I基于單片機(jī)的樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著現(xiàn)在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)不斷蓬勃發(fā)展，人們對(duì)于可控制開(kāi)關(guān)的需求越來(lái)越高，市面上的開(kāi)關(guān)種類(lèi)也各式各樣，越來(lái)越齊全。但這些新型的智能電子開(kāi)關(guān)仍存在著不足，滿足不了人們的要求，針對(duì)我國(guó)市場(chǎng)各類(lèi)電子開(kāi)關(guān)存在的現(xiàn)狀和問(wèn)題，畢業(yè)設(shè)計(jì)選題為樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)。本文設(shè)計(jì)了樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)，主要是由單片機(jī)來(lái)進(jìn)行對(duì)電路的控制，超聲波傳感器負(fù)責(zé)采集電路、人體觸摸控制電路、開(kāi)關(guān)指示電路、LED燈控制電路共同組成。當(dāng)人體觸摸開(kāi)關(guān)后，單片機(jī)接受按鍵信息讀取按鍵值，隨后驅(qū)動(dòng)LED照明，啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器發(fā)送超聲波脈沖閥，此時(shí)將檢測(cè)是否有脈沖返回，當(dāng)檢測(cè)有脈沖返回時(shí)，將會(huì)把測(cè)距值通過(guò)LCD顯示屏顯示，此時(shí)為實(shí)時(shí)距離，當(dāng)實(shí)時(shí)距離超過(guò)設(shè)定的距離2米時(shí)，系統(tǒng)控制LED進(jìn)入30秒的延時(shí)功能。在經(jīng)過(guò)觀察不同年齡段的人用不同的速度經(jīng)過(guò)一層樓梯所需要的時(shí)間為13秒左右，而在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎處到達(dá)下一階梯時(shí)需要5秒左右，但是現(xiàn)在的“低頭一族”體量不斷增大，故他們?cè)诮?jīng)過(guò)轉(zhuǎn)彎處時(shí)需要增加2-5秒。在不同的場(chǎng)合環(huán)境里一層的樓道總長(zhǎng)不超過(guò)15米，所以在設(shè)定超聲波探測(cè)距離時(shí)通設(shè)定了探測(cè)距離值為2米，并且延時(shí)30秒可保證路人能在有照明的情況下到達(dá)下一樓層。通過(guò)在控制人的高度變量情況下，我在宿舍樓道，教學(xué)樓樓道地方進(jìn)行上下樓多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)在觸摸開(kāi)關(guān)LED開(kāi)始照明后進(jìn)行工作，遠(yuǎn)離指定探測(cè)范圍2米后，開(kāi)關(guān)進(jìn)入延時(shí)30秒LED關(guān)閉的倒計(jì)時(shí)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波測(cè)距；觸摸開(kāi)關(guān)；傳感器；目錄TOC\o"1-2"\h\u25752第一章前言 2236461.1研究背景和意義 288111.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 357791.3課題設(shè)計(jì) 415331第二章系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 621882.1系統(tǒng)組成部分 6263582.2傳感器部分電路設(shè)計(jì) 9204722.3控制電路設(shè)計(jì)部分 11214772.4顯示模塊 11266782.5單片機(jī)系統(tǒng)電路原理 12297372.6安裝位置 1214860第三章系統(tǒng)的軟件原理 1476463.1單片機(jī)主程序設(shè)計(jì) 14148273.2觸摸模塊軟件設(shè)計(jì) 1459923.3超聲波模塊軟件設(shè)計(jì) 1544703.4LCD顯示模塊軟件設(shè)計(jì) 1513673第四章系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 16302514.1系統(tǒng)的安裝 16177304.2樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果 177769第五章總結(jié) 194271參考文獻(xiàn) 203788附錄 22第一章前言1.1研究背景和意義如今，人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)高度文明的階段，人類(lèi)思想的進(jìn)步和科技的創(chuàng)新使得各種新事物不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí)，加快了社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步速度。從某種意義上來(lái)說(shuō)，人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展離不開(kāi)能源的發(fā)現(xiàn)和使用。但是目前，人類(lèi)使用的大部分都是化石能源，無(wú)論是在開(kāi)采過(guò)程中，還是在使用過(guò)程中，都會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。