【正文】 MCS51單片機(jī)系列。此外，它還具有品種全、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富等特點(diǎn)，因此應(yīng)用愈加廣泛，直到現(xiàn)在，MCS51仍不失為單片機(jī)的主流系列。單片機(jī)就是其中的典型代表?？v觀單片機(jī)近30年的發(fā)展歷程，單片機(jī)今后將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價(jià)格、外圍電路簡(jiǎn)單化以及片內(nèi)存儲(chǔ)器容量增加的方向發(fā)展。可以預(yù)言，今后的單片機(jī)將是功能更強(qiáng)、集成度和可靠性更高而功耗更低、以及使用更方便等特點(diǎn)。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(jī)真正意義上的嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)。單片機(jī)有計(jì)算機(jī)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)。又單片微型計(jì)算機(jī)以其體積小、性價(jià)比高、功能強(qiáng)、可靠性高等獨(dú)有特點(diǎn)，在各個(gè)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。所以它的功能也由簡(jiǎn)單的照明開(kāi)始向其他的節(jié)能和護(hù)眼等方面發(fā)展，有些臺(tái)燈還添加了鬧鐘和定時(shí)等功能。單端熒光燈為節(jié)能燈；燈具里的主要電器元件是電子鎮(zhèn)流器和啟動(dòng)器。頻閃效應(yīng)是所有熒光燈管的一個(gè)測(cè)試指標(biāo)：頻閃越少，照明效果越好。因此，在臺(tái)燈下用燈時(shí)間一長(zhǎng)，再加上不注意用眼衛(wèi)生，極其容易發(fā)生近視。但是，目前燈具市場(chǎng)里的不少品牌的護(hù)眼燈的質(zhì)量不過(guò)關(guān)，護(hù)眼燈的內(nèi)部電頻率根本無(wú)法達(dá)到質(zhì)量要求的40000赫茲以上的要求。近年來(lái)隨著綠色照明概念的提出，研制新型的環(huán)保節(jié)能臺(tái)燈成為當(dāng)務(wù)之急。這是一款實(shí)用新型的臺(tái)燈，由于以發(fā)光二極管為光源，再配以專門設(shè)計(jì)的外形結(jié)構(gòu)，可極大限度地利用光的效率，給人以溫馨或者恬靜的感覺(jué)，特別適用于家庭、賓館以及辦公室等環(huán)境的工作、學(xué)習(xí)、休息等照明與裝飾的需要，由于基本消除了頻閃，使得燈光對(duì)視力保健更有效果，同時(shí)，還具有節(jié)省電能的效能。相信隨著科技的發(fā)展，未來(lái)的照明光源將以環(huán)保節(jié)能的半導(dǎo)體發(fā)光器件為主，更易控制和實(shí)現(xiàn)多功能化和智能化。智能臺(tái)燈是利用單片機(jī)的本文設(shè)計(jì)是選擇了Atmega16作為控制芯片。對(duì)各部分功能作用予以詳細(xì)說(shuō)明。本文第一章為緒論，闡述了結(jié)合了單片機(jī)的智能化技術(shù)在家用電器領(lǐng)域中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了智能節(jié)能臺(tái)燈研究的意義及未來(lái)臺(tái)燈的發(fā)展趨勢(shì)。第三章對(duì)傳感器的概念及其特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)本文設(shè)計(jì)用到的熱釋電紅外傳感器和光敏電阻的工作原理及其特性進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。第五章介紹了智能節(jié)能臺(tái)燈的軟件設(shè)計(jì)，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)，先畫(huà)出總的程序框圖，結(jié)合臺(tái)燈設(shè)計(jì)需要的效果，用C語(yǔ)言編出程序。2 AVR單片機(jī)的特點(diǎn)及功能簡(jiǎn)介熱釋電紅外模塊紅外避障傳感器光照傳感器ATmega16蜂鳴器電路時(shí)間顯示電路LED指示電路模式開(kāi)關(guān)圖21 系統(tǒng)構(gòu)成框圖AVR單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采取8位機(jī)與16位機(jī)的折中策略，即采用局部寄存器(32個(gè)寄存器文件)和單體高速輸入/輸出的方案(即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應(yīng)控制邏輯)。故AVR單片機(jī)在軟/硬件開(kāi)銷、速度、性能和成本諸多方面取得了優(yōu)化平衡，是高性價(jià)比的單片機(jī)。 AVR單片機(jī)有自動(dòng)上電復(fù)位電路、獨(dú)立的看門狗電路、低電壓檢測(cè)電路BOD，多個(gè)復(fù)位源(自動(dòng)上電或下電復(fù)位、外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD復(fù)位)，可設(shè)置的啟動(dòng)后延時(shí)運(yùn)行程序，增強(qiáng)了嵌入式系統(tǒng)的可靠性。 綜上所述，AVR單片機(jī)博采眾長(zhǎng)，又具獨(dú)特技術(shù)，是8位機(jī)中的佼佼者。也正因?yàn)榇耍鞠到y(tǒng)使用了AVR單片機(jī)中的一款高端單片機(jī)Atmage16作為控制核心。圖22 ATmega16管腳圖單片機(jī)作為控制核心其首要職能是接收上位機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)并作相應(yīng)處理。由于本設(shè)計(jì)采用的是有線通信，有較好的可靠性，而AVR單片機(jī)本身有著強(qiáng)大的串行通信能力，只要對(duì)Atmage16內(nèi)部進(jìn)行設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單通信。