【正文】 沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 課題來源 社會在不斷進步，人類在不斷追求，市場在不斷變化，高科技應(yīng)用含量決定著產(chǎn)品發(fā)展的新趨勢和前景，智能化技術(shù)在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用意義深遠。隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，家用電器也越來越偏向智能化，已經(jīng)應(yīng)用于實際中的有智能洗衣機，智能電飯鍋，智能電磁爐等，而所用的智能化家用電器都用一個共同的特點，都是利用單片機作為中央控制單元。結(jié)合了單片機的智能家用電器和普通家用電器相比，功能上更強，使用更方便，安全可靠性也更高，最重要的是更節(jié)省電能，提高了家用電器的品質(zhì)。隨著智能控制理論和人工智能研究 的深入，各種更加逼真地模擬人類智能的家用電器會更多地出現(xiàn)，而單片機和智能理論的結(jié)合，將來不但更多地改進現(xiàn)行家用電器，而且將會產(chǎn)生全新的家用電器。 家用電器因為單片機的加入而走向智能化，并且隨著人們生活水平的提高日益走向平民化，我們的生活也隨著家用用電器的發(fā)展越來越方便、舒適。隨著家用電器的發(fā)展，作為家用電器當(dāng)中的小臺燈也要順應(yīng)科技的發(fā)展步伐走向智能化。 雖然按鍵式的臺燈還是臺燈市場的主體。但是，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展和人們的需求變化，傳統(tǒng)的臺燈已經(jīng)感受到產(chǎn)品更新?lián)Q代的威脅。與其他的智能化家用電器一樣，智能化臺燈有許多普通按鍵臺燈所無法比及的優(yōu)勢，智能化臺燈一方面可以更節(jié)省電能，有利于環(huán)保，另一方面可以糾正使用者的坐姿，預(yù)防脊椎變形和眼睛近視。同時，智能臺燈 自動 關(guān)燈的功能也讓使用者使用起來更方便， 可以防止由粗心大意帶來不不必要的浪費 。智能型電器產(chǎn)品由于它們的巨大優(yōu)勢將漸漸進入人們的生活中。 我國政府非常重視節(jié)能和節(jié)約。 1997 年 11 月 1 日我國頒布了《中華人民共和國節(jié)約能源法》，節(jié)能已經(jīng)是法律上的規(guī)定，是我國重要國策之一。北京 2021 年奧運場館建設(shè)，在“科技奧運，人文奧運，綠色奧運”三大理念的基礎(chǔ)上，又提出“勤儉辦奧運”的方針，充分體現(xiàn)政府節(jié)能，節(jié)約的決心！國家發(fā)改委提出了“電機系統(tǒng)節(jié)能工程”、“建筑節(jié)能工程”、“綠色照明工程”等十大重點節(jié)能工程，通過這十大工程，“十一五”期間將實現(xiàn)節(jié)約 億噸標準煤的目標。 2021 年 1 月將實行國家建設(shè)部頒布的“民用建筑節(jié)能管理規(guī)定”， 2021 年 7月 1日開始實施的“公共建筑節(jié)能設(shè)計標準” GB50189— 2021 要求全年的總能耗（采暖，通風(fēng)，空氣調(diào)節(jié)和照明）減少 50%。廣大電氣技術(shù)工作者只有認認真真研究節(jié)約電能的理論和技術(shù)，開發(fā)出優(yōu)良的節(jié)電產(chǎn)沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 品并應(yīng)用于實際，才能從根本上貫徹國家規(guī)定的 各項節(jié)能法規(guī)，造福于社會。照明節(jié)能意義重大，我國照明耗電大體占全國總發(fā)電量 10%～ 12%， 2021 年我國總發(fā)電量為18500 億度，按 12%計，照明耗電達 2220 億度。據(jù)資料報道，目前城市照明（指景觀照明和功能照明的統(tǒng)稱），年用電量約占全國總發(fā)電量的 4%～ 5%。照明節(jié)能主要從三個方面入手：選用高效節(jié)能的電光源和燈具；選用高品質(zhì)電子鎮(zhèn)流器或節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器；配置適宜，先進照明控制裝置。目前我國城市公共照明每年開支達數(shù)百億元。應(yīng)積極推廣采用國際上流行的全數(shù)字智能路燈節(jié)能控制技術(shù)：即智能光源降壓 —— 穩(wěn)壓 —— 調(diào)光技術(shù) 。它的技術(shù)思想為：在繁忙時段，控制路燈保持較強的照度，午夜時分，自動調(diào)光；后半夜車稀人少時，控制路燈保持較低的照度的照明。在美國、德國此類技術(shù)得到了政府大力扶持和推廣，節(jié)電率高于 30%。我國已有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的這方面技術(shù)產(chǎn)品如哈工大樓宇自動化研究所研制的“金鹵燈調(diào)壓調(diào)光系統(tǒng)”，在城市道路照明應(yīng)用中運行效果優(yōu)良。今后尚需政府的行政支持。 