而且化石能源市不可再生的，過(guò)度的依賴(lài)可能會(huì)造成資源的緊缺。另外，對(duì)于化石能源無(wú)節(jié)制的開(kāi)采和利用，終有一天化石能源會(huì)被耗盡，到那時(shí)候人類(lèi)將面臨能源危機(jī)。再者，現(xiàn)在社會(huì)的科技水平對(duì)于新能源的利用與技術(shù)掌握還不夠成熟，核物理能源的安全性也不能得到保證。核能是一種唯一被公認(rèn)的可替代常規(guī)能源的現(xiàn)代能源，它的能量密度大，成本低，而且不會(huì)造成空氣污染，也不會(huì)加重溫室效應(yīng)。但其放射性材料的使用，一旦泄漏將對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，甚至產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。切爾諾貝利核電站和福島核電站的核泄事件說(shuō)明了核能具有潛在的不安全性，并不能完全替代常規(guī)能源。新能源技術(shù)是高新技術(shù)的支柱，它包含了核能技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)、流體發(fā)電技術(shù)以及地?zé)崮?、海能技術(shù)等[1]。其中核能技術(shù)與太陽(yáng)能技術(shù)是新能源技術(shù)的主要標(biāo)志，核能、太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用打破了以石油和煤炭為主體的傳統(tǒng)能源觀念，開(kāi)創(chuàng)了新時(shí)代。前者在目前的研究現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)技術(shù)還不成熟，后者需要大面積的設(shè)備和很大的投資及由于地球的自轉(zhuǎn)，使得太陽(yáng)能具有間歇性，這兩個(gè)對(duì)于照明節(jié)能，環(huán)保方面仍存在缺陷,容易形成無(wú)用價(jià)值照明。根據(jù)國(guó)家能源局發(fā)布的全社會(huì)用電量的數(shù)據(jù)來(lái)看：全國(guó)全社會(huì)用電量累計(jì)27759億KWh，同比增長(zhǎng)2.7％[2]。其中，在樓道照明里，有實(shí)用價(jià)值的照明用電約占總耗電電量的60％，無(wú)用價(jià)值約占40％，這與當(dāng)前的節(jié)能、環(huán)保的國(guó)策不相適應(yīng)[3]。而且隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，照明用電量占的比例不斷增大[4]，其中在樓道照明這一方面就耗費(fèi)了大量電能。樓道照明和人們的日常生活息息相關(guān)，例如生活小區(qū)，寫(xiě)字樓多層或高層建筑離不開(kāi)樓道照明，但是在夜間時(shí)，樓道里的照明燈不論是否有人經(jīng)過(guò)，它從夜晚一直照明到天亮，造成過(guò)度的消耗和浪費(fèi)。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)于在樓道照明節(jié)能方面做出了很多努力，現(xiàn)在市面上越來(lái)越多各式的控制照明的開(kāi)關(guān)受到歡迎。但大多數(shù)還是機(jī)械開(kāi)關(guān)在樓道照明中應(yīng)用廣泛，這種墻壁開(kāi)關(guān)基本上都是翹板式、機(jī)械按鈕式，雖然這些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低價(jià)格，但它使用壽命短，存在嚴(yán)重的安全隱患[5]。由于機(jī)械墻壁開(kāi)關(guān)的種種弊端，廣大研究者正嘗試用新穎的電子觸摸開(kāi)關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)。這種新型墻壁觸摸電子開(kāi)關(guān)是利用人體指腹觸摸開(kāi)關(guān)平面上的感應(yīng)點(diǎn)，隨后產(chǎn)生交流信號(hào)的變化從而控制電源的通、斷情況[6]。這一采用人體觸摸來(lái)實(shí)現(xiàn)隊(duì)開(kāi)關(guān)的通斷控制，在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，因?yàn)樗哂徐`活便利，沒(méi)有機(jī)械損耗的這一優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在市面上出現(xiàn)類(lèi)似的電子觸摸開(kāi)關(guān)，有普通的單點(diǎn)開(kāi)關(guān)、單點(diǎn)延時(shí)開(kāi)關(guān)以及電阻屏、電容屏的多點(diǎn)控制[7]。但是市面上這些觸摸開(kāi)關(guān)得不到高速度及高靈敏度支持。有些因?yàn)樵诖植Ａ踊蚪M分之間的氣隙過(guò)大，很難有效工作。盡管如此，觸摸開(kāi)關(guān)的出現(xiàn)，很好的解決了沒(méi)必要的機(jī)械損耗和安全性問(wèn)題[8]。因此，對(duì)樓道照明系統(tǒng)中以電位感應(yīng)為基礎(chǔ)的觸摸開(kāi)關(guān)的性能研究，既可以通過(guò)人體觸摸來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)、延時(shí)及關(guān)斷，也可以合理使用樓道照明用電，有效減少樓道無(wú)用照明的消耗，對(duì)節(jié)約能源具有重大意義。