1 引言
在科學技術不斷進步和能源利用日益緊張的狀況下，節能減排自然成了社會所關注的焦點，因此各種智能節能產品層出不窮。本設計正是為了響應節能減排的號召。燈具作為千家萬戶不可缺少的用品，節能自然是基本要求。因為難免會出現人離開了，但是忘記關燈情況，本設計所設計的智能光控人體感應燈正是為了解決這一問題。
這個光控人體感應燈可以廣泛的應用在生活中的方方面面，比如安裝在家里，樓道里，或者作為路燈使用也是不錯的選擇。其目的都是為了節能。它是一個利用單片機控制的小型設備，同時擁有光控模塊和人體感應模塊。在白天或者是光照強度較高的情況下，由于有光控模塊，所以該設備會始終保持關閉。當夜幕降臨或者光照強度低到預設的程度時，人體感應模塊檢測到有人靠近，就會立即啟動照明電路。當照明電路啟動，又檢測到人已經離開，則會經過預設好的短暫延遲之后自動關閉照明電路。值得一提的是，通過調節光控模塊，可以滿足各種光照條件下的照明需求。
隨著單片機技術的日益成熟，以及光控技術和人體感應技術的完善，使得本設計變得可以實現。目前，經過設計與制作調試，本設備已經能夠正常完成所有預設的功能。能夠切實做到人來燈亮，人走燈滅的功能。
2 人體感應燈整體方案設計
這款設計主要是使用單片機和一些不同功能的模塊共同組成的具有光控效果和人體感應能力的節能燈。白天，因為有足夠的光線強度進行照射，燈的自控開關會一直處于敞開狀態，燈會是關閉的；晚上的時候，光線較弱，燈的自控系統會通過紅外線感應人體信號，燈就會自動點亮。在人要離開的時候，可以通過按鍵的設置來設置燈在自動熄滅時的延遲時間，這樣，在人們離開以后，燈會根據感應信號的消失，在特定的時間時會自動熄滅，以此來達到節能的目的。該設計改變了原有的設計思路，從而達到了節能降耗的目的，并且使用簡單、靈敏、廣泛使用性強。
根據設計要求，得出本設計需要一個外接電源用來供電；需要一個單片機用來負責各個模塊的控制；需要一個光控模塊來感應周圍環境的光照強度；需要一個人體感應模塊來檢測周圍是否有人；同時還需要一個按鍵電路來設置自動關閉的延遲時間，為了降低設備的自我誤操作，自動延遲關閉是必須的，它能保證在檢測失誤的時候能夠有一段緩沖時間，避免了人還在設備附件，但是燈卻自動熄滅的情況。詳細模塊框圖如圖1所示。
圖1 系統模塊框圖
3 總體工作方案電路圖
將各模塊的電路圖連接起來組成總體工作電路圖如圖2所示。
該設計的主體思路：在環境光線暗時，光敏電阻的阻值會無限制的增大，相當于是一條斷路，在與該電阻相串聯的一條支路上分的電壓會減小并且連接在比較器的負端；在另外一條串聯電路中，有滑動變阻器的支路，相比較分得的電壓就會增大；在經過單片機進行電壓數據比較時候，會根據數據來確定繼電器的閉合和斷開。在紅外系統檢測到人體信號時，感應模塊就會輸出高電壓，同時輸送到單片機的P2.4端口和P1.0端口，在兩個端口同時接受到數據時，在經過系統的檢測，滿足相應的條件時，從而控制繼電器來點亮燈。d
圖2 總體電路圖
4 人體感應燈硬件電路設計
4.1 STC12C5A60S2單片機
STC12C5A60S2 單片機是基于51內核為基礎的集成線路系統，單獨的STC系統是建立在時間/機器周期為主體的芯片結構，屬于名副其實的智能、低耗、抗干擾的新型單片機，不僅傳承了原有8051的系統有點，提高了運作效率，而且內部配置了性能卓越的MAX810專用復位系統，更在4路PWM8路高速10位A、D轉換的支持下，進一步提升了感應靈敏性和抗干擾能力。
STC12C5A60S2 單片機最大優勢就是運行速率快，在有限時間內，增強型的8051要比普通的8051快10倍以上；STC12C5A60S2的運行電壓可調空間廣，在5.5V--3.8V之間；耗能低，此設計可根據實際需求進行空閑和工作控制，大大節省了能源利用；以及更高的工作頻率，其最高工作頻率可達576MHz。另外，該單片機具備全雙工異步串行口(UART),兼容8051串口，可快速實現指令融合和高速SPI 通信等功能。
4.2光控模塊
4.2.1 光敏電阻
