智能家居系统设计一家用智能照明系统设计 摘要 从“电力”的出现，到人们使用白炽灯作为照明工具，再到如今普遍的LED照明， 说明着人们不断在追求更高的生活。科技是无止境的，人们对生活的追求也不会满足于 现状。由于现在生活水平的不断提高，人们的生活节奏越来越快，不少人学习、工作完 后希望回到家中有一个更方便、更舒适的居住环境。因此，智能家居走进了人们的生活 里。 智能照明系统是智能家居组成中的一部分，和一开一关、电路实现功能简单的传统 照明系统相比，它有着更人性化、方便性的优点，它可以自动地控制灯的开关和灯光的 强度。通过与传统照明系统的比较，不难发现，智能照明系统在未来一定会得到广泛的 应用。本设计分为硬件和软件两部分，采用AT89C51单片机作为硬件核心，用它来接收 指令作为主控制器，加上光敏电阻、HC-SR501人体红外感应模块、继电器等元器件来设 计一套普通家用智能照明控制系统。作为驱动硬件工作来实现相关功能的软件部分，将 采用C51语言来编写程序。 关键词：智能照明、自动、单片机 Intelligent home system design —Intelligent lighting system design Abstract From the emergence of electricity to the use of incandescent lamps as lighting tools, and now to the widespread LED lighting, it shows that people are constantly pursuing a higher life. However, technology is endless, and peoples pursuit of life will not be take things as they are . As a result of the continuous improvement of living standards, peoples pace of life is getting faster and faster, many people hope to return home after study and work to have a more convenient and comfortable living environment. Therefore, the smart home should be born. Intelligent lighting system is a part of the smart home, compared with the traditional lighting system with simple functions of one on and one off circuit, it has the advantage of more humanization and convenience, it can automatically control the switch of the lamp and the intensity of the light. Comparing with the traditional lighting system, it is not difficult to find that the intelligent lighting system will be widely used in the future. This design is divided into hardware and software two parts, the AT89C51 MCU as the hardware core, with it to receive instructions as the main controller, plus photosensitive resistor, hc-sr501 human infrared sensor module, relay and other components to design a common household intelligent lighting control system.. As part of the software that drives the hardware to achieve the relevant functions, the C51 language will be used to write programs. Key words: intelligent lighting, automatically, AT89C51 目录 TOC \o 1-5 \h \z \o Current Document 1前言 1 \o Current Document 1.1本设计的研究目的和意义 1 \o Current Document 2智能照明系统的简介 2 \o Current Document 2.1智能照明是什么 2 \o Current Document 2.2智能照明系统在国内外的发展现状 2 \o Current Document 2.3智能照明系统与传统照明系统的比较 3 \o Current Document 3系统设计的总体方案及思路 4 \o Current Document 