基于人体感应照明灯的设计.doc

1、安徽工程大学毕业设计（论文）人体感应照明灯设计摘 要 进入21世纪，人们的生活水平逐渐提高，伴随着环保事业的兴起，人们的环保意识也在逐渐的提高。节能减排成为了我们生产生活中必须要注意和重视的一个问题。人体感应照明灯设计通过对人体散发微量红外线的监控可以达到人至灯亮、人走灯灭的效果，避免灯具长时间工作对能源的浪费。 这样的好处在于，白天，由于光线照射，该灯始终处于关闭状态，一到晚上，在黑暗中，该灯只要收到一个人体红外信号，灯就自动点亮，而后人离开时，自动熄灭，可以达到节电的目的，其装置省去了能耗大、笨重、极易产生热量的电源变压器，具有结构简单、自耗电轻微、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。关键

2、词:人体感应模块 光敏电阻 信号处理Design for human body induction lampAbstract The 21st century, the peoples living standards gradually improved, along with the rise of environmental protection awareness of the environment is gradually improving. The design for human body induction lamp to turn the light on or off

3、when humans come or go, which can prevent the waste of election.There is good at daytime, due to the light, the light is always turned off, one night, in the dark, the lights just received a human body infrared signal light automatic lights, then left, automatically turns off, you can achieve the pu

4、rpose of saving, the device eliminates the need for energy consumption, heavy, easy to produce heat power transformer, has a simple structure, consumable mild, stable performance, high sensitivity, versatile features.Key words: Human body sensing module; Photoresistor; Signal Processing目 录引 言- 1 -第1

5、章 绪论- 2 -1.1 研究现状和发展趋势- 2 -1.2 基本结构和原理- 2 -1.2.1 热释电效应- 3 -1.2.2 滤光窗- 3 -1.3 设计方案- 4 -第2章 硬件电路设计- 5 -2.1 设计总体电路图- 5 -2.2 电路工作原理- 5 -2.3 电路的控制过程- 6 -2.4 元器件的介绍- 7 -2.4.1 NE555的结构- 7 -2.4.2 光敏电阻- 8 -第3章 软件的程序实现- 9 -3.1 主程序工作流程图- 9 -3.2 中断服务程序工作流程图- 10 -3.3 软件仿真- 10 -结论与展望- 12 -致 谢- 13 -参考文献- 14 -附录A 原

6、理图- 16 -附录B 外文文献- 17 -附录C 十篇主要参考文献题录与摘要- 24 -附录D 程序- 26 -附录E 元器件清单- 28 -插图清单图 11 总体设计框图- 4 -图 21 设计总体电路图- 5 -图 22 555构成单稳态触发器- 6 -图 23 NE555内部结构- 7 -图 24 NE555D电路引脚- 7 -图 3-1 主程序工作流程图- 9 -图 3-2 中断服务程序工作流程图- 10 -图 3-3 仿真图- 11 -表格清单表 21 555定时器的功能- 8 -V引 言人体感应灯是一款利用红外线、热释电原理感应人体活动信息的新技术设计、研发而成的，专门用来检测和

7、感应人体活动信息。 当人或有温度的物体进入模块感应范围内时，感应模块就会输出一个高电平脉冲信号、或高电平延时信号，输出的感应脉冲或延时信号可以直接驱动LED灯指示灯、LED照明灯，本课题从实际出发，准备对红外线楼道自动照明系统进行探索随着现代化的发展,可以实现以下几个功能：（一) 在生活智能化的现在，给人们的生活提供更舒适和便利的环境；（二) 在电力日益紧张的现在节能已经放在人们生活的首位，本设计从实际出发，当行人从楼道经过，自动点亮照明灯并延时一段时间后自动关闭，大大解决了，照明灯平时浪费电的问题；（三) 现在建筑中的照明不仅要求能为人民的工作，学习，能为生活提供良好的视觉条件，人们对生活质