主要特點(diǎn)為：（1）全雙工操作( 獨(dú)立的串行接收和發(fā)送寄存器)；（2）異步或同步操作；（3）主機(jī)或從機(jī)提供時(shí)鐘的同步操作；（4）高精度的波特率發(fā)生器；（5）支持5, 6, 7, 8, 或9 個(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)或2 個(gè)停止位；（6）硬件支持的奇偶校驗(yàn)操作；（7）數(shù)據(jù)過(guò)速檢測(cè)；（8）幀錯(cuò)誤檢測(cè)；（9）噪聲濾波，包括錯(cuò)誤的起始位檢測(cè)，以及數(shù)字低通濾波器；（10）三個(gè)獨(dú)立的中斷：發(fā)送結(jié)束中斷, 發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器空中斷，以及接收結(jié)束中斷；（11）多處理器通訊模式；（12）倍速異步通訊模式；（13）增強(qiáng)性的高速同/異步串口，具有硬件產(chǎn)生校驗(yàn)碼、硬件檢測(cè)和校驗(yàn)幀錯(cuò)、兩級(jí)接收緩沖、波特率自動(dòng)調(diào)整定位（接收時(shí)）、屏蔽數(shù)據(jù)幀等功能，提高了通信的可靠性，方便程序編寫(xiě)，更便于組成分布式網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信系統(tǒng)的復(fù)雜應(yīng)用，串口功能大大超過(guò)MCS51/96單片機(jī)的串口，加之AVR單片機(jī)高速，中斷服務(wù)時(shí)間短，故可實(shí)現(xiàn)高波特率通訊[8]。主要功能如下：UDR：USART 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器和USART 接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器共享相同的I/O 地址，稱為USART 數(shù)據(jù)寄存器或UDR。UCSRA：控制狀態(tài)寄存器A，用于顯示發(fā)送、接收結(jié)束，幀錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)溢出等串口站工作過(guò)程中出現(xiàn)的狀態(tài)。UCSRC：控制狀態(tài)寄存器 C，用于設(shè)定奇偶校驗(yàn)位，停止位，同步、異步等串口每幀發(fā)送的格式。 ATmega16單片機(jī)PWM功能脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制。一種模擬控制方式，根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定。通過(guò)高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來(lái)對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。占空比是接通時(shí)間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)?？焖貾WM模式(WGM21:0 =3)可用來(lái)產(chǎn)生高頻的PWM波形。計(jì)數(shù)器從BOTTOM計(jì)到MAX，然后立即回到BOTTOM重新開(kāi)始。由于使用了單邊斜坡模式，快速PWM模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正PWM模式高一倍。高頻可以減小外部元器件(電感，電容)的物理尺寸，從而降低系統(tǒng)成本[9]?？焖?PWM 模式時(shí)序圖如下圖。方框圖同時(shí)包含了普通的PWM輸出以及方向PWM輸出。計(jì)時(shí)器數(shù)值達(dá)到MAX時(shí)T/C溢出標(biāo)志TOV2置位。工作于快速PWM模式時(shí)，比較單元可以在OC2引腳上輸出PWM波形。要想在引腳上得到輸出信號(hào)還必須將OC2的數(shù)據(jù)方向設(shè)置為輸出。輸出的PWM頻率可以通過(guò)如下公式(31)計(jì)算得到： (21)變量N代表分頻因子(3612256或1024)。若OCR2A等于BOTTOM，輸出為出現(xiàn)在第MAX+1個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期的窄脈沖；OCR2為MAX時(shí)，根據(jù)COM21:0的設(shè)定，輸出為高電平或低電平。OCR2為0時(shí)信號(hào)有最高頻率 。圖23 快速 PWM 模式時(shí)序圖3 傳感器的選擇及功能介紹傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，它通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，它的性能直接影響到整個(gè)檢測(cè)電路，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)起著重要的作用。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求?？梢杂貌煌挠^點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號(hào)類型以及制作它們的材料和工藝等。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問(wèn)題較多，例如可靠性問(wèn)題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問(wèn)題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。以其輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為： 模擬傳感器——將被測(cè)量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)。 開(kāi)關(guān)傳感器——當(dāng)一個(gè)被測(cè)量的信號(hào)達(dá)到某個(gè)特定的閾值時(shí)，傳感器相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號(hào)。