介ADC0832是一款8位分辨率的AD芯片，最高分辨率可達256級，這款模數轉換器可以適配于該設計的轉換要求。其內部電壓與參考電壓的復用，可以使得芯片的模擬電壓保持在可接受范圍，而且芯片的轉換時間也極低。通過雙數據輸出作為數據校驗，可以有效地減少產生數據誤差，轉換速度更快，使用更加方便。3.4.6光照強度采集電路本設計的臺燈具有自動調節的功能。所以，光照采集電路是該設計必不可少的部分，通過該采集電路可以對燈光進行精密的控制。所以，我選擇了光敏電阻作為采集電路的主要部分，光敏電阻采集到的都是模擬量，因此使用模數轉換器將模擬量轉換為數字量進行處理。3.5人體紅外檢測模塊3.5.1熱釋電紅外傳感器的原理存在于自然界的物體，如人體、火焰、冰塊等物都會發射紅外射線，但波長各不相同。人體的溫度大致為36~37℃，所發射的紅外波長為9~10m,屬遠紅外區;400~700℃的發熱體，所放射出的紅外波長為3~5m，屬紅外區。熱釋電紅外傳感器不受白天黑夜的影響，可晝夜不停的監測，廣泛用于防盜報警。（7）熱釋電紅外傳感器是近年來發展起來的一種高精度探測元件，是一種用于檢測人體紅外后會自動的傳遞電信號的傳感器，它可以通過非接觸方式檢測到人體所釋放的能量信號。而且可以將電壓信號放大可以適用于多種環境的使用和識別。例如人體感應功能、防盜措施等。熱釋電人體紅外傳感器(PIP)一般都采用差動平衡結構，由敏感元件、場效應管，高值電阻等組成。敏感元件是使用人體紅外材料制作而成的，先把材料分割為很小的薄片，在其兩面鍍上電極構成極小的電容。為了抑制由于環境對其造成干擾，所以我們可以選擇在其鏡面上安裝透鏡，以此來避免干擾。場效應管和高阻值電阻（Rg）。由于敏感元件的阻值一般都十分高，所以需要使用場效應管進行阻抗變換。高阻值的作用通常是釋放電荷，來滿足傳感器的使用。熱釋電人體紅外傳感器只有配合菲涅爾透鏡使用才能發揮最大作用。不加菲涅爾透鏡時，該傳感器的探測半徑可能不足2m，配上菲涅爾透鏡則可達10m～40m，甚至更遠。3.5.2熱釋電紅外傳感器的原理特性熱釋電紅外傳感器是一種高熱電系數組成的探測元件，在探測器中裝入探測元件可以通過反極性串聯以達到抑制干擾的作用。其作用是將探測器接收到的紅外射線轉換為電壓信號，最后通過元件輸出。人體紅外線波長為8~12m，參測元件的探測波長穩定在0~30m，這種穩定不變的探測范圍給臺燈的使用帶來了很大的便利，可以讓臺燈放在任意地方都可以達到其功能。一旦有人進入到探測區域時，熱釋電傳感器可以及時傳遞信號。3.5.3HC-SR501模塊介紹本設計采用的是人體紅外感應HC-SR501，是利用紅外技術實現的自動控制。采用的是德國原裝探頭，該探頭的具有高靈敏度、高性價比、超低工作電壓等優點。因此在許多的自動感應設計中都有很廣泛的應用。尤其是可以在低電壓供電等多種環境下完成其功能。模塊的電氣參數如表1所示產品型號HC--SR501人體感應模塊工作電壓范圍直流電壓4.5-20V靜態電流<50uA電平輸出高3.3V/低0V觸發方式L不可重復觸發/H重復觸發延時時間0.5-200S(可調)可制作范圍零點幾秒-幾十分鐘封鎖時間2.5S(默認)可制作范圍零點幾秒-幾十秒電路板外形尺寸32mm*24mm感應角度<100度工作溫度-15-+70度感應透鏡尺寸直徑:23mm(默認)表1電氣參數模塊的功能特點1、全自動感應:可以全方位的感應人體，當有人進入感應范圍時，模塊會輸出高電平；離開時則自動輸出低電平。2、光敏控制：可以根據用戶的需求來調控光敏，可以設置多種光敏控制模式，例如強光下不工作，弱光下自動工作等。3、溫度補償：由于溫度會影響元器件的靈敏度，例如夏天高溫和冬天低溫等都會對靈敏度造成影響。所以溫度補償必不可少。4、兩種觸發方式：（可跳線選擇）a、不可重復觸發方式:感應到高電平后，經過延時會將高電平自動變為低電平。b、可重復觸發方式：即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平（感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動6的時間為延時時間的起始點。（8）5、具有感應封鎖時間：感應模塊在每一次感應后，可以設置一個時間段以此來封閉模塊使用。此功能可以準確區分兩種工作，可以使負載在切換時抑制多種干擾。方便數據的采集和分析。