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健康节能台灯的设计电子实践

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1.1 功能描述
根据主要功能要求，该设计利用 51 单片机实现了电子时钟、温度的显示以
及整点报时等功能。具体可分为一下几种：
1) 显示当前的日期及时间，24 时制的时、分、秒；
2) 可调节时间；
3) 整点报时并响铃。
4) 能检测桌前是否有人并自动开启/关闭；
5) 可自动\手动调节灯光亮度；

1.2 系统组成及工作过程
六大模块以 AT89C52单片机为控制核心，实现了该智能台灯的各项要求，外接一个5V 的直流电源，为整个系统供电。

2 硬件设计
2.1 单片机控制模块设计
硬件电路如图 2            



 


图 2 单片机控制模块电路（最小系统）

这里我们选用 12M 的晶振，晶振系统由两个 30pF 的电容 CAP 和晶振组成，
接到单片机的 18、19 两管脚。晶振给单片机提供硬件本身的时钟振荡。一个 10μF
的电解电容和一个 1k 的电阻组成复位电路，接至单片机的第 9 管脚。P0 口加上
排阻，即其就是 P0 口的上拉电阻，这就是给 P0 加驱动电路，电源通过排阻向
P0 口供电，使其能够驱动与 P0 口相连的元件。
2.2 按键模块电路设计

按键模块电路
三个按键分别用来选取需要调节的数码管、增加数值及减少数值，即设置日期时间当前。
两个开关控制灯电路的开通或是关闭状态，上方以开关代替模拟FC-51模块的状态（proteus中无相似元件），当模块检测到有人时输出低电平；下方开关为手动开关（开关灯）。
按键及开关均采用低电平有效连接方式。

2.3 台灯模块电路设计



台灯模块电路如图 4，


 

3.1 主程序的设计

主程序流程图

主程序如图，一给单片机上电，单片机就初始化。然后扫描各个按键、开关的状态，检测开关是否打开、屋内是否有人，若同时满足则给台灯电路上电。同时向数码管输出时间初值，随后时间计时子函数运行，时钟正常工作。然后检测时间调整按键是否按下，判断修改哪个数据，扫描调整按键，增加或减少数值。单片机接收并处理来自 DS18B20 传过来的数据在数码管上显示当时的室内温度，最后进入循环。

3.2 按键模块程序设计
按键用来调整时间和日期，各键功能在介绍硬件部分已描述。
因为有年月日，时分秒几个参数要调，所以设置这几个参数的计数。当按模式
键时，单片机进行相应的操作。

3.3 台灯模块程序设计
该模块只需给 P3.6 到送高电平即可，再通过手动旋钮\环境光强调整灯光亮度。

3.4 时钟模块程序设计
分别出写时间、日期的函数，再写出时间、日期的显示函数。设计时、分、
秒，年、月、日几个变量分别表示时分秒，年月日。

3.5 报时模块程序设计
对蜂鸣器，在其所接的 I/O 口P3.3写 1 即可实现它的蜂鸣，当分钟数增加到60时响铃，写程序时给它加了个1s延时，实现整点报时。


 

3.6 温度模块程序设计
设计初始化函数，设计读 DS18B20 数据和对 DS118B20 写数据的函数，再写出
从 DS18B20 读温度并转换为十进制的函数，最后逐位显示温度的函数。

3.7 红外传感器模块程序设计
编写一个读端口P3.4的函数，即FC-51模块OUT端口状态，检测有人与否，若有人，传感器发给单片机一个低电平，单片机同时判断灯开关是否打开，使得单片机P3.6口为高电平，控制台灯电路上电；若人离开桌前，则P3.4为高电平，台灯断电。这就实现了检测屋内有人与否并自动开启或关闭的智能节能的台灯。

4 总结

该设计实现了日期、时间及温度检测和显示电路，具备整点报时功能，以提醒用户久坐时长，避免长期久坐导致的一系列健康问题。同时自动检测桌前是否有人并自动开启/关闭功能；台灯具有光亮度自动\手动调节功能；但在细节
方面还有不足之处。灯光亮度达不到很亮的程度，只能在一个很小的范围变化，
以致于光亮度不够。关闭的功能。该传感器检测距离通过调节FC-1模块上变阻器可在1m-20m间调节。蜂鸣器在仿真过程中不响，多次排查后仍没有找到原因，在设计答辩完成后，我们会继续寻找问题的源头，争取解决。在实际的实物制作过程中，因材料的限制，触发台灯所用的三极管使用了双向可控硅代替，这带来了一系列问题：1可控硅的参数不明，导致了变阻器在调节过程中无法精确到具体值，只能不断尝试2可控硅的负载能力小，使得灯在长时间运行后出现过载现象，自动熄灭。
              原本的设计是只有台灯电路，毕竟节能台灯的节能应考虑设计简化，但为提升本次设计作业的复杂性，加入了更多其他模块，虽有些本末倒置的意味，但锻炼了我们的动手能力、单片机编程能力，更提升了我们对MC-51系列单片机、数码管及DS18B20 的了解与认识，为以后的毕业设计及往后的工作打下经验基础。

