智能台灯的设计与实现讲解.pdf

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1、 1 智能台灯的设计与实现 摘 要: 随着科技的快速发展， 人们享受着科技给生活带来的便利和生活品质量的提升， 与传统的产品相比，具有高科技含量的产品有着明显的优势，也更受人们的欢迎。有了 高科技的支持，家用电器的功能相比较以前更全面，也更偏向智能化。智能台灯的设计 以单片机为中央控制单元，主要由热释电红外传感器，光强信号处理电路和LCD时间温 度显示电路组成，软件选用C语言编程。中央控制单元处理红外传感器检测的信号和光 强信号并且保障整个系统正常的运行。本系统功能强大, 设计更加人性化，使用这种智 能台灯提高了生活的品质， 它易于操作，方便智能，将会有广阔的开发前景和实用意义。 关键词 :

2、智能台灯；热释电红外传感器；单片机 智能台灯的设计与实现 2 前言 台灯是我们日常生活中的小家电，是我们每个家庭必不可少的生活和学习用品，人 们使用时经常会由于粗心大意而忘记关灯，这样就会浪费很多的电能。晚上想使用时， 人们又得摸黑去开灯，十分麻烦。本次设计和传统的台灯不同，它通过传感器来感应人 体红外辐射进而控制台灯的亮灭。当有人出现在台灯红外检测的范围内并且光线强度较 弱时，自动感应把台灯点亮；当人离开时台灯自动关闭，可以达到节约能源的目的；本 设计有液晶显示屏显示时间温度，台灯工作时显示当前室温，并且有专门设置的按键调 节时间。 得益于传感器感应技术和智能控制系统的进一步发展，未来人们将

3、会使用更多智能 化的产品，会带来更多的便利和惊喜。智能化的家用电器已经逐渐具备科技含量，随着 经济水平的普遍提高，人们对生活品质的要求比以往强烈，不再满足老式家用电器傻瓜 式的手动操作和简单单一的功能。尽管在生活中传统老式的台灯还是人们使用的主体， 但是它们已经满足不了人们对其智能化及节能环保功能的要求，所以台灯的设计里要加 入科技的元素。智能台灯相比传统老式的台灯有很多明显的优势，智能台灯比普通的台 灯更节省电能，更利于环保。在夜晚的时候自动开关灯的功能让我们省去了在黑暗中摸 灯的麻烦。 单片机在本次智能台灯的设计中占有重要地位，是系统的中央控制单元，外部电路 由光强信号处理电路、红外传感器

4、和LCD 时间温度显示电路组成。中央控制单元处理 红外传感器检测的信号和光强信号并且保障整个系统正常的运行。本设计功能强大，易 于操作，方便智能，将会有广阔的开发前景和实用意义。 1 绪论 1.1 智能台灯的概述 人们在生活和学习的时候常用台灯来照明。目前市场上销售的台灯主要立在桌子上 的， 还有少数是带有夹子的。 台灯使用的流行主要是因为它把光线集中在某一块区域内， 方便工作和学习，最重要的是照明效果好节约电能。 市场上出售的台灯有不少缺点甚至是安全隐患，电源电压不是安全电压，存在潜在 的危险因素；这些台灯存在频闪效应，人的眼睛在这种灯光下时间久了会损害使用者的 身心健康；这些台灯不是节能的

5、材料制作的，所以耗电量大不节能；控制台灯亮灭时， 往往需要手工进行操作，在夜晚使用比较麻烦。智能台灯比普通的台灯更节省电能，更 3 利于环保。在夜晚的时候自动开关灯的功能让我们省去了在黑暗中摸灯的麻烦。智能台 灯采用红外感应技术， 所以台灯能根据所处环境光线强度和检测是否有人来自动开启台 灯。 随着传感器感应技术和智能控制系统的进一步发展，未来人们将会使用更多智能化 的产品，会带来更多的便利和惊喜。智能化的家用电器已经逐渐具备科技含量，随着经 济水平的普遍提高，人们对生活品质的要求比以往强烈，不再满足老式家用电器傻瓜式 的手动操作和简单单一的功能。尽管在生活中传统老式的台灯还是人们使用的主体，

