毕业设计（论文）-基于单片机声光控智能开关的设计(程序+仿真).docx

目 录1 绪论21.1 设计的背景和研究意义21.2 声光控智能开关的发展状况21.3 论文的主要内容32 声光控智能开关的结构和功能分析32.1 声光控智能开关的简介32.2 声光控智能开关的结构和功能33 基于at89c52声光控智能开关的设计研究43.1 系统设计原理及组成43.1.1 系统设计原理43.1.2 系统组成43.2 系统硬件设计53.2.1 电源电路的设计53.2.2 声控电路的设计63.2.3 光控电路的设计73.2.4 控制电路的设计83.2.5 灯电路的设计113.2.5 系统硬件整体电路图123.3 系统软件设计134 系统设计的仿真分析145 结论18参考文献19附录19致谢2121摘 要：随着社会的进步，人们越来越倾向节能、环保、智能。传统的照明灯，在一些场合，比如楼道、卫生间、小巷等，往往造成资源的浪费.本毕业设以at89s52为核心，由光敏电阻，驻极体传声器、可控硅和电源电路构成的声、光控智能开关电路。使用单片机，可以通过编程控制灯泡持续发亮的时间，通过调节与关敏电阻及控制传声器灵敏度的滑动变阻器，可以方便调节对光声音的感应，从而使整个电路效果明显，一个单片机可以控制多个照明灯、节约成本，控制简单，节约资源。 关键词：at89s52 光敏电阻 驻极体传声器 可控硅design of intelligent switch based on mcs51student:wu zengqiangsupervisor:liu tuanjieelectrical and information engineering department of huainan normal university abstract: along with the progress of the society, people are more and more tend to energy saving, environmental protection, intelligence. the traditional lights, in some cases, such as corridor, toilet, lane, etc, often cause waste of resources. this graduation set to at89s52 as the core, from photoconductive resistance, in a body microphones, thyristor and power circuit consists of the sound, electric intelligent switch circuit. use a single-chip microcomputer, can be programmed control bulb last bright time, through the regulation and guanmin resistance and control microphone sensitivity of the slide rheostat, easy to adjust the light sound induction, so that the entire circuit has obvious effect, a single chip microcomputer can control more lights, save costs and simple control, conservation of resources.key words: at89s52 photoconductive resistance in a body microphones thyristor1 绪论1.1 设计的背景和研究意义随着新技术的不断开发与应用，单片机发展迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机的应用已经渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品、石油等各个行业。它所给人带来的方便也是不可否定的并且带动了数字电路技术的进一步发展，在这样的背景下，声光控智能灯应运而生，它既满足了人们对单片机及数字电路技术研究的的需求，也符合了照明灯在人类生活环境中扮演重要角色的条件。用数字电路技术及单片机实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动的亮；广泛应用于走廊、楼道招待所等公共场所，给人们的生活、带来极大的方便。因此，得到了广泛的应用。