3.1总体方案 4 \o Current Document 3.2设计思路 4 \o Current Document 4系统硬件电路设计及元器件的选择 5 \o Current Document 4.1AT89C51 单片机 5 \o Current Document 4.2AT89C51单片机的最小系统 6 \o Current Document 4.3热释电人体红外检测电路 7 \o Current Document 4.3.1人体红外检测电路 7 \o Current Document 4.3.2热释电人体红外传感器 8 \o Current Document 4.3.3信号处理器件BISS0001 9 \o Current Document 4.3.4 HC-SR501人体红外感应模块 9 \o Current Document 4.4光信号检测电路 10 \o Current Document 4.5按键电路 11 \o Current Document 4.6LED灯指示电路 11 \o Current Document 4.7输出电路 12 \o Current Document 5软件设计部分 13 \o Current Document Keil uVision5软件 13 \o Current Document Protues仿线 \o Current Document 6设计改进及抗干扰措施 15 \o Current Document 6.1设计改进 15 6.2抗干扰措施 15 \o Current Document 6.2.1硬件抗干扰措施 15 \o Current Document 6.2.2软件抗干扰措施 15 \o Current Document 7总结 16 \o Current Document 参考文献 17 致谢 18 \o Current Document 附录 19 1前言 “智能家居”这一词很早就已经出现了，上世纪比较发达的欧美等地，一直在寻求 着人们居住方式的突破。由于自动化的技术不断发展，他们想要建造一种能实现全自动 控制的家居。而世界上首栋完整型、具有线年代初在 美国哈特佛市建成的。此后，世界上陆续建造出来一些较先进的智能家居。到现在，智 能家居的数量已经有不少了，能实现的功能也比较多。但是对于整个世界的普通住宅来 说，智能家居的规模又显得还小。随着近些年智能家居的兴起，使得其中的智能照明技 术也迅速发展起来。 1.1本设计的研究目的和意义 目的：通过本设计研究出一套普通的家用智能照明系统。它可以实现全开或全关， 可以自动开关或者手动强制开关。在白天下，没人时灯具保持关闭状态。在晚上探测到 有人时，灯具打开。在人走后，选择延时一段时间关闭灯具。 意义：科学技术的不断发展，必定会不断的改变人们的生活方式，不断的提高人们 的生活水平。随着“智能化”这一概念不断地深入到人们的心中，智能照明系统未来必 将会得到广泛的应用。因此，本设计主要是想向人们介绍一下智能照明系统的概念，并 设计出一套简单的家用智能照明系统。 2智能照明系统的简介 2.1智能照明是什么？ 智能家居是一个以物联网技术为核心的住宅，整个系统由一些子系统构成，如家庭 布线系统、安防系统、照明控制系统等。本设计研究的是智能照明控制系统，它是智能 家居中必备的一个系统。智能照明系统利用到无线通讯数据传输、扩频电力载波、电子 感应等技术，可以对电路实现全天监控和自动调节功能，使电路达到预期设置运行效果。 它最大的特点就是“自动化”，能自动实现灯具的开关，自动调节灯具的亮度，自动选 择灯光模式，而且使用者还可以实现远程无线控制开关。 智能照明系统主要由输入单元、执行单元、系统单元三部分组成。输入单元就是将 接受到的外部信号转换为网络传输信号，如本设计使用的开关、光敏电阻、传感器等。 执行单元就是接收网络传输信号，然后做出相应的控制动作。本设计使用一个继电器去 驱动输出电路来工作。系统单元作为智能照明系统的核心，起到一个主控制器的作用， 如本设计中的AT89C51单片机。 2.2智能照明在国内外的发展现状 当前，日、美、德有着全球LED照明产品的龙头企业，智能照明在欧美等一些发达 国家已经有不小发展规模。从1984年美国建造成世界上第一幢智能建筑后到现在2020 年，一些发达国家包括德国、澳大利亚、日本等，在他们国内已经建造了不少套智能家 居。据统计，美国在几年前就已建造了四万多套智能家居。从这不难发现，未来智能照 明市场的份量大多还是会掌握在这几个国家手里。 我国其实很早就已经引入了智能照明这一概念，但发展至今，市场规模还是比较偏 小，安装用户也比较局限。究其原因，我个人认为有三点。其一，虽然我国近些年科技 发展迅速，但是智能照明产品在我国并没有得到很大的推广，人们对这一概念只是有着 普通程度的了解。其二，我国现在虽然有不少智能照明企业，其中包括企业转型、企业 外扩类型的，但是这些企业大多都处于起步发展或者发展中的，想要用户接受它们的产 品，尚且需要一些年头。最后一个原因就是，智能照明是一个科技产品，它的定位属于 高端层面上的，与传统LED照明产品相比，它的高价格是阻碍受众广的一个重要因素。 目前来看，智能照明系统在全球的普及度都还不高，在全球的市场都比较偏小，但 是随着科技的发展，未来它必定会应景占据大规模的市场。放眼世界，智能照明企业已 经异军突起，如飞利浦、三安光电、利亚德、国星光电等等。