智能臺燈系統(tǒng).doc

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石家莊鐵道大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)原理及應(yīng)用課程作業(yè) 2016 年 春 季學(xué)期 學(xué) 院： 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè): 電子信息工程 作 業(yè) 名 稱： 基于熱釋紅外的智能臺燈系統(tǒng) 學(xué) 生 姓 名： 向鵬 學(xué) 號： 20132581 指 導(dǎo) 教 師： 王偉明 完 成 日 期： 2016-5-20 物聯(lián)網(wǎng)原理及應(yīng)用課程設(shè)計 作業(yè)評分表 評分項目 項目一 項目二 項目三 項目四 總分 滿 分 得 分 評 閱 人 課程設(shè)計任務(wù)書 1、 作業(yè)目的 通過智能臺燈設(shè)計，熟悉各個模塊的運(yùn)用方法。掌握物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的基本思路，明確物聯(lián)網(wǎng)的核心是應(yīng)用，應(yīng)用的核心是云計算。 2、 作業(yè)內(nèi)容及要求 能夠按照要求獨(dú)立完成課程設(shè)計部分。學(xué)會查閱技術(shù)手冊和文獻(xiàn)資料。進(jìn)一步熟悉物聯(lián)網(wǎng)具體化的設(shè)計方法。填寫設(shè)計任務(wù)書，撰寫課程設(shè)計論文。 3、 作業(yè)成果形式及提交要求 當(dāng)場演示實物，提交實物和論文。實物必須說明能實現(xiàn)什么樣的功能，說明和物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系。論文必須嚴(yán)謹(jǐn)，必須敘述清楚各種模塊的組成和作用。 4、 參考文獻(xiàn) [1] 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社.2013 [2] 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用開發(fā).清華大學(xué)出版社.2011 [3] 傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計北京科學(xué)出版社，2002 [4] 熱釋電紅外傳感器，http://baike.baidu.com/view/1788636.htm [5] 光敏電阻，http://baike.baidu.com/view/55997.htm 目錄 目錄............................................................... 1 摘要............................................................... 2 1 緒論 3 1.1 智能臺燈系統(tǒng)概述 3 1.2 課程設(shè)計內(nèi)容 4 2.系統(tǒng)主要器件介紹 5 2.1 AT89C52 5 2.2 BISS0001 8 3.系統(tǒng)組成及電路設(shè)計 9 3.1 系統(tǒng)組成部分 9 3.2 電路設(shè)計部分 10 4.傳感器部分 13 4.1熱釋電紅外傳感器的原理特性 13 4.2熱釋電紅外傳感器的工作原理 14 4.3光敏電阻 15 5. 軟件程序設(shè)計 16 5.1 總體程序框圖 16 5.2 主程序流程圖 17 6.總體實物圖 19 課程設(shè)計總結(jié) 20 參考文獻(xiàn) 21 附 件 22 第 1 頁 共 31 頁 摘 要 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，物聯(lián)網(wǎng)在我們生活中扮演著越來越重要的角色。而所用的智能化家用電器都用一個共同的特點(diǎn)，都是利用物聯(lián)網(wǎng)感知層作為最基本的感知單元。智能家用電器和普通家用電器相比，功能上更強(qiáng)，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(zhì)。 智能臺燈以專門感應(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，且有人在附近時，臺燈便會自動點(diǎn)亮，省去了黑暗中摸開關(guān)麻煩；當(dāng)使用40分鐘時間后自動報時，提醒人們注意適當(dāng)用眼；當(dāng)無人在時，系統(tǒng)也會使臺燈自動熄滅，以達(dá)到節(jié)省能源的目的。 關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 感知層 智能臺燈 STC89C52 熱釋紅外 1 緒論 1.1 智能臺燈系統(tǒng)概述 隨著科技的高速發(fā)展，各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開始走入人們的生活，這一切都大大地提高了人們的工作效率、改善了人們的生活，現(xiàn)在電器的發(fā)展趨勢是智能化，這樣會使人們使用起來更加方便。隨著物聯(lián)網(wǎng)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(jī)和物聯(lián)網(wǎng)理論的結(jié)合，將來不但更多地改進(jìn)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(jī)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(dāng)中的小臺燈也要順應(yīng)科技的發(fā)展步伐走向智能化。 