声光控电路是声音和光控制电路工作的电子开关。该电路由电源电路、声控电路、光控电路和延时控制开关电路等组成，它不仅广泛适用于楼梯间、过道库房等场合，而且节能省电，使用方便。1.2 声光控智能开关的发展状况声光控智能开关是国家建设部,国家科技部在建筑节能产品中，定义的延时自熄开关中的一种，其在使用中的节能作用是非常明显的。以40w灯具使用普通开关傍晚连续点亮6小时为例，耗电应为0.6kw/h即0.36度电；如果仍以40w灯具使用声光控延时开关，按照傍晚点亮100次，每次30秒钟计算，耗电量为0.033kw/h即0.033度电；二者的耗电量相比差距为20倍之多。由此可见，声光控开关最大的节能之处在于它很大的开/停时间比，仍以上面的例子作比，普通手动开关一天24小时内如打开6小时，则一天的开停比为6：24=0.25；而采用声光控开关一天24小时累计的打开时间为0.83小时 ，则一天的开停比为 0.83：24=0.035。由于声光控智能开关的巨大经济效益及其智能化，智能控制已被人们广泛研究并加以利用。声光控智能开关的核心部分是控制系统，单片机控制系统在国内各行各业的应用虽然已经十分广泛，但从国内生产的声光控智能开关控制器来讲，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的声光控智能开关控产品主要以模拟电路及数字电路为主，它们只能适应一般系统控制，而用于较高控制场合的智能化、国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控较少。随着我国经济的发展及加入wto，我国政府及企业对此都非常重视，对相关企业资源进行了重组，相继建立了一些国家、企业的研发中心，开展创新性研究，使我国仪表工业得到了迅速的发展。随着科学技术日益迅速的发展和现代工业技术的需要，智能控制已经深入到生活的各个方面，声光控智能开关也不断地改进和提高。它具有控制效果好，经济效益高，方便使用等许多优点。声光控智能开关与传统的手动照明灯相比，也具有节约能源，控制准确等优势。对其进行研究和设计，可使我们更加熟练掌握单片机编程及protues的使用，有利于将所学的专业知识更好地应用于实践中。1.3 论文的主要内容本设计讨论了用光敏电阻，驻极体传声器和单片机最小系统及电源电路及照明电路构成的声、光控智能开关电路。主要有声控电路、光控电路、控制电路及电源电路及照明电路等部分组成。在白天该灯始终处于关闭状态，一到晚上，在黑暗中，该灯只要收到一个猝发声音（如脚步、击掌声），灯就自动点亮，而后延一段时间又会自动熄灭，可以达到节电的目的，具有结构简单、自耗电轻微、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。本文第一章是绪论，第二章是声光控智能开关的结构和功能分析，第三章是基于at89s52的声光控智能开关的设计研究，第四章是系统设计的仿真分析，第五章是结束语。2 声光控智能开关的结构和功能分析2.1 声光控智能开关的简介声光控智能开关是基于传统照明灯的基础上，用单片机控制来实现智能控制，不但能实现传统照明灯的作用而且能够实现资源的最大利用，充分利用智能控制给现在生活带的方便、清洁、高效率。2.2 声光控智能开关的结构和功能该声光控智能开关主要包括电源电路、声控电路、光控电路、控制电路及照明电路几部分。电源电路主要是整流电路，给整个系统提供电源。声控电路主要由驻极体传声器，三极管vt，电容及电阻r1等组成；该部分电路的作用主要把环境中的声音信号转化为电信号然后送给主控电路。光控电路主要有光敏电阻、滑动变阻器、电阻、比较器等组成。利用光敏电阻随光强的变化电阻值改变并通过比较器来检测外界光信号的改变，滑动变阻器可以调节控制精度。主控电路主要是stc89s52单片机最小系统，把声控电路及光控电路的信号进行分析，然后延迟输出触发信号来控制灯泡的亮灭。照明电路主要由灯泡、三极管、可控硅、电阻等组成以实现在触发信号来时实现灯泡的亮灭。各部分组合在一起形成声光控智能开关，在白天无论有没有声音；灯均不亮，在晚上一旦有声音则灯亮一分钟，然后自动熄灭。从而实现智能控制及节约资源能源的目的。3 基于at89c52声光控智能开关的设计研究本文主要从硬件设计和软件设计两方面来对声光控智能开关进行设计与研究。硬件部分主要从电源电路，声控电路，光控电路，主控电路，照明电路等方面进行设计，软件部分主要用c语言进行编程以实现设计要求。3.1 系统设计原理及组成3.1.1 系统设计原理本系统的设计原理在黑天时，由于光照强较弱光敏电阻阻值较大，在与电阻串联的支路上分的电压较大且该支路接在比较器的负端；与另条一串有滑动变阻器分得的电压相比较大；经过比较器，则比较器输出低电平；当有声音信号时，声控电路检测到微弱的信号，转化为电信号由放大电路输出低电平；两端信号同时送到单片机的输入端口通过对单片机编程，当两端口检测到这样的信号时；使单片机的输出端口输出高电平，从而给灯控电路提供触发信号，点亮灯泡。