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀：智能照明是近年發(fā)展起來(lái)的，被業(yè)界寄予很大期望的行業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。世界照明巨頭飛利浦領(lǐng)先出產(chǎn)了智能控制類(lèi)型的照明產(chǎn)品，采用最新的WIFI控制技術(shù)控制各式LED燈具[9]，這樣的產(chǎn)品國(guó)內(nèi)企業(yè)也在生產(chǎn)。它是一種Wi-Fi直連，不需要橋接器，只需要下載WiZAPP就可以操控LED燈。這類(lèi)新型的智能產(chǎn)品使用的范圍環(huán)境小，多使用就家居照明，樓道照明上鮮少使用，另外該類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格高，大多數(shù)人們?nèi)匀粫?huì)選擇傳統(tǒng)的電子開(kāi)關(guān)。所以在近年企業(yè)的市場(chǎng)銷(xiāo)售狀況來(lái)看，這種新興的智能產(chǎn)品WIFI控制智能照明的市場(chǎng)沒(méi)有打開(kāi)多大的銷(xiāo)路，屬于“叫好不叫座”，消費(fèi)者可接受程度差。而且數(shù)據(jù)資料顯示，即便是電工和照明行業(yè)排名最靠前的大型企業(yè)，智能照明產(chǎn)品所能達(dá)到的年產(chǎn)值也普遍不足千萬(wàn)（指分散控制的家居型產(chǎn)品，集中控制的智能照明產(chǎn)品除外）[10]，這同早前預(yù)計(jì)的可望達(dá)到幾千億規(guī)模的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模差距太大。國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀：2021年是全面落實(shí)新的“十四五”規(guī)劃，建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化的第一年，也是中國(guó)共產(chǎn)黨成立一百周年，是確保能源發(fā)展和改革的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外形勢(shì)復(fù)雜，能源安全風(fēng)險(xiǎn)不容忽視[11]。在我國(guó)，從跨國(guó)超大型企業(yè)所率領(lǐng)的潮流看，燈控一體的傾向日益明顯。沒(méi)有電子開(kāi)關(guān)是不可能得到各種自動(dòng)控制的效果的[12]，但是采用電子開(kāi)關(guān)，則需要它滿足與各種燈適配的要求。這就是目前面臨的主要問(wèn)題，電子開(kāi)關(guān)的技術(shù)發(fā)展未跟上照明現(xiàn)實(shí)的發(fā)展需要。在過(guò)去普遍使用白熾燈的年代，由于白熾燈對(duì)微小電流極不敏感，就沒(méi)有形成對(duì)電子開(kāi)關(guān)應(yīng)用的阻礙，但新型節(jié)能燈種廣泛應(yīng)用后，這個(gè)矛盾就變得極為尖銳了。新型節(jié)能燈的廣泛使用帶來(lái)的新課題值得技術(shù)人員進(jìn)行研發(fā)，其實(shí)它早十幾年就已經(jīng)被提出，最初幾年，國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)外曾一度掀起此類(lèi)電子開(kāi)關(guān)研發(fā)的熱潮，出了不少成果，例如聲控開(kāi)關(guān)、機(jī)械開(kāi)關(guān)、光控開(kāi)關(guān)，紅外電子開(kāi)關(guān)等新型智能類(lèi)型的電子開(kāi)關(guān)進(jìn)入人們的視野，機(jī)械開(kāi)關(guān)它是屬于觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，是以物理機(jī)械的形式將通路達(dá)到開(kāi)與關(guān)的狀態(tài)，它的要求和條件不怎么苛刻，但有接觸不良，使用不便，壽命短，容易發(fā)生故障等缺點(diǎn)，而且摩擦力大易損壞，而且如果忘記斷開(kāi)的電源會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)能源，另一種光控開(kāi)關(guān)和聲控開(kāi)關(guān)，它是通過(guò)采用光電探視，人體感應(yīng)等方式改變電路通斷，不需要直接觸碰，對(duì)硬件損耗小，壽命更長(zhǎng)。但是光控開(kāi)關(guān)對(duì)光線的強(qiáng)弱要求苛刻，而聲控開(kāi)關(guān)則有時(shí)會(huì)被噪聲影響，干擾環(huán)境安寧。而紅外開(kāi)關(guān)是在它的作用范圍（控制角、距離）內(nèi)只要有人的時(shí)候燈會(huì)持續(xù)照亮，這種開(kāi)關(guān)具有很強(qiáng)的抗干擾的能力，但作用范圍小，開(kāi)關(guān)的成本高[13]。經(jīng)市場(chǎng)的檢驗(yàn)，這些產(chǎn)品因技術(shù)不夠成熟，產(chǎn)品不夠穩(wěn)定，質(zhì)量難以達(dá)到用戶(hù)的使用要求導(dǎo)致受眾面積不廣。1.3課題設(shè)計(jì)1.3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)功能研究?jī)?nèi)容：本文介紹了樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)控制方案，分析了電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的電路原理和照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)智能控制的軟件實(shí)現(xiàn)流程，并制作了相應(yīng)的作品，并且驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性。