基于單片機(jī)的人體感應(yīng)智能創(chuàng)意時(shí)鐘設(shè)計(jì)

劉峰 岳茜 王北辰 華北理工大學(xué)

基于單片機(jī)的人體感應(yīng)智能創(chuàng)意時(shí)鐘設(shè)計(jì)

劉峰 岳茜 王北辰 華北理工大學(xué)

本設(shè)計(jì)以STC15F2K60S2單片機(jī)為處理器，以熱釋電器件HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，蜂鳴器模塊，18650型鋰電池及LED發(fā)光二極管等器件，設(shè)計(jì)了一個(gè)超低功耗，具備人體紅外感應(yīng)帶防盜報(bào)警功能的創(chuàng)意時(shí)鐘。本設(shè)計(jì)從低功耗，高穩(wěn)定性，超長(zhǎng)工作時(shí)間，高靈敏度出發(fā)，以硬件電路設(shè)計(jì)以及優(yōu)化為主，整體設(shè)計(jì)思路可供單片機(jī)開(kāi)發(fā)人員參考或借鑒。

單片機(jī)應(yīng)用 人體紅外檢測(cè) STC15F2K60S2 創(chuàng)意時(shí)鐘 防盜報(bào)警

隨著技術(shù)的進(jìn)步，電子產(chǎn)品在向模塊化，智能化發(fā)展。傳統(tǒng)的機(jī)械時(shí)鐘的未免顯得單調(diào)，一款只需用17個(gè)LED為顯示界面，以單片機(jī)（MCU）為控制核心，具備人體紅外感應(yīng)功能的智能化創(chuàng)意時(shí)鐘將會(huì)以其新穎的設(shè)計(jì)吸引人們注意。

1 主要功能如下

①時(shí)間顯示模式下：當(dāng)熱釋電器件（HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊）檢測(cè)到人體活動(dòng)時(shí)，LED發(fā)光并以特定格式顯示時(shí)間，當(dāng)有人在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，LED一直點(diǎn)亮。當(dāng)人離開(kāi)探測(cè)區(qū)域后，LED持續(xù)點(diǎn)亮20秒，然后熄滅。

②防盜報(bào)警模式：此時(shí)LED保持熄滅狀態(tài)，當(dāng)熱釋電器件檢測(cè)到人體活動(dòng)時(shí)，則判斷為有人進(jìn)入，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)至蜂鳴器，使蜂鳴器發(fā)出警告提醒用戶。

③鬧鐘模式：當(dāng)達(dá)到用戶預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，LED開(kāi)始發(fā)光，持續(xù)1分鐘，期間若有任何按鍵被按下或有人進(jìn)入紅外感應(yīng)區(qū)域，鬧鐘關(guān)閉；若無(wú)人關(guān)閉鬧鐘，將在10分鐘后再次發(fā)出警報(bào)；若3次警報(bào)后，無(wú)任何關(guān)閉鬧鐘動(dòng)作，判斷為無(wú)人狀態(tài)，將不再發(fā)出警報(bào)。

④按鍵修改功能：通過(guò)一個(gè)雙擲開(kāi)關(guān)控制時(shí)間顯示模式或防盜報(bào)警模式，通過(guò)4個(gè)外部物理按鍵修改顯示時(shí)間以及鬧鐘預(yù)設(shè)時(shí)間，設(shè)置報(bào)警蜂鳴器的報(bào)警頻率和設(shè)置紅外感應(yīng)延遲時(shí)間。

2 硬件設(shè)計(jì)及控制方案

本設(shè)計(jì)只用了17個(gè)LED發(fā)光二極管，因此采用直接通過(guò)單片機(jī)的I/O的方案來(lái)控制LED是否發(fā)光。設(shè)計(jì)原理框圖如圖1：

圖1 設(shè)計(jì)原理框架圖

①控制器件種類繁多，選擇一款性價(jià)比最高的處理器件尤為重要。本設(shè)計(jì)選擇STC15F2K60S2作為控制芯片，本芯片為51增強(qiáng)型芯片，較傳統(tǒng)89C51型單片機(jī)不僅速度快12倍，其內(nèi)部自帶11．0592Mhz的石英晶振，并且具有更多IO口、定時(shí)器，更強(qiáng)的保密性，內(nèi)部自帶有61KB內(nèi)存，可直接將數(shù)據(jù)保存帶單片機(jī)內(nèi)部。主芯片僅需在VCC引腳加上+5V電壓即可開(kāi)始工作，無(wú)需復(fù)雜外圍電路，減少了硬件電路設(shè)計(jì)，并提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，性價(jià)比極高。

圖2 核心控制電路圖

硬件外圍控制電路如圖2所示，該控制電路在VCC引腳和GND引腳接上了2個(gè)濾波電容C1、C2，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。