据业内数据统计，2020 年全球智能照明的市场份额将达243多亿美元，预计2023年这一数据将会达到7000多 亿美元。从这些数据可以预测到，一个面向未来，与人们生活息息相关的行业，正在发 展壮大。 2.3智能照明系统与传统照明系统的比较 传统照明系统一般只能实现单开单关，不能调节灯光的亮度，也不能远程无线控制 开关。特别是在一些大场所，如商场、酒店这些地方，灯具众多，如果一个灯具需要一 个按钮开关来控制的话，不仅影响墙面的美观，而且打开和关闭也比较麻烦。另外在楼 道、厕所等地方，长期在无人状态下开灯也会造成一定的电能浪费。智能照明系统能够 有效解决这些问题，它可以实现对灯具的全开或全关，可以调节灯光的亮度，可以根据 传感器来探测信号从而实现自动开关，还可以实现远程无线开关。智能照明系统的出现 无疑给人们的生活带来了很大的便利提高了人们的生活品质，与传统照明系统相比较， 它有着一些传统照明系统不能比拟的优点： （1） 可以改善照明质量，丰富照明效果。智能照明系统能实现全自动调光，也可 以手动强制控制。设计者可以根据不同的需求设计出不同的灯光模式，使用者在使用时 可以通过APP端或者控制面板去遥控智能照明系统的工作模式，让它全开或全关，单开 或单关。另外该系统还可以根据预设值来自动选择情景模式，例如在雨天灯光亮度大点， 灯光颜色可以黄色白色混合交替使用，真正实现照明效果的多彩多样。 （2） 可以提高灯具的使用寿命。智能照明系统在布线上更加合理，在设计上也比 只能一开一关的传统照明系统更加人性化，它能合理地安排、控制灯具的使用，有效地 避免灯具过度打开。另外，我们知道电路中会产生冲击电流，它会对灯具造成一定的影 响，设计智能照明系统时可以利用软启动技术避免冲击电流带来的影响。 （3） 管理、维护方便。设计智能照明系统时，基本都是把预设的参数存储在微处 理器的ROM中，而ROM是可以重复擦写很多遍的，加上整个系统由模块化构成，所以系 统的维护和管理都比较方便。 （4） 有一定意义上的节能。智能照明系统可以实现自动开关、远程开关，可以通 过传感器采集信号，实现人走灯灭、人少灯暗的功能。特别是在大学教室，酒店楼道等 场所里，通常会出现灯具在无人情况下一直开着的现象，造成不必要的电能浪费。之所 以说它在一定意义上能达到节能，是因为相对于传统照明系统，智能照明系统想要完好 的运作，那么它的许多设备必须要时时刻刻运行，这也会损耗掉一部分电能。如果一套 大智能照明系统用在小的对象身上，将不会达到节能效果。 3系统设计的总体方案及思路 3.1总体方案 设计采用模块化思路，分为硬件和软件两部分。硬件作为运行载体，构成整个电路， 软件作为执行动力，能给硬件下达指令，驱动整个电路运行并实现相关功能。在硬件设 计的时候分为几个子电路模块来单独设计，最后组成一个完整的电路。同样，在设计软 件的时候也分为几个模块来编程，先编好头文件，然后给硬件定义参数，再根据想要达 到的功能编写子程序和主程序。 3.2设计思路 首先明确本设计的内容和要求，根据需要实现的功能来展开设计。本设计的思路就 是先构建一个总体电路框架图，如图3.1所示，整个电路由单片机来控制，子电路有人 体红外检测电路、光信号检测电路、按键电路等。先把每一个子电路单独分开研究，确 定子电路该选择哪种元器件，然后在仿真软件上选择元器件并连接成整个电路原理图， 再把元器件的参数值改成符合电路要求的数值。硬件部分完成后，开始分析电路需要实 现的功能，构建软件流程图，按照流程图去编程。在编程的时候使用专门的C51编程软 件，编好后先调试代码，调试无错误后把生成的HEX文件加入到仿线中。 最后开始仿真，仿真有不行的地方再把问题出来处理，直到仿真能实现预设的功能，整 个设计才算完成。 需要注意的是，本设计使用到的仿真软件是Protues 8.6版本的，实际元器件在该 软件元件库中没有找到的，需要用其他元件来代替，因此，仿真效果是不可能百分百达 到实际效果的。但是在设计得当的情况下，一般转换成实物电路基本是没什么问题的。 图3.1系统设计总体电路框架图 4系统硬件电路设计及元器件的选择 4.1AT89C51单片机的说明 “单片机”这一概念对于大多数理工科工作从业者应该都都比较熟悉，从上世纪80 年代出现再发展到现在，已经出现了各种各样型号的单片机，由最初的4位、8位单片 机到16位、32位，再到现在已经出现了 300M高速单片机。单片机实际上就是一个微型 控制器，是一种集成电路芯片，它在一块半导体硅片上集成了 CPU、RAM、ROM、I/O接 口、定时器/计数器等功能。单片机技术发展得非常快，目前在很多种领域都能被应用到，如智能控制工业、军事领域、农业、电子产品中都有被应用到。它的优点很明显， 体积小、集成度高、功耗低处理能力强等都是它所具有的优点。 占林E151系列单片机是众多单片机类型中比较出名、应用也比较广泛的一种，该系列单片 机是指对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称，目前单片机生产公司有很多， 像Inter公司、ATMEL公司，还有我国国产宏晶，这些公司都有生产C51系列芯片。本 设计使用的单片机型号是ATMEL公司C51系列的AT89C51单片机，它是一种8位单片机， 具有可重复擦写1000次的4K字节Flash存储器。AT89C51和AT89C52单片机是很多年 前开发出来的，目前已经被它们的升级版S系列取代了，也就是AT89S51和AT89S52。 