当白天光照较强时，在此时送给单片机两端口的是高、低电平；通过程序此时单片机输出低电平；无驱动电源灯泡不亮。3.1.2 系统组成本设计以at89s52单片机为核心设计的一种声光控智能开关控制系统，系统整体硬件电路包括：电源电路，声控电路，光控电路和主控电路电路及灯控电路。系统总框图如图1所示：图1 系统方框图由系统方框图可以看出，声控电路、光控电路将外界声光信号送到控制器进行处理，然后将处理后的输出相应的信号送给灯电路，来控制灯泡的亮灭。3.2 系统硬件设计该系统硬件部分主要包括了电源电路、声控电路、光控电路、控制电路以及灯电路。3.2.1 电源电路的设计灯泡的工作电压为220v，但控制器的工作电压为5v，所以首先必须设计一个电源电路，来获取5v的系统工作电压。如图2所示z1为9v稳压管，c1c4为滤波电容，d2、d3为保护二极管；7805为三段稳压管。220v经过整流后，经z1稳压输出9v，在经c1和c2滤波输出直流电压，从7805的1脚输出+5v，供整个系统使用。 图2 电源电路设计3.2.2 声控电路的设计声控电路主要用到驻极体传声器。驻极体传声器主要由声电转换电路和阻抗变换两部分组成，其组成图如图3所示 图3 驻极体传声器机构图及实物图其工作原理高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。 我们知道电容上电荷的公式是q=cv，反之v=q/c也是成立的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。根据极体传声器mk1的原理及由三极管vt，电容c1及电阻r1、r2、r3等组成的声控电路，如图4所示。其中mk1为声检测元件。当环境声音很弱时，三极管vt处于饱和状态，ic(a)1脚为低电平11亦为低电平，可控硅阻断，当环境声音信号达到一定强度时，通过mk1拾音输出经c1耦合到vt的基极，使集电极即ic(a)1脚电位随声强而高低变化，当1脚处于高电平时，由于2脚早已处于高电平而满足了与非门翻转条件，3脚跳变为低电平。驻极体传声器接收声音信号并将信号转化为电流信号（交流信号），使三极管vt由饱和状态转为截止状态，电阻很大，基本上为vcc电压值。所以在声音信号来到时会有三极管c极电压的跳变现象,也正是由于这一现象使得声控功能得以实现。图4 声控电路图3.2.3 光控电路的设计光控电路主要用到光敏电阻传感器。光敏电阻器是光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成，利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。其实物图及工作原理图如图5所示。 图5 光敏电阻实物图及原理图利用光敏电阻的工作原理，由光敏电阻rx、滑动变阻器rw、电阻r4、电阻r5及比较强lm324等组成的光控电路如图6所示。其中rx为光检测元件。白天，光照较强；光敏电阻rx阻值较小与电阻r4比较分压较小，并与比较器lm324的负输入端相接；另一条支路与比较器正输入端相接，此端口的输入电压为滑动变阻器rw与电阻r5的分压，相对与负端的输入电压较大；通过比较器的作用，从其比较器lm324输出端输出高电平。当天黑时，刚好与上述情形相反输出高电平并将该信号送到控制电路单片机的检测端口。 图6 光控电路图3.2.4 控制电路的设计单片机作为该设计的核心部分，其型号的选择非常重要，单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的，根据上述及本课题的实际情况，本文在众多的单片机类型中选取atmel公司的at89系列单片机at89s52实现控制作用，该单片机具有以8051为内核，兼容mcs-51系列单片机、内部含有flash存储器，在系统开发可以反复擦写静态时钟方式，可以节省电能、支持isp（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序、晶振频率高达24m，运行速度更快、价格也比较便宜 6元/片、增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠等优点，其引脚图如图7所示。 图7 单片机芯片图at89s52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，at89c52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(s系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。