②電源是保證整個(gè)系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，對(duì)于有報(bào)警功能的設(shè)備，需長(zhǎng)時(shí)間工作，并且不能因停電等外部原因而使設(shè)計(jì)功能癱瘓，系統(tǒng)供電部分采用2節(jié)18650型鋰電池并聯(lián)后升壓至5V，給系統(tǒng)供電。升壓芯片可采用TI公司的TPS40210電源芯片做一個(gè)boost升壓電路。但考慮到成本和硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)潔度，本設(shè)計(jì)直接采用了市面上現(xiàn)有的鋰電池充放電模塊搭配鋰電池構(gòu)建穩(wěn)定的5V電源供電系統(tǒng)。

③人體紅外探測(cè)模塊，本設(shè)計(jì)采用了熱釋電器件HC-SR501人體感應(yīng)模塊，一款基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式。實(shí)物如圖3。

技術(shù)特點(diǎn)：

1)全自動(dòng)感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)輸入高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。

2)光敏控制(可選)：模塊預(yù)留有位置，可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。光敏控為可選功能。

圖3 HC-SR501模塊實(shí)物圖

3)兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)，可跳線選擇，默認(rèn)為H，本系統(tǒng)使用默認(rèn)。不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖健？芍貜?fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開(kāi)后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?感應(yīng)模塊檢測(cè)到人體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn))。

4)具有感應(yīng)封鎖時(shí)間(默認(rèn)設(shè)置：0．2s)：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖?，可以設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間，在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號(hào)。此功能實(shí)現(xiàn)感應(yīng)輸出時(shí)間和封鎖時(shí)間兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測(cè)產(chǎn)品。同時(shí)，此功能可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。

5)工作電壓范圍寬：默認(rèn)工作電壓為DC5～20V。

6)微功耗：靜態(tài)電流65μA，特別適合干電池供電的電器產(chǎn)品。

7)輸出高電平信號(hào)：方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接。

圖4 HC-SR501 工作電路

圖5 蜂鳴器模塊

由該模塊工作特點(diǎn)可知，當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)輸出為高電平，此時(shí)MCU檢測(cè)到的電平為高，執(zhí)行不同工作狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的功能。圖4是HC-SR501的工作電路，因?qū)崪y(cè)該模塊產(chǎn)生的高電壓為3V左右，不能為單片機(jī)提供穩(wěn)定的高電平信號(hào)，因此改進(jìn)了電路，將HC-SR501模塊的輸出引腳接到NPN三極管的基極，發(fā)射極接單片機(jī)P2．2口，集電極接電源，當(dāng)檢測(cè)到有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高電平，使三極管工作在飽和區(qū)。而在P2．2口將會(huì)接收到穩(wěn)定的高電平。此優(yōu)化明顯提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

④報(bào)警電路：本設(shè)計(jì)報(bào)警電路由一個(gè)蜂鳴器組成，當(dāng)蜂鳴器接收到報(bào)警信號(hào)即發(fā)出響聲開(kāi)始報(bào)警，此信號(hào)可來(lái)源于防盜報(bào)警工作模式和鬧鐘工作模式當(dāng)蜂鳴器模塊的I/O口接收到高電平即可發(fā)聲開(kāi)始報(bào)警。工作電路如圖6所示，單片機(jī)P2．3口接NPN三極管的基極，單片機(jī)P2．3口發(fā)出高電平信號(hào)，三極管工作在飽和區(qū)，使蜂鳴器工作。三極管在電路的作用是讓系統(tǒng)響應(yīng)度更穩(wěn)定。

圖6 蜂鳴器工作電路

圖7 按鍵部分電路圖

圖8 LED顯示電路

⑤外部物理按鍵：為了實(shí)現(xiàn)修改時(shí)間等功能，本設(shè)計(jì)引入了4個(gè)外部按鍵，一個(gè)雙擲開(kāi)關(guān)。如圖7所示，切換雙擲開(kāi)關(guān)S0，可做到防盜報(bào)警模式和時(shí)間顯示模式的切換。S0切換到1時(shí)，單片機(jī)P4．5口為高電平。S0切換至3時(shí)，P4．5口為低電平。由此可以判斷電平信號(hào)，得知設(shè)備的工作狀態(tài)。S2、S3、S4、S5、4個(gè)按鍵為功能按鍵，通過(guò)檢測(cè)與按鍵相連的單片機(jī)IO口電平狀態(tài)，即可判斷按鍵是否按下，并執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的功能。

S2：時(shí)間設(shè)置、S3：加、S4：減、S5：鬧鐘設(shè)置。第一次按下S2，設(shè)置時(shí)鐘，按下S3，S4可對(duì)時(shí)鐘修改；再次按下S2，進(jìn)入分鐘修改，此時(shí)按下S3，S4可對(duì)分鐘修改；再次按下S2，設(shè)置完成，返回正常工作模式。鬧鐘設(shè)置按S5，其他操作可參考時(shí)鐘修改操作。