8、量的追求越来越高；（四) 能在分辨白天和夜晚，只要在夜晚的时候电路才动作，大大降低了电能的损耗。第1章 绪论随着光电子技术的发展，照明系统越来越趋于智能化，而从节能的角度看，智能照明系统能过达到“人来灯自亮，人走灯自灭”的功能，从而实现便捷、节能的效果。目前馆内一些公共场所的“长明灯”,不仅浪费电能,也降低了灯具的使用寿命.虽然声控开关可以解决这一现象,但在图书馆这种不能大声喧哗的场所,使用这种开关不合适.所以设计就提出了使用热释电控制自动节能灯来实现人来灯亮、人去灯灭,来减少不必要的耗电开支。1.1 研究现状和发展趋势我国照明缺乏独创产品，模仿产品居多，基础加工落后，只顾外表，轻视功能，产品

9、的品种比较单一，性能差。尤其是在“智能”照明方面，缺乏创新，与国外智能灯具在技术研究方面有着不小的差距。我国现阶段的照明系统一般采用主电源经配电箱分成多路配电输出线，提供照明灯回路用电，由串接在照明灯回路中的开关面板直接接通或断开供电线来实现对灯的控制，灯只有开和关两种状态，无逻辑时序及亮、暗调光控制，因而无法形成各种灯光亮度组合的场景及系统控制。全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的节能环保光源。LED以其较之于传统

10、照明光源所没有的优势，诸如较低的功率需求、较快的响应速度、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等，成为目前我国今后照明系统发展的方向。基于目前国内国际形势，尤其是能源紧缺，智能照明必是以后照明系统的发展方向。智能照明将会使人们利用起来更加便利，改善家庭环境，不仅为建筑照明提供多种的艺术效果，而且使灯具控制和维护变得更为简单，而且具有可靠性高、安装布线容易。 智能化已经成为当今建筑发展的主流技术，涵盖从空调系统、消防系统到安全防范系统以及完善的计算机网络和通信系统。但是长期以来，智能照明在国内一直被忽视，大多数建筑物仍然沿用传统的照明控制方式，部分智能大厦采用楼宇自控（BA）系统来监控照明，但也只

11、能实现简单的区域照明和定时开关功能。相比之下，智能照明系统体现出强大的优越性，它在智能建筑中的应用越来越广泛。智能照明系统在智能建筑中的应用效果如下：1) 改善工作环境，提高工作效率；2) 可观的节能效果。智能照明控制系统使用了先进的电力电子技术，进行智能调光。当室外光较强时，室内照度自动调暗，室外光较弱时，室内照度则自动调亮，使室内的照度始终保持在恒定值附近，从而能够充分利用自然光实现节能的目的。除此之外，智能照明的管理系统采用设置照明工作状态等方式，通过智能化管理实现节能；3) 提高管理水平，减少维护费用。智能照明控制系统将普通照明人为的开与关转换成了智能化管理，不仅使大楼的管理者能将其高

12、素质的管理意识运用于照明控制系统中去，而且将大大减少大楼的运行维护费用，并带来较大的投资回报。1.2 基本结构和原理人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。 一般人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集

13、到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检验处理后即可产生报警信号。人体热释电红外线传感器（以下简称：传感器）由敏感单元、阻抗变换器和滤光窗等三大部分组成。热释电传感器是对温度变化敏感的传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱的电压V。由于它的输出阻抗极高，在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，T=0，则传感

14、器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有T输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出了。所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感。1.2.1 热释电效应当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1-2表示了热释电效应形成的原理。能产生热释电效应的晶体称

15、之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷Q，即在两电极之间产生一微弱电压V。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷Q会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生T，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，

16、传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。1.2.2 滤光窗 它是由一块薄玻璃片镀上多层滤光层薄膜而成的，滤光窗能有效地滤除7.0-14um波长以外的红外线。例如，SCA02-1对7.5-14um波长的

17、红外线的穿透量为70%，在6.5um处时下降为65%，而在5.0um处时陡降为0.1%；P2288的响应波长为6-14um，中心波长为10um。物体发射出的红外线辐射能，最强波长和温度的关系满足m*T=2989（um.k）（其中m为最大波长，T为绝对温度）。人体的正常体温为36-37.5。C ，即309-310.5K，其辐射的最强的红外线的波长为m=2989/（309-310.5）=9.67-9.64um，中心波长为9.65um。因此，人体辐射的最强的红外线的波长正好落在滤光窗的响应波长（7-14um）的中心。所以，滤光窗能有效地让人体辐射的红外线通过，而最大限度地阻止阳光、灯光等可见光中的红

