緒論1.1課題研究背景在如今高速發展的科技生活及社會中，各式各樣的產品都普遍科技化、很多越來越智能化的家具及電器進入人們生活，這樣的高科技發展的前提下人們的工作效率得到非常大的提高、人們的生活也被改善，智能化的生活是人類追求的理想生活，所以這也是科技社會發展的一個趨勢。智能化產品在各個領域都有出色的應用，立足于學校家庭而言。一款智能臺燈應是必不可少的家用電器，目前社會上存在的臺燈大多是按鍵式。但是，社會的不斷發展及人們對智能化生活的追求，使得傳統臺燈感受到產品更新換代的威脅。于是智能化的電子產品成為如今社會發展的主流。家庭及學校里，臺燈是必不可少的照明工具，就目前社會上的臺燈樣式而言，立柱樣式的臺燈及帶夾子的臺燈是市場銷售的主流產品，立柱及夾子的臺燈的工作原理是將光線集中在一小塊區域內照明，所以這一小塊區域的亮度是比較亮的。便于人們學習工作。而且，臺燈也越來越小巧化，便于攜帶，出門旅游什么的都很方便。所以得到很多人的選擇。而且，有的臺燈功能豐富，也深受人們的追捧。目前，燈具市場上出售的臺燈種類繁多，一般的臺燈均采用220V交流電源供電，日光燈管、白熾燈泡為光源，手動開關或觸摸感應式開關來控制。就此而言，這類臺燈同時也存在或隱含著許多危險因素，一是電壓的高幅度充滿危險性，是一個不穩重的影響因素，二是日光燈長時間照著，會讓人眼睛感覺疲乏，給身心健康造成一些危害，三是節能問題，目前市場上的臺燈太多是以日光燈為基礎，而日光燈的工作的功率也是蠻大的，所以也會造成電力資源的浪費。所以，綜合上面關于目前社會上的臺燈的種種缺點來說，我們需要一款更加智能化，科技化，而且節約電力資源的臺燈。1.2智能臺燈的優勢這款智能臺燈分為兩種模式，一為自動控制模式，二為手動控制模式。在自動模式下，臺燈能判斷當時環境的光照程度及與人是否在臺燈周圍即是否當時有人存在。若存在的人被人體紅外傳感器檢測到時，環境的光照程度又達到某個程度的時候（可以設定與調節），臺燈就會開啟，且光線會跟隨當時環境的光照強度的變化而變化。如果環境光沒有達到這個程度，臺燈不會開啟。當人沒有被人體紅外傳感器檢測到時，無論環境當時有多暗，臺燈也不會開。手動模式是為了使使用者可以通過wifi連接手機遠程控制臺燈的開關和明暗調節。智能臺燈最大的優點就是省電和方便。方便不用多說了，來之則亮，去之則暗，不用動手。省電是比較重要的，現在全世界都缺少電能，2003年，美國和加拿大大面積停電。我國也是，每到夏天就有很多省市拉閘限。目前的社會上而言，電力資源是不可或缺的資源之一，而環保節能也是當今世界共同的口號，如果我們每天省下10min的電能，我們采用10W的節能燈泡，相比于社會上使用的40W燈泡，我們就可以節省大概6千J的嗲能，一個月的時間，也就是30天，我們大概能省下1萬8千J的電能，一年的話，也就能省下200多萬J的電能，如果說用這節省的200多萬J的電能，那么全國就能節省大概7.8億千萬時的電能，這7.8億千瓦時的電能相當節省接近4億人民幣！更加關心且重要的作用的是環保。中國有百分之七十的電力資源來自于火力發電廠，而火力發電廠少發一度電會減少1千克的二氧化碳排放。那么節省3.9億度的電能就等于少向大氣排放39萬噸的二氧化碳，而二氧化碳是溫室效應的最歸禍首。就是因為全球向大氣排入過多的二氧化碳，導致了溫室效應的加劇，海平面上升，大片的土地被淹沒，氣候變暖，降水和土壤濕度進一步減少，氣候逐漸干旱，土地沙漠化和草原退化將變的更加嚴重。1.3課題研究目標及本文主要內容本次課題研究主要設計一款智能臺燈，可以檢測是否有人靠近從而自動開關并根據環境光調節明暗，也可通關wifi連接手機，遠程控制臺燈的開關和明暗。本文主要內容安排如下：第一章主要對選題意義及背景進行介紹，并提出本課題的設計目標，并對全文結構進行介紹。第二章主要介紹系統整體設計方案；第三章主要對系統的硬件電路模模塊設計進行分析；第四章主要對系統程序模塊流程進行分析介紹；第五章對本次設計的成果模塊進行設計驗證，并對全文進行總結。2系統總體設計方案本設計為一個智能臺燈，具有人體紅外檢測及環境光檢測功能，同時配備wifi模塊，可以連接手機遠程操控臺燈。總的來說要實現如下功能：本地模式：檢測周圍是否有人，如果有人靠近則打開臺燈，人走延時燈滅；根據周圍環境光強弱調節智能臺燈的亮度；遠程模式：手機連接wifi，遠程控制智能臺燈的開關；手機連接wifi，遠程控制智能臺燈的光線強弱。2.1總體設計方案本系統由單片機主控、紅外感應模塊、環境光檢測、WiFi模塊、LED燈驅動電路模塊及電源轉換電路組成。使用STC12單片機編程控制，通過修改程序可方便實現系統升級。系統的框圖結構見圖2.1所示：圖2.1系統結構框圖2.2模塊選型2.2.1單片機主控單片機也習慣性稱為微控制器（MicrocontrolerUnit，MCU），單片機也是一種集成的電路芯片，而且它最早在很多工業領域得到出色的應用。單片機是計算機領域的一個重要分支，它不是處理某一項特定功能的芯片，而是集成了計算機能作為控制器的最核心部分，它是一個簡化的計算機系統，能處理運算量不高的情況下的控制核心，它是大規模和超大規模集成電路發展的產物。