臺燈本來是一個非常簡單的照明工具，就是一個電源加一個燈泡，但是隨著科技的進步，人們開始對臺燈的功能要求也開始日漸提高。所以它的功能也由簡單的照明開始向其他的節(jié)能和護眼等方面 發(fā)展，有些臺燈還添加了鬧鐘和定時等功能。 而且近年來，我國青少年近視發(fā)病率節(jié)節(jié)上升，發(fā)病人數(shù)居全球首位，達到歷史空前水平。全國政協(xié)委員、沈陽何氏眼科醫(yī)院院長何偉呼吁，關(guān)注我國青少年視力健康，切實加強中小學(xué)生近視眼的防治工作刻不容緩。何偉委員告訴記者，目前我國共有四億多近視眼患者，以 13億人口計，約每 3個人中就有 1個是近視眼，特別是青少年近視的發(fā)病率居世界第二，人數(shù)居世界第一，且漸趨低齡化，中小學(xué)生近視檢出率為 ％ (城市 ％、農(nóng)村 ％ )，高中以上學(xué)生更是高達 70％。 近視正嚴重危害青少年的健 康成長，同時影響我國高素質(zhì)人才職業(yè)的篩選，縮小特殊職業(yè)人員的選取范圍，更是對實現(xiàn)我國二十一世紀健康目標的嚴重挑戰(zhàn)。多年來近視眼病在我國、日、韓和東南亞地區(qū)特別嚴重，時時影響著青少年的學(xué)習(xí)、健康、工作和生活。近年來我國近視眼患病率已上升到世界第二位，僅次于日本，總數(shù)量居世界第一。近視眼病的防治是一種世界性的重大難題，迄今沒有治愈的有效藥物和方法。市售的藥物和器具只能起到一定的調(diào)理和緩解作用，而手術(shù)和激光治療有嚴格的年齡限制，而且還包含著嚴重的隱患和風(fēng)險。除了遺傳原因，誘發(fā)學(xué)生患近視眼病的根源有多種，必須從誘發(fā) 的所有根源上做起，才能真正防止。 隨著微電子技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，單片機真正意義上的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)。單片機能最好地滿足嵌入式應(yīng)用的環(huán)境要求，例如，芯片級的物理空間、大規(guī)模集成電路的低價位、良好的外圍接口總線和突出控制功能的指令系統(tǒng)。單片機有計算機系統(tǒng)內(nèi)核，嵌入到電子系統(tǒng)中，為電子系統(tǒng)智能化奠定了基礎(chǔ)。因此，當(dāng)前沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 單片機在電子系統(tǒng)中的廣泛使用，使經(jīng)典電子系統(tǒng)迅速過渡到智能化的現(xiàn)代電子系統(tǒng)。又單片微型計算機以其體積小、性價比高、功能強、可靠性高等獨有特點，在各個領(lǐng)域（如工業(yè)控制、家電產(chǎn)品、汽車電子、 通信、智能儀器儀表）得到廣泛應(yīng)用 任務(wù)分析 本課題結(jié)合實際，針對使用中可能用到的基本功能，研究目的在于實現(xiàn) 三個主要的功能。首先是對 人體的檢測，若檢測到人體離開一段時間后，臺燈會自動熄滅。然后是 光照的自動調(diào)節(jié)， 當(dāng)采集到的自然光照強度足夠時，不會開啟照明裝置；當(dāng)自然光照強度不夠并檢測到有人在學(xué)習(xí)區(qū)域時，采集到的光照強度不同，點亮的燈的個數(shù)也就不同，光照強度越弱，點亮燈的個數(shù)就越多。這兩個功能的實現(xiàn)可以 達到一個節(jié)能的 效果 。 最后一個功能是對用戶坐姿的矯正 ， 當(dāng)人體超過設(shè)定的距離時，會進行報警直至人體恢復(fù)標 準坐姿， 幫助用戶養(yǎng)成一個良好的讀書坐姿習(xí)慣，從而達到對視力的保護。 根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計電路主要由 CPU（單片機 STC89C52），數(shù)據(jù)采集模塊， A/D轉(zhuǎn)換模塊， 電源 電路，聲光報警電路，控制電路等幾部分組成。 光照強度 通過傳感器采集 ，傳感器 得到 的 數(shù)據(jù) 再經(jīng)過放大電路， 進入 A/D通道 ，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 單片機 對采樣數(shù)據(jù)進行處理后 來控制 八個 燈管發(fā)亮的個數(shù) ，外界光強很弱時，燈管發(fā)亮的個數(shù)越多，外界光越強則相反，燈管發(fā)亮的個數(shù)與外界光強成反比。 同時用熱釋電傳感器對人體進行檢測，若 在規(guī)定范圍內(nèi)沒有檢測到人體信號 ，則經(jīng)過 5s的延時過后臺燈將 自動 熄滅。若檢測到 有 人在使用臺燈，則用 另一熱釋電紅外 對人體坐姿進行檢測，找到頭肩肘三個部位，設(shè)定好距離范圍，若檢測到超出設(shè)定范圍，則進行自動報警。 系統(tǒng)設(shè)計包括軟件設(shè)計部分和硬件設(shè)計部分，軟件仿真主要在 proteus里進行， 熱釋電紅外傳感器和超聲波暫時用開關(guān)代替。 在 protel里繪制出原理圖，按照原理圖進行硬件器件的連接，用 keil對其進行編程，將程序?qū)胗布校?調(diào)試以達到系統(tǒng)任務(wù)要求。 課題分析 本課題是對 多功能綠色安全臺燈 控制系統(tǒng)進行設(shè)計。