基于单片机的节能照明控制器的设计[1]

　　1系统设计方案

　　1.1 单片机的选择

　　方案:MCS-51单片机

　　AT89C51是MSC-51单片机中应用最广泛的型号， 现在以其为代表介绍其参数。AT89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其内部结构主要有以下几部分：

　　1)微处理器 该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

　　2)数据存储器 片内为128个字节，片外最多可外扩至64k字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

　　3)程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k字节。

　　4)中断系统 具有5个中断源，2级中断优先权。

　　5)定时器/计数器 片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。

　　6)串行口 1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

　　7)4个并行8位I/O口 分别为P1口、P2口、P3口、P4口

　　8)特殊功能寄存器 共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

　　1.2光照检测方式

　　方案一、采用光敏二极管或三极管等光传感器件把环境亮度转换成相应的数字电平，然后直接接入单片机IO引脚。

　　方案二、采用光敏电阻把环境亮度转换成相应的电压值(模拟值)，然后通过运放后给单片机输入一个标准的数字信号。

　　由于光敏电阻属于纯阻性器件，所以采用方案一。

　　1.3 人体感应方式

　　方案一、采用红外对管进行检测。红外发送管和红外接收管分别安装在通道两侧。当某一时刻红外接收管如果接收不到信号表示两者之间有遮挡物通过，可以视为有人体进入。

　　方案二、采用集成电路BIS0001，该芯片是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路。它配以热释电红外传感器和少量外接元器件就可构成被动式的热释电红外开关、报警用人体热释电传感器等。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。

　　方案三、由于本实验课题要求使用仿真软件，把电路图仿真，并答辩时看到仿真结果，及考虑到实验室的条件下，决定用以手动开关模拟人信号(当没人时，灯熄灭)。

　　综上考虑，决定采用方案三。

　　1.4 照明设备驱动电路

　　方案一、采用可控硅控制。可控硅又称晶闸管，是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件。其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

　　方案二、采用继电器控制。继电器是一种当输入量(电、磁、声、光、热)达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。其具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。根据结构不同，可以将其分为电磁继电器、热敏干簧继电器、固态继电器、磁簧继电器、光继电器等型号。

　　由于考虑实验室条件，及软件仿真要求，故采用用发光二极管代替实际电路中的继电器和照明系统，实现对系统的模拟和仿真。

　　2 硬件电路设计与实现

　　2.1 系统硬件总述

　　系统以单片微型计算机为核心外加多种接口电路组成，共有六个主要部分：AT89C51芯片、光信号采集电路(光敏电阻)、人体信号采集电路(用手动开关模拟)、输出控制电路、如图1所示。

　　2.2 CPU性能介绍

　　本系统采用了ATMEL公司MCS-51系列单片机中的AT89C51芯片，它是低压高性能CMOS 8位微处理器，带有4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，—个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口。

　　2.3 主控制机电路设计

　　主控制器采用AT89C51单片机作为微处理器，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash 存储单元。

　　主控制器系统的外围接口电路由信号处理电路、LED显示及控制电路、等几部分组成。

　　2.4 热释电传感器及处理电路

　　2.4.1 热释电红外线传感器

　　热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。热释电传感器具有成本低、不需要用红外线或电磁波等发射源、灵敏度高、可流动安装等特点。实际使用时，在热释电传感器前需安装菲涅尔透镜，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。实验证明，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2 m左右;而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10 m以上。由于热释电传感器输出的信号变化缓慢、幅值小(小于1 mV)，不能直接作为照明系统的控制信号，因此传感器的输出信号必须经过一个专门的信号处理电路，使得传感器输出信号的不规则波形转变成适合于单片机处理的数字信号。根据以上要求，人体热释电检测电路组成框图如图2所示。

　　由于本实验需要仿真，及考虑到学校实验设施条件，本电路采用一手动开关来代替模拟人信号处理。

　　2.5 光照检测电路

　　在设计中，采用一光敏电阻来检测光照强弱，并设置了一个可移动的灯，通过移动灯离光敏电阻的远近，来模拟光照强弱。

　　2.6 控制电路

　　本电路中利用了一片ADCO801模数转换电路，进行模数转换，使得能处理光照强弱的信号。