臺燈是人們生活中用來照明的一種家用電器。它一般分為兩種，一種是立柱式的，一種是有夾子的。它的工作原理主要是把燈光集中在一小塊區(qū)域內(nèi)，集中光線，便于工作和學(xué)習(xí)。一般臺燈用的燈泡是白熾燈或者節(jié)能燈泡，有的臺燈還有應(yīng)急功能，用于停電時無電照明。 目前，燈具市場上出售的燈具種類繁多，一般臺燈均采用220V交流電源供電，日光燈管、白熾燈泡為光源，手動開關(guān)或觸摸感應(yīng)式開光來控制。但這類臺燈存在很多弊端，一是電壓是不安全電壓，給人們使用帶來不安全因素；二是日光燈還具有頻閃效應(yīng)，經(jīng)常使用會給人的眼睛帶來一定的傷害；三是耗電量大、臺燈通常都是以日光燈為主，在幾瓦到幾十瓦之間；四是人工化，人們由于手工操作，往往會忘記關(guān)燈，這也造成電能的浪費(fèi)，到目前為止，在燈具市場上，很少見到采用+5V的直流電源供電的一種人體智能臺燈，它具有既不會出現(xiàn)觸電，使用壽命長、無輻射、又不污染等優(yōu)點(diǎn)，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，另一方面可以使用一段時間自動報時，提醒人們注意用眼休息。同時，智能臺燈在黑暗的時候自動開關(guān)燈的功能也讓使用者使用起來更方便，省去黑暗摸燈的麻煩。 智能臺燈可分為自動和手動兩種模式。在自動模式下，臺燈能根據(jù)環(huán)境光的明暗與人是否被臺燈所檢測到來自動開啟臺燈。在這里設(shè)計了以人體紅外輻射（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，自動感應(yīng)開燈。當(dāng)人離開時則自動關(guān)燈，達(dá)到節(jié)約能源的目的。手動模式是為了不習(xí)慣使用自動模式的人或是臺燈中的微機(jī)出現(xiàn)故障等緊急情況時用的。在手動模式下，智能臺燈和普通臺燈是一樣使用的。 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。本系統(tǒng)在實驗室進(jìn)行了實物實驗。熱釋電紅外探測器距離是1m左右（距離可調(diào)），主要是因為般來說是門離書桌的距離;以便黑暗中時人一到門口則啟動，省去了開燈的麻煩，用戶可以根據(jù)自己的實際情況進(jìn)行距離調(diào)節(jié)。 1.2 課程設(shè)計內(nèi)容 1.2.1 設(shè)計內(nèi)容和實現(xiàn)功能 名稱：基于熱釋紅外的智能臺燈系統(tǒng) 內(nèi)容及要求: 設(shè)計并制作一種智能臺燈，主要是以BISS0001和單片機(jī)組成的熱釋紅外傳感控制電路。其特點(diǎn)是在有人時且外界光強(qiáng)較弱時能自動開燈，無人時關(guān)燈，節(jié)約能源。具體要求如下： 1．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； 2．當(dāng)房間亮度不夠時，且有人在附近時，臺燈便會自動點(diǎn)亮，省去了黑暗中摸開關(guān)麻煩； 3.當(dāng)無人在時，系統(tǒng)也會使臺燈自動熄滅，以達(dá)到節(jié)省能源的目的； 4.當(dāng)使用40分鐘時間后自動報時，提醒人們注意用眼休息。 1.2.2 系統(tǒng)分析 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，人們又摸黑去開燈，非常不方便。在這里設(shè)計了以人體紅外輻射（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，自動感應(yīng)開燈；當(dāng)人離開時則自動關(guān)燈，達(dá)到節(jié)約能源的目的。單片機(jī)在本次智能節(jié)能臺燈設(shè)計中的主要控制單元，主要控制電路燈光，控制電路是在單片機(jī)的控制下工作。 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，并不立即執(zhí)行，而是對其進(jìn)行延時，防止由于不小心而進(jìn)入到探測器的范圍內(nèi)，以免產(chǎn)生誤判。 系統(tǒng)主要器件介紹 2.1 STC89C52 由于物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的意思，系統(tǒng)通過傳感器感知外界的變化再通過傳輸層傳送給中央處理器，而我們最常見的處理器就是89系列單片機(jī)。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C52是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。STC89C52單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖2-1 AT89C52類別 2.1.1管腳說明 VCC：電源電壓 GND：地 P0 口：P0口是一組8位漏極開路雙向I/O口，即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅(qū)動8個TTL電路。當(dāng)“1”被寫入P0口時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。P0口還能夠在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，并在這時激活內(nèi)部的上拉電阻。