AT89C51单片机有内部振荡器和时钟电路，有5个中断源和2个优先级，还有2个可以 工作在定时方式也可以工作在计数方式的16位定时器/计数器。它具有40个引脚，P0、 P1、P2、P3 口都是8位双向I/O 口，占32个引脚。VCC引脚接工作电源，GND用来接地。 RST引脚作为复位输入端。其他引脚功能这里不做详细介绍，不同的单片机引脚的功能 是有差别的，我们在使用的时候要查阅、了解引脚的具体功能。这样有助于我们在布线 的时候能正确连接单片机的引脚，而且编程的时候能正确定义引脚。 占林E1 Ptl I page poHAm M斜泌 PflHADT P2Q^lr P2 SftS 叫 2AdQ V1 P2棉戋 S W姑 P2 WH P2T?1& P3MSD FStnXD FSSiNTD PiiffirT Pl ATT p] m F序 P3河 图4.1单片机引脚图 AT89C51单片机具有4个8位双向I/O 口，即P0、P1、P2、P3 口，双向就是接收数 据、送出数据可以同时进行，而最初一些低级的芯片只能单向操作，这样不仅效率低下， 而且数据在传输的时候有时间延迟，达不到想要的效果。该单片机除了 P0 口没有内部 上拉电阻外，其他3个口都具有内部上拉电阻。因此P0 口作为输出端时，必须外部接 上拉电阻。P3 口除了用来当双向I/O 口外，还可以作为AT89C51单片机的第二功能口。 第二功能说明如下所示： 冉帮11 貌-期信 芭.功俺说甲 RXD 申廿口看MS P.I.I TXD 申i「□输HI端 明 IMii 外部中ISO输瓦辩 1NT1 柚中输入蟠 P3.4 TO 定肘的计教隔o卅蹄i J输无端 P3-5 1 1 定时器『计数楙1外藩伉号输入端 P.k6 Wr 外沌11 AM写选通跃山［号 P3.7 JW 外滞RAM i割编出倍号 表4.1 P3 口的第二功能 AT89C51单片机自问世以来，能受到广泛应用，能被教科书作为芯片来介绍，不仅 是因为它体积小、集成度高、功耗低，而且它价格便宜，在一般要求不太高的电路中处 理能力强，另外还可以通过引脚进行外部功能扩展。本设计硬件部分就是以该单片机为 出发点，通过对它的引脚的了解，去做进一步的设计。具体就是在XTAL1、XTAL2这两 个引脚接上电容、电阻、石英晶体构成时钟电路，在RST复位引脚接电容、电阻构成复 位电路。按键电路、指示灯电路，人体信号检测电路光信号检测电路和输出照明电路按 照情况接在4个I/O 口。 4.2AT89C51单片机的最小系统 单片机的最小系统是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。AT89C51单片 机的最小系统除了单片机本身外，还包括时钟电路、复位电路、电源。 图4.2最小系统 复位电路目的就是让系统回到初始化。当系统在运行的时候，有可能会出现卡机或 者程序运行错误的情况，这时候就需要用到复位电路了。它的工作原理是当RST引脚出 现的高电平持续两个周期（即24个时钟振荡周期）以上，系统复位。其中高电平持续 的时间将由复位电路的RC值来决定。有些单片机的RST引脚具有一个下拉电阻，此时 可将电阻R去掉，此时高电平的持续时间将取决于电容C的充电时间。一般为了保证系 统遇到运行不良情况时能够正常复位，需要合理取RC的值或者电容C的充电时间，让 RST引脚的高电平持续时间长一点。 单片机的复位方式有两种，上面介绍的上电自动复位是其中一种，另一种就是手动 按键复位。手动按键复位又分为电平触发和脉冲触发两种方式，本设计采用的是手动按 键复位电平触发方式，该电路由一个按键和一个10uF的电容、10kQ的电阻组成，如图 4.2，RST端经这几个元件与直流电源接通，对于AT89C51来说，220Q的R1可以去掉。 时钟电路：单片机有外部时钟方式和内部时钟方式两种。本设计采用内部时钟方式， 当采用外部时钟方式时，XTAL2引脚不使用。内部时钟方式的实现是利用芯片内部的振 荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚接上由一个石英晶体和两个电容组成并联谐振回路，让 电路产生自激振荡。本设计将采用晶体12MHZ，两个电容30pF的取值。在安装实物的时 候应该让电容和晶体应尽量靠近单片机处安装，这样可以减少寄生电容。 4.3热释电人体红外检测电路 4.3.1人体红外检测电路 图4.3是一种热释电人体红外检测电路，D、S、G分别为热释电人体红外传感器的 接5V电源端、输出端、接地端。中间是一个带16引脚的信号处理器件BISS0001。 该电路左侧是人体信号传感器，中间是人体信号处理集成电路BISS0001，右侧是晶 体管和继电器组成的一个驱动负载工作电路。其中BISS0001集成电路由运算放大器、 状态控制器、延迟时间定时器Tx以及封锁时间定时器T1等构成。当人体进入到传感器 的探测范围后，传感器的探头产生一个输出信号，这个信号比较微弱而且不能被电路直 接读取，这时候需要用到BISS0001对这个信号进行放大和转换。具体工作原理如下： BISS0001的14、15、16引脚分别为第一级运算放大器的同相输入端、反向输入端、 输出端，引脚12、13分别为第二级运算放大器的输出端、反向输入端。它的第一级运 算放大器将该信号放大后再通过16引脚送到电容C3进行耦合，然后第二级运算放大器 再将信号放大。