⑥LED顯示電路：由LED以特定格式發(fā)光顯示時(shí)間。該部分電路如圖8所示，電路中一共有17個(gè)LED發(fā)光二極管，外圈(LED0-LED11)12個(gè)發(fā)光二極管按傳統(tǒng)時(shí)鐘頁(yè)面分布中間4個(gè)(LED12-LED15)4個(gè)發(fā)光二級(jí)管位于傳統(tǒng)時(shí)鐘頁(yè)面中間偏上位置，LED16位于傳統(tǒng)時(shí)鐘頁(yè)面中間偏下位置。17個(gè)LED發(fā)光二極管以共陽(yáng)方式和單片機(jī)連接，即陰極與單片機(jī)IO口相連，每個(gè)LED的陽(yáng)極與一個(gè)330歐姆的限流電阻串聯(lián)后接電源正極。通過(guò)單片機(jī)對(duì)應(yīng)IO口輸出低電平，即可點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的LED。

時(shí)鐘顯示時(shí)，LED0-LED11代表時(shí)鐘H的LED常亮，代表分鐘的LED按秒閃爍，對(duì)應(yīng)分鐘位置閃爍的LED的分鐘的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Min=（H×5）+N；N為(LED12-LED15)4個(gè)LED點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)。LED16亮代表下午PM，熄滅代表AM。

舉例為：若現(xiàn)在時(shí)間為下午3點(diǎn)28分。則對(duì)應(yīng)為L(zhǎng)ED3常亮，LED5閃爍，LED12、LED13、LED14、LED16（下午）常亮。

對(duì)應(yīng)的鬧鐘顯示同理，在此不再贅述。

3 軟件設(shè)計(jì)思路及功耗分析

STC15F2K60S2單片機(jī)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言，本設(shè)計(jì)方案選用的編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，代碼量也較多，不一一分析代碼。基于硬件而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能的程序代碼是靈活的，在此只敘述在實(shí)際調(diào)試時(shí)的編程思路。

顯示部分，LED電路為共陽(yáng)極接法，所以點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)LED只需將與之相連接的IO口置0即可。每次顯示切換時(shí)，需要注意到時(shí)，分，秒顯示格式。在充分利用硬件資源的條件下，以單片機(jī)定時(shí)器0中斷，通過(guò)配置定時(shí)器，編寫(xiě)精確的時(shí)鐘程序。

按鍵部分，通過(guò)鍵盤(pán)檢測(cè)程序，以定時(shí)器中斷，編寫(xiě)鍵盤(pán)掃描程序。按鍵需要延時(shí)消抖和松手檢測(cè)的運(yùn)用，使按鍵穩(wěn)定可靠。按鍵修改時(shí)間時(shí)，可以使LED不同的顯示方式而進(jìn)入不同的修改模式，方便使用和觀察。

報(bào)警部分，通過(guò)給蜂鳴器不同的通電時(shí)間，可以使蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音。

人體紅外感應(yīng)部分，通過(guò)電平判斷有無(wú)人進(jìn)入感應(yīng)范圍，決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。若有人，則進(jìn)入時(shí)間顯示或者報(bào)警工作狀態(tài)。無(wú)人在感應(yīng)區(qū)內(nèi)則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

功耗分析：該系統(tǒng)中的17個(gè)LED為最大功率器件。每個(gè)LED通過(guò)的電流為（5-1．7）/330=10mA；每一個(gè)點(diǎn)亮二極管通過(guò)電流為10mA，消耗功率為17mW，每一個(gè)限流電阻消耗功率為33mW。單片機(jī)工作電流實(shí)測(cè)為4mA，待機(jī)功率為20mW。因?yàn)轱@示功能為有人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域才會(huì)點(diǎn)亮。故實(shí)際功耗將很低，HC-SR501待機(jī)功率可忽略不計(jì)。通過(guò)2塊18650電池供電，可維持?jǐn)?shù)周時(shí)間。

4 設(shè)計(jì)總結(jié)及用途

本設(shè)計(jì)所有部分已通過(guò)實(shí)際測(cè)試，主要可用作商店或家庭作為防盜報(bào)警時(shí)鐘，因?yàn)槠鋵?duì)人體紅外檢測(cè)的特性及高靈敏度，可很好勝任防盜報(bào)警功能。根據(jù)是否有人在感應(yīng)區(qū)域決定顯示的設(shè)計(jì)很大程度上降低了功耗。而在智能家庭的大環(huán)境下，本設(shè)計(jì)預(yù)留了2個(gè)串口通信端口，使其在硬件上具備受上位機(jī)操作的基礎(chǔ)。可以在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上通過(guò)進(jìn)一步的軟件開(kāi)發(fā)使其融入智能家庭系統(tǒng)。而直接接上藍(lán)牙模塊加上寫(xiě)入對(duì)應(yīng)程序即可實(shí)現(xiàn)在手機(jī)上發(fā)送十六進(jìn)制代碼進(jìn)行時(shí)間修改，模式切換功能。本設(shè)計(jì)以其性價(jià)比高，低功耗，穩(wěn)定性能，適配智能家庭系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

[1]王東,莫先.基于STM32和HC-SR501智能家居的智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2016,(06):135-142

[2]王靜偉,姜華.基于STC15F2K60S2低功耗工程車輛運(yùn)輸監(jiān)控應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子世界,2014,(16):14-15

[3]吳秋寧,邵建龍,呂英英,張志宏,肖文博.提高單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力的研究[J].電子測(cè)量技術(shù),2010,(02):63-66