基于單片機的多功能感應燈的設計系別：通信與電子工程系專業(yè)：電子信息工程日期：2024.8.1—2024.9.25此設計運用51單片機、LM393電壓比較器、光敏電阻、繼電器等構(gòu)成一款多功能感應燈設計。51單片機作為主控芯片，光敏智能識別光線，LM393電壓比較器來將光敏的芯片處理給單片機，繼電器控制負載燈。設計可以應用在課堂，圖書館等一些公共場所，當光線暗時，繼電器會吸合，從而驅(qū)動任何負載，智能延時，且根據(jù)環(huán)境的光暗程度來調(diào)整燈光的亮度從而實現(xiàn)節(jié)能、智能的效果。使用方便簡單，在學習和生活中可以起到重要作用。本論文針對多功能感應燈的設計的需要，介紹了STC89C51的部分功能，例如單片機的最小系統(tǒng)，中斷，接口功能等。其中需要復位電路，矩陣鍵盤模塊，延遲模塊等不同模塊相互作用，用晶振電路，復位電路和單片機組成的單片機最小系統(tǒng)去控制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，Lcd1602顯示電路等，并通過KeiluVision5進行譯碼及仿真實驗。本設計運用了C語言進行編譯，通過了led照明調(diào)光，按鍵掃描，最后完成了具有多功能的感應燈設計。二、項目包括下面5個階段階段12024.8.1-2024.8.12項目選題及申報階段22024.8.21-2024.8.27項目前期分析及資料收集階段32024.8.27-2024.9.10項目硬件系統(tǒng)的構(gòu)建與調(diào)試階段42024.9.10-2024.9.15項目現(xiàn)場安裝及調(diào)試階段52024.9.16-2024.9.25項目結(jié)項匯報1第一章多功能感應燈的介紹1.1第一節(jié)功能介紹1.1.1設計要求=1\*GB3①以STC89C51單片機為核心器件，制成一個具有燈光亮度檢測，調(diào)節(jié)燈光亮度等具有多功能的感應燈設計。=2\*GB3②本設計通過Lcd1602字符型液晶顯示模塊來具體顯示光照的強度。=3\*GB3③此感應燈可以通過矩陣鍵盤來進行開始，復位，切換功能以達到可以重啟的目的方案設計該系統(tǒng)主要由三部分組成：傳感器部分、控制器部分和LED驅(qū)動電路的照明系統(tǒng)，見圖.多功能感應燈實現(xiàn)框圖本設計首先通過STC89C51為控制核心，對系統(tǒng)進行初始化，主要完成對鍵盤的響應、液晶顯示、等功能的控制，起到總控和協(xié)調(diào)各模塊之間工作的作用。單片機通過驅(qū)動蜂鳴器發(fā)響聲1.1.2系統(tǒng)功能由于自身本身對C語言有一定的了解及C語言的廣泛性普及性等優(yōu)點，本設計采取C語言進行編程，并根據(jù)多功能感應燈的需求，逐步完成對設計的C語言程序。通過KeiluVision5軟件對程序進行編譯，在程序無誤后將焊接好的測試板通過USB連接，將寫好的程序燒錄到板子中，對板子進行實際的測試后完成設計。在剛上電時Lcd1602顯示電數(shù)碼管上顯示光亮模式，初始值亮度為0并可以通過鍵模塊的多位獨立按鍵提升或降低亮度，并可通過按鍵切換模式。1.2開發(fā)作用和意義51單片機作為一種經(jīng)典的微控制器，其架構(gòu)穩(wěn)定且經(jīng)過長時間的市場驗證，具有較高的可靠性。在多功能感應燈這種需要長時間穩(wěn)定運行且對穩(wěn)定性要求較高的應用場景中，51單片機是一個理想的選擇。通過編程，可以靈活地設置感應燈的工作模式（如自動感應模式、手動控制模式等），滿足不同場景下的使用需求。感應燈能夠根據(jù)環(huán)境光線強度和人體活動情況自動調(diào)節(jié)亮度或開關狀態(tài)，有效避免不必要的能源浪費，提高能效。在光線充足或無人活動時自動關閉燈光，可以顯著降低能耗，符合綠色環(huán)保的理念。相較于其他高性能但價格昂貴的微控制器，51單片機具有較低的成本，有助于降低多功能感應燈的整體成本。51單片機的技術成熟且開發(fā)資源豐富，使得開發(fā)過程相對簡單快捷，降低了開發(fā)復雜度和風險感應燈的智能控制功能有助于減少不必要的能源浪費，對于推動節(jié)能減排、保護環(huán)境具有重要意義。隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，多功能感應燈的市場需求也將持續(xù)增長。感應燈的應用范圍廣泛，可以應用于家庭、走廊、公共場所等多個領域，為人們的生活和工作帶來便利。1.3本章小結(jié)本章介紹了本次設計的多功能感應燈的功能說明和開發(fā)作用以及意義，第一張首先介紹了本設計的設計要求，隨后介紹了本多功能感應燈的方案設計以及對功能進行一個詳細的介紹，第二節(jié)主要介紹了本次設計的設計作用及意義。2第二章多功能感應燈設計與調(diào)試2.1軟硬件電路設計單片機最小系統(tǒng)有單片機、時鐘電路、復位電路組成，時鐘電路選用了12MHZ的晶振提供時鐘，作用為給單片機提供一個時間基準，其中執(zhí)行一條基本指令需要的時間為一個機器周期，單片機的復位電路，按下復位按鍵之后可以使單片機進入剛上電的起始狀態(tài)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單片機Lcd1602顯示電路晶振電路復位電路電源電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單片機Lcd1602顯示電路晶振電路復位電路電源電路按鍵掃描電路按鍵掃描電路LED驅(qū)動電路LED驅(qū)動電路流程圖這次設計的多功能感應燈的硬件電路設計主要由中央處理模塊，LED驅(qū)動電路模塊，Lcd1602顯示電路模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊組成，再加上一些基本元器件實現(xiàn)多功能感應燈的功能。