二级放大后的信号并不是电压信号，而单片机需要的是电压信号才能读 取再执行指令°BISS0001内部的电压比较器COP 1和COP2构成的双向鉴幅器相当于一个 信号处理电路，它将二级放大后的信号转换成一个有效触发信号Vc，Vc再启动延时时 间定时器Tx后，控制信号输出端即引脚2输出信号Vo。在本设计中，Vo送到单片机P3 口的P3.7引脚中，当有人时即为高电平，无人或者人走后延时一会变为低电平。 图4.3电路中的R3是一个光敏电阻，光强时它的阻值小，光弱时它的阻值大。R3 阻值小的时候可以让引脚9保持低电平状态，禁止触发信号Vs。电阻R6可以调节放大 器增益倍数，一般建议10k，但实际使用时常选择3k，因为3k足够提高增益倍数还可 以改善电路性能。电容C7和电阻R9可以调节延时时间定时器Tx的输出延时时间，C6 和R10可以调节封锁时间定时器T1的触发封锁时间。另外BISS0001有两种工作方式， 即可重复触发工作方式和不可重复触发工作方式。当电路中的SW1接引脚1时BISS0001 芯片处于可重复触发工作模式，此时当传感器探测到人体到电路输出高电平后，如果在 延时时间段内继续探测到人体信号，则一直保持高电平，直到在延时时间段内没有探测 到人体信号才延时将高电平变为低电平。当SW1接引脚2时，为不可重复触发工作模式， 该模式下当电路输出高电平后，不管在延时时间段内有没有继续探测到人体信号，延时 时间过后高电平都将变为低电平。 图4.3人体信号采集电路图 4.3.2热释电人体红外传感器 热释电人体红外传感器（简称PIR）主要由传感探测元、干涉虑光片和场效应管匹 配器三部分组成，它是基于热释电效应原理制成的。由于该传感器单独检测到的范围比 较小，通常会配套菲涅耳透镜来使用，以提高探测范围。 PIR工作原理：自然界中有很多可见光，也有很多不可见光，我们人体会向外发出 一种不可见光，即红外线。红外线具有热效应，人体发出的红外线um， 而PIR探测元件的波长灵敏度范围在0.2-20um。因此，在制作PIR的时候，在其顶端装 设一个滤光片，该滤光片可通过的波长为7-10um。这样，人体辐射出来的红外线刚好从 滤光片中通过，其他干扰光源将被滤光片吸收。 热释电人体红外传感器的可感测距离大概在2米之内，如果在一些大场所安装使用， 肯定不满足要求。因此，在实际使用中，通常会在探测器的前方装上一个菲涅耳透镜， 该透镜起到一个聚焦作用，可以将探测到的信号放大到几十分贝以上，不装该透镜的情 况下，PIR 一般只能探测几米内人体的活动，当装上此透镜后，PIR可以探测到十几米 内的人体活动。 热释电人体红外传感器由于其性能优的特点，在很多监测领域被应用到，如照明领 域、安防领域、门禁领域等。目前市面上很多热释电人体红外传感器都配套菲涅耳透镜， 价格上有高有低，对于一般电路来说，一个低价格的足够满足电路的要求。由于热释电 人体红外传感器是敏感器件，容易受到温度和热源等一些其他干扰源的影响，所以我们 在安装的时候要选择适合的位置，避开其他因素的影响。如果安装位置不对，将会造成 探测失灵。以智能照明系统来说，装的时候不能太高也不能太低，避开阳光照射的地方， 不能安装在靠近窗户的位置。一旦安装不对，有可能造成电灯长期在无人下开着，或者 探测不到人体信号而无法自动开灯。 4.3.3信号处理芯片BISS0001 BISS0001是一种具有传感器信号处理集成电路的芯片，采用16脚DIP及SOP封装， 它的工作电压在2V-6V。它内部由电压比较器构成的双向鉴幅器可以有效抑制干扰，而且由于它的运算放大器具有独立的高输入阻抗，可以和很多种传感器配套使用。目前市 面上有很多种人体红外感应模块，如HC-SR501人体红外感应模块就是由热释电人体红 外传感器和BISS0001芯片再配一些电容电阻组成的，这种感应模块可以不发出任何辐 射而接收信号，在智能照明和报警系统等领域上应用比较广泛。 10BT UN- 1IN+ 2 IN- 20UT VLD IB VC / A VO RR1 RC1 RC2 RES VSS VEP/RESET 图 4.4 BISS0001 引脚 4.3.4HC-SR501人体红外感应模块 本设计采用HC-SR501人体红外感应模块作为人体信号检测器件，如下图，VCC接直 流电源，该模块的工作电压为直流4.5V-20V，OUT是信号输出端，接AT89C51单片机的 I/O脚，GND是接地端。中间的CDS是光敏电阻焊接点，由于本设计有单独的光信号检 测电路，因此不需要焊接光敏电阻。RT是温度补偿电阻焊接点，它是用来补偿温度变化 带给P传感器的影响的，本设计同样不需要焊接。T和S分别是延时调节电阻和探测距 离调节电阻，该模块的延时时间可以根据需要制成，一般延时范围在0.5S-300S，有的 可以制成延时十几分钟，探测距离一般可调范围在3m-7m。H是可重复触发端口，L是不 可重复重复端口，基于本设计的功能要求，选择可重复触发模式的。 该感应模块的工作原理与图4.3的电路图工作原理一样，先由探头探测信号再由运 算放大器逐级放大，再经信号处理器转换成有效信号。模块的PIR采用的是双元探头（还 有单元探头、四元探头），探头前面有一个菲涅耳透镜。 本设计在使用仿真软件进行仿真时，由于人体红外检测电路中的热释电人体红外传 感器和BISS0001在元件库中无法找到，因此该电路选择了其他元件来代替。在进行代 替的选择上，根据供给单片机高低电平转换的原则，设计采用了一个单刀开关来代替该 电路。 图 4.5 HC-SR501 图 4.5 HC-SR501 4.4光信号检测电路 光信号检测电路最重要的是要实现光电转换，通常由光传感器采集光信号，然后经 信号处理器转换为电压信号。