光敏電阻，顧名思義，就是對光線變化具有感應，從而對自身電阻值而產生變化的電阻。它工作的主要原理就是自身有內光電效應。這種電阻制作簡單，在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，并且裝在一個密封的管殼里就可以構成,如圖4所示。
基于不同半導體導電能力的差異性出發，可有效根據載流子數目加以判定，因為載流子是半導體的核心部件。當光敏電阻接受光照刺激時，半導體內電子趨于活躍狀態，從而釋放自身能量，這時電子會向自由電子裝換，過程中伴隨著空穴的產生，電子—空穴對就會降低電阻阻值。光照越強，電子—空穴對就越多，阻值越低，形成正比關系。一旦光敏電阻接通，就會有電流產生，而且電流大小和光照強度是呈正比的，光照強，通過光敏電阻的電流就越強，反之則相反。如果光照變弱或消失，則電流相應減小，電阻凸顯出來。
基于以上光敏電阻兩端電流的變化趨勢可知，電流大小和光照強度是呈正比的，只要有光線存在的地方，就會產生電流，而且隨強度不斷增大，實現了光電轉換的功能。光敏電阻就是普通的回路裝置，直流電或交流電都可以使用。
光敏電阻又被稱為光導管，它是對光線進行感應的一種光電元件，它是由半導體制作而成，它是利用內光電原理工作的，在光照射時，會使它的阻值變小，這種現象叫做光導效應。一般都是采用敷、噴、燒結等多種不同的方法在絕緣襯底上安裝很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，然后接出引線，安裝在可以透光的密封的套管內，防止受潮影響光敏電阻的靈敏度。光敏電阻的原理結構如圖所示。在沒有光照時，光敏電阻的阻值很高，在受到光照時，價帶中的電子吸收光照中的能量，在價帶中活躍到導帶中，從而在價帶中產生帶正電荷的空穴，也可理解為電子—空穴對的起源，另外，電子—空穴對的介入，會不同程度的影響光敏電阻中載流子數量，載流子數量的減少勢必影響電阻阻值。由圖3所示，光照消失，電子—空穴對復合，光敏電阻恢復原值。
圖3 光敏電阻原理圖
大量實踐證明，光敏電阻只要通電，就會形成微弱電流，而在光照強度的刺激性，表現越來越明顯，實現了光電轉換的功能。光敏電阻就是普通的回路裝置，直流電或交流電都可以使用。
4.2.2 光控模塊設計
光控模塊匯集了關敏電阻和分壓型滑動變阻器的設計優勢，如圖4所示。
圖4光控模塊
其光控模塊工作機理：當所處環境光線較強時，光敏電阻自動調節其阻值，并與相應滑動變阻器匹配，同時刺激單片機P1.0采樣。單片機中安置了AD轉換器，可隨時進行數模轉換，這時光控模塊可根據采樣信息，進行聯通或斷開動作。
4.3人體檢測模塊
4.3.1紅外熱釋電處理芯片BISS0001
所謂的紅外熱釋電處理芯片BISS0001，指的是一款傳感性能卓越的集成線路，憑借內部熱釋電紅外傳感器和外接元件，充分發揮了他獨立感應處理功能。一方面它能隨時隨地控制各類戶外燈、自動門、烘干機和中央空調等裝置，尤其是在公共場合，例如高級賓館、大型商場、公司庫房及別墅走廊等重要領域，另一方面還可高效應用于自動報警系統或安全區域照明等。
通過熱釋電處理芯片原理可知，CMOS采用了16腳DIP封裝，與阻抗運算放大器有機融合，并且匹配了延時繼電器和封鎖定時器，完全的獨立數模混合系統，如圖5所示。
圖5 熱釋電處理芯片圖
通常意義上的熱釋電效應，是根據物體表面溫度的高低而產生的電荷有規律的運動現象。而熱釋電傳感器就是基于溫度變化而設計的敏感性器具。是由帶電豐富的陶瓷元件或壓電晶體組成，其光滑外表面作為電源的正負機。當外界環境中有溫度ΔT變化時，系統就會有電荷ΔQ移動，形成短暫的電壓ΔV。同時，傳感器中安排一個特定的管道進行阻抗裝換，防止大阻抗的干擾。熱釋電效應中產生的電荷ΔQ，大部分會和空氣離子抵消，也就是我們常見的溫度恒定，傳感器無動作想象。然而當帶有溫度的人體進入檢測范圍，由于人體和環境溫度的差異性，此時產生ΔT；假如人體保持不動，溫度無變化，傳感器也就沒輸出。因此，此種設計只適用于活動的人體或動物檢測。
4.3.2 工作原理