以上的程序见附录


 

实物图

仿真及实物演示视频见设计文件

系统连接图


 

附录


单片机源程序如下:

  1. #define uchar unsigned char
  2. #define uint  unsigned int
  3. #define DQ P3_7
  4. #include<AT89X51.H>
  6. uint sec;
  7. uint min=05;
  8. uint hour=13;
  9. uint day=19;
  10. uint month=7;
  11. uint yearl=17;
  12. uint yearh=20;
  13. uint tcnt;
  14. uint cursor=0;
  15. uchar a=0xff;
  16. uchar code Seg[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
  18. void delay(uint t)
  19. {
  20.     uint i;
  21.     while(t--)
  22.     {for (i=0;i<125;i++);}
  23. }
  24. void Tdelay(unsigned int i)
  25. {
  26. while(i--);
  27. }
  28. void Kdelay()
  29. {
  30.     uchar i,j;
  31.     for(i=100;i>0;i--)
  32.     for(j=248;j>0;j--);
  33. }
  34. Init_DS18B20(void)
  35. {
  36. unsigned char x=0;
  37. DQ = 1;   
  38. Tdelay(8);
  39. DQ = 0;   
  40. Tdelay(80);
  41. DQ = 1;   
  42. Tdelay(14);
  43. Tdelay(20);
  44. }
  45. //读一个字节
  46. ReadOneChar(void)
  47. {
  48. unsigned char i=0;
  49. unsigned char dat = 0;
  50. for (i=8;i>0;i--)
  51. {
  52.   DQ = 0;
  53.   dat>>=1;
  54.   DQ = 1;
  55.   if(DQ)
  56.    dat|=0x80;
  57.   Tdelay(4);
  58. }
  59. return(dat);
  60. }
  62. //写一个字节
  63. WriteOneChar(unsigned char dat)
  64. {
  65. unsigned char i=0;
  66. for (i=8; i>0; i--)
  67. {
  68.   DQ = 0;
  69.   DQ = dat&0x01;
  70.   Tdelay(5);
  71.   DQ = 1;
  72.   dat>>=1;
  73. }
  74. }
  76. //读取温度
  77. ReadTemperature(void)
  78. {
  79. unsigned char a=0;
  80. unsigned char b=0;
  81. unsigned int t=0;
  82. float tt=0;
  83. Init_DS18B20();
  84. WriteOneChar(0xCC);
  85. WriteOneChar(0x44);
  86. Init_DS18B20();
  87. WriteOneChar(0xCC);
  88. WriteOneChar(0xBE);
  89. a=ReadOneChar();
  90. b=ReadOneChar();
  91. t=b;
  92. t<<=8;
  93. t=t|a;
  94. tt=t*0.0625;      
  95. t= tt*10+0.5;     
  96. return(t);
  97. }
  99. void display(uchar L1,uchar L2,uchar L3,uchar L4,uchar L5,uchar L6,uchar L7,uchar L8,uchar L9,uchar L10,uchar L11,uchar L12,uchar L13,uchar L14,uchar L15,uchar L16)
  100. {
  101.     P2=0x7F;P0=L1;delay(1);  //yearh
  102.     P2=0xBF;P0=L2;delay(1);  //yearh
  103.     if(cursor==6){P2=0xDF|a;P0=L3;delay(1);}else{P2=0xDF;P0=L3;delay(1);}   //yearl
  104.     if(cursor==6){P2=0xEF|a;P0=L4;delay(1);}else{P2=0xEF;P0=L4;delay(1);}   //yearl
  105.     if(cursor==5){P2=0xF7|a;P0=L5;delay(1);}else{P2=0xF7;P0=L5;delay(1);}   //month
  106.     if(cursor==5){P2=0xFB|a;P0=L6;delay(1);}else{P2=0xFB;P0=L6;delay(1);}   //month
  107.     if(cursor==4){P2=0xFD|a;P0=L7;delay(1);}else{P2=0xFD;P0=L7;delay(1);}   //day
  108.     if(cursor==4){P2=0xFE|a;P0=L8;delay(1);}else{P2=0xFE;P0=L8;delay(1);}   //day
  109.     P2=0xFF;
  110.     if(cursor==3){P1=0x7F|a;P0=L9;delay(1);}else{P1=0x7F;P0=L9;delay(1);}   //hour
  111.     if(cursor==3){P1=0xBF|a;P0=L10;delay(1);}else{P1=0xBF;P0=L10;delay(1);}  //hour
  112.     if(cursor==2){P1=0xDF|a;P0=L11;delay(1);}else{P1=0xDF;P0=L11;delay(1);} //min
  113.     if(cursor==2){P1=0xEF|a;P0=L12;delay(1);}else{P1=0xEF;P0=L12;delay(1);} //min
  114.     if(cursor==1){P1=0xF7|a;P0=L13;delay(1);}else{P1=0xF7;P0=L13;delay(1);} //sec
  115.     if(cursor==1){P1=0xFB|a;P0=L14;delay(1);}else{P1=0xFB;P0=L14;delay(1);} //sec