本设计在进行光信号检测电路设计的时候，为了选择光传 感器，对常见的几个光传感器做了一个比较。 光敏电阻具有阻值随着光照强度而变化的特性，它是利用半导体的光电效应制成 的，当光照强时阻值小，光照弱时它的阻值增大。 光敏二极管又称光电二极管，它的管芯是一个具有光敏特性的PN结，具有单向导 通性。光敏二极管是在加反向电压下工作的，当光照强时，方向电流大，当光照弱时， 方向电流小。 光敏三极管实际相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管，它同样 有电流放大作用。光敏三极管同样是加反向电压工作，入射光越强，反向电流越大。 三种光传感器的比较：在一些基础、电路结构简单的光信号检测电路图中，大多使 用光敏电阻，也有一些根据实际情况需要使用光敏二极管的。在应用上，由于光敏二极 管具有普通二极管的许多特性，如正向导通性，加上在电路中配合一些特定器件能起到 其他作用。因此，光敏二极管相比于光敏电阻无疑更加好用。但是在实际生活中，光敏 三极管在电路中的使用要优于光敏二极管，因为前者比后者还具备电流放大作用，既具 有很高的灵敏度。 虽然光敏三极管的特性更好一点，但是考虑到光敏电阻足够设计的要求，因此采用 了光敏电阻作为光信号传感器。当光敏电阻检测到光信号时，需要一个A/D模块来转换 信号，因此选用了 ACD0808芯片来作为信号处理电路。ACD0808芯片内含8位A/D转换 器，它可以将数字信号转换成模拟信号，它的转换方式为逐次逼近型。该芯片采用了双 列直插式封装，具有28个引脚。 4.5按键电路 按键电路可以通过按键来手动强制电路去执行相应的功能，本设计分别在AT89C51 单片机P0.0~P0.2接上3个按键，由于P1 口没有内部上拉电阻，所以在接线按键电路 接上外部上拉电阻。如下图所示，3个按键分别代表3种运行状态，3个外部上拉电阻 取值均为10k。 4.6LED灯指示电路 电路处在何种运行状态需要指示电路来表明，指示电路的设计有多种，可以用某些 指示灯来表示，也可以通过接液晶显示器直接显示电路的工作状态。对于目前的智能照 明系统来说，指示电路通常选用显示器来显示电路工作状态，在有控制面板或者遥控器 的照明系统中，可以通过接线、编程或者无线通讯技术把电路工作参数送到控制面板或 者遥控器的显示屏上。另外还可以利用物联网技术，在APP端显示电路参数，这样便可 以了解到电路当前的工作状态。 本设计采用的是LED灯指示电路，如下图所示，两个不同颜色的LED灯，黄色LED 灯接单片机的P2.1，绿色LED灯接P2.2。当黄色LED灯亮，绿色LED灯灭表示系统正 在处于强制手动开灯或关灯状态。当黄色灯灭，绿色灯亮则表示为退出强制回到全自动 开关状态。 图4.7指示灯电路图 4.7输出电路 输出电路接负载，智能照明系统中该电路接的就是各种照明灯。在设计中该电路接 单片机的P3.7，如图4.8所示，外接一个1k的小电阻，当高电平的时候三极管导通， 继电器开关闭合，两个LED灯亮。当高电平变为低电平时，三极管截止，继电器开关断 开，此时两个LED灯灭掉。 继电器是一种控制器件，在电路中能起到自动调节、安全保护、转换电路等作用， 因此，它常用来当一些电路的开关器。在本电路中，可以在三极管和继电器之间增加一 个二极管，当电路截止时它可以起到续流作用，有效保护元器件，提高电路稳定性。但 是同样也会给电路带来滞后性，所以在增加二极管的时候需要用软件技术消除这个影 响。 5软件设计部分 5.1Keil uVision5 软件 本设计使用的是Keil uVision软件，该软件由美国Keil Software公司出品，对 于51系列单片机来说，都可以在该软件上进行程序编写、调试。它里面提供了包括C 编译器、宏编器、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案， 通过一个集成开发环境将这些部分组合在一起。本设计使用keil uVision5软件进行编 程，程序使用了C51语言进行编写。与结构复的汇编语言相比，C51语言更加易学易懂， 可改动性高°C51语言与C语言差不多，只不过C51语言是用来对51系列单片机的编程。 该软件标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了 C语言开发环境。 本设计在编程时，选择先检测人体红外信号，当有人时，如果光照暗则给继电器一 个信号，使继电器驱动输出电路；如果光照强则使继电器开关保持断开，输出电路灯泡 不亮。当没有检测到人体信号时，不管光照强弱都不开灯。另外设计了按键子程序，当 检测到按键S1按下时，指示电路中的黄灯亮，说明系统强制手动关灯。当检测到按键 S2按下时，黄灯亮，系统强制手动关灯。当检测到按键S3按下时，黄灯灭，绿灯亮， 系统回到全自动控制状态。程序设计流程图如下： 图5.1主程序流程图 该软件使用方法：首先打开软件，先建一个新工程，在保存新工程的时候，工程名 字不需要后缀。在保存之后弹出的对话框中双击ATMEL，找到AT89C51后点击确定。 然后点击左上角的文件，选择新建一个文件，在右边的窗口编写代码。编好代码后保存， 需要注意的是这一步要加后缀，本设计用到的是C51语言，因此后缀是“.c”，使用汇 编和C++语言时，后缀分别是.asm”、.cpp”。保存之后点击刚才新建的工程即右 边的目标1，找到源组1再鼠标右击，选择“添加文件到源组1”，把保存的代码文件 加入到源组1中，然后调试。