基于单片机的智能灯的设计与实现

王永涛， 王启明

（平顶山学院 ，河南 平顶山 467000）

一、引言

随着科学的不断发展进步，人们的生活越来越便利，尤其是智能化产品的出现，更提高了人们的生活品质[1]。生活中常见的智能产品有智能洗衣机、智能电饭锅、智能电磁等，它们都是运用单片机来控制各种功能以达到智能化。然而，大部分家庭里现在安装的都是台灯、荧光灯、白炽灯这些普通灯具，有很多缺点：第一，使用手动开关来开关灯，会让人们在使用电器时存在触电的安全隐患[2]；第二，灯具频繁使用，其频闪效应，会给人们的眼睛带来极大的伤害；第三，功率消耗大，比较费电；第四，由于是手工操作关灯，有时如果忘记关闭正在工作的灯具，也是一种能源浪费。为了解决以上问题，智能灯便应用而生。采用STC89C51单片机为主控元件设计的智能灯，具有电路结构简单，易开发、生产成本低等特点，能够较好地满足人们在生活中的需求。

二、 系统硬件设计

（一）系统的基本结构

系统结构图如图1所示。整个系统是在 80C51控制下工作的。其工作过程为：当环境光比较强时，光敏电阻阻值比较小，信号处理电路检测到低电平信号，禁止热释电红外传感器工作，省去了 80C51 处理过程。当环境光比较弱时，光敏电阻阻值变大，信号处理电路接收到高电平，从而启动热释电红外传感器工作[3]。热释电红外传感器能探测比较远的距离，当人体进入到传感器的控测范围内且光强较弱时，信号检测电路处理信号，并向单片机发送一个中断，80C51 启动灯光控制电路，点亮智能灯[4]。同时也可以进行模式调节，手动模式下，手动调节灯的亮度，

图1 系统结构图

图2 总体电路电路图

（二）总体电路设计

本智能灯的硬件部分包括灯光模块、热释电、电源模块、光敏电阻、显示模块、ADC模块和核心MCU七个部分，这七个部分相互配合、共同作用，实现了智能灯的功能。总体电路设计如图2所示。

（三）光敏电阻

光敏电阻（photoresistor or light-dependent resistor，后者缩写为ldr）或光导管（photoconductor），光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，对光线十分敏感，具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。光敏电阻在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ；光照愈强，阻值就愈低，亮电阻可小至1KΩ以下。本设计就是利用光敏电阻的阻值随着亮度的改变而改变，从而改变光敏电阻上的电压值[5]。这时，通过AD转换器采集电压，传输给单片机，从而达到智能控制灯的亮灭。

（四） AT89C51控制芯片

AT89C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（CMP）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。采用40引脚双列直插式DIP（Dual In Line Package），内有128Byte的RAM单元及4K的ROM。

AT89C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，一个串行中断，并有4个8位并行输入口。AT89C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。由于AT89C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心。

（五）红外热释电模块

红外热释电传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成，探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强化其能量幅度.同时人体辐射的红外线中心波长为9～10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2～20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7～10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器，所以说有人的时候，才会亮，动物也不会亮，这样大大的节省啦资源。当人体进入其感应范围时，传感器就会产生几 mV信号，然后通过以 BISS0001为中心的人体红外模块， 对信号进行二次放大， 并滤波以防止外界的信号产生干扰。信号经过 BISS0001 后从而转化为数字信号输出，便于用单片机进处理。

（六）模数转换电路

ADC0808 是含 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关，以及与微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS组件，其转换方法为逐次逼近型。ADC0808的精度为1/2LSB。在AD 转换器内部有一个高阻抗斩波稳定比较器，一个带模拟开关树组的256 电阻分压器，以及一个逐次通近型寄存器。8 路的模拟开关的通断由地址锁存器和译码器控制，可以在8 个通道中任意访问一个单边的模拟信号。

三、软件设计

（一）数码管显示

采用四位一体数码管显示数字。进行位选和段选（位选是指选择要使用的数码管，段选是指让某个数码管显示数字）。首先要将每个位选置0，再将要使用的数码管位选置1；然后进行段选（要注意所用数码管为共阴极还是共阳极）；最后通过除和取余运算将所要显示的数字显示到数码管上。

（二） 红外热释电

本系统的红外热释电使用开关进行模拟，系统运行时，通过开关的断开与闭合，反应是否有人，进而控制灯的亮灭（低电平代表有人）。

（三）ADC程序

系统运行时，首先是对ADC进行初始化，主要功能是选择转换通道、配置通道、锁存转换通道、打开输出使能；然后进行ADC转换（START开始转换引脚，触发条件拉高最少100ns，拉低）；最后通过数码管显示信息。

（四） 定时器和中断

本系统定时和中断主要用于定时、延时和方波占空比的控制。系统运行时，首先对定时器进行初始化，主要包括寄存器TMOD的设置、设置定时初始值、中断总允许、打开定时器中断、打开定时器开始计数；然后进入中断服务函数，进行相应的时间设置。

（五） PWM方波

本系统主要使用PWM方波控制灯的亮度。在系统运行时，首先判断是否有人，如果有人，则让灯亮，否则，灯灭；然后通过中断来设置PWM方波的占空比，达到控制灯亮度的目的。

（六）主函数

主程序运行时，首先进行初始化，包含定时器0和1的初始化、ADC的初始化；接着，确定ADC的转换时间（每500ms转换一次，用定时器和中断实现）；然后，根据光照强度的强弱设置PWM方波的占空比（当光线最暗时，灯最亮，占空比为100%）；最后，将数据显示到数码管上，程序结束。

四、结语

设计了一种以单片机AT89C81为控制核心的智能灯系统，结构简单，应用广泛，更加适用于未来的智能化社会，更能跟上时代的发展，为进入物联网领域打开了大门。