作為計算機領域的一個重要分支，單片機憑借體積小，價格便宜，操作方便，迅速占領了大多數電子產品，從使用領域上，單片機大致可以分為通用型/專用型、總線型/非總線型及工控型/家電型。在單片機發展的歷史中，最具有意義的便是INTEL的8051。在此之后，單片機的發展更是迅速，出現了16位，乃至現在以ARM公司CORTEX作為內核32位單片機。字長在增加的同時，處理速度也在飛速增長，內部存儲空間，寄存器數量，外設種類也在不斷發展，而如今我們告別了單片機系統僅僅時裸機狀態下的開發和應用，現在許多公司及企業大量使用專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。從而使得單片機的功能被開發的更加強大及多元化。STC12C5A60S2是STC公司推出的一款功耗較低、抗干擾性好、性能強的COMS8bit微控制器。它是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S),針對電機控制，強干擾場合。。STC12C5A60S2使用了傳統的MCS-51內核，但具備了一般傳統8051單片機不具有的功能，速度的提升、存儲空間的增加和更多的寄存器數量。在單個芯片上，集成了一個8bit的CPU和可編程的FLASH，正是因為這個原因，使得STC12C5A60S2在嵌入式控制系統領域中占有一席之地。具有以下標準功能：8KByte的Flash，12802ByteRAM，44位準雙向I/O口，并且集成了看門狗定時器，以及內置1KBE2PROM，MAX810復位電路，外部掉電檢測電路，內部R/C振蕩器，4個16位定時器/計數器，3個時鐘輸出口，7個外部中斷，兩路PWM（脈寬調制輸出）/PCA（可編程計數器陣列），8路10位精度ADC，工作頻率在0~35MHz（相當于普通8051的0~420MHz），無需專用編程器和仿真器便可實現ISP和IAP，通用全雙工異步串行口，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或者PCA軟件實現多串口。STC12C5A60S2有40個引腳，如圖2.2所示，引腳說明如下：圖2.2STC12C5A60S2芯片VCC：供電電壓；GND：接地；P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每個管腳可吸收8TTL門電流。當P0口的管腳寫“1”時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FLASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FLASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部電位必須被拉高；P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，電位被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收；P1口具有第二功能，如表2.1。表2.1P1第二功能表端口引腳第二功能P1.0/ADC0/CLKOUT2ADC輸入通道0；獨立波特率發生器的時鐘輸出P1.1/ADC1ADC輸入通道1P1.2/ADC2/ECI/RXD2ADC輸入通道2；PCA計數器的外部脈沖輸入腳；第二串口數據接收端P1.3/ADC3/CCP0/TXD2ADC輸入通道3；外部信號捕獲、高速脈沖輸出及PWM輸出；第二串口數據發送端P1.4/ADC4/CCP1/SSADC輸入通道4；外部信號捕獲、高速脈沖輸出及PWM輸出；SPI同步串行接口的從機選擇信號P1.5/ADC5/MOSIADC輸入通道4；SPI同步串行接口的主出從入P1.6/ADC6/MISOADC輸入通道5；SPI同步串行接口的主入從出P1.7/ADC7/SCLKADC輸入通道5；SPI同步串行接口的時鐘信號P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳電位被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。作為輸入時，P2口的管腳電位被外部拉低，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉的優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號；P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL），也是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口：P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2INT0（外部中斷0）P3.3INT1（外部中斷1）P3.4T0（記時器0外部輸入）P3.5T1（記時器1外部輸入）P3.6WR（外部數據存儲器寫選通）P3.7RD（外部數據存儲器讀選通）同時P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號；RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高平時間;ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令時ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效；PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取址期間，每個機器周期PSEN兩次有效。