想要生成HEX文件的话还要点击编写代码窗口上面的图 标“Target Options”，在弹出的对话框中先把Xtal的值改为12，再点击“Output”把生 成HEX文件打勾，再点击确定关闭对线个调试按钮， 程序无错误的话就可以生成HEX文件。进行仿真时，把该文件加入到单片机中就可以 仿真了。如果是实物的话，需要用到程序烧录软件，通过USB数据把HEX文件烧进实 物芯片中。 5.2Protues仿真软件 Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它是目前 最好的仿真单片机及外围器件的工具，目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件 和虚拟模型仿真软件三合一的平台。 本设计使用Prootues 8.6版软件进行仿真，先从元件库中选取需要的元件放到右 边窗口中，然后按照整个电路图把这些元件连接成一个完整的电路原理图。之后修改元 件的参数，再将Keil uVision5中程序调试成功得到的HEX文件，加载到仿线芯片中，然后点击开始仿真。仿真能达到预期的效果设计就算完成了。 6设计改进及抗干扰措施 6.1设计改进 本设计是一个小型家用智能照明控制系统，它能实现的功能是基本的。在生活中， 大型智能照明控制系统还能实现远程无线控制开关、自动调节光强、场景灯光选择等一 些高级功能。设计中在进行电路图布置时，考虑到设计的有限性，因此选择元器件的时 候还有很大的改进空间。并且仿真软件元件库中没有找到相应的元件，仿真的效果也不 能达到百分百。光信号检测电路中使用的光敏电阻换成光敏三极管的话会更好，另外指 示电路换成液晶显示电路也能更加直接明了地显示电路工作参数。光敏三极管具有电流 放大作用，而且价格也不高。另外输出电路中的三极管可以换成光电耦合器，相比于普 通三极管，光电耦合器能把输入和输出互相隔离，具有良好的绝缘能力和抗干扰能力。 6.2抗干扰措施 设计系统由于在实际使用中，经常会受到各种各样的影响，有自身电路产生的噪声、 电磁波动影响，也有现场复杂环境的影响，这些影响会干扰系统的正常运行，会使数据 采集失误，系统被控对象误动作等等。因此，需要使用一些技术来避免系统受到这些影 响，保证系统能够稳定、有效地运行。下面简单介绍几个软件和硬件抗干扰技术。 6.2.1硬件抗干扰技术 （1） 切断干扰传播路径：可采取交流稳压器保证供电的稳定性，防止电源的过压 或欠压；可通过在导线增加滤波器或光电耦合器来切断高频噪声的干扰；敏感元件应远 离干扰源。 （2） 电路接线合理布局：晶振与单片机引脚尽量靠近；强、弱信号区，数字、模 拟电路区应尽量远离分开，而且地线不能混用。单片机和大功率器件的地线要单独接地。 另外布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。 （3） 使用双机冗余设计：双击冗余技术，即使用一个主单片机，一个辅单片机来 控制系统，以提高系统干扰能力。当主机发生误动作时，仲裁器根据判断条件将从机从 待机状态唤醒，来代替主机进行处理和控制。 6.2.2软件抗干扰技术 （1） 用软件滤波算法消除数据采集误差：常用方法有算术平均法、比较舍取法、 中值法，可以滤掉大部分由输入信号引起的输出控制错误。 （2） 另外还可以使用软件冗余技术，来保护关键数据不被误采集。该技术就是给 数据增加一定的冗余位，实现数据的检错和纠错功能。常用方法有奇偶校验法和循环码 校验法。 7总结 传统照明技术能实现的功能太过于简单，不能满足人们的追求。近些年发展起来的 智能照明技术，不仅能实现全关全关功能，还能实现远程控制、灯光亮度调节等功能。 它的最大特点体现在“全自动性”，一个优秀的智能照明系统能提高室内环境的品质， 能给人们的生活带来极大的方便性、舒适性。 智能照明系统目前初现规模，但是想要发展到应用普遍性，还需要一段时间来过渡。 目前它存在着一些关键性的问题需要人们去解决，造价高昂、容易受到电网电压波动影 响、系统设计比较复杂等等都是困扰着它继续发展起来的主要因素。不过随着时间的推 移，我相信这些问题会逐一被人们解决。到那时候，智能照明系统将会深入到每家每户 中。 本次设计出来的家用智能照明系统，分为了两部分来进行设计，硬件部分围绕着 AT89C51单片机为核心，再一步一步去完善子电路的功能。软件部分通过Keil5软件编 写程序，调试成功后生产的HEX文件，加载到Protues仿真软件电路原理图的单片机中 进行仿真。最后整个智能照明系统能实现的功能为：在全自动状态下，系统检测到有人 时，根据光强或弱来选择是否开灯；在无人时，不管光照强弱都不开灯。系统加了指示 灯电路，当第一个按键S1按下时，黄灯亮，表示系统处于手动强制开灯状态；当S2按 下时，黄灯亮，表示系统处于手动强制关灯状态；当S3按下时，黄灯灭，绿灯亮，表 示系统回到全自动状态。 在设计之初，我碰到了各种各样的问题，通过向老师请教、翻阅书籍和上网查阅资 料后，逐一把这些问题解决了。这套家用智能照明系统是简单型的，局限于个人的能力 和实际研究环境，它还有很多不足之处，还有很大的改进空间。科学技术的发展是不会 停止的，智能照明技术也会越来越完善，我相信不久的将来，它会得到广泛的应用。 参考文献 盛珣华.单片机原理与应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2014. 