  116.     P1=0xFD;P0=L15;delay(1); //temp
  117.     P1=0xFE;P0=L16;delay(1); //temp
  118.     P1=0xFF;
  119. }
  121. main()
  122. {  
  123.     uint i;   
  124.     TMOD=0x02;            //设置模式为定时器T0的模式2 （8位自动重装计数初值的计数值）      
  125.     TH0=0x06;             //设置计数器初值，靠TH0存储重装的计数值X0=256-250=6
  126.     TL0=0x06;
  127.     TR0=1;                //启动T0
  128.     ET0=1;                //开启定时器T0中断允许
  129.     EA=1;                 //开启中断总控制
  131.     while(1)
  132.     {
  133.                             if(P3_4==0)
  134.                                           {if(P3_5==0)
  135.                                                         P3_6=1;}
  136.                             else P3_6=0;
  137.         if(P3_0==0)
  138.         {
  139.             Kdelay();
  140.             if(P3_0==0)
  141.             {
  142.                 cursor++;
  143.                 if(cursor>=7){cursor=0;}
  144.             }
  145.         }
  146.         if(P3_1==0)
  147.         {
  148.             Kdelay();
  149.             if(P3_1==0)
  150.             {
  151.                 if(cursor==1){sec++;if(sec==60)sec=0;}
  152.                 if(cursor==2){min++;if(min==60)min=0;}
  153.                 if(cursor==3){hour++;if(hour==24)hour=0;}
  154.                 if(cursor==4){day++;if(day==31)day=0;}
  155.                 if(cursor==5){month++;if(month==12)month=0;}
  156.                 if(cursor==6){yearl++;if(yearl==100)yearl=0;}
  157.                 if(cursor==7){yearh++;if(yearh==30)yearh=20;}
  158.             }
  159.         }
  160.         if(P3_2==0)
  161.         {
  162.             Kdelay();
  163.             if(P3_2==0)
  164.             {
  165.                 if(cursor==1){sec--;}
  166.                 if(cursor==2){min--;}
  167.                 if(cursor==3){hour--;}
  168.                 if(cursor==4){day--;}
  169.                 if(cursor==5){month--;}
  170.                 if(cursor==6){yearl--;}
  171.                 if(cursor==7){yearh--;}
  172.             }
  173.         }
  174.         i=ReadTemperature();
  175.         display(Seg[yearh/10],Seg[yearh%10],Seg[yearl/10],Seg[yearl%10],Seg[month/10],Seg[month%10],Seg[day/10],Seg[day%10],Seg[hour/10],Seg[hour%10],Seg[min/10],Seg[min%10],Seg[sec/10],Seg[sec%10],Seg[i/100],Seg[i/10%10]);   
  176.     }
  177. }
  179. void t0(void)interrupt 1 using 0   //t0的中断程序
  180. {
  181.     tcnt++;
  182.     if(tcnt==4000)//定时器的定时计数，4000次250us为1秒
  183.     {
  184.         tcnt=0;
  185.                             P3_3=0;
  186.         a=~a;
  187.         sec++;
  188.         if(sec==60)
  189.         {   
  190.             sec=0;
  191.             min++;
  192.             if(min==60)
  193.             {
  194.                 min=0;
  195.                                                         P3_3=1;
  196.                 hour++;
  197.                 if(hour==24)
  198.                 {
  199.                     hour=0;
  200.                     day++;
  201.                     if(month==2&&((yearl==0&&yearh%4==0)||(yearl!=0&&yearl%4==0))&&day==30)day=1;
  202. ……………………

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