6、工作電壓范圍寬：默認工作電壓為4.5伏到20伏。7、微功耗:該產品產生的靜態電流很低，十分適合于干電池供電或者低電流供電的產品。8、輸出高電平信號：可以實現各種電路的對接。使用范圍1、安保消防產品2、基于坐姿感應的燈具3、適用于人體感應的玩具等4、工業化控制和自動控制產品3.5.4人體紅外檢測電路原理圖如圖5所示圖5紅外檢測電路原理圖3.6距離檢測模塊本設計利用紅外模塊E18-D80NK對距離檢測，當檢測到人體距離紅外探頭距離過近時，開啟蜂鳴器提醒，避免眼睛距離桌面距離過近而導致近視。該紅外模塊是一種集發射與接收于一體的光電傳感器，檢測距離可以根據要求進行調節。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、易于裝配、使用方便等特點，（9）可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件、紅外測距等眾多自動化產品。傳感器的實物圖如圖6所示。圖6E18-D80NK實物圖該紅外傳感器連接簡易，該模塊具有三種導線。其中兩根是用于供電和接地，剩下的一根是連接到單片機作為數據輸入輸出，當距離該傳感器過近時該線會輸出低電平，平時為高電平，單片機可以通過數據引腳的電平來判斷使用者的狀態，可以知道使用者距離桌面的遠近，從而觸發報警器警告?？梢酝ㄟ^傳感器來調節報警距離的大小。紅外測距模塊原理圖如圖7所示.圖7漫反射原理圖3.7蜂鳴器模塊蜂鳴器是一種電子警報器，采用直流供電方式，可以搭配二極管進行報警音和指示燈的實現。蜂鳴器報警電路如下圖8所示圖8蜂鳴器原理圖3.8按鍵輸入模塊鍵盤是人機交互的主要通道，從系統設計來看，雖然按鍵僅僅只具有開啟電源和調節模式的功能。但是，如果我們鍵盤設置不合理會給我們的人機交流帶來極大的障礙，如果電源按鍵設置的錯誤甚至會損壞產品。在單片機應用中，人們在操作鍵盤時會帶來誤操和失控等危害。單片機中使用的是獨立鍵盤，他們具有電路簡單的功能。而且在程序設置上也十分簡單。本設計中由于采用的按鍵數量較少，只有4個按鍵，分別是“電源開關”、“模式切換按鍵”、“亮度減少按鍵”和“亮度增加按鍵”，故采用了獨立鍵盤的方式。電路如圖9所示。圖9按鍵原理圖第四章軟件設計4.1程序語言和開發環境C語言是一種編譯型程序設計語言，它兼顧了多種高級語言的特點，并具備匯編語言的功能。用C語言開發系統可以大大縮短開發周期，明顯增強程序的可讀性，便于改進、擴充和移植。它由美國貝爾實驗室的DennisM.Ritchie于1972年推出，1978年后，C語言已先后被移植到大、中、小及微型機上，它可以作為工作系統設計語言，編寫系統應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。該語言應用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開發而其他各類科研同樣需要用到C語言。（10）KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上都有著很大的優勢，因此十分適用于初學者。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境將這些部分組合在一起。4.2程序流圖設計4.2.1總體程序流程圖設計本系統的軟件流程圖如圖所示，接通電源后打開開關，然后進行單片機定時器的初始化，接著判斷臺燈處于哪種模式，如果按下的話則會切換模式，即手動和自動模式，自動模式變為手動模式；隨后根據當前所選擇的工作模式，進行不同的處理。如果當前是自動模式，則先通過紅外線感應裝置，判斷臺燈前是否有人，有的話則燈變亮；同時通過光敏電阻感應，臺燈的亮度也會隨之改變，實現人走燈滅人在燈亮，和隨著外界環境的變化，智能調節燈光的效果。如果當前是手動模式，則判斷增減功能鍵是否被按下，如果按鍵2被按下，則降低臺燈亮度，如果是按鍵3被按下，則增加臺燈的亮度。而且無論是自動還是手動模式，都會具有坐姿矯正功能，如果檢測到人體距離桌面距離太近，就會產生蜂鳴器提醒。程序圖如圖10所示

