基于單片機的LED燈智能照明系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u14459基于單片機的LED燈智能照明系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例概述 116101照明系統(tǒng)硬件設(shè)計 1184221.1單片機簡介 2163431.1.1系統(tǒng)主控制STC89C52單片機 299801.1.2單片機最小系統(tǒng) 2135391.2菲涅爾透鏡 4292081.3人體感應(yīng)模塊及其處理電路 4130351.1.1熱釋電紅外傳感器 4162641.1.2信號處理電路 7171841.4聲控電路 8143331.5光照檢測電路 998951.6繼電器驅(qū)動電路 12200571.7電源模塊 14107241.8系統(tǒng)總原理圖 15220952智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計 15120552.1系統(tǒng)軟件編程 15309962.2系統(tǒng)軟件流程圖 1548142.3系統(tǒng)程序 171照明系統(tǒng)硬件設(shè)計1.1單片機簡介1.1.1系統(tǒng)主控制STC89C52單片機本次設(shè)計綜合考慮選用市面很常見的一款具有較低功耗、性能優(yōu)越的嵌入式單片機—STC89C52。STC89C52具有幾個本系統(tǒng)需要的基本功能：三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)晶振及時鐘控制電路等[9]。1.1.2單片機最小系統(tǒng)LED智能控制系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)是由宏晶公司旗下一款較低功耗的單片機再加上復(fù)位控制電路和時鐘（晶振電路）構(gòu)成。其構(gòu)成如圖3-1所示。顧名思義復(fù)位電路它的主要功能是讓單片機從設(shè)定的初始狀態(tài)進行運轉(zhuǎn)。當單片機被外來因素干擾或者自身程序出現(xiàn)錯誤時,這時單片機就會出現(xiàn)死機的情況。這種情況發(fā)生時僅僅只需要按一下單片機自身的復(fù)位按鈕s1,這時復(fù)位電路就能夠讓單片機內(nèi)部從初始狀態(tài)開始運轉(zhuǎn)。復(fù)位電路如下圖3-2所示。晶振(時鐘)電路是所有單片機都不能缺少的,就跟心臟在人體中的地位一樣。本系統(tǒng)的單片機主要有兩種形成時鐘(晶振)的工作方式,其中一種采用的是外部形成時鐘(或者稱為晶振)的工作方式、剩下的一個則是采用內(nèi)部形成時鐘(或者稱為晶振)的工作方式[10]。其對應(yīng)的電路圖，如圖3-3所示：圖3-1單片機最小系統(tǒng)的控制電路圖圖3-2復(fù)位電路圖3-3時鐘電路1.2菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡表面有很多個凹槽，每個凹槽的之間的角度都是不同的，其形狀就跟足球外表面一樣。元件表面的這些凹槽能夠把照射到表面的光線匯聚到一點，并且這些凹槽也能把照射到表面的光線調(diào)整成平行光或聚集光。其實物圖如圖3-4所示。圖3-4菲涅爾透鏡1.3人體感應(yīng)模塊及其處理電路1.1.1熱釋電紅外傳感器本系統(tǒng)綜合考慮選用常見的熱釋電紅外傳感器作為紅外感應(yīng)模塊的核心組成部分。工作本質(zhì)是利用元件表面材料的溫度發(fā)生改變，進而使元件表面的材料發(fā)生極化。通俗來說就是傳感器表面材料的溫度發(fā)生改變使得材料表面的原子失去電平衡，這樣元件表面將會釋放電子，這些脫離束縛的電子最終會形成電壓或者電流[11]。傳感器的基本工作原理：幾乎所有人都知道人體正常的體表溫度值大約為37℃，在這一溫度下人體可以釋放出人類肉眼看不到的短紅外波，該紅外短波的波長大約為10μm。人體釋放出來的短紅外波穿過傳感器表面的透鏡后到達熱釋電元件，使得熱釋電元件表面材料的溫度發(fā)生改變，溫度的改變會使熱釋電表面材料的原子失去電平衡，向空間中四處發(fā)散電荷，這些四散的電荷會形成電流，這些電流流經(jīng)紅外檢測模塊后，紅外模塊就向單片機輸送相應(yīng)的信號[12]。其實物圖，如圖3-5所示。圖3-5傳感器實物圖本系統(tǒng)中的傳感器只存在三個管腳，其中三腳是電源管腳、一腳為接地引腳、二腳為信號引腳。當傳感器不處在工作狀態(tài)時其信號管腳就為低電平，一旦系統(tǒng)感知到人體時，信號管腳即刻轉(zhuǎn)換成高電平，然后將這個電平輸送給單片機進行后續(xù)的處理。在本系統(tǒng)中還設(shè)有提示性指示燈D1，當元器件接收到人體發(fā)出的紅外短波后，圖中的二極管D1就會通電發(fā)光，沒有接收到紅外短波時，指示燈就不會被點亮。該電路圖中還加入了一個阻值較小的電阻R2，該電阻在電路中發(fā)揮的作用是防止指示燈D1因為過流而被燒毀。該電路圖如圖3-6所示：圖3-6人體感應(yīng)電路原理圖1.1.2信號處理電路本設(shè)計選用常見的BIS0001芯片處理紅外檢測模塊輸送過來的信號。