該系統(tǒng)通過 光強感應(yīng)器 進行實時采 集 光照強度 信息 ，用熱釋電紅外傳感器檢測人體內(nèi)信號，同 時用另一熱釋電紅沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 外傳感器 檢測人體不同身體部位。 此系統(tǒng)以單片機為核心控制芯片，通過傳感器采集到的光照強度和人體各項信號， 傳感器的選擇要滿足本課題要求的測量范圍，并將 采集的 信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。將傳感器采集到的微弱信號通過放大電路，使該信號進 入轉(zhuǎn)換裝置， 其中可以將采集到的 模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號 。最后，把最終得到的數(shù)字 信號經(jīng)由單片機處理，與預(yù)設(shè) 檢測范圍和光照強度 進行 比較 ，若測得的 距離超過設(shè)定的范圍則進行報警，光照強度來決定燈管點亮的個數(shù)。 臺燈已經(jīng)是千家萬戶 的必須生活品，經(jīng)常由于忘記關(guān)燈一起巨大的浪費。在這里設(shè)計了人體輻射（波長為 ）傳感控制電路。當(dāng)人體在 臺燈的范圍內(nèi)且環(huán)境光強較弱時，點亮臺燈，但點亮燈管的個數(shù)則與實際 的光強成反比。當(dāng)人體太靠近桌面或左右傾斜時，臺燈自動感應(yīng)，警告矯正坐姿。當(dāng)人離開時，在規(guī)定的延時過后則自動熄滅，達到節(jié)能的目的。 沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2 章 系統(tǒng)方案分析 本章對控制系統(tǒng)的任務(wù)進行分析，對設(shè)計方案進行總體的概述，以及各部分電路的器件的選擇。 系統(tǒng)方案設(shè)計 本課題是為實現(xiàn) 多功能綠色安全臺燈 控制系統(tǒng) 的要求而設(shè)計的，課題的主要研究內(nèi)容是設(shè) 計并實現(xiàn)一個基于單片機 的 多功能臺燈的 控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有 自動調(diào)節(jié)亮度，人離開后自動關(guān)燈及矯正坐姿等功能。 分模塊分析和設(shè)計，主要分為光強采集、數(shù)模轉(zhuǎn)換、人體檢測報警等部分。分模塊不僅在最初的設(shè)計中非常方便，也很有利于后期的檢查與調(diào)試。 系統(tǒng)整體方案設(shè)計：根據(jù)系統(tǒng)功能要求并考慮產(chǎn)品的性價比，采用熱釋電紅外傳感器檢測人體信號和光強感應(yīng)器來采集光照強度， 并采用模塊化設(shè)計方法，以方便系統(tǒng)的調(diào)試和后期研究。 首先 用熱釋電紅外傳感器來檢測人是否在學(xué)習(xí)區(qū)，當(dāng)檢測到人體在學(xué)習(xí)區(qū)域時，單片機對采集到的光照強度數(shù)據(jù)進行處理，從而控 制燈點亮的個數(shù)，達到理想光照強度，檢測到外界光照強度越強，點亮燈的個數(shù)越少，檢測到外界光照強度越弱時，點來那個燈的個數(shù)越多。 若檢測到人體離開了設(shè)定的范圍，則單片機設(shè)定 5s 的延時， 5s后人沒回來臺燈自動熄滅。當(dāng)有人在臺燈正常點亮?xí)r，用另一熱釋電紅外傳感器 對人體離臺燈距離進行檢測，若發(fā)現(xiàn)用戶坐姿不正確超出規(guī)定范圍 ，則進行報警提醒。 主要的工作器件有單片機 STC89C52 控制系統(tǒng)，將光照強度模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 ADC0804，模擬光照強度的光敏電阻等等。 系統(tǒng)原理圖如圖 所示。 沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 系統(tǒng)原理圖 單片機 的 選擇 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分器件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器、實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng) 可編程 Flash 存儲器。 STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，定時器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路， 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 4 個外部中斷，一個 7 向量 4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5向量 2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電光照傳感器 熱釋電紅外傳感器 1 熱釋電紅外傳感器