6、但 是它们已经满足不了人们对其智能化及节能环保功能的要求，所以台灯的设计里要加入 科技的元素。 1.2 系统设计的背景 节能环保的意义重大，我国绝大部分的电能是来源于自火力发电，而火力发电会产 生大量二氧化碳。二氧化碳是一种会引起温室效应的气体，当大气中的二氧化碳过多的 时候，温室效应的问题会更加严重，造成全球的温度升高，随之冰川融化海平面上升， 许多海拔低的地区被淹没。此外气候变暖，雨水和土壤湿度进一步减少，土地沙漠化和 草原退化等环境问题将变得更加严重，节约电能环境保护已经迫在眉睫。人们在平时的 生活中使用智能台灯，节约了电能，给自己带来了方便，为保护自然环境做了贡献，这 是一件多么美好的

7、事情。 1.3 系统设计的内容 智能台灯的设计与实现，单片机作为本设计的中央控制单元，组成部分为光强信号 处理电路、红外传感器和LCD 时间温度显示电路。本设计能够实现的功能是在有人靠 近台灯时且光强较弱时能自动开灯，在人离开台灯的时候自动关灯，可以达到节约电能 的目的。系统配备LCD 液晶屏显示时间和温度，并有按键调节时间。 2 系统设计方案 2.1 系统功能定义 智能台灯的主要功能有以下三个：第一，当有人出现在台灯的传感器检测范围内并 且光线强度较弱时，台灯自动感应点亮；第二，当人离开时台灯自动关闭，可以达到节 约能源的目的；第三，液晶显示屏显示时间温度，开机显示当前室温，并且有专门设置

8、的按键调节时间。 智能台灯的设计与实现 4 本设计能达到的功能： 图 1 系统功能框图 智能台灯的设计中单片机作为本设计的中央控制单元，组成部分为光强信号处理电 路、红外传感器和LCD 时间温度显示电路。本设计能够实现的功能是在有人靠近台灯 时且光强较弱时能自动开灯， 在人离开台灯的时候自动关灯， 可以达到节约电能的目的。 系统配备 LCD 液晶屏显示时间和温度，并有按键调节时间。台灯系统控制由AT89C52 单片机为核心构成。系统硬件的框图如下： 图 2 系统硬件结构框图 光 强 检 测 光强 弱且 有人 光强 弱且 无人 光 强 强 灯灭人走灯亮 灯 不 亮 灯 不 亮 中央控制单元 传感

9、 器及 信号 处理 器 光敏 电阻 信号 处理 电路 LCD 显示 电路 5 主要有以下基本分组成： a.检测外部光强、人体波长信号再经过处理成输入信号的部分由光敏电阻、RE200B 传 感器及 BISS0001 芯片组成的电路； b.中央控制单元由AT89C52单片机为核心构成，控制系统的运行； c.以 LCD 液晶显示屏、温度传感器及时钟电路组成的时间温度显示电路，显示实时室温， 并有专门设置的按键调整时间。 2.2 系统功能模块分析 2.2.1 中央控制单元 本次智能台灯设计中，由单片机组成的中央控制单元有十分重要的作用。这是整个 系统的大脑，它发出操作命令指挥系统工作。它一方面运行传感

10、器及信号处理部分对外 部信号进行实时监测，另一方面同时控制着LCD 显示电路工作情况。从而能保证整个 设计的系统进行正常的运转和工作。 为了满足系统设计要求，控制模块中的单片机选用AT89C52 芯片，本产品利用厂 家的最先进的制造技术为支撑，是一种质量高可靠性好的8 位芯片，内含能多次烧入的 Flash器件，包含了 MCS-52 系统的执行指令和89C52管脚设计，本产品还包括了常用8 位 CPU 和 ISP Flash存储单元。 AT89C52 单片机使用高效，确保设计的系统能够安全可 靠地运行。 2.2.2 信号处理单元 传感器及信号处理单元在本次设计中有着举足轻重的地位。本设计选择RE

11、200B传 感器和 DS18B20 传感器作为红外及温度收集器件。外部信号实时监测经过传感信号处 理集成电路芯片 BISS0001处理后变成数字信号后，由中央控制单元分析处理。 在电路中要利用热释电红外传感器采集回来的信号去对台灯进行控制。因为收集的 信号将直接指挥系统的控制行为，所以对红外传感器的质量和可靠性要求比较高。第一 点，传感器要对人体发出的红外波长感应很灵敏，而对其他的物体发出的红外波长不感 应。第二点，它要能够感应一定距离的红外信号，可以借助于菲涅尔透镜的聚焦作用。 热释电红外传感器RE200B 能检测人发出的红外线波长并转换成电信号输出。为满足以 上要求，本系统选择传感器RE2