其中每個模塊有自己的特色，各個模塊相輔相成，每個模塊在系統(tǒng)中都起到了不可或缺的作用。2.1.1中央處理器模塊STC89051是一種低功耗，高性能CMOS8位微控制器，有8K在系統(tǒng)可編程的flash存儲器，工作電壓在5.5V～3.3V之間工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz用戶應用程序空間為8K字節(jié)片上集成512字節(jié)RAM通用I/O口（32個），復位后為：P1/P2/P3/P4是準雙向口/弱上拉，P0口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為I/O口用時，需加上拉電阻。STC89C51引腳功能說明根據(jù)系統(tǒng)設計要求，各接口功能如下P1.0:產(chǎn)生輸出一個40KHZ的脈沖信號。P0.0:用于顯示輸出，接顯示器。P0.1:用于顯示輸出，接顯示器。P0.2:用于顯示輸出，接顯示器。P0.3:用于顯示輸出，接顯示器。P0.4:用于顯示輸出，接顯示器。P0.5:用于顯示輸出，接顯示器。P0.6:用于顯示輸出，接顯示器。P0.7:用于顯示輸出，接顯示器。P2.0:用于報警，接蜂鳴器。P1.0-P1.2:借模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊P1.3:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。P1.4:接ICA3輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。P3.2-P3.5:摁鍵掃描模塊XTAL1：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一反相放大器輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。它采用外部振蕩器時，些引腳應接地。XTAL2：接外部晶振的一個引腳。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩信號的輸入。RST：STC89C52復位信號輸入引腳，高電位工作，當要對芯片又時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機器周期以上的時間，AT89C51便能完成系統(tǒng)復位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設成已知狀態(tài)。2.1.2ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832基于逐次逼近型模式實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中，控制器向ADC0832發(fā)送起始信號，啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換過程。ADC0832根據(jù)起始信號開始逐步逼近轉(zhuǎn)換，通過比較輸入信號與參考電壓之間的大小關系，逐位確定數(shù)字輸出。當所有位都完成轉(zhuǎn)換后，ADC0832將最終的數(shù)字輸出信號傳輸給控制器。ADC0832內(nèi)部工作原理在本次設計當中STC89C51單片機的P1.0端與ADC0832的CS端相連使低電平芯片使能，DI、DO數(shù)據(jù)信號輸入和數(shù)據(jù)信號輸出連接到單片機的P1.2端來控制選擇通道和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的輸出具體如下圖所示ADC0832原理圖A/D轉(zhuǎn)換夠的到的數(shù)據(jù)應及時傳送給單片機進行處理。數(shù)據(jù)傳送的關鍵問題是如何確認A/D轉(zhuǎn)換的完成，因為只有確認完成后，才能進行傳送。再次采用的方法是查詢A/D轉(zhuǎn)換芯片由表面轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號（EOC）查詢方式：在啟動A/D轉(zhuǎn)換后，程序可以不斷查詢EOC信號的狀態(tài)。當EOC信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r，表示A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。此時，可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時我們要注意到EOC信號的有效性，在某些情況下，EOC信號可能由于噪聲或其他干擾而誤觸發(fā)。因此，在實際應用中，可能需要采取一些措施來提高EOC信號的可靠性，例如增加濾波電路或使用更穩(wěn)定的元件。讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的時機也很關鍵在確認A/D轉(zhuǎn)換完成后，應及時讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。