在Flash 編程時，P0 口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口：P1口一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動4個TTL電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內(nèi)部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時，P1口接收低8位地址。 P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16 位四肢的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR指令）時，P2 口送出高8 位地址數(shù)據(jù)，在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @ RI 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程和程序校驗時，P2 也接收高位地址和其他控制信號。 P3 口：P3口是一組帶有內(nèi)部電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖故可驅(qū)動4個TTL電路。對P3口寫如“1”時，它們被內(nèi)部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的P3口將用電阻輸出電流。 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號，P3口也可作為AT89C52的一些特殊功能口，如表所示： RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 表2-1 P3口特殊功能 口管腳 備選功能 P3.0 RXD (串行輸入口t) P3.1 TXD (串行輸出口t) P3.2 (外部中斷0) P3.3 (外部中斷1) P3.4 T0 (記時器0外部輸入) P3.5 T1 (記時器1外部輸入) P3.6 (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) ALE/：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 ：程序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器讀取指令時，每個機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 信號不出現(xiàn)。 /VPP：外部訪問允許。欲使中央處理器僅訪問外部程序存儲器，端必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位LBI被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存端狀態(tài)。如端為高電平，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電壓VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 2.1.2振蕩器特性 ??XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 2.1.3芯片擦除 ??整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C52設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 2.2 BISS0001 BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路。它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件即可構(gòu)成被動式熱釋電紅外開關(guān)，故能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。BISS001的主要功能如下： 1. 為CMOS數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐罚? 2. 具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，可與多種傳感器匹配進(jìn)行信號處理； 3. 帶有雙向鑒幅器，可有效抑制干擾； 4. 內(nèi)設(shè)延遲時間定時器和封鎖時間定時器； 5. 結(jié)構(gòu)新穎，穩(wěn)定可靠，調(diào)解范圍寬； 6. 內(nèi)置參考電壓，工作電壓范圍為2～6V。 3.系統(tǒng)組成及電路設(shè)計 本系統(tǒng)制作的主要設(shè)計源泉來源于生活，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。 3.1 系統(tǒng)組成部分 3.1.1 系統(tǒng)工作原理 89C52 熱釋電紅外傳感器 顯示電路 光敏電阻 信號 處理 電路 提醒電路 燈光控制電路 圖3-1 系統(tǒng)示意圖 本系統(tǒng)組成如圖3-1所示，主要由三部分組成： 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89S52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)89C52給出的命令控制燈光。 整個系統(tǒng)是以89S52控制下工作的。