運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等都屬于芯片BISS0001的基本構件，他們共同組成了數模高效集成電路。
根據圖6可方便的進行工作原理領悟，不可重復觸發工作方式下的波形。
圖6 不可重復觸發狀態下的波形
第一步，根據實際需要，在運算放大器OP1的監督管理下，實現信號的放大處理。然后傳給OP2，進行重復式放大，同時升高直流電位到VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號V2送到COP1和COP2的雙向鑒幅器，檢出有效觸發信號Vs。基于系統中VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，因此，一旦VDD=5V，就會出現±1V的噪聲干擾，提高系統的可靠性。COP3是一個條件比較器。當輸入電壓VcVR時，COP3輸出為高電平，進入延時周期。 當A端接“0”電平時，只要有Tx的存在，就可全程無視V2的變化，直到Tx運行結束，即不可重復觸發模式。而當Tx達到設定時間后，Vo自動斷開繼電器，恢復低電平狀態，封鎖時間定時器開始進行運行，無論封鎖周期Ti受到何種感應，V2的變化都無法控制Vo的閉合，只能起到有效減少干擾程度或負載轉換作用。
如圖7所示，可重復觸發狀態下的波形。波形在Vc=“0”、A=“0”期間，很顯然信號Vs無法觸發Vo定義為有效狀態。當Vc=“1”、A=“1”時，Vs不僅可重復觸發Vo，而且可促使Vo在Tx內連續有效。在Tx有效范圍內，若Vs上跳變，則Vo會相應增加一個Tx周期；若Vs處于“1”，則Vo為有效狀態；若Vs為“0”，Vo則在Tx結束后，變為無效，即使在封鎖時間Ti內，Vs也無法觸發Vo轉變為有效狀態。
圖7 可重復觸發狀態下的波形
4.3.3 功能特點
人體感應模塊具有全自動感應、光敏控制、感應封鎖時間等功能。同時還具有工作電壓范圍寬、低功耗、輸出高電平信號等特點。
1.自動感應：當環境滿足人體紅外或光源輻射時，則有電流干擾，而當環境無法滿足時，電流自動反應，做出關閉電平動作，即輸出低電平。
2.光敏控制：可充分分解需求進行設置，并且系統內專門預留了位置，用來判斷和區分感應條件，進行合理的光敏控制。兩種觸發方式：L不可重復，H可重復。可跳線選擇，默認為H。
A.不可重復觸發方式：當滿足電流輸出時，則進行設定時間遞減，只要到達設定時間，系統則會自動進行高低電平的裝換，此過程為不可重復、不可逆的。
B.可重復觸發方式：當環境滿足高電平接通后，如果一直有信號干擾，則繼電器一直保持閉合狀態，只有當環境無法滿足電路接通條件時，繼電器才會安裝設置在時間結束后，斷開開關。
3.感應封鎖時間(一般默認為3-4秒)：感應封鎖時間一般設置在高低壓電平動作之后，即一個完整的感應過程之后，封鎖所有信息感應區域，此時任何信號都無法接通繼電器和電源。此應用最大的優勢在于，可以在感應時間和封鎖區域內進行不同工作設置，既可研發間隔探測技術，又可減少負載壓力，控制整個高低電平轉換過程的各種干擾。
4.電壓調節范圍廣：工作電壓維持在DC5V至20V之間，可調節范圍廣。
5.損耗小：一般狀態下電流保持在65微安，損耗小，特別適用于干電池供電系統，節約能源。
6.輸出高電平信號：有效連接各種類型電路，用途廣泛。
4.4 顯示倒計時模塊設計
此設計的顯示倒計時模塊采用了LED數碼管為主體，三條閉合線路為輔助機構，共同完成時間設定。段選接P0口，再接排阻。位選分別接P2.7，P2.6，P2.5端口。一旦接通延時繼電器，數碼管則進行設定時間遞減。當線路未接通，數碼管則顯示00。顯示電路如圖8。
圖8 顯示電路
4.5控制模塊
該模塊主要采用單片機，其電路圖如圖9所示。
圖9 控制模塊
其功能模塊的運行機理：在現實運行環境中，一旦有人體紅外信號或光源輻射時，即P2.4檢測口出現電壓干擾，此時，單片機P1.0口發出開關觸動請求，另一端口P2.0則在P1.0的邀請下，做出聯通動作，實現繼電器閉合、燈泡發光控制。在日常生活中，樓道燈的控制也是基于此原理，當在黑暗中系統檢測到人體紅外或光信號時，單片機在相應模塊的控制下，照亮整個樓道，這是數碼管開始啟動，進行時間遞減，如果在設定的時間內，未檢測到信號或光輻射，系統則會按照設定，斷開繼電器，關閉樓道燈，如果檢測要信號，則會繼續接通電路。