12、00B 来监测。 2.2.3 LCD 显示电路 LCD 显示电路体现是本系统的功能一个重要模块，能实现对台灯LCD 液晶屏控制 从而显示时间温度的功能。以LCD 液晶显示屏、时钟电路和温度传感器组成的时间温 智能台灯的设计与实现 6 度显示电路，在台灯开机的时候就可以显示实时室温，并有专门设置的按键调整时间， 使用起来方便实用，对我们的工作和学习大有帮助。 2.3 本章小结 本章主要介绍了系统的设计功能的要求以及具体的功能模块。根据系统功能的要 求，完成了系统硬件的框图设计。然后分别介绍了LCD 显示时间温度、中央控制单元 和传感器及信号处理等模块功能的分析以及主要器件的选择要求。 3 硬件电

13、路原理及设计 3.1 系统硬件电路工作原理 图 3 系统硬件组成框图 系统是在单片机 AT89C52 控制下工作的。台灯系统的工作情况：当光强变强时， 光敏电阻阻值小，检测到电路中的低电平，热释电红外传感器停止工作，中央控制单元 不做出反应。当光强变弱时，光敏电阻阻值大，接收到电路中的高电平，从而热释电红 外传感器开始工作。当有人进入到传感器的检测范围内且光强较弱时，检测电路发出信 号，并向单片机发送一个中断，中央控制单元启动电灯控制电路，台灯点亮。当人体走 出传感器的检测范围时，台灯熄灭。 3.2 功能模块电路工作原理 3.2.1传感器及信号处理 热 释电红外传 感 温度传感器 光敏电阻 电

14、灯控制电路 时 间温度 显示 电 信 号 处 理 电 路 单片机 AT89C52 7 图 4 传感器及信号处理部分电路图 由光敏电阻、热释电红外传感器RE200B 和 BISS0001芯片组成的信号检测电路。热 释电红外传感器只能检测到人体辐射红外线波，因此当检测到其他物体的时候不会触发 信号接收电路。环境背景的作用对两个热释器件差不多有同样的影响，让其发生释电效 应相互不产生作用，让检测器没有输出信号。当有人进入检测范围时，人的红外辐射由 于部分镜面的作用而聚焦，同时被热释器件接收，当两个热释电器件接收到的人体红外 辐射不同，热释电是不同的，无法消除，然后输出探测到的信号。 BISS0001

15、是多种器 件组成的数模混合的一种专用集成电路。在环境光线强度强时，光敏电阻的阻值小，电 路检测出低电平，传感器停止工作无信号输出。在环境光线强度弱时，光敏电阻的阻值 大，电路检测出高电平，传感器开始工作，产生有信号输出。光线强度检测是一个重要 部分，有两个关键的元件，一个是光敏电阻，一个是可变电阻，其中光敏电阻的检测能 力的强弱是由可变电阻来控制的。 3.2.2 单片机控制下的 LCD显示电路 智能台灯的设计与实现 8 图 5 单片机控制下的LCD显示电路图 由单片机组成的 LCD显示电路。由几个的相互独立电路组合成一个以单片机为中心 的时间显示电路；温度传感器选择DS18B20 来收集信号，

16、时间的星期、时、分的数字 可以调节，时间显示部分的主要是通过液晶屏LCD1602 来显示时间温度信息。 3.3 主要器件介绍 3.3.1 AT89C52 单片机简介 单片机芯片选择了AT89C52 芯片。为了满足系统设计要求，控制模块中的单片机 选用 AT89C52 芯片，本产品利用厂家的最先进的制造技术为支撑，是一种质量高可靠 性好的 8位芯片， 内含能多次烧入的 Flash器件， 包含了 MCS-52 系统的执行指令和 89C52 管脚设计，本产品还包括了常用8 位 CPU 和 ISP Flash存储单元。 AT89C52 单片机使用 高效，确保设计的系统能够安全可靠地运行。 9 图 6

17、AT89C52 引脚图 3.3.2 热释电红外传感器 热释电红外传感器的工作原理是热电效应。热释电效应是指在某些晶体温度表 变化时，晶体的产生等量的带相反符号的电荷，发生变电极化现象。在有人进入检测范 围时，由于人体温度与环境温度有差别，就会有信号输出。 人体会发出特定波长的红外线， 红外探头检测人体发出的红外线波长从而开始工作 的。在接收到人体红外辐射变化时，热释电元件会打破自身电荷的平衡，从而向外界释 放电荷，就有了电压信号。红外探头的传感器包含两个热释电元件，电极化方向正好相 反，所在环境的辐射对两个热释元件有同样的影响，产生释电效应相互抵消，所以检测 器没有信号输出。 3.3.3 光敏

