论文知识案例-基于单片机的智能感应灯电路设计-CNKI知网查重网站

论文知识案例-基于单片机的智能感应灯电路设计

2021-06-03 14:39:22
作者:杭州千明

  在能源问题逐渐突出的当代背景下,单片机的低功耗优势给出了我们缓解能源问题的一条重要解决方案。家具智能化变得越来越普及,而与日常生活息息相关的房间灯光是一条近在身边的节能捷径,本设计分析了:房间内灯光的智能控制系统如何实现,并解释了基本的原理方法。做出了以51单片机为基础的感应电灯电路智能系统。系统主要组成:红外线热量释放电处理芯片、51单片机红外传感控制电路。其主要工作原理是:以人体红外辐射波为传感信号,当人体在感应器范围内且环境光较暗时,系统自动感应打开电灯,避免了昏暗环境下开灯的烦恼;当人体离开传感器检测范围时,系统自动感应闭灯。本设计体现了模块化的结构设计思路、设计的适用性好,便于后期进行相对应的改进。

  不断突破探索的21世纪,不断追求生活质量的人们,不断更新变化的环境,电子产品的核心竞争力体现着智能元素的含量上,高科技产品上运用的高新技术。随着电子科技的快速发展,消费者对于家用电器产品的人性化越来越重视,目前已经应用于日常生活中的有智能防盗门,智能冰箱,智能空调等等,这些智能化家用电器具有相同的特点,51单片机都是其最主要的控制单元。使用单片机的智能电器和普通电器相比,功能强大,使用便捷,安全可靠有保障,节省电能更突出。

  目前我国人口总数为14亿,住房建设越来越多,室内灯光的使用比上世纪有了大幅度激增,室内灯光的大量不合理使用,是当下人们电能浪费的一个最主要原因,在这样的背景下,本设计首要考虑的问题就是如何利用51单片机实现机器控制灯的开关。

  如今全世界大多数国家都开始利用智能系统进行灯的开关控制,但是,我国如今室内灯的开关,灯相应的机器化控制的缺乏,现在很多二三线城市甚至一线城市使用人工开关。人工开关的不及时性很容易造成浪费电力,这种浪费违背了当今提倡的可持续发展观。随着智能控制化水平的不断提高与不断进步,我国灯的开关在朝着智能化现代化方向快速发展。

  1系统研究内容与目标

  1.1系统研究内容

  随着智能技术的发展,智能家用电器的普及,房间灯光控制系统是利用单片机作为主要控制芯片。硬件系统包括传感器及信号处理部分、单片机组成的中央处理部分、智能的控制房间灯光。对各部分的功能作用予以详细说明。软件设计采用模块化结构,将模块设计完成后进行调试。

  第一步是统计一段时间内房间光强,第二部计算该房间照明的需求、环境光与开灯、关灯时间,第三步探索灯光控制器的电力来源,第四步确定智能主控参数值。

  1.2系统研究目标

  本设计研究的电灯控制系统按要求实现后,希望能用于房间电灯开关的改变,实现人性化智能化管理,提高现在的用电效率,减少人力物力在这上面的浪费;预期采用智能、人工开闭灯光两种方法,降低生产与使用的成本。

  2系统总体设计方案

  2.1系统总体框图

  系统控制单元的最关键之处在于51单片机控制模块,辅助电路为:一、电源供应模块,二、复位电路,三、人体存在传感,四、晶振电路,五、LED指示模块,六、光敏模块,七、继电器模块。

  图1系统总体框图

  Fig.1 Overall system block diagram

  3系统主控模块设计

  3.1系统硬件概述

  设计受到环境的因素影响很大,外部天气、外部环境变化导致人体传感器采集的参数不准,在设计思路时,已经考录到了电子元器件、线路和设备如何有效排除外界干扰。

  控制器的输入参数是自然光强和人体红外波。房间灯光控制系统由硬件和软件两部分组成。基础是硬件,是地基,是软件运行的功能平台。软件是对硬件采集到的信息进行分析、处理。

  系统的主控芯片是51单片机,人体感应模块感应房间内活动的人体,光敏模块感应环境内外部的光线,LM393电压比较器的任务是将光敏感应模块采集到的光线进行比较,最后将结果送达单片机,继电器的功能控制灯开闭。在室内可以使用本设计,在室内光线不足,感应到有人时实现系统智能开灯,感应不到人时系统智能关灯,实现节能减排的设计预期。系统总体设计电路图如下。