BIS0001芯片的詳細引腳如下圖3-7所示：圖3-7BIS0001的引腳圖BIS0001在系統(tǒng)中的應(yīng)用，如圖3-8所示；圖3-8BIS0001應(yīng)用電路圖1.4聲控電路本系統(tǒng)中只有一個人體感應(yīng)模塊對于智能照明系統(tǒng)來說精確度是完全不夠的，所以還需加入另一個模塊—聲控電路模塊。聲控電路模塊主要是根據(jù)走廊內(nèi)是否有腳步聲，來判斷是否傳送點亮LED燈的信號給單片機[13]。聲音控制模塊的實物面積和一個普通U盤的大小一樣大，它外接5V直流電就可以使其正常工作。其實物圖，如圖3-9所示。圖3-9聲音控制模塊實物圖本系統(tǒng)的聲控模塊電路如圖3-10。圖中的聲音傳感器總共有三個管腳，其一管腳是該模塊的地引腳、三管腳是電源管腳，二腳為輸出接口引腳。當公共區(qū)域傳來腳步聲時，聲音傳感器會接收到該腳步聲并經(jīng)行處理轉(zhuǎn)換最后輸出電信號給STC89C52RC單片機。本模塊的二號管腳跟本設(shè)計單片機的十五號管腳直接連接。圖3-10聲控電路原理圖1.5光照檢測電路本系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用的模塊—光照檢測模塊。該模塊主要是檢測被測區(qū)域內(nèi)的光照強度。其實物圖如下圖3-11所示。3-11光檢測模塊實物圖其基本電路原理圖如下圖3-12：圖3-12光檢測電路原理圖圖中RL1為光照檢測電路的核心元件——光敏電阻，R5為10K的滑動變阻器，D3為指示燈。當走廊內(nèi)光線比較弱或者處于黑暗狀態(tài)時，RL1的阻值會變得非常大。此時該檢測電路幾乎是處于短路狀態(tài)，那么RL1輸出端也就為低電平。相反的，如果走廊光照良好時，其阻值就會變得很非常小，電路導(dǎo)通RL1輸出端就會變成高電平。該原理圖的右半邊的元器件組成了一個電壓比較器，具體工作是將輸入和輸出電壓值的大小進行比較，來判斷向單片機輸送何種電平。單片機再依據(jù)自身的程序來判斷走廊內(nèi)是否光線良好。該檢測電路中還加入了限流電阻R6，R6的作用是防止指示燈D3被燒壞。1.6繼電器驅(qū)動電路本系統(tǒng)的燈光控制電路是選用常見的SRD-05VDC型號的低壓電磁繼電器來控制照明燈具的開啟與關(guān)閉。其實物圖如圖3-13所示。3-13繼電器實物圖當在光線較弱或者黑暗條件下，系統(tǒng)接收到人體輻射的特定紅外短波或者接收到人類發(fā)出的聲音信號，這時本設(shè)計的單片機會把這些輸送過來的信號進行處理，然后驅(qū)動型號為S8550的三極管。如果本系統(tǒng)電磁繼電器的K1側(cè)處于低電平時，那么電路圖中的Q1就會飽和導(dǎo)通，Relay-SPDT中的線圈會通電，根據(jù)線圈電生磁的原理，繼電器的開關(guān)撥片K1會被吸引到左側(cè)，從而使得該電路接通了LED燈亮起。一旦K1端轉(zhuǎn)變成高電平時三極管Q1就會截止，進而導(dǎo)致Relay-SPDT中線圈沒有電流，開關(guān)撥片K1就會恢復(fù)原來的狀態(tài)，照明燈具也就不會被點亮[14]。其對應(yīng)的控制電路，如下圖3-14所示。圖3-14電磁繼電器控制電路圖1.7電源模塊本設(shè)計選用了一個2.8V的電池模組作為整個系統(tǒng)的供電電源。其實物圖如圖3-15所示。圖3-15電池模組實物圖該模塊對應(yīng)的電路圖，如下圖3-16所示。圖3-16電源電路模塊電路圖電源電路圖的P3就是本設(shè)計的電池接入點，其原理圖中的SW1控制著整個電源電路的開啟與關(guān)閉，D4為該模塊電源是否接入的指示燈。圖中的R8是一個阻值較小的電阻其作用是為了保障指示燈不因過電流而毀壞。1.8系統(tǒng)總原理圖本設(shè)計是通過光線檢測模塊、紅外檢測模塊以及聲音控制模塊來收集寢室走廊內(nèi)的光線強度、是否有人等相關(guān)信息，然后將信號輸送給單片機進行分析處理，以實現(xiàn)LED燈光的智能控制和節(jié)能環(huán)保的目的。2智能照明系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1系統(tǒng)軟件編程平常用的C語言軟件可以高質(zhì)量的生成目標代碼和高程序執(zhí)行效率。故此，本設(shè)計采用Keil4編程軟件進行C語言編程。軟件界面圖如下圖4-1所示。圖4-1軟件開發(fā)界面圖2.2系統(tǒng)軟件流程圖本設(shè)計的軟件部分，主要是對光檢測模塊、紅外模塊以及聲音控制模塊產(chǎn)生的信號進行分析和處理。在光線充足時，光檢測模塊電路的末端處于低電平，并且系統(tǒng)會持續(xù)對此電路末端輸出進行檢測。當周圍光線變暗時，光檢測電路末端處于高電平，系統(tǒng)接下來會對聲音檢測模塊和紅外檢測模塊的輸出狀態(tài)進行檢測，一旦有人，紅外感應(yīng)模塊（或聲音感應(yīng)電路）就會接收到該區(qū)域存在物體的信號然后就會向物品們的單片機輸送高電平，此時內(nèi)部延時啟動，系統(tǒng)自動點亮LED燈，并延時兩分鐘左右。如果在延時時間結(jié)束前，兩個電路又輸出高電平，則系統(tǒng)會再一次進入延時兩分鐘。如果在延時時間結(jié)束前，兩個電路沒有向單片機輸送高電平，那么系統(tǒng)會在延時時間結(jié)束后不在點亮照明燈具。一旦LED燈熄滅，系