但在訪問內部部數據存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現;EA/VPP：當EA保持低電平時，訪問外部ROM;注意加密方式1時，EA將內部鎖定為RESET;當EA端保持高電平時，訪問內部ROM。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）；XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入；XTAL2：來自反向振蕩器的輸出；2.2.2ESP8266WIFI模塊ESP8266芯片是一款串口轉無線模芯片，內部自帶固件，用戶操作簡單，無需編寫時序信號等。ESP8266特性：802.11b/g/n內置低功耗32位CPU:可以兼作應用處理器內置10bit高精度ADC內置TCP/IP協議棧內置TR開關、balun、LNA、功率放大器和匹配網絡內置PLL、穩壓器和電源管理組件支持天線分集STBC、1x1MIMO、2x1MIMOMPDU、A-MSDU的聚合和0.4s的保護間隔WiFi@2.4GHz,支持WPA/WPA2安全模式支持STA/AP/STA+AP工作模式支持SmartConfig功能（包括Android和iOS設備）SDIO2.0、（H)SPI、UART、I2C、I2S、IRRemoteControl、PWM、GPIO深度睡眠保持電流為10uA,關斷電流小于5uA2ms之內喚醒、連接并傳遞數據包802.11b模式下+20dBm的輸出功率待機狀態消耗功率小于1.0mW(DTIM3)工作溫度范圍：-40°C-125°C通過FCC,CE,TELEC,WiFiAlliance及SRRC認證2.2.3人體紅外感應模塊HC-SR501HC-SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式，廣泛應用于各類自動感應電器設備，技術參數如下：工作電壓：DC5V~20V；靜態功耗：65mA；電平輸出：高3.3V，低0V；延時時間可調：0.3S~10Min；觸發方式：L不可重復，H可重復，默認值為H；感應范圍：小于120°錐角，7米以內；其中，不可重復觸發方式：即感應輸出高電平后，延時時間一結束，輸出將自動從高電平變為低電平?？芍貜陀|發方式：即感應輸出高電平后，在延時時間段內，如果有人體在其感應范圍內活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變為低電平(感應模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點)。本次設計采用可重復觸發方式。2.2.4光敏電阻傳感器模塊該模塊可以檢測周圍環境的亮度和光強，靈敏度可調，工作電壓3.3V-5V，輸出形式為模擬量電壓輸出和數字開關量輸出（0和1），其實物圖如2.3所示。圖2.3模塊實物圖2.3軟件開發平臺圖2.4KEIL5界面圖本設計選用KEIL5進行編程。KeilC51開發系統兼容51系列單片機依靠C語言編程的開發環境，C語言在結構性、可維護性可讀性和功能上與其他匯編語言相比具有更多的優勢，更方便操作掌握，提供了一個完美的集成開發環境。將宏匯編、連接器、C編譯器等高效的結合成一個整體。Keil軟件可在WIN98、NT、WIN2000、WINXP、WIN7等操作系統上運行。由于其有強大的仿真功能，因此我選擇Keil軟件。KeilC51編程環境中集成了大量的庫函數支持庫函數編程而且內置了許多很常用的工具箱，這為我們的開發過程提供了極大的方便。在編譯過程中我們可以查看寄存器，查看I/O端口的狀態等等。如果編譯出錯我們還可以在窗口中及時查找報錯原因。KeilC51編程環境中標準配備的仿真器使用的晶振頻率是11.0592MHz。但是在實際項目中我們可以依據實際情況選用適當晶振頻率的晶振。為了保證實現準確分頻，本設計選用11.0592MHz的晶振。KeilC51編程環境中的工具箱的完整結構如下：uVision和Ishell分別是C51forWindows與forDos集成的開發環境，雖然DOS在51開發中不經常用到但是KeilC51編程環境仍然保留了這部分。我們可以利用這些工具箱實現編譯、仿真調試等所有軟件開發所必須的步驟。我們可以進行源代碼級的調試。在對目標文件進行調試時我們不但可由仿真器直接調試，也能夠直接將其寫入程序存儲器中。