  图2.系统总体设计电路图

  Fig.2 The overall system design circuit diagram

  3.2主控模块设计

  本设计中所使用到的单片机引脚功能:VCC(40)是硬件电路进行连接电源+5V所使用的引脚。VSS(20)引脚是电路进行安全接地。设计思路中振荡电路使用的两个引脚是XTL1(19)和XTL2(18)。在低电平有效时PSEN(29)可以正常进行读操作的外部程序存储器。地址进行锁存信号操作信号的输出端引脚是ALE,RST是系统进行复位之后的信号输入端,PROG(30)用于EPROM进行编程发射的脉冲进行输入端。EA选择内部ROM,VPP(31)选择外部ROM。P0口指向的是双向的I/O口。P1口(1-8)指向准双向通用的I/0口。准双向I/0口使用的引脚是P2口(21-28)。

  3.3人体感应模块设计

  人体在37度左右的正常体温情况下会持续的向外发射波长在10μM左右红外线,设计使用的红外探头恰好可以探测到由人体发出的在这10μM左右波段的红外线。

  全自动感应模式是指感应到房间内有活动的人体后输出低电平,本设计的智能系统的两种触发方式分别是不可重复触发的触发方式和可以重复触发的触发方式。不可重复触发的触发方式意思是系统输出GND后,等延时时间段结束之后,输出方式从向低电平输出模式改变成向高电平输出模式。可重复触发方式是指在单片机感应到输出低电平后,在系统延时的这一时间段内,如果在感应范围内有活动的人体,将一直保持低电平输出控制开灯,如果一段时间后红外探头感应房间内不存在活动的人体,本次延时流程结束,输出GND变为输出VCC,进行关灯。

  当人进入房间进行活动时,人体就会向外发射出远红外射线,红外传感器感应到房间内有活动的人发出的红外射线后及时向单片机输出VCC。如果人体活动到传感器接受的盲区方向时,采集的信号就会出现不精准的现象,由于这一重要原因,人体传感器安装的朝向就显得尤为重要。

  图3人体传感器电路图

  Fig.3 Circuit diagram of human body sensor

  3.4光敏模块设计

  光导管也就是光敏电阻,光敏电阻的特性是感应在特定波长的光下,其阻值会相对应的进行变化。单片机设计中运用光敏电阻的功能,可以用于测量环境光的强度、进行系统光的控制还有系统中的光与电之间的转换。利用光敏电阻对光的敏感性与人的眼睛可见光的范围很接近这一特点,可以发现只要人的眼睛能够感受的光,就会导致光敏电阻的阻值发生相对应的变化。本设计使用光敏阻值随光线发生变化的特性,进行电阻上的分压,之后就可以通过调节电阻的阻值进行调节灯的光线亮度。

  图4光敏电阻结构图

  Fig.4 Photosensitive resistor structure diagram

  3.5 LM393电压比较器

  LM393电压比较器的特点主要是以下这五个方面,一是LM393电压比较器使用的电压范围比较广泛,单向电源、双向电源都可以支持LM393电压比较器进行工作,2伏至36伏的单向电源,双电源的范围是±1V到±18V之间,二是LM393电压比较器消耗的电流小,最小电流仅为0.8mA。三是LM393电压比较器的输入失调电压比较小。四是LM393电压比较器的共模输入电压范围比较宽。第五个特点是LM393电压比较器的可以兼容多种器件。

  LM393电压比较器是常见的增益比较高、频带比较宽这一类型的电子器件,与相同类型的电压比较器有相似的特性,从输出端传输到输入端,如果在这一传输过程中有寄生的电容产生会发生耦合现象。LM393电压比较器在使用时所有没有被使用到的空闲引脚一定要全都接地处理。

  图五LM393电压比较器内部结构图

  Fig.5 Internal structure diagram of LM393 voltage comparator

  4系统软件设计

  4.1系统软件流程图

  软件编写根据之前设计实现的功能,基础是系统的硬件,设计思路是模块化的设计,这一设计思路可以确保系统功能全部能按照设计的思路进行实现,还确保设计出来的系统可以平稳可靠的运行。

  进行软件设计的目的是想让51单片机进行程序的烧写和程序的稳定运行,通过对距离、时间和光照强度等参数和比较量的大量测量和多次比较,得出一组能够体现出大多数数据的平均数据。根据这一数据进行最后的比较结果从而控制继电器的输出。