本設(shè)計(jì)是根據(jù)現(xiàn)在社會(huì)發(fā)展以及需求而設(shè)計(jì)出的一款樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)。與目前市面上使用的聲控開(kāi)關(guān)，光控開(kāi)關(guān)和紅外開(kāi)關(guān)相比，本設(shè)計(jì)感應(yīng)靈敏、使用方便、且開(kāi)關(guān)的成本不高、不受噪聲和光線強(qiáng)弱的影響、有很強(qiáng)的抗干擾能力。再者因?yàn)榫哂凶詣?dòng)關(guān)閉的功能，可以減少能源的消耗，也不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境影響造成開(kāi)關(guān)誤開(kāi)能源的浪費(fèi)。該智能電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制電路，超聲波傳感器采集電路、人體觸摸控制電路、開(kāi)關(guān)指示電路、LED燈控制電路。單片機(jī)接收按鍵信息、距離檢測(cè)、和人體信息，對(duì)燈光部分進(jìn)行控制命令，從而實(shí)現(xiàn)智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)控制功能。擬解決的主要問(wèn)題：1.設(shè)計(jì)的樓層智能電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)具有哪些特點(diǎn)；2.觸摸的敏感性如何；3.開(kāi)關(guān)的控制時(shí)長(zhǎng)為多少，是否可以達(dá)到節(jié)能的效果；4.如何使用超聲波測(cè)距實(shí)現(xiàn)我們“人走燈自動(dòng)滅”的功能；5.設(shè)計(jì)的樓層智能電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)是否滿足人們的需求，其應(yīng)用前景如何。1.3.2系統(tǒng)分析本設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題針對(duì)擬解決問(wèn)題1：通過(guò)考察市面上的電子開(kāi)關(guān)，本開(kāi)關(guān)具有防水、可代替?zhèn)鹘y(tǒng)按鍵、夜晚指示功能，人體觸摸感應(yīng)靈敏，延時(shí)自動(dòng)熄滅等特點(diǎn)。利用焊接LED燈在四個(gè)頂角，夜晚時(shí)LED燈會(huì)亮著引導(dǎo)路人觸摸樓層智能電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)，這在一定的成都上方便路人在生活中省去了摸黑開(kāi)燈的麻煩。當(dāng)利用TTP223電容式觸摸傳感器IC時(shí)，觸發(fā)傳感器后，LED亮燈，模塊輸出將從低電平切換到高電平。通過(guò)焊接跳線允許將其工作模式變?yōu)榈碗娖接行Щ蛴|發(fā)啟動(dòng)輸出。另一方面，采用超聲波測(cè)距傳感器從而完成開(kāi)關(guān)的延時(shí)自動(dòng)熄滅。針對(duì)擬解決問(wèn)題2：TTP223電容式觸摸傳感器IC處于工作狀態(tài)時(shí)，傳感器范圍約為5mm[14]，且具有防水特點(diǎn)，可防止感應(yīng)不靈敏。TTP223電容式觸摸傳感器的功率極低，工作電壓僅為2.0V?5.5V。在高速響應(yīng)模式中，最大響應(yīng)時(shí)間為60mS，而在低功率模式中，VDD=3V，響應(yīng)時(shí)間為220mS。TTP223電容式傳感器是電容式屏幕，它不用手指的壓力而改變電流，它可以與任意帶電物質(zhì)一起使用—包括人體皮膚。當(dāng)手指敲擊屏幕時(shí)，一部分電荷轉(zhuǎn)移到手指上形成電路，隨后在屏幕的該點(diǎn)產(chǎn)生電壓降，此時(shí)開(kāi)關(guān)就會(huì)立即打開(kāi)，樓層的燈光就會(huì)亮起。針對(duì)擬解決問(wèn)題3：開(kāi)關(guān)的時(shí)長(zhǎng)根據(jù)路人經(jīng)過(guò)可探測(cè)區(qū)域范圍來(lái)計(jì)算。當(dāng)路人觸摸開(kāi)關(guān)后行走距離超過(guò)2米，此時(shí)燈光會(huì)延時(shí)30秒自動(dòng)熄滅，而當(dāng)路人仍在2米距離內(nèi)，燈光則會(huì)一直亮從而達(dá)到有效節(jié)能效果；探測(cè)距離的時(shí)候利用超聲波測(cè)距傳感器。針對(duì)擬解決問(wèn)題4：利用超聲波測(cè)距達(dá)到“人走燈自動(dòng)滅”的效果。利用超聲波測(cè)距，指定范圍為2米，當(dāng)路人上樓梯時(shí)距離開(kāi)關(guān)超過(guò)2米后，開(kāi)關(guān)將執(zhí)行延時(shí)30秒后自動(dòng)關(guān)閉指令。當(dāng)路人一直在超聲波測(cè)距指定范圍內(nèi)時(shí)，單片機(jī)主控系統(tǒng)控制燈光處于打開(kāi)的狀態(tài)，而當(dāng)路人移動(dòng)的范圍在超聲波探測(cè)距離外時(shí)，單片機(jī)控制燈光部分執(zhí)行LED燈的延時(shí)關(guān)閉功能。