18、外线的通过，以免引起干扰。综上所述，传感器只对移动或运动的人体和体温近似人体的物体起作用。1.3 设计方案本设计包括硬件和软件设计两个部分，电路结构划分为：热释电红外传感器、单片机控制电路、发光器控制电路及相关的控制管理软件。用户终端完成信息采集、处理、数据传送、功能设定等功能。当有人进入红外探测区域时，热释电红外传感器将探测到动作，设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成微弱的电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至AT89C51单片机，经单片机处理运算后驱动执行发光器控电路使发光器发光，满足设计要求。从设计的要求来分析该设计须包含如下结构：热释电红

19、外传感探头电路、发光电路、单片机、复位电路及相关的控制管理软件。它们之间的构成框图如图1-1总体设计框图所示：AT89C51复位电路驱动LAMP发光电路信号检测电路放大图 11总体设计框图处理器采用51系列单片机AT89C51。整个系统是在系统软件控制下工作的。设置在监测点上的红外探头将人体辐射的红外光谱变换成电信号，经放大电路、比较电路送至门限开关，打开门限阀门送出TTL 电平至AT89C51单片机。在单片机内，经软件查询、识别判决等环节实时发出控制信号。驱动电路将控制信号放大并驱动发光设备完成相应动作。当发光延迟2min后自动解除，也可人工手动解除发光信号。第2章 硬件电路设计2.1 设计

20、总体电路图设计的总体电路如图2-1图 21设计总体电路图整体设计的基本原理和实现功能是：在黑天由于光照强度较弱光敏电阻阻值较大，在与电阻串联的支路上分的电压较大且该支路接在比较器的负端；与另一端串有滑动变阻器分得的电压相比较大；经过单片机采样进行数据比较，来判断继电器的通与断；当有人体信号时，红外人体感应集成块输出高电平；两端信号同时送到单片机的P2.4口和P1.0，通过程序，当两端口检测到的信号同时满足所设条件时；单片机的P2.0端口输出低电平，从而控制继电器的通断来实现人来灯亮，人走灯熄的效果。2.2 电路工作原理 电路采用LN074B作探头。当白天有人的时候RTT光敏电阻较小，使天TV1

21、三极管c级与b级短路三极管截止，当黑夜来临，无阳光的时候电阻显大阻值，三管脚正常工作。当探头接收到人体释放的热释红外信号后，由控头内部转换成一个频率约03Hz3Hz微弱的低频信号，经VTl、IC2两级放大器放大后输入电压比较器IC3。两级电压放大采用直流放大器，总增益约7075分贝。IC3等组成电压比较器，其中RP为参考电压调节电位器，用来调节电路灵敏度，也就是探测范围。平时，电阻参考电压(IC3的(2)脚电压)高于IC2的输入电压(IC3的(3)脚电压)，IC3输出低电平。当有人进入探测范围时，探头输出探测电压，经VTl和IC2放大后使信号输出电压高于参考电压，这时IC3的(6)脚输出高电平

22、三极管VT2导通，继电器儿能电吸合，接通开关。电路中VT3、C7、R8、R10组成开机延时电路。当开机时，开机人的感应会使IC3输出高电平，造成误触发。开机延时电路在开机的瞬间，由电容C7的充电作用而使VT3导通，这样就使IC3输出的高电平经VT3通地，VAT2可以保持截状态，防止了开机误触发。开机延时时间由C7与R8的时间常数决定，约20秒。IC2、IC3选用高输入阻抗的运算放大器CA3140。该电路采用结型场效应管作差分输入级3，输人阻抗高达15*10(12)欧，输入失调电流仅05pA，频带宽达45MHz，转换速率为9Vus，是一种性能十分优良的运算放大器，很适合于作微弱信号的放大级。2

