單片機(jī)智能臺燈

摘要：設(shè)計(jì)制作了一種智能臺燈，主要是以BISS0001和單片機(jī)組成的紅外傳感控制電路。其特點(diǎn)是在有人時(shí)且外界光強(qiáng)較弱時(shí)能自動(dòng)開燈，無人時(shí)關(guān)燈，節(jié)約能源；且能糾正坐姿，防止近視。

關(guān)鍵詞：節(jié)能;糾正坐姿;BISS0001                  

一、引言：臺燈已是千家萬戶的必需生活用品，經(jīng)常由于忘記關(guān)燈而造成巨大的能源浪費(fèi)。當(dāng)夜晚來臨時(shí)，人們又摸黑去開燈，非常不方便。在這里設(shè)計(jì)了以人體紅外輻射（波長為9.5um）傳感控制電路。當(dāng)人體在臺燈的范圍內(nèi)且環(huán)境光強(qiáng)較弱時(shí)，自動(dòng)感應(yīng)開燈；當(dāng)人體太靠近桌面時(shí)，臺燈自動(dòng)感應(yīng)，警告糾正坐姿，若在一定時(shí)間內(nèi)未離開桌面則自動(dòng)熄滅。當(dāng)人離開時(shí)則自動(dòng)關(guān)燈，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

二、系統(tǒng)組成及電路設(shè)計(jì)：

1.        系統(tǒng)組成部分

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1)       傳感器及信號處理部分：檢測人體輻射紅外信號及光強(qiáng)信號經(jīng)過處理后變成可處理的數(shù)字信號

2)       以80C51組成的中央處理單元：處理信號并發(fā)出控制命令

3)       提醒電路及燈光控制電路 ：給出提醒信號并根據(jù)80C51給出的命令控制燈光

整個(gè)系統(tǒng)是以80C51控制下工作的。其工作過程為：當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值比較小，信號處理電路檢測到低電平信號，禁止熱釋電紅外傳感器工作，省去了80C51處理過程。當(dāng)環(huán)境光比較弱時(shí)，光敏電阻阻值變大，信號處理電路接收到高電平，從而啟動(dòng)熱釋電紅外傳感器工作。熱釋電紅外傳感器1探測比較遠(yuǎn)的距離，當(dāng)人體進(jìn)入到傳感器1的控測范圍內(nèi)且光強(qiáng)較弱時(shí)，信號檢測電路處理信號，并向單片機(jī)發(fā)送一個(gè)中斷，80C51啟動(dòng)燈光控制電路，使燈慢慢變亮。當(dāng)環(huán)境光比校弱時(shí)，且人體過于靠近桌面，熱釋電紅外傳感器2檢測到信號，同時(shí)了在熱釋電紅外傳感器1的控測范圍內(nèi)，信號處理電路同時(shí)向80C51發(fā)送信號，80C51處理信號根據(jù)優(yōu)先級順序，屏蔽掉熱釋電紅外傳感器1的信號，啟動(dòng)延時(shí)電路，發(fā)出警報(bào)使人離開，若在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未離開桌面，則啟動(dòng)燈光控制電路，使燈慢慢熄滅。當(dāng)人體離開熱釋電紅外傳感器2的控測范圍且在熱釋電紅外傳感器1的控測范圍內(nèi)時(shí)，燈光又慢慢變亮。

2.        電路設(shè)計(jì)部分

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圖二是由紅熱釋電紅外傳感器、光敏電阻、BISS0001組成的信號檢測及處理電路。紅熱釋電紅外傳感器只對波長為10μm（人體輻射紅外線波長）左右的紅外輻射敏感，所以除人體以外的其他物體不會(huì)引發(fā)探頭動(dòng)作。探頭內(nèi)包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，于是輸出檢測信號。 BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)�；旌蠈Ｓ眉�成電路。當(dāng)外界光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值很小，BISS0001檢測到低電平，從而封鎖14腳，禁止傳感器infare1的信號。當(dāng)外界光強(qiáng)較弱時(shí)，光敏電阻阻值很大，BISS0001檢測到低電平，開啟14腳；infare1檢測到人體信號時(shí)，產(chǎn)生微弱的信號輸出，經(jīng)R5、R1005、R4、C1、C6、C7組成的信號放大濾波電路。R1000、R1001、C1000和C1001組成的延時(shí)電路。信號經(jīng)處理后從2腳輸出。