這樣可防止當(dāng)路人在樓道突發(fā)事故時(shí)可一直有燈光照亮，人走后LED燈自動(dòng)關(guān)閉也不需像常見(jiàn)的電子觸摸開(kāi)關(guān)或者翹班式機(jī)械開(kāi)關(guān)打開(kāi)了還需要再一次觸摸關(guān)閉。針對(duì)擬解決問(wèn)題5：本樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)可達(dá)到高靈敏、反應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、防水，只需要輕微觸摸、延時(shí)關(guān)閉等功能，前景廣闊。當(dāng)我濕手使用電子開(kāi)關(guān)時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)生被電擊。而電子開(kāi)關(guān)比普通開(kāi)關(guān)具有更大的交互性，所以觸摸開(kāi)關(guān)是更好的選擇；人體觸摸即可打開(kāi)開(kāi)關(guān)，靈敏度高，迅速照亮樓層，完全不用擔(dān)心反應(yīng)不靈敏，特別是在夜晚時(shí)，需要摸黑爬上樓。不會(huì)制造噪音，也不用擔(dān)心影響居民的生活環(huán)境，給大家?guī)?lái)一個(gè)舒適安靜的美好生活體驗(yàn)。第二章系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)本樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)中的電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制電路，超聲波傳感器采集電路、人體觸摸控制電路、開(kāi)關(guān)指示電路、LED燈控制電路共同組成。然后單片機(jī)根據(jù)接受到的按鍵信息、距離檢測(cè)、和人體信息，對(duì)燈光部分進(jìn)行控制命令，從而實(shí)現(xiàn)智能電位感應(yīng)控制功能。2.1系統(tǒng)組成部分2.1.1系統(tǒng)工作原理圖2-1 系統(tǒng)示意圖該系統(tǒng)組成如圖2-1所示，主要由四部分組成：1.傳感器部分有：超聲波傳感器、電容式觸摸傳感器；2.以89C52組成的中央處理單元：接收信號(hào)進(jìn)行處理并發(fā)出控制命令；3.燈光控制電路部分：由89C52發(fā)出的指令進(jìn)而進(jìn)行控制燈光的亮滅；4.開(kāi)關(guān)指示電路：四個(gè)LED燈夜晚時(shí)發(fā)亮。2.1.2主控芯片介紹STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)是新一代單片機(jī)設(shè)計(jì)，此單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有一些傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能，可直接使用串口下載[15]。銷(xiāo)售市場(chǎng)有一個(gè)非常大的CMOS8位微處理器，帶有8K系統(tǒng)內(nèi)軟件可編程閃存。在單個(gè)芯片上，有一個(gè)聰明的8位CPU和系統(tǒng)內(nèi)軟件可編程閃存，促使STC89C52為許多嵌入式操作系統(tǒng)軟件提供了非常靈活、合理的解決方案[16]。它具有以下規(guī)格：9k字節(jié)閃存，512字節(jié)RAM，32位I/O端口線，看門(mén)狗1定時(shí)器，嵌入式4k高清晰度BEEPROM，MAX810延遲電路，雙工串行接口，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，A6-空間向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)[17]。此外，STC89X51可以將靜態(tài)數(shù)據(jù)壓縮到0Hz以用于邏輯實(shí)際操作，并且兩個(gè)程序都可以選擇節(jié)能模式。在備用模式下，CPU停止工作，從而允許RAM，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行通訊和中斷再次起作用。在斷電保護(hù)措施下，RAM內(nèi)容被存儲(chǔ)，振蕩器被鎖定，并且微控制器設(shè)計(jì)的所有工作終止，直到下一個(gè)中斷或硬件校準(zhǔn)終止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選[18]。STC89C52單片機(jī)引腳圖如2-2所示：圖2-2STC89C52單片機(jī)引腳圖STC89C52單片機(jī)的引腳說(shuō)明：VCC：供電電壓。GND：接地。端口P0：端口P0是一個(gè)8位漏極電平端口，它的每個(gè)引腳可以吸收8TTL柵極電流，當(dāng)P1端口寫(xiě)入1時(shí)，它被指定為高阻抗輸入。P0可用于存儲(chǔ)外部程序中的數(shù)據(jù)流的內(nèi)容，可以認(rèn)為它是一個(gè)特定的地址第八位。當(dāng)加載FIASH程序流時(shí)，使用P0端口號(hào)作為源代碼后輸入端口號(hào)。進(jìn)行FIASH認(rèn)證時(shí)，P0輸出初始代碼。這時(shí)，必須將P0的外部世界拉起。端口P1：P1端口是具有內(nèi)部拉伸電阻的8位端口。P1端口的油壓緩沖器能夠接受4TTL的柵極電流進(jìn)行輸出。如果在P1端口輸出中加載1，則從內(nèi)部展開(kāi)，可用于輸入。如果P1端口向外延伸到低頻，則通過(guò)內(nèi)部延伸輸出電流。寫(xiě)入并確認(rèn)Flash后，P1端口將作為第8個(gè)詳細(xì)地址被接受。端口P2：P2端口是具有內(nèi)部張力電阻器的8位雙I/O端口。