傳感器開(kāi)發(fā)的基本趨勢(shì)是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。 集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。 薄膜傳感器則是通過(guò)沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。 厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。傳感器的靜態(tài)特性是指對(duì)靜態(tài)的輸入信號(hào)，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。在實(shí)際工作中，傳感器的動(dòng)態(tài)特性常用它對(duì)某些標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)的響應(yīng)來(lái)表示。最常用的標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)有階躍信號(hào)和正弦信號(hào)兩種，所以傳感器的動(dòng)態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來(lái)表示。它是輸出一輸入特性曲線的斜率。否則，它將隨輸入量的變化而變化。例如，某位移傳感器，在位移變化1mm時(shí)，輸出電壓變化為200mV，則其靈敏度應(yīng)表示為200mV/mm。提高靈敏度，可得到較高的測(cè)量精度。分辨力是指?jìng)鞲衅骺赡芨惺艿降谋粶y(cè)量的最小變化的能力。當(dāng)輸入變化值未超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，傳感器的輸出不會(huì)發(fā)生變化，即傳感器對(duì)此輸入量的變化是分辨不出來(lái)的。通常傳感器在滿量程范圍內(nèi)各點(diǎn)的分辨力并不相同，因此常用滿量程中能使輸出量產(chǎn)生階躍變化的輸入量中的最大變化值作為衡量分辨力的指標(biāo)。分辨率與傳感器的穩(wěn)定性有負(fù)相相關(guān)性。S的百分比表示。本次設(shè)計(jì)智能節(jié)能利用的傳感器是熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器本身采集到的信號(hào)是很微弱的，感應(yīng)的范圍也很小，但是在它正面加上一個(gè)菲涅爾透鏡以后，它的信號(hào)采集范圍可以增大到20米左右。首先，這種傳感器要對(duì)人體發(fā)出的紅外線感應(yīng)很靈敏，而對(duì)其他的小動(dòng)物發(fā)出的紅外線不起作用。下面開(kāi)始詳細(xì)介紹熱釋電紅外傳感器的工作原理以及工作特性。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。本文先介紹熱釋電傳感器的原理，然后再描述相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)[20]。熱釋電效應(yīng)是指當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無(wú)輸出。人體都有恒定的體溫，一般在37176。紅外線通過(guò)菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生電壓信號(hào)。不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；易受射頻輻射的干擾；環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。（2）抗電磁干擾：，一般手機(jī)電磁干擾不會(huì)引起誤報(bào)。隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器，又可適用于防盜報(bào)警、來(lái)客告知及非接觸開(kāi)關(guān)等紅外領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)前面的介紹，對(duì)熱釋電紅外傳感器有了充分的了解，包括它的工作原理以及各種抗干擾特性。利用它的這一特性還可以把它運(yùn)用到日常安全防盜系統(tǒng)中去，因?yàn)榉辣I報(bào)警系統(tǒng)所針對(duì)的采集對(duì)象也是人體發(fā)出的紅外線。菲涅爾透鏡在傳感器信號(hào)處理電路中起著重要的作用，在它的輔助之下才能采集到較好的輸入信號(hào)。圖33 菲涅爾透鏡實(shí)物圖菲涅爾透鏡 (Fresnel lens) 多是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，也有玻璃制作的，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，它的紋理是利用光的干涉及擾射和根據(jù)相對(duì)靈敏度和接收角度要求來(lái)設(shè)計(jì)的，透鏡的要求很高，一片優(yōu)質(zhì)的透鏡必須是表面光潔，紋理清晰，其厚度隨用途而變，多在1mm左右，特性為面積較大，厚度薄及偵測(cè)距離遠(yuǎn)。多用于對(duì)精度要求不是很高的場(chǎng)合，如幻燈機(jī)、薄膜放大鏡、紅外探測(cè)器等。當(dāng)有人從透鏡前走過(guò)時(shí)，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進(jìn)入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號(hào)以忽強(qiáng)忽弱的脈沖形式輸入，從而增強(qiáng)其能量幅度。 菲涅爾透鏡,可以達(dá)到對(duì)指定光譜范圍的光帶通(反射或者折射)。典型的例子就是PIR（被動(dòng)紅外線探測(cè)器）。如果你拿一個(gè)看看，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每個(gè)PIR上都有個(gè)塑料的小帽子。小帽子的內(nèi)部都刻上了齒紋。成本很低。菲涅爾透鏡價(jià)格也比較低廉，考慮到我們的智能節(jié)能臺(tái)燈針對(duì)的是廣大的普通用戶，成本要比較低，才能適合廣大的