其工作過程為：當(dāng)環(huán)境光比較強(qiáng)時，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89S52處理過程。當(dāng)環(huán)境光比較弱時，光敏電阻阻值變大，信號處理電路接收到高電平，從而啟動熱釋電紅外傳感器工作。熱釋電紅外傳感器探測比較遠(yuǎn)的距離，當(dāng)人體進(jìn)入到傳感器的控測范圍內(nèi)且光強(qiáng)較弱時，信號檢測電路處理信號，并向單片機(jī)發(fā)送一個中斷，89S52啟動燈光控制電路，使燈變亮。 3.1.2 系統(tǒng)控制核心 該智能臺燈的系統(tǒng)主要由電源部分、傳感器部分、信號處理單元、BISS0001芯片、MCU單元、蜂鳴器、開關(guān)控制單元和燈等部分組成。5 V電壓供電。信號檢測與處理部分由熱釋電紅外傳感器、光敏電阻、信號處理單元和BISS0001芯片組成；傳感器的作用是感知是否有人在，故采用的是熱釋電紅外傳感器，該傳感器只對波長為10μm(人體輻射紅外線波長)左右的紅外輻射敏感，而對除人體以外的其他物體不會引發(fā)探頭動作；光敏電阻的作用是感知臺燈周圍環(huán)境的光照強(qiáng)度；MCU部分采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的89C5l單片機(jī)，該單片機(jī)具有價格低廉、開發(fā)簡單、操作方便及可以加密等優(yōu)點(diǎn)，因此市場占有量非常大。該單片機(jī)作用是處理由BISS0001發(fā)送過來的信號并給開關(guān)控制單元和蜂鳴器發(fā)送命令；蜂鳴器單元主要是根據(jù)MCU單元發(fā)出的命令給出警告信號； 3.2 電路設(shè)計部分 3.2.1傳感器組成的信號檢測及處理部分 在電路設(shè)計部分中，單片機(jī)在本次智能節(jié)能臺燈設(shè)計中的主要控制單元，主要控制電路燈光，控制電路是在單片機(jī)的控制下工作。傳感器在設(shè)計者起著重要的作用，傳感器組成的信號檢測及處理部分電路原理如圖3-2所示。 圖3-2是由熱釋電紅外傳感器、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引發(fā)探頭動作。探頭內(nèi)包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元，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(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、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐贰．?dāng)外界光強(qiáng)較強(qiáng)時，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，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，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組成的延時電路。信號經(jīng)處理后從2腳輸出。 圖3-2 傳感器組成的信號檢測及處理部分 3.2.2 放大電路 使用放大器的濾波電路又稱為有源濾波電路。其實有源無源就是看它用到的元器件的性質(zhì)。用到有源器件（如：三極管，集成放大器等）就構(gòu)成有源濾波器，若只用到無源器件（電阻，電容，電感等）就是無源濾波器。 有源濾波自身就是諧波源。其依靠電力電子裝置，在檢測到系統(tǒng)諧波的同時產(chǎn)生一組和系統(tǒng)幅值相等，相位相反的諧波向量，這樣可以抵消掉系統(tǒng)諧波，使其成為正弦波形。有源濾波除了濾除諧波外，同時還可以動態(tài)補(bǔ)償無功功率。其優(yōu)點(diǎn)是反映動作迅速，濾除諧波可達(dá)到95％以上，補(bǔ)償無功細(xì)致。缺點(diǎn)為價格高，容量小。由于目前國際上大容量硅閥技術(shù)還不成熟，所以當(dāng)前常見的有源濾波容量不超過600kvar。其運(yùn)行可靠性也不及無源。 信號放大濾波電路圖如圖3-4所示。 圖3-4 信號放大濾波電路 一般無源濾波指通過電感和電容的匹配對某次諧波并聯(lián)低阻（調(diào)諧濾波）狀態(tài),給某次諧波電流構(gòu)成一個低阻態(tài)通路。這樣諧波電流就不會流入系統(tǒng)。無源濾波的優(yōu)點(diǎn)為成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，技術(shù)相對成熟，容量大。缺點(diǎn)為諧波濾除率一般只有80％，對基波的無功補(bǔ)償也是一定的。 目前在容量大且要求補(bǔ)償細(xì)致的地方一般使用有源加無源混合型，即無源進(jìn)行大容量的濾波補(bǔ)償，有源進(jìn)行微調(diào)。 3.2.3 復(fù)位電路 為確保微機(jī)系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路的第一功能是上電復(fù)位。一般微機(jī)電路正常工作需要供電電源為5V±5%，即4.75～5.25V。由于微機(jī)電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當(dāng)VCC超過4.75V低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復(fù)位信號才被撤除，微機(jī)電路開始正常工作。復(fù)位電路原理圖如下圖3-5所示。 