P2端口的油壓緩沖器能夠接受輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)端口P2加載“1”時(shí)，引腳從內(nèi)部被電阻器拉扯。因此，在用作按鍵的情況下，P2端口在外界下降，輸出電流量。這是由于內(nèi)部上拉。當(dāng)P2端口被用于存儲(chǔ)程序的外部存儲(chǔ)器或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的16位詳細(xì)地址時(shí)，P2端口輸出詳細(xì)地址的高8位。接收詳細(xì)地址“1”后，使用內(nèi)部拉伸電阻優(yōu)勢(shì)。當(dāng)讀寫(xiě)功能被執(zhí)行到具有8位外部地址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中時(shí)，P2端口輸出該唯一的功能存儲(chǔ)器的內(nèi)容。在FLASH程序流加載和認(rèn)證期間，P2端口接受高8位詳細(xì)地址信號(hào)和實(shí)際操作信號(hào)。P3端口：P3端口由八個(gè)引腳構(gòu)成（見(jiàn)表2-1），可以接收和輸出4個(gè)TTL柵極電流。當(dāng)P3端口加載“1”時(shí)，它們?cè)趦?nèi)部作為上拉電阻上拉并用作鍵。作為輸入，由于外部下拉電路的電源頻率較低，因此P3端口將由于上拉輸出電流（ILL）。表2-1P3端口的八個(gè)引腳P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2/INT0外部中斷0P3.3/INT1外部中斷1P3.4T0計(jì)時(shí)器0外部輸入P3.5T1計(jì)時(shí)器1外部輸入P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通另外，P3端口接收一些操作數(shù)據(jù)信號(hào)以進(jìn)行閃存編程和編程驗(yàn)證。時(shí)鐘電源電路：89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘信號(hào)一般有兩種接收方式：一種是內(nèi)部時(shí)鐘模式，另一種是外部時(shí)鐘模式。內(nèi)部時(shí)鐘模式如圖2-3所示。89S51單片機(jī)具有諧振電路，只需連接單片機(jī)設(shè)計(jì)的XTAL1（18）和XTAL2（19）引腳即可連接石英諧振器（俗稱(chēng)晶體振蕩器電路），它構(gòu)成了一個(gè)諧振電路設(shè)備，并在微控制器設(shè)計(jì)內(nèi)部創(chuàng)建了一個(gè)脈沖發(fā)生器數(shù)據(jù)信號(hào)。圖中電容器C1和C2的效率是穩(wěn)定且快速啟動(dòng)。電容值為5?30pF，典型值為30pF。圖2-389c52內(nèi)部時(shí)鐘電路復(fù)位電源電路：當(dāng)由89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的RST引腳輸入高電平并保持兩個(gè)振蕩周期時(shí)，如果該引腳始終保持在低電平狀態(tài)，則將在單片機(jī)的設(shè)計(jì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作，單片機(jī)處于循環(huán)系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)。電源電路得復(fù)位通常選擇上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位這兩種方法進(jìn)行選擇。該設(shè)計(jì)方案是使用功能鍵手動(dòng)重置。手動(dòng)復(fù)位功能鍵有兩種方式：脈沖信號(hào)方式和脈沖方式。脈沖信號(hào)的復(fù)位根據(jù)RST（9）端子與開(kāi)關(guān)電源Vcc的連接完成。功能鍵手動(dòng)復(fù)位電路如圖2-4所示。99圖2-489C52復(fù)位電路2.2傳感器部分電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵控制系統(tǒng)的控制回路要在單片機(jī)設(shè)計(jì)的作用下操作[19]。當(dāng)然，傳感器在其中也起到了至關(guān)重要的角色。傳感器是一類(lèi)轉(zhuǎn)換器，它能轉(zhuǎn)換電子信號(hào)，能改變被測(cè)量目標(biāo)的物理?xiàng)l件。它主要被用于檢測(cè)系統(tǒng)自身、運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)象、操作環(huán)境的狀態(tài)，提供有效的控制系統(tǒng)的操作信息[20]。本設(shè)計(jì)涉及到觸摸模塊和測(cè)距模塊中都使用了傳感器。2.2.1觸摸模塊觸摸模塊電路見(jiàn)圖2-5。圖2-5觸摸模塊電路本模塊采用TTP223觸摸傳感器實(shí)現(xiàn)人體觸摸控制電路。觸摸鍵檢測(cè)IC，提供1個(gè)觸摸鍵，它是為了替代傳統(tǒng)按鍵而設(shè)計(jì)的。2.2.2測(cè)距模塊本模塊利用超聲波測(cè)距是實(shí)現(xiàn)樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉的重要一環(huán)，在這里我采用HSR-04超聲波傳感器。它性能穩(wěn)定，估計(jì)距離精準(zhǔn)，模塊高精度，盲區(qū)小[21]。