51单片机人体红外感应系统的设计
目 录
一、 引言 4
（一） 红外感应智能开关的发展背景 4
（二） 红外感应智能开关的国内外发展现状 4
（三） 本文主要研究内容 5
二、 元器件介绍 6
（一） AT89C51单片机介绍 6
（二） 热释电红外传感器概述 6
（三） 菲涅尔透镜介绍 7
（四） LCD1602液晶屏介绍 8
（五） 继电器介绍 8
（六） RTC时钟芯片 9
三、 硬件系统设计 11
（一） 红外感应智能开关的硬件结构设计 11
（二） 最小系统设计 11
（三） 热释电红外传感器电路设计 12
（四） LCD1602液晶屏电路设计 13
（五） 继电器及其驱动电路设计 13
（六） RTC时钟芯片电路设计 14
四、 软件系统设计 16
（一） 红外感应智能开关的软件系统设计 16
（二） HC-SR501热释电红外传感器工作流程设计 17
（三） LCD1602液晶屏工作流程图设计 17
（四） 继电器工作流程设计 18
（五） RTC时钟芯片工作流程图设计 19
五、 仿真调试 21
总结 24
参考文献 25
附录一 原理图 26
附录二 程序 27
引言
红外感应智能开关的发展背景
对于智能开关的研究是从新型电子技术出现的时候就开始了，那时电路开关的状态还停留在机械程度，外型上不但笨重，并且极易损坏，而在结构上更是复杂多变，最重要的是机械结构的开关非常容易被损坏，一旦遭到破坏，昂贵的机械结构开关马上就失去了它原有的价值。因此在电子技术和单片机技术出现之后，设计人员首先想到的就是设计出一种电子开关，它具有显示功能、定时功能以及自锁功能（当开关打开后能够持久保持开启状态，不受外界干扰），另外它还具有嘹亮的声音提示功能，当定时时间到达后，电子开关的语音功能将发挥功效，以达到提示用户开关即将关闭或者开启，这就是最早设计人员对电子开
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
的是机械结构的开关非常容易被损坏，一旦遭到破坏，昂贵的机械结构开关马上就失去了它原有的价值。因此在电子技术和单片机技术出现之后，设计人员首先想到的就是设计出一种电子开关，它具有显示功能、定时功能以及自锁功能（当开关打开后能够持久保持开启状态，不受外界干扰），另外它还具有嘹亮的声音提示功能，当定时时间到达后，电子开关的语音功能将发挥功效，以达到提示用户开关即将关闭或者开启，这就是最早设计人员对电子开关的大体设计构想。那时单片机技术相对来说非常简单，数据总线和地址总线宽度还停留在4位，因此单片机只能实现一些非常简单的控制，对于像电子开关这种复杂控制来说，还稍显力不能及。随着电子技术、计算机技术以及集成电路技术的迅速蓬起，人们已经能够将8位的CPU、功能相对简单的定时/计数器、并行的IO口和RAM、ROM存储器集成在一块芯片中了，然而美中不足的是这时还不能够将串口集成进去，在本文中正是使用了这种8位数据总线宽度的单片机作为红外遥控定时电子开关的控制核心，并在片外配置了一块具有RTC时钟计时功能的时钟芯片作为定时部分。可以从电子开关的发展过程中看出，市场对于电子开关的功能永远是保持增加的状态，往往刚投入市场的一款新型电子开关会马上被淘汰掉，这主要是因为有各种新型的电子开关在不断地投入市场，也就是电子开关在不断地被革新，这一现象主要得益于其主控核心的发展——单片机从4位一直发展到今天的32位，意法半导体公司的STM32单片机就是一个典型的32位单片机代表，它超高的性价比使得它几乎投入到了每一个应用中。本文主要考虑到当前市场上热释电传感器技术的成熟度，因此在普通电子开关的功能基础上增加了一个人体检测功能，实现根据人体信号来启闭开关，填补目前电子开关市场的一个空白。
红外感应智能开关的国内外发展现状
电子开关目前在国内外有着广泛的研究，2013年郑州大学的李永星设计出了一款能够实现过压欠压检测的智能电子开关，将这种开关用于插座中，能够达到对家用电器的实时保护，同时他将一个集成度非常高的GSM模块配置在报警系统中，当电子开关工作出现异常时，GSM模块会立即通过短信方式将报警短信发送到用户手机中；2014年济南大学的张震将数字处理器技术融入到电子开关中，通过DSP技术实现对语音信号检测，从而判断使用者通过语音发出的指令，以此来对开关进行启闭；而在国外，研究者的研究热点主要是将DSP技术与电子开关结合，2013年美国芝加哥大学的Manser采用了先进的DSP处理技术，实现了电子开关使用者的脸部识别功能，该功能主要简化了之前相关功能的处理过程，使得系统的消耗更加少。