圖3-5 復(fù)位電路 復(fù)位電路不恰當(dāng)?shù)膹?fù)位可以導(dǎo)致許多問題，因為不同的復(fù)位利用單片機(jī)的啟動和斷電的不同條件，因此必須根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇一種最恰當(dāng)?shù)膹?fù)位方式。 4.傳感器部分 傳感器是將被檢測對象的各種物理變化量變?yōu)殡娦盘柕囊环N變換器。它主要被用于檢測系統(tǒng)本身與作業(yè)對象、作業(yè)環(huán)境的狀態(tài)，為有效地控制系統(tǒng)的動作提供信息。 根據(jù)本設(shè)計的要求需要對位置檢測裝置、滑覺傳感器、視覺傳感器進(jìn)行選用。位置檢測裝置檢測機(jī)械手動作是否到位，滑覺傳感器是判別物料是否被穩(wěn)定吸住，視覺傳感器是為了完成機(jī)械手對物料的識別。 4.1熱釋電紅外傳感器的原理特性 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾 該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化 并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。 圖4-1 熱釋電容實物 由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用 因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式 該電阻阻抗高達(dá)104ＭΩ，故引入的Ｎ溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式 即源極跟隨器 來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。 4.2熱釋電紅外傳感器的工作原理 在該探測技術(shù)中，所謂“被動”是指探測器本身不發(fā)出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量變化來完成探測目的。被動紅外報警器的特點(diǎn)是能夠響應(yīng)入侵者在所防范區(qū)域內(nèi)移動時所引起的紅外輻射變化，并能使監(jiān)控報警器產(chǎn)生報警信號，從而完成報警功能。圖４所示是該報警器的工作電路原理圖。 當(dāng)人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號，然后使該信號先通過一個由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0.16Hz。由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有１mV左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為0.1~10Hz左右），所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進(jìn)行放大。本設(shè)計運(yùn)用集成運(yùn)算放大器ＬＭ324來進(jìn)行兩級放大，以使其獲得足夠的增益。 4.3光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運(yùn)動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。 4.3.1 光敏電阻的工作原理 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。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(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)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(dǎo)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—空穴對了半導(dǎo)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(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強(qiáng)的而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。 4.3.2光敏電阻主要特點(diǎn)和特性 根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器： 紫外光敏電阻器：對紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。 紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 可見光光敏電阻器：包括硒、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機(jī)械上的自動保護(hù)裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢測器，照相機(jī)自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。 光敏電阻的主要參數(shù)是： 1.光電流、亮電阻。光敏電阻器在一定的外加電壓下，當(dāng)有光照射時，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。 2.暗電流、暗電阻。光敏電阻在一定的外加電壓下，當(dāng)沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。 