如果讀取時機不當，可能會導致數(shù)據(jù)丟失或錯誤。參考電壓和輸入信號：ADC0809的輸入模擬量應為單極性信號，電壓范圍通常為0~5V。如果輸入信號太小，可能需要進行放大；如果模擬量變化太快，則需要在輸入前增加采樣保持電路。2.1.3LCD1602模塊LCD1602還可以用來顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息，如亮度，模式等。這些信息的實時顯示使得用戶能夠隨時監(jiān)控系統(tǒng)的運行情況，及時調(diào)整亮度和狀態(tài)。LCD1602采用液晶顯示技術，具有較低的功耗，并且可以通過并行或串行接口與51單片機進行通信，控制簡單、靈活。此外，其內(nèi)置的控制芯片提供了一套簡單易用的指令集，進一步簡化了控制過程。LCD1602解析圖引腳功能說明1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表10-13所示:編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極表4.2：引腳接口說明表第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。在本設計中用STC89C52的P0口作為數(shù)據(jù)線，用P2.7、GND、P2.6分別作為LCD的EN、R/W、RS。其中EN是下降沿觸發(fā)的片選信號，R/W是讀寫信號，RS是寄存器選擇信號,電路如圖:5.1LCD1602原理圖1602LCD的指令說明及時序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表所示：序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容控制命令表1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：1為高電平、0為低電平）指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。指令2：光標復位，光標返回到地址00H。指令3：光標和顯示模式設置I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。指令4：顯示開關控制。D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。指令5：光標或顯示移位S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。指令6：功能設置命令DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示F:低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。指令7：字符發(fā)生器RAM地址設置。指令8：DDRAM地址設置。指令9：讀忙信號和光標地址BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。指令10：寫數(shù)據(jù)。指令11：讀數(shù)據(jù)。與HD44780相兼容的芯片時序表如下：讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0—D7=狀態(tài)字寫指令輸入RS=L，R/W=L，D0—D7=指令碼，E=高脈沖輸出無讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0—D7=數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0—D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無基本操作時序表讀寫操作時序如圖所示：讀操作時序?qū)懖僮鲿r序2.1.4LED照明調(diào)光模塊白光LED工作方式：51單片機通過其I/O口輸出高低電平信號，直接控制LED照明模塊的亮與滅。通過編程，51單片機可以實現(xiàn)LED照明模塊的閃爍效果。這通常涉及到在程序中設置延時函數(shù)，以控制LED燈點亮和熄滅的時間間隔，從而實現(xiàn)閃爍效果。閃爍的頻率和持續(xù)時間可以根據(jù)具體需求進行調(diào)整。結(jié)合光敏電阻，51單片機可以感知周圍環(huán)境的光照強度并根據(jù)這些參數(shù)自動調(diào)整LED照明模塊的亮度。LED的PWM驅(qū)動：LED采用PWM調(diào)光技術，PWM調(diào)光是一種利用簡單的數(shù)字脈沖，反復開關白光LED驅(qū)動器的調(diào)光技術。通過提供寬、窄不同的數(shù)字式脈沖，可以簡單地實現(xiàn)改變輸出電流，從而調(diào)節(jié)白光LED的亮度，且LED的發(fā)光強度基本上正比于通過LED器件的電流，這說明脈沖電流的平均電流與直流電流相同的條件下，LED的發(fā)光亮度一樣。另外，用高幅值的脈沖電流驅(qū)動LED，然后通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比獲得比較合適的平均電流，這樣可以降低功耗。因此從節(jié)能的角度出發(fā)，采用脈沖電源驅(qū)動方式更好。