刘琨.数字电子技术[M].北京：人员邮电出版社，2017. 陈永强，魏金成，吴东昌.模拟电子技术[M].北京：人民邮电出版社，2013. 谭浩强.C程序设计教程（第2版）[M].北京：清华大学出版社，2013. 朱定华.单片原理及接口技术[M].北京：电子工业出版社，2001. 王雪文.传感器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004. 王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，2009. 郭天祥.新概念51单片机C语言教程（第2版）.北京：电子工业出版社，2018. 周润景.单片机技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2017. 金发庆.传感器技术及其工程应用（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2017. 于歆杰，朱桂萍，陆文娟.电路原理[M].北京：清华大学出版社，2007. 刘祖明.LED照明设计与应用（第3版）[M].北京：电子工业出版社，2017. 刘修文.物理联网技术应用一智能家居[M].北京：机械工业出版社，2019. 王敏.智能照明技术实践教程[M].北京：清华大学出版社，2017. 肖辉.电气照明技术(第3版)[M].北京：机械工业出版社，2015. 唐志平.供配电技术(第3版)[M].北京：电子工业出版社，2013. 张保会，尹项根.电力系统继电保护原理(第2版)[M].北京：中国电力出版社，2010. 蔡杏山.51单片机C语言编程从入门到精通[M].北京：化学工业出版社，2020. 朱清慧，张凤蕊，崔天嵩，王志奎.Protues教程一电子线路设计、制板与仿线版)[M]. 北京：清华大学出版社，2016. 刘德全.Protues 8—电子线版)[M].北京：清华大学出版社，2017. 附录 1代码 #includereg51.h //51 头文件 #include intrins.h #include string.h #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define delay4us() {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();} uint Time01ms=0; uint Time1ms=0; sbit CLOCK=P26; //adc0808 引脚 10 接 P2.6 unsigned long dat_adc0808; sbit START=P2”3; 〃分别接这3个引脚 sbit EOC=P2”4; sbit OE=P2”5; sbit LED1=P2”1; 〃定义 LED sbit LED2=P2”2; sbit LED3=P3”7; sbit SW=P30; //开关代红外电路，接P3.0 sbit K1=P00; //3 个按键 sbit K2=P0”1; sbit K3=P0”2; bit flag=1; uchar Mode=2; uint adc0808_init(); // AD 初始化 void Refresh_show(); uint adc0808_init() // AD 初始化子程序 ( START=0; OE=0; START=1; START=0; while(EOC==0); OE=1; dat_adc0808=P1; OE=0; return dat_adc0808; } void Refresh_show() ( uint t=dat_adc0808; if(Mode==0) //强制开灯 ( LED3=1; LED1=0; LED2=1; } if(Mode==1) //强制关灯 ( LED3=0; LED1=0; LED2=1; } if(Mode==2) //退出强制状态 LED1=1; LED2=0; if(SW==0) if (t=100) LED3=1; else LED3=0; else LED3=0; void key() 〃按键检测子程序 if(K1==0) if(flag==1) flag=0; Mode=0; if(K2==0) if(flag==1) flag=0; Mode=1; if(K3==0) if(flag==1) flag=0; Mode=2; if(K1==1 && K2==1 && K3==1) flag=1; _/定… TMOD=0x01; //定时器0工作方式1 TH0=0xFF; TL0=0xB2; //0.1ms 初值 ET0=1; //开中断 TR0=1; EA=1; void main() //主程序 TIM0init(); while(1) key(); 〃按键检测 adc0808_init(); 〃检测亮度 Refresh_show(); 〃照明灯显示 } void Timer0_INT() interrupt 1 //中断程序 ( CLOCK=!CLOCK; TH0=0xFF; TL0=0xB2; } 2仿真图 强制开灯: 强制关灯:  退出强制，回到自动状态: 有人光暗： 有人光亮: 无人光暗:

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