3.靈敏度。靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。 4.光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)又稱光譜靈敏度，是指光敏電阻在不同波長的單色光照射下的靈敏度。若將不同波長下的靈敏度畫成曲線，就可以得到光譜響應(yīng)的曲線。 5.光照特性。光照特性指光敏電阻輸出的電信號隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的光照強(qiáng)度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進(jìn)一步增大光照強(qiáng)度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。 6.伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述光敏電阻的外加電壓與光電流的關(guān)系，對于光敏器件來說，其光電流隨外加電壓的增大而增大。 7.溫度系數(shù)。光敏電阻的光電效應(yīng)受溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。 8.額定功率。額定功率是指光敏電阻用于某種線路中所允許消耗的功率，當(dāng)溫度升高時，其消耗的功率就降低。 5. 軟件程序設(shè)計 5.1 總體程序框圖 總個系統(tǒng)程序框圖如下圖5-1所示。 開始 程序初始化 開啟所有中斷 中斷返回入口 結(jié)束 圖5-1總系統(tǒng)程序框圖 5.2 主程序流程圖 程序框圖如圖5-2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，啟動計數(shù)器。當(dāng)中斷1來時，進(jìn)入中斷1，設(shè)置R0為0，調(diào)用延時程序TIME0（延時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，即實現(xiàn)的是燈變亮的一個過程。當(dāng)中斷0和中斷1同時產(chǎn)生時，根據(jù)優(yōu)先級，屏蔽掉中斷1，開啟中斷0。調(diào)用延時程序TIME0（延時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，此程序的目的是實現(xiàn)燈慢慢變暗。 總系統(tǒng)程序流程圖如圖5-2所示。 中斷入口 R=0 調(diào)用延時程序TIME0 中斷返回 R=7？ R+1 發(fā)送數(shù)據(jù) 中斷入口 R=7 調(diào)用延時程序TIME0 中斷返回 R=0？ R-1 發(fā)送數(shù)據(jù) 調(diào)用延時程序TIME1 圖5-2 程序框圖 6、總體實物 圖6-1 總體實物圖 課程設(shè)計總結(jié) 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，傳感器就會產(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。 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。因為當(dāng)有多個熱釋電紅外傳感器時，就需要相應(yīng)的信號檢測電路。改進(jìn)之處在于用一個信號處理電路同時控制多個傳感器。還有一個不足之處在臺燈開啟時，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。 參考文獻(xiàn) [1] 趙國強(qiáng)，智能臺燈，科學(xué)啟蒙，2007 [2] 趙繼文，傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計，北京，北京科學(xué)出版社，2002.3，6 [3] 黃繼昌，電子元器件應(yīng)用手冊，北京，北京人民郵電出版社，2004年，5 [4] 畢淑娥，電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)，哈爾濱，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008.6 [5] 金發(fā)慶，傳感器技術(shù)與應(yīng)用，北京 : 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.8,281-290 [6] 王港元，電子技能基礎(chǔ)，成都，成都科技大學(xué)出版社，1999 [7] 熱釋電紅外傳感器，http://baike.baidu.com/view/1788636.htm [8] 光敏電阻，http://baike.baidu.com/view/55997.htm [9] 夏路易，單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，北京，北京希望電子出版社，2006 [10]位永輝;楊威， 基于BISS0001的智能臺燈設(shè)計，電子元器件應(yīng)用，2010 附 件 源主程序： #include #include #include //數(shù)碼管子程序 sbit guangkong= P3^7; //光控 sbit hongwai= P3^2; //熱式紅外 sbit jidianqi= P2^0; //繼電器 sbit FMQ=P1^0; //蜂鳴器 sbit key=P1^1; //按鍵1 bit flag=0; #define deng_liang jidianqi=0; //繼電器亮 #define deng_mie jidianqi=1; //繼電器滅 