4.6按鍵電路設計
在本次設計中采用了按鍵合成輕觸開關系統，其設計原理：基于三個電路都為互不關聯的開關模式，所以，采取分別接地措施，既可實現按鍵功能，又可簡化連接，一舉兩得。然后在三個按鍵處依次布置鍵的功能，用來連接P3.0、P3.1、P3.2 IO口。這樣就能輕松設置時間限制了，而且還能通過功能鍵進行時間調整，調節范圍在0到100之間，單擊一次設置鍵表示確定，單擊兩次則可返回時間設置命令，如此重復，加減時間瞬間即可搞定。時間設定完畢后，則要進行一次單片機內部存儲設置，目的是讓系統保存這些數據，在停電狀態下，我們的設置不至于失效。如圖10所示。
圖10 按鍵電路
5 焊接與調試
本電路采用了STC12C5A60S2 單片機，該單片機管腳數量多且密集。因此，在焊接的過程還是遇到了不少的麻煩。稍有不注意就會將相鄰的兩個引腳焊接到一起，為了避免這種情況的發生，應該選用更為細小的焊頭。在焊接的過程中，應該注意焊點的美觀，注意焊接的技巧，盡量使焊點平滑美觀。
焊接完畢之后，隨即進行調試，以確保所設計的功能能夠正常運行。經過調試，出現了一下幾個問題。
- 強光環境下，仍然能夠啟動照明電路。如圖11所示，環境光照強度較高，當靠近設備時，燈自動被點亮。
圖11 強光環境下出現故障
經過檢查發現，出現該情況的原因是由于電位器的電壓設置偏高，使得光敏電阻阻值偏低的情況下，也能分到足夠的電壓，從而觸發照明電路。
解決方案：在不同光照條件下調整電位器的設置，使其輸出一個合適的電壓，從而實現在弱光條件下才能觸發照明電路的功能。
- 在弱光條件下，有人靠近該裝置，仍然不能點亮照明燈。如圖12所示，在用黑色遮罩物將設備與周圍環境隔開，避免光線影響的情況下，有人靠近設備，仍然不能點亮照明燈。
圖12 有人靠近時出現故障
經過檢查發現，出現該情況的原因是由于熱釋電模塊的感應距離與范圍有限，使得我需要在非常接近該設備的情況下才能被感應到。
解決方案：在熱釋電模塊上添加一個菲涅爾透鏡，用以加強該模塊的感應距離和范圍。
- 調試按鍵電路是否正常工作如圖12所示，其中圖13（a）為設置狀態，當處于設置狀態時，LED燈會不停閃爍；圖13（b)圖為設置完畢狀態，設置完畢后，LED燈會停止閃爍，并顯示設置好的延遲時間。若按下復位鍵，延遲時間則會恢復到預先設置好的初始延遲時間。
最終，在調試完畢后，該設備能夠實現所有預先設計好的功能。無人靠近時的正常工作狀態如圖14所示。無人靠近時，LED顯示000，人體感應模塊紅燈不閃爍。
（a) 設置狀態 (b)設置完畢狀態
圖13 調試按鍵電路
圖14 無人時正常工作狀態
有人靠近時的正常工作狀態如圖15所示。有人靠近時人體感應模塊紅燈亮起，照明燈立即被點亮，并且LED燈會顯示預先設置好的自動熄滅延遲時間。當處于照明燈被點亮的正常工作狀態時，人體感應模塊檢測到人已離開，人體感應模塊的紅燈則會開始閃爍，LED燈顯示的數字開始變化，進入倒計時狀態。當倒計時變為000時，人體感應模塊的紅燈會和照明燈同時熄滅。
圖15 有人時的工作狀態
總結
本設計結合單片機，光控模塊，人體感應模塊以及按鍵電路實現了人來燈亮，人走燈滅的功能。經過最初的構思，設計與制作調試，至此，已全部完成。由于本設計的主要功能是照明，所以它可以很好的應用到各種環境中。
但是本設計任然還有很多不足之處，比如體積還不夠小巧，人體感應模塊的感應范圍還不是很大等。希望在未來，隨著本設計所使用的各個模塊的改良與進步，能夠盡可能的減少本設計的不足，讓它變得更加方便，更加智能與節能，應用范圍能夠更加廣闊。
至此，本設計已告一段落，相信在不久的將來，本設計會變得更加成熟，能夠合格的應用到各個方面。
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