本文主要研究内容
本文以基于单片机的红外感应型智能开关控制系统为研究目标，设计了一款能够实现开关根据人体信号自动启闭并能够现实实时时间的电子控制系统，在文章第一章，主要对智能系统的发展背景和国内外发展现状进行了描述，第二章对系统的设计方案以及元器件进行了选择和介绍，文章的第三章对硬件系统进行了设计，第四章主要对软件系统进行了设计。
元器件介绍
AT89C51单片机介绍
本系统选用的主控单片机为美国ATMEL公司推出已久的AT89C51芯片，这款单片机是一款最为经典的单片机，在8051的基础上进行改造，内置了一个4k字节的Flash以及一个256字节的RAM，这两个配置使得它能够轻松地应用到各种中小型自动控制系统中，下图2-1为AT89C51单片机芯片的实物图。在内部资源方面，它集成了一个UART串口、两个16位高精度定时器、两个外部中断，共向用户开放4组8位IO管脚，其中P1~P3三组IO管脚的最大电流输出能力达到20mA，可以直接驱动一些小功率LED，大大方便了系统的开发。
图2-1 AT89C51单片机
在程序烧写方面，AT89C51单片机采用串口进行下载，虽然没有JTAG接口进行程序仿真，当时采用其P3.0和P3.1两个管脚直接进行程序的下载，大大简化了系统的开发，并能够有效地降低开发成本。
热释电红外传感器概述
所谓“热释电”就是指传感器内部有一种物质在温度变化的速度达到一定程度时，被“冻结”在该物质内部的电荷会想外迅速释放，这种物质被称为高聚物驻极体。设计人员利用这一现象将该物质结合其他的电子电路设计成了一种传感器，当人体在传感器前走动时，由于人体释放的红外线能够迅速引起高聚物驻极体的温度变化，从而产生电荷释放，经过其他电路的配合就可以实现：当有人体走动时，热释电红外传感器输出高电平，而没有人走动时输出低电平。
由于通常在电路中电荷的变化不容易被检测到或者利用，所以热释电红外传感器内部引入了场效应管电路，其目的是将电荷变化转变成电压变化，因为由场效应管构成的共漏式放大器能起到阻抗变化的作用，当电荷流进共漏式
一、 引言 4
（一） 红外感应智能开关的发展背景 4
（二） 红外感应智能开关的国内外发展现状 4
（三） 本文主要研究内容 5
二、 元器件介绍 6
（一） AT89C51单片机介绍 6
（二） 热释电红外传感器概述 6
（三） 菲涅尔透镜介绍 7
（四） LCD1602液晶屏介绍 8
（五） 继电器介绍 8
（六） RTC时钟芯片 9
三、 硬件系统设计 11
（一） 红外感应智能开关的硬件结构设计 11
（二） 最小系统设计 11
（三） 热释电红外传感器电路设计 12
（四） LCD1602液晶屏电路设计 13
（五） 继电器及其驱动电路设计 13
（六） RTC时钟芯片电路设计 14
四、 软件系统设计 16
（一） 红外感应智能开关的软件系统设计 16
（二） HC-SR501热释电红外传感器工作流程设计 17
（三） LCD1602液晶屏工作流程图设计 17
（四） 继电器工作流程设计 18
（五） RTC时钟芯片工作流程图设计 19
五、 仿真调试 21
总结 24
参考文献 25
附录一 原理图 26
附录二 程序 27
引言
红外感应智能开关的发展背景
对于智能开关的研究是从新型电子技术出现的时候就开始了，那时电路开关的状态还停留在机械程度，外型上不但笨重，并且极易损坏，而在结构上更是复杂多变，最重要的是机械结构的开关非常容易被损坏，一旦遭到破坏，昂贵的机械结构开关马上就失去了它原有的价值。因此在电子技术和单片机技术出现之后，设计人员首先想到的就是设计出一种电子开关，它具有显示功能、定时功能以及自锁功能（当开关打开后能够持久保持开启状态，不受外界干扰），另外它还具有嘹亮的声音提示功能，当定时时间到达后，电子开关的语音功能将发挥功效，以达到提示用户开关即将关闭或者开启，这就是最早设计人员对电子开
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