18、电阻 光敏电阻的阻值大小是变化的，它随着所在环境光线强度的改变而改变，当环境光 比较强时，它的阻值减小，当环境光较弱时，它的阻值就会增大，这是因为它特殊的制 作材料决定的。当光线较强的时候，光敏电阻的阻值就很小，传感器信号处理电路会进 行有关的处理；当光线较弱的时候，它的阻值就会变大，同时热释电红外传感器要是检 测到有人在台灯附近时， 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 智能台灯的设计与实现 10 阻要求也很高，要对环境光感应敏感，能迅速把信号传送到信号处理电路。 3.3.4 BISS0001 芯

19、片介绍 BISS0001可以自动迅速启动各种日光灯、自动门、电风扇、洗衣机和自动水龙头 等装置。本芯片是一种高技术产品，已经广泛用于企业、酒店、超市、仓库及住宅的过 道等特殊区域，或用于特殊区域的智能开关灯、照明及警报系统。主要功能如下： a. 为 CMOS AD 混合特殊的电路； b. 具有一个高输入阻抗运算放大器传感器连接进行信号处理； c. 具有双向的鉴幅器，能消除一定的干扰； d. 内部设置有延迟功能的定时器和封锁功能的定时器； e. 结构优化，安全稳定，调解范围宽； f. 正常工作电压： 26V。 3.3.5 液晶屏 LCD1602 LCD1602 简介： LCD1602 液晶显示器

20、是一种点阵式，工作电压有两种模式可选，3.3 或 5V，对比度可调，并含有复位电路，提供多种控制命令，我们可以自定义字符发生器 CGRAM。 1602LCD 主要技术参数： a. 屏幕参数： 32个字符； b. 芯片工作电压 :4.5 5.5V ； c. 工作电流 :2.0mA； d. 模块最佳工作电压 :5.0V ； e. 字符尺寸 :2.95 4.35(WH)mm 。 图 7 显示器实物图 11 图 8 LCD 引脚图 引脚功能 ： 第 1 脚：GND 为电源地 第 2 脚：VCC 接 5V 电源正极 第 3 脚：V0 为 LCD 调节对比度的端口。接正电源时，对比度弱，接地时，对比度 高

21、。 第 4 脚：RS 为选择端口。 第 5 脚：RW 为读写端口。当读写信号线高电平时为读操作，反之，低电平写操作。 第 6 脚：端口为使能端 , 负电平时操作命令。 第 714 脚：端口为 8 位数据传输端。 第 1516 脚：电源或空端口。 3.3.6 ADC0804 芯片 ADC0804是一种质量好的可靠性高的A/D 转换器 ，这一类的 A/D 转换器优点明显， 价格低廉、传输信号速度快、分辨率高，应用广泛。 ADC0804主要技术指标如下： a. 高阻抗状态输出 b. 分辨率： 8 位(0-255) c. 存取时间： 135 ms d. 转换时间： 100 ms e. 总误差： -1-

22、+1 LSB f. 工作温度： ADC0804C 为0度-70度；ADC0804L 为-40 度-85 度 g. 模拟输入电压范围： 0V-5V h. 参考电压： 2.5 V i.工作电压： 5V j.输出为三态结构 智能台灯的设计与实现 12 图9 ADC0804引脚图 3.3.7 温度传感器 DS18B20 温度传感器是一种常用的传感器，具有短小精悍，价格低廉，测量准度高 的特点。 DS18B20 数字温度传感器应用广泛，能应用于很多功能不同的电路，同时型号 也是多种多样。封装后的DS18B20 可用于钢水测温，极地测温，仓库测温，温室测温， 实验室测温，医院病房测温，冷库测温等极端条件测

23、温场所。本产品还适用于某些空间 较小的区域进行数字测温和控制温度领域。 主要特征： a. 检测、输出和显示数字温度。 b. 单条总线的数据通信技术。 c. 拥有最高 12 位的分辨率，测试精度能达到负零点五至正零点五摄氏度。 d.750ms的 MAX 工作周期， MAX 分辨率时达到 e. 可以用寄生的工作方式。 f. 测温的范围： -55 至+125摄氏度 g. 内部设置报警装置。 h. 内置设有编号，能够多台机器使用 3.4 本章小结 本章介绍了以单片机AT89C52 为中央控制单元的系统组成部分。详细介绍了光敏 电阻、热释电红外传感器传感器RE200B、单片机 AT89S52、BISS0