定時器初始化按鍵1按下？增加亮度切換控制模式開始（按下開關）定時器初始化按鍵1按下？增加亮度切換控制模式開始（按下開關） 是否自動模式？是 自動模式？最近30s檢測到有人？最近30s檢測到有人？按鍵2按下？是按鍵2按下？熄滅臺燈是熄滅臺燈按鍵3按下？降低亮度檢測環境亮度調節臺燈亮度否按鍵3按下？降低亮度檢測環境亮度調節臺燈亮度 否 是結束蜂鳴器提醒距離桌面過近？ 否結束蜂鳴器提醒距離桌面過近？ 是圖10總體程序圖4.2.2模數轉換程序設計讀取ADC0832芯片中數據之前，單片機要先發出一個初始信號給ADC芯片，由于ADC0832有兩路轉換通道，因此還需發出一個通道選擇信號，告訴ADC芯片要選擇哪個通道進行轉換。之后就進行采集結果的讀取，ADC芯片會返回2字節數據，第1字節是進行正向傳輸，第2字節是反向傳輸，是因為可以把這兩數據進行校驗，以判斷是否出現錯誤。最后把讀取的結果返回主函數。如圖11所示開始開始發送初始信號發送初始信號選擇轉換通道選擇轉換通道第一次讀取第一次讀取第二次讀取第二次讀取返回讀取結果返回讀取結果結束結束圖11模數轉換程序圖

4.2.3PWM調光程序設計PWM稱為脈沖寬度調制，PWM調光的原理主要是首先確定一個固定的時間周期，在本設計中把這個周期定為10毫秒，這個周期的時間不宜過長，否則會有臺燈閃爍的現象。然后在這個周期里面，確定不同的高低電平比例，即可確定不同的臺燈亮度。如下流程圖所示，假如N的取值是3，那么就是點亮臺燈3毫秒，熄滅臺燈7毫秒，然后又重新點亮3毫秒，熄滅7毫秒，依此循環。這樣亮滅的時間比例就是3:7，亮的時間所占的比例越大，臺燈就越亮。如圖12所示開始開始點亮臺燈點亮臺燈延時N毫秒（N延時N毫秒（N<=10）熄滅臺燈熄滅臺燈延時1延時10-N毫秒結束結束圖12pwm調光

第5章硬件的組裝與調試5.1元器件的選擇與測量本次設計的主要元器件有：AT89S51單片機，晶振，電阻，電容，開關，按鍵，杜邦排線，USB電源轉換線，LED發光二極管，ADC0832模數轉換器，光敏電阻傳感器，HC-SR501人體紅外感應電子模塊傳感器，光電傳感器模塊，蜂鳴器等。（11）這些元器件都需要我們認真地查詢資料和了解每個元器件的注意事項。焊接時尤其要注意各元件的正負極性和電阻電容大小、芯片引腳順序等細節。5.2元件的焊接與組裝組裝電路是在開發板上進行焊接和連接的，同時還應注意以下等方面。購買元器件時應確保元器件的完整和可用性，確保其不會傷害人體和造成危害所有的電路應保證焊接組裝方向一致，以方便焊接和合理安排排線。分離元件應仔細辨明元器件的正反方向，標志應當位于合適的易觀察的位置方便檢查。對于區分正負極性的元件更應仔細，防止燒壞元器件。為了便于后期檢查，根據作用不同要區分不同顏色的導線。在焊接時應當盡量做到排版簡潔和方便。5.3測試的結果5.3.1手動模式結果當臺燈處于手動模式時，只有坐姿感應和按鍵調節燈光功能。下圖為測試圖片。如圖13所示圖13結果圖5.3.2自動模式結果當處于自動模式時，當有人處于臺燈范圍內時會自動開燈，并且會通過光敏電阻隨著周圍光照強度的改變而改變臺燈的亮度。當臺燈范圍內無人時，經過25秒后臺燈自動熄滅。下圖為測試結果圖，如圖14所示圖14

5.3.3坐姿感應功能當處于自動模式時，會啟動坐姿感應功能，當學生距離桌子太近時，會觸發蜂鳴器報警和紅色二極管發光提醒。下圖為測試結果。如圖15所示圖15參考文獻[1]周瑤.高校教室燈光節能控制系統的設計[D].鄭州大學,2010.[2]居大鵬.LED驅動器的調光技術[J].電子產品世界,2010,17(11):34-36.[3]賈傳圣,郝敏啟.基于單片機控制太陽能跟蹤系統的設計[J].電氣制造,2014(12):23-25.[4]李彥.基于構造運動光場的高精度直線時柵位移傳感器研究[D].重慶大學,2016.[5]馬瑤.LED晶粒分揀技術的機器視覺研究[D].西安工業大學,2010.[6]王彥華,劉希璐.光敏電阻器原理及檢測方法[J].裝備制造技術,2012(12):101-102+113.[7]余敏.可調光數字式LED驅動電源設計[D].浙江理工大學,2012.[8]郭奇.智能家居控制平臺的設計與實現[D].沈陽理工大學,2012.[9]李繼強.基于單片機控制的一款電動小車的設計[J].硅谷,2012,5(23):51-52.[10]翟曉雄.POS機遠程維護管理系統的研究與實現[D].復旦大學,2013.[11]林超倫.基于ZigBee的智能小區LED路燈控制系統的研究與設計[J].電子世界,2019(21):146+148.