的是机械结构的开关非常容易被损坏，一旦遭到破坏，昂贵的机械结构开关马上就失去了它原有的价值。因此在电子技术和单片机技术出现之后，设计人员首先想到的就是设计出一种电子开关，它具有显示功能、定时功能以及自锁功能（当开关打开后能够持久保持开启状态，不受外界干扰），另外它还具有嘹亮的声音提示功能，当定时时间到达后，电子开关的语音功能将发挥功效，以达到提示用户开关即将关闭或者开启，这就是最早设计人员对电子开关的大体设计构想。那时单片机技术相对来说非常简单，数据总线和地址总线宽度还停留在4位，因此单片机只能实现一些非常简单的控制，对于像电子开关这种复杂控制来说，还稍显力不能及。随着电子技术、计算机技术以及集成电路技术的迅速蓬起，人们已经能够将8位的CPU、功能相对简单的定时/计数器、并行的IO口和RAM、ROM存储器集成在一块芯片中了，然而美中不足的是这时还不能够将串口集成进去，在本文中正是使用了这种8位数据总线宽度的单片机作为红外遥控定时电子开关的控制核心，并在片外配置了一块具有RTC时钟计时功能的时钟芯片作为定时部分。可以从电子开关的发展过程中看出，市场对于电子开关的功能永远是保持增加的状态，往往刚投入市场的一款新型电子开关会马上被淘汰掉，这主要是因为有各种新型的电子开关在不断地投入市场，也就是电子开关在不断地被革新，这一现象主要得益于其主控核心的发展——单片机从4位一直发展到今天的32位，意法半导体公司的STM32单片机就是一个典型的32位单片机代表，它超高的性价比使得它几乎投入到了每一个应用中。本文主要考虑到当前市场上热释电传感器技术的成熟度，因此在普通电子开关的功能基础上增加了一个人体检测功能，实现根据人体信号来启闭开关，填补目前电子开关市场的一个空白。
红外感应智能开关的国内外发展现状
电子开关目前在国内外有着广泛的研究，2013年郑州大学的李永星设计出了一款能够实现过压欠压检测的智能电子开关，将这种开关用于插座中，能够达到对家用电器的实时保护，同时他将一个集成度非常高的GSM模块配置在报警系统中，当电子开关工作出现异常时，GSM模块会立即通过短信方式将报警短信发送到用户手机中；2014年济南大学的张震将数字处理器技术融入到电子开关中，通过DSP技术实现对语音信号检测，从而判断使用者通过语音发出的指令，以此来对开关进行启闭；而在国外，研究者的研究热点主要是将DSP技术与电子开关结合，2013年美国芝加哥大学的Manser采用了先进的DSP处理技术，实现了电子开关使用者的脸部识别功能，该功能主要简化了之前相关功能的处理过程，使得系统的消耗更加少。
本文主要研究内容
本文以基于单片机的红外感应型智能开关控制系统为研究目标，设计了一款能够实现开关根据人体信号自动启闭并能够现实实时时间的电子控制系统，在文章第一章，主要对智能系统的发展背景和国内外发展现状进行了描述，第二章对系统的设计方案以及元器件进行了选择和介绍，文章的第三章对硬件系统进行了设计，第四章主要对软件系统进行了设计。
元器件介绍
AT89C51单片机介绍
本系统选用的主控单片机为美国ATMEL公司推出已久的AT89C51芯片，这款单片机是一款最为经典的单片机，在8051的基础上进行改造，内置了一个4k字节的Flash以及一个256字节的RAM，这两个配置使得它能够轻松地应用到各种中小型自动控制系统中，下图2-1为AT89C51单片机芯片的实物图。在内部资源方面，它集成了一个UART串口、两个16位高精度定时器、两个外部中断，共向用户开放4组8位IO管脚，其中P1~P3三组IO管脚的最大电流输出能力达到20mA，可以直接驱动一些小功率LED，大大方便了系统的开发。
图2-1 AT89C51单片机
在程序烧写方面，AT89C51单片机采用串口进行下载，虽然没有JTAG接口进行程序仿真，当时采用其P3.0和P3.1两个管脚直接进行程序的下载，大大简化了系统的开发，并能够有效地降低开发成本。
热释电红外传感器概述
所谓“热释电”就是指传感器内部有一种物质在温度变化的速度达到一定程度时，被“冻结”在该物质内部的电荷会想外迅速释放，这种物质被称为高聚物驻极体。设计人员利用这一现象将该物质结合其他的电子电路设计成了一种传感器，当人体在传感器前走动时，由于人体释放的红外线能够迅速引起高聚物驻极体的温度变化，从而产生电荷释放，经过其他电路的配合就可以实现：当有人体走动时，热释电红外传感器输出高电平，而没有人走动时输出低电平。
由于通常在电路中电荷的变化不容易被检测到或者利用，所以热释电红外传感器内部引入了场效应管电路，其目的是将电荷变化转变成电压变化，因为由场效应管构成的共漏式放大器能起到阻抗变化的作用，当电荷流进共漏式
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