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圖三是由單片機(jī)組成的報(bào)警及燈光控制電路。當(dāng)外部無任何中斷時(shí)，80C51控制74LS138的使能控制端，使后面電路不工作。當(dāng)有中斷一產(chǎn)生時(shí)，80C51啟動(dòng)74LS138，向P0腳低4位發(fā)送信號，控制燈慢慢亮。當(dāng)中斷1和中斷0同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，80C51屏蔽掉中斷1，啟動(dòng)74LS138向P0腳低四位發(fā)送數(shù)據(jù)，使燈光慢慢變暗。這里采用74LS138控制DC832可以節(jié)省80C51的管腳，有利于擴(kuò)展，以便于控制多盞燈。由于采有DC0832可以有效地使燈實(shí)現(xiàn)階梯形的變化。

3.  程序框圖:

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中斷1                                                             中斷0

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程序框圖如圖四所示，程序開始后，對程序進(jìn)行初始化。向P0腳寫入低電平，開啟所有中斷，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。當(dāng)中斷1來時(shí)，進(jìn)入中斷1，設(shè)置R0為0，調(diào)用延時(shí)程序TIME0（延時(shí)10ms），判斷R0是否等于7，若不是，則加1，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)入循環(huán)，直至R=7，即實(shí)現(xiàn)的是燈慢慢變亮的一個(gè)過程。當(dāng)中斷0和中斷1同時(shí)產(chǎn)生時(shí)，根據(jù)優(yōu)先級，屏蔽掉中斷1，開啟中斷0。調(diào)用延時(shí)程序TIME0（延時(shí)1分鐘），查詢中斷0控制位;防止人體不小心到達(dá)熱釋電探測器的探測范圍內(nèi)，采用延時(shí)程序來排除干擾，防止誤判。若為0，則返回主程序；若為1，則向P0高四位發(fā)送數(shù)據(jù)，使燈保持原來最亮狀態(tài)，調(diào)用延時(shí)程序TIME1，判斷R0是否等于0，若是則中斷返回，若不是，則R0減1，繼續(xù)循環(huán)，直至R0等到于0，此程序的目的是實(shí)現(xiàn)燈慢慢變暗。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

本系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想來源于生活。臺燈是一般家庭的生活必需品，但由于經(jīng)常忘記關(guān)燈而造成巨大的能源浪費(fèi)。全球這么多臺燈，估算一下，消耗能源可觀。另一個(gè)是作為一個(gè)必需品，當(dāng)然要使生活變得更方便，省去了黑暗中開燈的麻煩，并且可以糾正坐姿。本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)物實(shí)驗(yàn)。熱釋電紅外探測器1的距離是4m左右（距離可調(diào)），主要是因?yàn)榘銇碚f是門離書桌的距離;以便黑暗中時(shí)人一到門口則啟動(dòng)，省去了開燈的麻煩，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況進(jìn)行距離調(diào)節(jié)。熱釋電紅外探測器1的距離是10cm左右（距離可調(diào)），主要考慮是當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)，有時(shí)坐姿不正，引起身體離桌面太近，容易引起近視，此時(shí)臺燈發(fā)出警告，提醒注意，若在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未離開，則強(qiáng)制熄滅。有時(shí)人學(xué)習(xí)累了，趴在桌子上睡覺，而忘了關(guān)燈,這時(shí)系統(tǒng)就會(huì)檢測到，從而啟動(dòng)延時(shí)程序，一段時(shí)間過后，臺燈就會(huì)自動(dòng)熄滅。

本系統(tǒng)的主要技術(shù)難點(diǎn)在于對人體紅外信號的采集及處理。由于采用的是熱釋電紅外傳感器，當(dāng)人體進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)，傳感器就會(huì)產(chǎn)生幾mV信號，然后通過以BISS0001為中心的信號處理電路，對信號進(jìn)行二次放大，并濾波，以防止外界的信號產(chǎn)生干擾。信號經(jīng)過BISS0001后從而轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出，便于用單片機(jī)進(jìn)處理。