LED照明調(diào)光流程圖如下：LED照明調(diào)光流程圖LED照明調(diào)光原理圖2.1.5按鍵掃描模塊鍵模塊使用的是多位獨立按鍵，按鍵一端接IO口，一端接地，由于單片機的IO口都有內(nèi)部上拉，因此當按鍵沒有按下的時候，IO口檢測到的是高電平，當按鍵按下的時候，也就相當于是IO短接地，因此這時候單片機檢測到的電平為低電平，通過檢測不同時刻的IO口狀態(tài)就可以判斷按下的是那個按鍵。按鍵原理圖具體流程圖如下：保存按鍵值鍵值為0Io口讀取到高電平讀取io端口輸入值讀取io端口輸入值開始保存按鍵值鍵值為0Io口讀取到高電平讀取io端口輸入值讀取io端口輸入值開始 IIo口讀取到高電平延時延時 Y返回按鍵返回按鍵按鍵掃描模塊實物圖：2.1.6光敏電阻光敏電阻原理光敏電阻的工作原理主要基于半導體的內(nèi)光電效應。具體來說，當外界光源照射在光敏電阻的感光層（由半導體材料制成）上時，光子能量被半導體材料吸收，導致價帶電子躍遷到導帶，成為可以自由移動的電子，并在價帶中留下空穴。這一過程增加了半導體材料的導電性，從而降低了電阻值。光強越大，激發(fā)的電子-空穴對數(shù)量越多，電阻值就越低。反之，當光線減弱或消失，電子與空穴重新結(jié)合，電阻值則逐漸回升。光敏電阻正是利用這一原理，實現(xiàn)了對光線變化的敏感響應，廣泛應用于光控電路中。光敏電阻特性1靈敏度高：光敏電阻的靈敏度很高，電阻值在光照強度下的變化范圍可以達到幾十倍。2響應速度快：雖然具體響應速度取決于半導體材料，但光敏電阻通常能夠較快地響應光照強度的變化。3可調(diào)節(jié)性強：通過調(diào)節(jié)光強度，可以方便地調(diào)節(jié)光敏電阻的電阻值，從而滿足不同的應用需求。4使用壽命長：光敏電阻的使用壽命相對較長，有的品牌可以超過1000小時。5維修成本低：光敏電阻價格廉宜，維修成本也相對較低。光譜曲線圖：2.1.7蜂鳴器模塊蜂鳴器介紹蜂鳴器模塊是一個簡單的發(fā)聲模塊，只要高低電平信號就能夠驅(qū)動。它通常由一個振動裝置和諧振裝置組成，能夠發(fā)出清脆的聲音。蜂鳴器可根據(jù)震蕩源的不同，本設計采用的是有源自激型蜂鳴器。蜂鳴器工作原理：蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的I/O口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用三極管開關電路來驅(qū)動。本處選用一個PNP型的三極管，當基極給低電平的時候三極管導通，這時候蜂鳴器發(fā)聲，當給高電平的時候，三極管關閉，蜂鳴器不發(fā)聲。原理圖如下：最終實物仿真截屏原理圖結(jié)論通過對51單片機原理和接口技術的初步了解，結(jié)合自己的專業(yè)所學知識和對C語言的基本認識，在導師的幫助指導下完成了基于單丹機控制多功能感應燈的設計和這篇論文，本論文完成了以下幾個方面的工作：介紹了本次的設計目的、設計方案和開發(fā)意義。對51單片機的部分基本原理和接口技術進行了闡述，其中人部分都是本次沒計需要用到，比如中斷原理、定時器等示器模塊、鎖存器模塊，矩陣健模塊的設計；其次是軟件程序設計，包括士程序設計和各個模塊的子程序設計：最后是KeilaVision5軟件系統(tǒng)調(diào)試的步驟和力法，以完成系統(tǒng)設計。通過本次設計，使我在對單片機沒有太多了解的情況下了解到了單片機的部分原理和一些簡單的設計，同時，也增強了對單片機的興趣。但是由于本次設計我對單片機之前只是存在淺薄的理解，對知識了解的局限性，使得這個多功能感應燈在功能上可能存在不完善的地方，對開發(fā)有定的影響，懇請各位老師原諒！參考文獻[1]陳明熒．8051單片機課程設計實訓教程[M]．北京：清華大學出版社[2]蘇平.單片機的原理與接口技術[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006：1-113.[3]王忠民.微型計算機原理[M].西安:西安科技大學出版社，2003：15-55.[4]何立民．單片機高級教程[M]．北京:北京航空航天大學出版社，2003年[5]紀宗南.單片機外圍器件使用手冊[M].北京:北京航空航天大學出版社，622-655.[6]周雪.模擬電子技術[M]西安:西安電子科技大學出版社，2005：81-95.[7]左金生.電子與模擬電子技術[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004：105-131.[8]尹勇.單片機開發(fā)環(huán)境μVision2的開發(fā)指南[M].北京:北京航空航天大學出版社，2004：173-199.[9]馬忠梅，籍順心等．單片機的C語言應用程序設計[M]．北京航空航天大學出版社，2001年[10]新編單片機原理與應用（第二版）.西安電子科技大學出版社，2007.2[11]張萌.單片機應用系統(tǒng)開發(fā)綜合實例[M].北京：清華大學出版社，2007.7[12]樓然苗.單片機課程設計指導[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.7[13]朱思榮．51單片機實現(xiàn)公歷與農(nóng)歷、星期的轉(zhuǎn)換[Z].當當電子網(wǎng)[14]李廣弟.單片機原理及應用[M]北京航空航天大學出版社,2004年[16]

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