unsigned char moden_c=0; //正常模式 uchar baojing_flag=0; //報警標(biāo)志 void delay_ms(unsigned int num) //延時1ms { unsigned int a,b; for(a=0;a #define uchar unsigned char #define uint unsigned int uchar count=0,second=0,minut=0,hour=12; //變量 時分秒 uchar cmp_second=0,cmp_minut=0,cmp_hour=0; uchar temp_second=0,temp_minut=0,temp_hour=0; //30分鐘計時的時分秒變量 uchar cmp_second1=0,cmp_minut1=0,cmp_hour1=0; //1分后計時的時分秒變量 uchar temp_second1=0,temp_minut1=0,temp_hour1=0; sbit wei4 =P2^7; //位4 sbit wei3 =P2^6; //位3 sbit wei2 =P2^5; //位2 sbit wei1 =P2^4; //位1 sbit DP =P0^7; //數(shù)碼管的點(diǎn) unsigned char Time_fLag=0; //啟動30分鐘標(biāo)志 unsigned char Time_fLag1=0; //啟動1分鐘標(biāo)志 bit cmpt_flag_1=0; //40分鐘標(biāo)志 到了標(biāo)志位 bit cmpt_flag_2=0; //1分鐘標(biāo)志 到了標(biāo)志位 uchar code table[18]={ //段碼 0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x83, 0xc6, 0xa1, 0x86, 0x8e, 0x89, 0xc7 }; void Delay(uchar z) //延時 { uchar a,b; for(a=z;a>0;a--) for(b=200;b>0;b--); } void Shumaguan_fen(uint num,uint num1) //數(shù)碼管顯示 { uchar g,s; uchar g1,s1; s=num/10; //求模 g=num%10; //求余 s1=num1/10; g1=num1%10; //顯示百位 P0= table[s]; //顯示 時的 十位 wei1=0; wei2=1;wei3=1;wei4=1; Delay(5); P0= table[g];DP=0; wei1=1; wei2=0;wei3=1;wei4=1; //顯示 時的 個位 Delay(5); //顯示個位 P0= table[s1]; //顯示秒是十位 wei1=1; wei2=1;wei3=0;wei4=1; Delay(5); wei1=1; wei2=1;wei3=1;wei4=1; P0= table[g1]; //顯示秒是個位 wei1=1; wei2=1;wei3=1;wei4=0; Delay(5); wei1=1; wei2=1;wei3=1;wei4=1; } void init() //中斷初始化 { TMOD=0x11; //定時器0和定時器1都是方式1,16位定時器 ET0=1; //使能定時器0 TR0=1; //定時器0開 TH0=(65535-50000)/255; //定時器1高位裝初值 TL0=(65535-50000)%255;; //定時器1高位裝初值 EA=1; // 總中斷 } void time0()interrupt 1 //定時器0 服務(wù) { TH0=(65535-50000)/255; //清零 TL0=(65535-50000)%255;; //清零 count++; if(count==20){ //定時1s count=0; second++; if(Time_fLag==1){ //啟動計時標(biāo)志 temp_second++; //計時秒加加 if(temp_second==60){ //秒滿60 temp_second=0; //歸0 temp_minut++; //分自加1 if(temp_minut==40 ) { //計時40分鐘 到了 cmpt_flag_1=1; //到時標(biāo)志位 } else{ cmpt_flag_1=0; //清楚標(biāo)志 } if(temp_minut==60){ //計時分滿60 temp_minut=0; //計時分貴0 temp_hour++; //計時時加1 if(temp_hour==12) { //滿12小時 temp_hour=0; //時歸0 } } } } if(Time_fLag1==1){ //沒有人后定時 temp_second1++; //秒加加 if(temp_second1==60){ //秒滿60 temp_second1=0; //歸0 temp_minut1++; //分加加 if(temp_minut1==1 ) { //1分鐘 cmpt_flag_2=1; // 1分鐘到了標(biāo)志 } if(temp_minut1==60){ //分滿60 temp_minut1=0; //分歸0 temp_hour1++; //時加加 if(temp_hour1==12) { //時滿12 temp_hour1=0; //歸0 } } } } if(second==60){ //數(shù)碼管上的時間 秒滿60 second=0; //歸0 minut++; //分加加 if(minut==60){ //分滿60 minut=0; //歸0 hour++; //時加加 if(hour==24){ //滿24 hour=0; //歸0 } }} } } 第 27 頁 共 31 頁