HSR-04超聲波傳感器采用IO端口TRIG觸發(fā)測(cè)距，提供至少10us的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢查信號(hào)是否返回，信號(hào)返回后，通過(guò)IO口ECHO輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間是從超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。HSR-04超聲波傳感器見(jiàn)圖2-6。圖2-6HSR-04超聲波傳感器超聲波傳感器測(cè)距示意圖如圖2-7所示。圖2-7超聲波傳感器測(cè)距示意圖2.3控制電路設(shè)計(jì)部分單片機(jī)燈光控制電路如圖2-8所示圖2-8單片機(jī)燈光控制電路圖2-8是由單片機(jī)組成的燈光控制電路。LED的負(fù)極接地，正極接在低頻放大-PNP型三極管Ｑ1的集電極上。2.4顯示模塊本模塊主要顯示超聲波測(cè)距的指定范圍、所探測(cè)到的距離及LED燈進(jìn)入自動(dòng)倒計(jì)時(shí)狀態(tài)。LCD1602液晶屏主要用來(lái)顯示數(shù)字、字母、圖形以及少量自定義字符[22]。有16個(gè)引腳、8位數(shù)據(jù)總線P0-P7、RS、R/W、EN三個(gè)控制端口，可以顯示2行16個(gè)字符，工作電壓為5V，并且具有編碼后的對(duì)比度調(diào)整和逆照明。液晶顯示電路如圖2-9所示。圖2-9顯示模塊電路2.524129單片機(jī)系統(tǒng)電路原理本設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖2-10所示。圖2-10系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)電路主要分為三個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)芯片。芯片9腳為芯片的復(fù)位電路，18腳和19腳為芯片的晶振電路。觸摸模塊。TTP223觸摸傳感器IC捕獲到人體觸摸時(shí)，將信號(hào)傳到單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)而控制電路使LED燈發(fā)亮。超聲波模塊電路。主要由HSR-04超聲波傳感器和SN74HC04反相器組成，接收并處理信號(hào)給單片機(jī)芯片。顯示模塊。單片機(jī)主控系統(tǒng)接收超聲波傳感器傳來(lái)的測(cè)距值通過(guò)液晶屏顯示。2.6安裝位置為了能更好的達(dá)到節(jié)能和便利效果，每一樓層的拐角處都安裝一個(gè)開(kāi)關(guān)和超聲波傳感器，方便路人上下樓。本樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)中的電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和超聲波傳感器探頭安裝位置如圖2-11所示。圖2-11開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和超聲波傳感器探頭安裝位置圖第三章系統(tǒng)的軟件原理本設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)是在KeilμVision4開(kāi)發(fā)環(huán)境下，根據(jù)設(shè)計(jì)的具體要求進(jìn)行程序編寫(xiě)的，將所需程序編寫(xiě)到一個(gè)工作文件中，然后編譯運(yùn)行生成hex文件，最后將它燒錄到STC89C52單片機(jī)片。3.1單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3-1所示。圖3-1主程序流程圖圖3-1是樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的軟件程序流程的整體框架圖。程序運(yùn)作時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)有進(jìn)入一個(gè)初始化狀態(tài)，隨即開(kāi)啟中斷以及啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，接著設(shè)置中斷會(huì)返回到入口。由于系統(tǒng)需要檢測(cè)到外部的工作環(huán)境情況，進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，最后由單片機(jī)主控輸出處理后的信號(hào)由LED和LCD1602顯示出來(lái)。3.2觸摸模塊軟件設(shè)計(jì)觸摸模塊設(shè)計(jì)流程圖如圖3-2所示。圖3-2觸摸模塊流程圖圖3-2是樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的軟件程序觸摸模塊流程圖。當(dāng)系統(tǒng)程序?qū)?shù)據(jù)初始化時(shí)，判斷是否有按鍵按下，是就執(zhí)行下一指令，驅(qū)動(dòng)LED照明和超聲波進(jìn)入測(cè)距工作狀態(tài)。3.3超聲波模塊軟件設(shè)計(jì)超聲波模塊工作的流程圖如圖3-3圖3-3超聲波模塊流程圖圖3-3是樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的軟件程序測(cè)距模塊流程圖。當(dāng)判斷有按鍵按下時(shí)，主程序會(huì)給超聲波發(fā)生器傳輸信號(hào)，這時(shí)候中斷和定時(shí)器0打開(kāi)并處于計(jì)算時(shí)間的狀態(tài)，超聲波接收器在這時(shí)候會(huì)接收到回波信號(hào)并且產(chǎn)生一個(gè)低電平傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的P0.0端口，當(dāng)檢測(cè)到有脈沖后，定時(shí)器關(guān)閉，定時(shí)器里的計(jì)數(shù)被拿出來(lái)從而得出測(cè)距值。