23、3 电路的控制过程 图22 555构成单稳态触发器IC3是一个由555时基集成电路组成的脉冲启动型单稳态触发器，平时电路处于稳态，3脚输出低电平。当有负向脉冲或低电平加至它的2脚后，电路立即翻转，3脚变为高电平，这一高电平使继电器K通电吸合，将电灯的电源电路接通，电灯EL亮。 当IC3脚输出向电平时，电路进入暂稳态，同时由电源通过电阻器R1I向电容器C8充电。电容器C8的充电过程便是该暂稳态的暂稳时间，当C8充电电压达到电源电压V/DD的23(6脚的翻转电压)时，电路翻转，单稳态电路的暂稳过程结束，3脚变为低电平。继电器K失电后释放，断开电灯的电源，电灯EL灭。本电路采用发射、接收一体化固定

24、安装，电路处于长期待机、短期工作的状态，因此采用交流供电方式。交流电源经降压电容c11降压、VD2VD5桥式整流、C10滤波以及VD6稳压后向工作电路供电。由于KA2184的工作电压为5V，因此由VD7将9V电压再次稳压为5V以供电路使用。电路中K9为9V电源与5V电源之间的隔离电阻。2.4 元器件的介绍2.4.1 NE555的结构NE555内部电路方框图： 内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。图 23 NE555内部结构555电路的内部电路方框图如图2-3所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管VT，比较器的参考电压由三只

25、5千欧的电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为2/3 Vcc和1/3Vcc。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc时，触发器复位，555的输入端3脚输出低电平，同是放电开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器位置，555的3脚输出高电平，同时放电开关截止。电阻Rd非是复位端（4脚），当电阻Rd非=0555输出低电平、平时电阻Rd非端开路或接Vcc。Vc是控制电压端（5脚），平时输入2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输

26、入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。555定时器主要是与电阻、电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容器上的电压，以确定输出电平的高低和饭店开关的通断。这就很方便地构成从微妙到数十分钟的延时电路，可方便地构成单稳态，多谐振荡器，施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。图 24 NE555D电路引脚引脚图介绍：1 地GND 2 触发 3 输出 4 复位 5 控制电 6 门限(阈值) 7 放电 8 电源电压表21 555定时器的功能TH/TR/RDOUTDIS00导

27、通2UDD/3UDD/310导通UDD/31不变不变2UDD/32min?灯泡持续发光 N Y检测有无信号 Y N灯泡熄灭结束 图 3-1主程序工作流程图3.2 中断服务程序工作流程图本主程序实现的功能是：当单片机检测到外部热释电传感器送来的脉冲信号后，表示有人进入红外感应控制区域，经过单片机内部程序处理后，驱动发光电路开始发光，发光持续2min后自动停止发光,然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待发光从而使发光电路进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现发光持续时间未到2min时，用手工按键停止红外感应发光的作用。手工按键停止发光中断服务程序工作流程图，如下图3-2所示：中

28、断源发出中断申请关中断、保护现场INTO端有输入信号关停止发光恢复现场、开中断中断返回图 3-2中断服务程序工作流程图3.3 软件仿真 本设计中，将所编写的程序用Keil软件编译，通过利用Proteus仿真，能够达到预期的效果，仿真如下图3-3：本设计所要求达到的目标是在接收到红外传感器带来的低电平信号，可使图中的灯泡发光，达到照明的效果，可观察到灯泡发光持续2min。图 3-3仿真图结论与展望本设计设计了一种基于单片机技术的人体感应照明装置。该照明装置通过以AT89C51单片机为工作处理器核心，外接热释电红传感器，它是一种新颖的被动式红外探测器件，能够以非接触方式探测出人体发出的红外线，并将

29、其转化为相应的电信号输出，同时能有效的抑制人体辐射波长以外的红外光线与可见光的干扰。平时传感器输出低电平，当有人在探测区范围内移动时输出低电平变为高电平，此高电平输入单片机，作为单片机的外部触发信号处理，经单片机内部软件编程处理后，单片机输出控制信号，驱动发光电路开始发光。该照明装置的最大特点就是操作简单、安装方便、智能性高且灵活。相信该照明装置在农村将得到广泛的应用。 人体感应照明灯在以后将会应用到各个领域，也将会不断的更新其功能，从经济效益上来讲，它会给我们带来制作上的方便和电源的节约，从社会效益上来说它又来给我们的生活带来便利。在扩展工作中，可以类似应用驻极体话筒制作声控灯，光控灯，也可