附錄附錄一元件清單AT89s511片51單片機最小系統板1個12M晶振1個30pF獨立電容2個電阻1k2個電阻10k2個輕觸開關3個5mmLED燈珠發光二極管1個有源蜂鳴器1個光敏電阻1個ADC08321個三極管2個HC-SR501人體紅外感應傳感器1個紅外測距感應器1個電源開關1個電源座1個PCB9*15電路板1張導線若干電源線1根

附錄2原理圖附錄3設計程序//宏定義#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar//頭函數#include<reg52.h> ucharpdatatt[51]; //定義空數組用于AD0832取平均值ucharscale,rsd_sec; //定義占空比比例，熱釋電計時秒變量ucharsec;bitbdataflag_auto,flag_rsd,flag_jiejin=1; //位定義自動切換的，閃爍標志，報警位標志，熱釋電動作標志，接近傳感器標志bitflag_BJ;bitsleep;uintlum; //ad0832讀出值ucharm;//函數聲明//voiddelay(uchari);//管腳聲明sbitLED=P2^5; //燈光控制輸出sbitLED_ALARM=P2^0;sbitrsd=P3^2;//熱釋電sbitjiejin=P1^4;//接近開關sbitbuzz=P3^3;sbitqiehuan=P3^7;sbitadd=P3^6;sbitdec=P3^5;sbitCS=P1^3; //CS定義腳，連接ADC0832CS腳sbitSCL=P1^0; //SCL定義腳，連接ADC0832SCL腳sbitDO=P1^1; //DO定義腳，連接ADC0832DO腳/*****************延時函數：大約1ms************************/voiddelay(uchari){ucharj,k;for(j=i;j>0;j--)for(k=125;k>0;k--);}/***********讀數模轉換數據********************************************************/ //請先了解ADC0832模數轉換的串行協議，再來讀本函數，主要是對應時序圖來理解，本函數是模擬0832的串行協議進行的unsignedcharad0832read(bitSGL,bitODD){ unsignedchari=0,value=0,value1=0; SCL=0; DO=1; CS=0; //開始 SCL=1; //第一個上升沿 SCL=0; DO=SGL; SCL=1; //第二個上升沿 SCL=0; DO=ODD; SCL=1; //第三個上升沿 SCL=0; //第三個下降沿 DO=1; for(i=0;i<8;i++) { SCL=1; SCL=0;//開始從第四個下降沿接收數據 value<<=1; if(DO) value++; } for(i=0;i<8;i++) { //接收校驗數據 value1>>=1; if(DO) value1+=0x80; SCL=1; SCL=0; } CS=1; SCL=1; if(value==value1) //與校驗數據比較，正確就返回數據，否則返回0 returnvalue; return0;}/*****************按鍵函數*****************/voidwork(){ uintlum_mean,lum_all; ucharb,c; if(qiehuan==0) //自動切換按鍵按下 { delay(10); //去抖 if(qiehuan==0) //再次判斷按鍵按下 { buzz=0; //蜂鳴器鳴響 flag_auto=!flag_auto;//自動模式標志位取反 if(flag_auto==1) //當切換到手動模式時首先將LED發光比例設置在50% scale=20; buzz=1; } while(!qiehuan);//按鍵釋放松開按鍵后關閉蜂鳴器 } if(flag_auto==1) { if(add==0) //加鍵按下 { delay(10); if(add==0) { scale++; //燈光比例++ if(scale>=41) scale=41; } } if(dec==0) //減鍵按下時 { delay(10); if(dec==0) { scale--; //燈光比例-- if(scale<=1) scale=1; } } } else { if(flag_rsd==1&&sleep==0) //有人在范圍內時 { for(b=0;b<49;b++) //將空數組tt【】內數值整體左移一位 { tt[b]=tt[b+1]; //將后一數值放到前一位置 } tt[49]=ad0832read(1,0);//將讀出的ad數值放入tt【49】 for(c=0;c<50;c++) //將tt【】內數值相加 { lum_all=lum_all+tt[c]; } lum_mean=lum_all/50; //將總數/50取出平均值 lum_all=0; //將總數清零 if(lum_mean<=30)scale=1; //判斷取出平均值大小小于30發光強度0% elseif(lum_mean>=150)scale=41; //大于150發光強度100% elsescale=((lum_mean-30)/3)+1; //其他值時將其計算得到發光強度（計算目的是為了得到一個1-41之間的數值控制燈光變化） } else { scale=1;