3.4LCD顯示模塊軟件設(shè)計(jì)LCD顯示模塊設(shè)計(jì)流程圖如圖3-4所示。圖3-4LCD顯示模塊流程圖圖3-4是樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的軟件程序顯示模塊流程圖。將超聲波測(cè)出的實(shí)時(shí)距離通過(guò)液晶屏顯示。第四章系統(tǒng)的安裝與調(diào)試實(shí)物的安裝與調(diào)試，可以有效的確認(rèn)設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的整體安裝由硬件部分和軟件部分共同組成，由各個(gè)元器件組裝成實(shí)物。在安裝過(guò)程中，需記錄系統(tǒng)單片機(jī)的運(yùn)行、測(cè)距模塊的校準(zhǔn)產(chǎn)生的實(shí)際變化，進(jìn)行綜合的觀察與調(diào)試。4.1系統(tǒng)的安裝將各個(gè)模塊依照原理圖安裝到已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電路板上。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，將每個(gè)模塊引腳的功能詳細(xì)的了解，然后在草稿本上寫(xiě)出各個(gè)模塊部分的引腳功能圖，將各個(gè)部分的實(shí)物模塊根據(jù)草稿圖進(jìn)行合理的排版，根據(jù)各個(gè)模塊的引腳功能進(jìn)行正確的安裝焊接。整體安裝后如圖4-1所示。圖4-1系統(tǒng)安裝圖4.1.1單片機(jī)主控模塊本設(shè)計(jì)軟件的單片機(jī)我選擇了STC89C52芯片，明確和各個(gè)引腳的功能和作用，并且把各個(gè)引腳引到相應(yīng)的連接位置，以達(dá)到單片機(jī)控制各個(gè)模塊的作用。在STC89C52以識(shí)別數(shù)據(jù)信號(hào)之后，然后把信號(hào)傳給相應(yīng)的模塊顯示出來(lái)，例如LCD1602液晶屏顯示距離和倒計(jì)時(shí)[23]。4.1.2測(cè)距模塊在測(cè)距方面我選擇使用超聲波傳感器測(cè)距控制模塊，它是通過(guò)超聲波發(fā)送器和超聲波接收器檢查距離，在這個(gè)設(shè)計(jì)里我采用的測(cè)距傳感器是HSR-04超聲波傳感器，它的探測(cè)距離在2cm-450cm內(nèi)，精度可達(dá)0.2cm，一個(gè)控制口發(fā)送一個(gè)10US以上的高電平，隨后在接收口等待高電平輸出。一旦有輸出就可以打開(kāi)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí),當(dāng)這一個(gè)口變成低電平的時(shí)就讀取定時(shí)器的值,這時(shí)獲取的數(shù)值是此次測(cè)量距離的時(shí)間,就可以算出距離。進(jìn)行不斷的周期測(cè),就能達(dá)到移動(dòng)測(cè)量的值，然后測(cè)距傳感器接收的信息傳給單片機(jī)經(jīng)過(guò)處理，從而達(dá)到單片機(jī)控制的目的。4.2樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果本設(shè)計(jì)通過(guò)測(cè)試觸摸設(shè)置，測(cè)距設(shè)置，LCD1602顯示均完成，目前本設(shè)計(jì)可以在檢測(cè)實(shí)時(shí)距離超過(guò)2米時(shí)，單片機(jī)主控程序接收到信號(hào)，進(jìn)行倒計(jì)時(shí)30秒，LCD1602液晶屏上會(huì)實(shí)時(shí)顯示要求距離200cm,實(shí)時(shí)距離(cm)，倒計(jì)時(shí)（s）。4.2.1設(shè)計(jì)成果實(shí)物接通電源，觸摸開(kāi)關(guān)，LED燈亮起，超聲波傳感器進(jìn)入檢測(cè)距離工作狀態(tài)，LCD1602液晶屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4-2所示。圖4-2觸摸開(kāi)關(guān)超聲波傳感器對(duì)測(cè)量物體進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量其距離如圖4-3所示。圖4-3進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)距檢測(cè)物體超過(guò)超聲波傳感器指定的檢測(cè)范圍后燈光進(jìn)行延時(shí)30秒，當(dāng)30秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后燈光自動(dòng)熄滅如圖4-4所示。圖4-4倒計(jì)時(shí)結(jié)束燈光熄滅4.2.2實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)分別在教學(xué)樓和宿舍樓測(cè)試的數(shù)據(jù)及結(jié)果如表4-1所示。表4-1樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)分別在教學(xué)樓和宿舍樓測(cè)試的數(shù)據(jù)及結(jié)果樓層智能節(jié)電照明系統(tǒng)電位感應(yīng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)測(cè)試上樓速度（m/s