30、以应用红外信号处理系统和可控硅、电子镇流器做应用于各种场所的智能感应开关。也可以将应用中的被动式红外系统改为主动式红外探测，以解决红外信号弱、易受干扰等缺点。致 谢 随着毕业设计的紧张进行，我们的大学生活也就随之而结束，大学四年的奔跑转眼间就到了终点，这四年我们学到了什么，学到了多少，都可以在毕业设计中体现出来。在本次毕业设计中，不仅自己付出了很多心血，也得到了很多老师和同学的支持，为我创造了很多有利条件，在这里，我要特别感谢我的导师张艳老师，她严谨、细致、一丝不苟的作风一直是我学习中的榜样。开见面会的时候，她从来不多说什么，总是一针见血，对我们的每个论文题目，三两句就提醒了我们写论文时的侧重

31、点，简洁明了，我们每个同学都听得非常清楚明白，这使得我们每次见面交流都非常轻松愉快。在此，感谢各位曾经给予我帮助的各位老师和同学，感谢我的论文指导老师张老师，谢谢您们！参考文献1 唐颖. 单片机原理与应用及C51程序设计M. 北京大学出版社，2008.2 彭为. 单片机典型系统设计实例精讲M. 电子工业出版社，2006.3 侯媛彬. 凌阳单片机原理及其毕业设计精选M. 科学出版社，20064 刘文涛. 单片机培训教程（C51版）M. 电子工业出版社，20055 李珍，付植桐. 单片机原理与应用技术M. 清华大学出版社，20036 沙占友，孟志永. 单片机外围电路设计M. 电子工业出版社，200

32、6.7 卢胜. 单片机原理与应用技术实践M. 机械工业出版社，2009.8 吴政江. 单片机控制红外线防盗报警器J. 锦州师范学院学报, 2007, 4(5)：4-6.9 王宜怀. 单片机原理及其嵌入式应用J. 应用电子学杂志，2008, 1(6)：2-4.10 朱力恒. 电子技术仿真实验的若干讨论J. 电子学报，2006, 8(9)：20-21.11 陈玉林. 基于AT89C51的只能无限安防报警器J. 电子设计应用，2003,5（6）：49-51.12 张云. 电子技术在安防中的应用J. 电子世界，2008，3(1)：8-11.13 方然. AT89S52的几种应用J. 北京邮电大学学报,

33、 2007, 7(3)：33-34.14 胡全. 51单片机的数码管动态显示技术J. 信息技术，2009,（13）：25-2615 撖伟，黄巧玲. 基于人体感应的智能型楼梯通道灯开关的设计J. 2013，（2）：17-18.16 尤天鸣. 超高压变电站保护和自动控制调试方法J. 华北电力技术，1993，(4)：8-11.17 李耀辉. 人体感应器与315M发收模块结合的应用J. 电子制作，2002，（8）：54-55.18 李瑜芳. 人体感应吹风机的设计J. 漳州职业大学学报，2004，（1）：84-87.19 何立民. 单片机应用系统设计M. 北京:北京航空大学出版社，1994.20 于海生

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38、 ReviewsHigh-brightness LEDsEnergy efficient lighting sources and their potential in indoor plant cultivation1. IntroductionWith impacts of climate change, issues such as more frequent and serious droughts, floods, and storms as well as pest and diseases are becoming more serious threats to agricult

39、ure. These threats along with shortage of food supply make people turn to indoor and urban farming (such as vertical farming) for help. With proper lighting, indoor agriculture eliminates weather-related crop failures due to droughts and floods to provide year-round crop production, which assist in

40、supplying food in cities with surging populations and in areas of severe environmental conditions.The use of light-emitting diodes marks great advancements over existing indoor agricultural lighting. LEDs allow the control of spectral composition and the adjustment of light intensity to simulate the

41、 changes of sunlight intensity during the day. They have the ability to produce high light levels with low radiant heat output and maintain useful light output for years. LEDs do not contain electrodes and thus do not burn out like incandescent or fluorescent bulbs that must be periodically replaced. Not to mention that incandescent and fluorescent lamps consume a lot of electrical power while generating heat, which must be dispelled from closed environments such as spaceships and space stations.2. LED developmentLED is a unique type of semiconductor diode. It consists