24、001芯片、ADC0804 转换芯片的资料，包括引脚图及引脚的作用。了解这些芯片的功能之后利用它们设计电 路，更加了解在单片机控制下的具体工作情况。 13 4 系统程序设计 4.1 系统总体程序框图 图 10 系统程序总体框图 4.2 主程序流程图 智能台灯的设计与实现 14 图 11 整个系统程序流程图 图 12 LCD 显示程序流程图 4.3 本章小结 本章主要是介绍对中央控制核心AT89C52的程序设计。先是把程序框图画出来，然 程序初始化 LCD 清屏显示 有按键按下 时钟芯片赋初值 取时钟、温度 温度采集 LCD1602 显示 温度显示 温度变化 按键中断程序 Y N 15 后画出具

25、体各个步骤的程序流程图，根据硬件电路所要求实现的功能，用 C 语言编出合 理的程序。 5 系统仿真调试 5.1 PROTEUS 对系统仿真 5.1.1 软件 Proteus 概述 仿真软件是英国的一家公司开发的软件，可以完成单片机电路的仿真与分析，配备 强大全面的元件库能完成多种电路的仿真。强大的绘图功能并支持第三方的电脑语言编 译和调试，调试的时候可以同时观测到各个数据变化，在Windows 操作系统上运行。 5.1.2 Proteus对系统仿真 根据设计要求，从Proteus元件库中找到所需要用到的元件，画好电路图并且检查 有无错误。 最后通过 keil uVision 软件编写的 C 语

26、言程序，转换成 HEX 文件下载到画好 的的电路上进行调试。以下是系统的仿真电路图： a.当光线强度弱且有人时，台灯亮 图 13 仿真图 1 b.当光线强度弱且没有人时，台灯不亮 图 14 仿真图 2 c.当光线强度强且有人时，台灯不亮 图 15 仿真图 3 d.当光线强度强且没有人时，台灯不亮 图 16 仿真图 4 以上几种仿真结果说明：台灯只有在光线强度弱以及有人的情况下才会亮，并且能 实现人来灯亮，人走灯灭，LCD显示时间和温度等功能，使用方便还可以节约电能。 5.2 本章小结 利用仿真软件展示所设计系统的功能，要检验程序是否正确，设计的电路图能否满 足功能的要求，就要用PROTEUS

27、软件对设计好的电路系统进行仿真。 总结 智能台灯的设计与实现 16 本次智能台灯的设计是以单片机为中央控制单元，主要由热释电红外传感器、光强 信号处理电路和LCD 时间温度显示电路组成。本设计功能强大，易于操作，方便智能， 将会有广阔的开发前景和实用意义。其特点是能够实现在有人时且外界光强较弱时能自 动开灯，在人离开的时候自动关灯，达到节约电能的目的。此外本系统还配备液晶显示 屏来显示时间温度，当台灯开机时显示当前室温，并且设置有专门的按键来调节时间。 根据设计要求，从Proteus元件库中找到所需要用到的元件，画好电路图并且检查有无 错误。最后通过 keil 软件编写的 C 语言程序，转换成

28、HEX 文件下载到画好的电路上进 行调试，利用 Proteus软件对电路设计与仿真。 参考文献： 1 谭浩强， C 程序设计（第三版），北京，清华大学出版社出版,2005 2 金发庆，传感器技术与应用，北京 : 机械工业出版社 , 2004.8,281-290 3 来清民 . 传感器与单片机接口实例. 北京航空航天大学出版社.2008:1-15 4 蔡美琴等 .MCS-51 单片机系统及其应用 M. 北京:北京高等教育出版社 ,1992.15-18 . 5 黄贤武等 .传感器原理及应用 M. 成都:电子科技大学出版社 ,1999.110-210. 6 陈忠平 .基于 Proteus的单片机设计与仿真 .电子工业出版社 .2012.5 7李光飞 . 单片机课程设计实例指导 . 北京：北京航空航天大学出版，2004 8 黄晓东 . 单片集成 MEMS 电容式压力传感器研究 . 东南大学 .2005:30-35 9 程素娥 . 基于 FPGA 的智能压力传感器系统 . 潍坊学院 .2009 10 李朝青 . 单片机原理及接口技术 . 北京航空航天大学出版社 .1999