3硬件電路實現3.1單片機最小系統3.1.1復位電路考慮到設計要求，本設計中的復位電路集手動復位及上電自動復位于一體，通過按鍵S1實現系統的手動復位。1）上電自動復位通過外部復位電路的電容C3的充電來實現，只要電源VCC的上升時間不超過1ms，就可以實現自動上電復位。2）按鍵手動復位是通過使復位端經電阻與VCC接通而實現的。圖3.1單片機最小系統3.1.2時鐘振蕩電路STC12C5A60S2單片機內部集成RC振蕩器作為時鐘源，如果不外接晶體振蕩器，可以直接使用內部RC振蕩器，但是內部RC振蕩器的精度不高，考慮系統運行速度，采用11.0592MHZ的外接石英晶振，并使用兩個小電容作為微調電容，具體設計見圖3.1。3.2WIFI模塊及電源電路本次設計的wifi模塊與MCU連接電路如圖3.2所示。圖3.2wifi與MCU連接原理如圖3.2，wifi模塊的供電電源為3.3V，而單片機及其他模塊的供電電源為5V，為此需要為WIFI模塊增加電源轉換電路。本次設計采用ASM1117-3.3模塊，這是一種輸出電壓為3.3V的正向低壓降穩壓器，接線圖如圖3.3所示。圖3.35V轉3.3V電源3.3HC-SR501人體紅外感應電路如第二章所說，HC-SR501模塊輸出為數字量，可以很方便的搭配STC12單片機IO口進行使用，連線見圖3.4。圖3.4HC-SR501與MCU連線圖3.4環境光檢測模塊圖3.5光敏電阻接線圖本次設計因為需要根據環境光強度調節臺燈亮度，因此采用該模塊的模擬量輸出，同時接STC12芯片的P1.1接口，自帶ADC轉換功能。3.5LED驅動電路LED驅動電路如圖3.6所示，設計思路是用單片機IO口控制PNP型三極管通斷，從而控制LED的亮滅，同時利用的是單片機的PWM輸出口，通過調節占空比從而可以控制LED的亮度。圖3.6LED驅動電路

4程序設計4.1主程序流程圖根據本次研究課題的任務目標及功能要求，主程序流程圖如圖4.1所示：圖4.1程序主流程圖首先開機后根據硬件撥片開關位置判斷是手機遠程操作模式還是本地模式。如果是本地模式則人體紅外感應模塊工作，如果檢測到人來，則打開臺燈并時刻調節光線，如果是遠程操作模式，則通過手機控制臺燈工作狀態。4.2本地操作模式本地操作模式的主程序如下所示： if(mode==1)//本地模式 { wifi_flag=0; if(infrared==1)//有人進入 { if(pwm_flag==0) { pwm_open(); pwm_flag=1; } light_value=(adc10_start(1)*5)/1024; if(light_value<1.5){duty=30;} elseif(light_value<3){duty=100;} elseif(light_value<4){duty=180;} else{duty=240;} set_pwm_duty(duty); } if(infrared==0) { pwm_close(); pwm_flag=0; } }主要編程思想是：首先判斷是否有人靠近，如果有人靠近則開啟PWM輸出，同時進行一次AD轉換，將當前光照強度所對應的電壓值傳入單片機。將電壓值分為四檔，根據電壓值選擇相應的占空比設值，最后調用占空比設值函數，輸出相應的PWM波形控制燈光亮度。4.3遠程操作模式遠程操作模式因為需要進行通信，所以首先需要制定相應的通信協議，本次設計采用機智云提供的通信協議，主要的通信時序為：首先wifi模塊向MCU詢問當前設備信息，MCU進行應答握手，握手成功后雙方可以開始控制通信。因為需要實現燈的亮滅以及亮度，可見需要控制的量為兩個，一個為布爾類型，一個為數值類型，兩個都是wifi可寫變量。控制流程為：wifi主動向MCU發送控制命令，MCU回復收到命令，同時主動上報一次設備的最新狀態。 case0x03://WiFi模組與設備交互 if(usartbuf[3]=0x08&&usartbuf[8]==0x01)//WIFI模組=>MCU { Control_Mcu(); mcu_send_10[5]=sn; for(i=2;i<8;i++) { checksum=checksum+mcu_send_10[i]; } checksum=checksum%256; mcu_send_10[8]=checksum; Usart_SendArrang(mcu_send_10,9);//mcu回復 mcu_send_9[5]=sn; mcu_send_9[10]=duty1; for(i=2;i<11;i++) { checksum=checksum+mcu_send_9[i]; } checksum=checksum%256; mcu_send_9[11]=checksum; Usart_SendArrang(mcu_send_9,12); //mcu主動上報設備狀態 break; }4.4PWM輸出脈沖寬度調制（PWM）是英文“PulseWidthModulation”的縮寫，簡稱脈寬調制。它是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。使用STC12單片機產生PWM波形，主要是配置相關的寄存器，設置好占空比，從而實現需要的PWM波形。源碼如下：voi