本系統(tǒng)制作的主要設(shè)計(jì)源泉來源于生活，因此創(chuàng)新之處也在于處理生活中一些比較常見的問題。以專門感應(yīng)人體紅外信號的熱釋電紅外傳感器為基礎(chǔ)，以BISS0001信號處理電路，利用單片機(jī)進(jìn)行處理，以達(dá)到便于控制的目的。當(dāng)房間亮度不夠時(shí)，且有人在附近時(shí)，臺燈便會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，省去了黑暗中摸開關(guān)的麻煩；當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)由于靠桌面太近，造成坐姿不正，系統(tǒng)就會(huì)提示，以糾正坐姿，防止近視；當(dāng)學(xué)習(xí)太累了時(shí)，趴在桌子上睡會(huì)兒時(shí)，臺燈就會(huì)自動(dòng)熄滅；當(dāng)無人在時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)使臺燈自動(dòng)熄滅，以達(dá)到節(jié)省能源的目的。除了硬件部分采用防干擾技術(shù)外，在軟件中也采用了防干擾技術(shù)，當(dāng)中斷0產(chǎn)生時(shí)，并不立即執(zhí)行，而是對其進(jìn)行延時(shí)，防止由于不小心而進(jìn)入到探測器2的范圍內(nèi)，以免產(chǎn)生誤判。

雖然本系統(tǒng)以達(dá)到了使生活方便的目的，但是電路還是不夠簡單。因?yàn)楫?dāng)有多個(gè)熱釋電紅外傳感器時(shí)，就需要相應(yīng)的信號檢測電路。改進(jìn)之處在于用一個(gè)信號處理電路同時(shí)控制多個(gè)傳感器。還有一個(gè)不足之處在臺燈開啟時(shí)，產(chǎn)生的光強(qiáng)容易干擾光敏電阻對環(huán)境光強(qiáng)的判別，引起誤判，現(xiàn)在的處理方法是傳感器部分與控制部分單獨(dú)分開放置。

1)       胡學(xué)海主編    單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)       電子工業(yè)出版社    北京       2005年8月

2)       趙繼文主編    傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)              科學(xué)出版社           北京       2002年

3)       黃繼昌主編    電子元器件應(yīng)用手冊                  人民郵電出版社    北京       2004年

       本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想來源于生活，所以所具有的功能也是為生活的方便而設(shè)置的。因此就產(chǎn)生了制作智能臺燈的想法。首先在與師傅的商討下，對項(xiàng)目進(jìn)行了認(rèn)證，確定了項(xiàng)目的可行性，列出了項(xiàng)目的主要難點(diǎn)及可能出現(xiàn)的問題，確定了以后的制作重點(diǎn)。接下來進(jìn)行構(gòu)思，列出大體的框架圖。然后根據(jù)框架圖用PROTEL畫出電路原理圖。

在對電路原理圖進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼J(rèn)證后，便開始了焊接電路。由于主要對象是人，因此采用熱釋電紅外傳感器，此傳感器是專門用于接收人體產(chǎn)生的10um左右的信號，相應(yīng)的利用BISS0001處理其所產(chǎn)生的信號并轉(zhuǎn)化為可處理的數(shù)字信號。在焊接的過程中發(fā)現(xiàn)若用到兩個(gè)光敏電阻，則可能使單片機(jī)產(chǎn)生誤判。因此將兩個(gè)光敏電阻合到一塊，不僅簡化了電路，還提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)信號檢測及處理部分完成后，便開始試檢，以確定電路焊接正確與否。在對電路進(jìn)行調(diào)試的過程中，必須排除外界的干擾，尤其是附近熱源的紅外線干擾。首先將BISS0001設(shè)置成不可重復(fù)觸發(fā)方式，比較長延遲時(shí)間，以便得到穩(wěn)定的輸出信號，并把接收光電池的引腳接成高電平，使BISS0001認(rèn)為一直處于黑暗之中，便于觀測。在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)人遠(yuǎn)離時(shí)，BISS0001輸出低電平，符合要求；但是在人靠近后信號出現(xiàn)不規(guī)則的變化。利用示波器對BISS0001的各個(gè)管腳進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)信來源的主要不穩(wěn)定因于傳感器，因此，在目前沒有更好的更換下，只好采用目前的熱釋電傳感器。

接下來做的是數(shù)字電路部分，主要80C51、74LS138、LM324、DAC0832組成。數(shù)字電路部分比較簡單，焊接完成后，編寫一個(gè)新程序，對各個(gè)端口進(jìn)行掃描，從而顯示數(shù)字電路是可行的。

在對電路部分進(jìn)行了初步的檢測后，解決了比較主要的問題；因此依據(jù)硬件編寫相應(yīng)的程序，經(jīng)過KEIL軟件仿真后，語法上無錯(cuò)誤，各個(gè)端口的數(shù)據(jù)正是所需要的，最后是將軟件燒到單片機(jī)中，然后運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)。

通過本次實(shí)驗(yàn)，熟悉了電路的開發(fā)和制作及文檔的編著寫。在實(shí)驗(yàn)中也遇不少難題，但通過各種方法進(jìn)行了解決。