该控制电路以单片机为核心，通过时钟电路、复位电路等为主组成。当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的xatl1和xatl2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3m24m，电容选择30pf左右。我们选择晶振为12mhz,电容30pf，其时钟电路如图8所示。 图8 时钟电路单片机在reset端加一个大于20ms正脉冲即可实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如图9所示下： 图9 复位电路在系统上电的瞬间，rst与电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，rst电位下降，于是在rst形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即ms。一般取r1，c22uf。当人按下按钮s1时，使电容c1通过r1迅速放电，待s1弹起后，c再次充电，实现手动复位，r7一般取200。 综上所述控制电路即单片机最小系统的电路图如图10所示。 图10 控制电路3.2.5 灯电路的设计在灯电路的设计中用的主要器件为可控硅。可控硅，是可控硅整流元件的简称，是一种具有三个pn 结的四层结构的大功率半导体器件，亦称为可控硅。具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。可控硅整流器件是一种非常重要的功率器件，可用来做高电压和高电流的控制。可控硅器件主要用在开关方面，使器件从关闭或是阻断的状态转换为开启或是导通的状态，反之亦然。因此可以在触发信号的作用下控制电路的通断，其实物图及结构图如图11所示。 图11 可控硅实物图及结构图根据可控硅的原理，利用npn、可控硅、滑动变阻器、电阻、灯泡、整流器件等器件设计的灯电路如图12所示。 图12 灯电路图当单片机检测到声音信号及光信号时即在晚上有声音时，单片机输出高电平。送到三极管的基极，此时三极管发射极和集电极导通；触发信号被放大并送给可控硅并触发交流通路，灯泡亮；当单片机不输出电压时，三极管的两级断开；无触发信号送给可控硅，交流电路断路，灯泡不亮。3.2.5 系统硬件整体电路图通过对各个电路的分析，可画出系统硬件整体电路图如13所示。 图13 整个系统电路图3.3 系统软件设计整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，因此软件部分的设计非常重要。本系统程序主要是单片机对检测的信号进行分析，然后输出相应的触发信号。根据系统的功能要求，在分析整个软件实现的基础上，并经比较论证得系统程序流程图如图14所示。 图14 系统程序流程图4 系统设计的仿真分析系统的设计要求是实现实时照明灯的智能控制。由于在protues中没有驻极体传声器，因此我们用开关代表。当开关断开是，表示电路断开，此时代表外界没有声音信号；当开关闭合表示有声音信号，此时声控电路输出高电平，送到单片机端口，供单片机检测。光敏电阻的阻值随光照的增强而减少，因此在仿真图中，当灯离电阻远时，表示外界的光照强度小，此时光敏电阻的阻值较大；当灯距离外界近时表示外界光照强度强，此时光敏电阻的阻值较小。当外界无声音信号且白天时，此系统的仿真图如图15所示。图15 外界无声音白天从系统的仿真图15可以得出，在外界无声音信号时且是白天还是晚上，灯泡不亮。当外界无声音信号且晚上时；首先让开关断开，以此来表示外界无声音信号。然后调节小灯泡离光敏电阻的距离，让小灯泡离光敏电阻较远，此时光敏电阻的阻值较大来模拟晚上；在protues中系统的仿真图如图16所示。 图16 外界无声音晚上从系统的仿真图16可以看出，当无有声音信号，在晚上的情况下，灯不亮；达到了节约能源的目的。当外界有声音信号且白天时，相当于开关闭合，调节小灯泡距离电阻的距离使其较近，以增加光照强度，此时光敏电阻的阻值较小来模拟白天。在protues中，系统的仿真图如图17所示 图17 外界有声音白天当外界有声音且白天时，从系统仿真图17可以看出此时l1灯泡不亮。当外界有声音晚上时，此时开关闭合相当于从外界检测到声音信号；小灯泡离电阻的距离较远，光敏电阻的阻值较大以此来模拟晚上。在protues中，系统的仿真图如图18所示 图18 外界有声音晚上从仿真图18可以看出当外界有声音且在晚上时，灯泡亮。并并在仿真中实现亮一分钟后熄灭，满足了本次本次设计任务。5 结论本文设计了基于at89s52单片机的声光控智能开关控制系统并且实现了仿真，对整个硬件电路和软件程序设计做了分析，文中介绍了声光控智能开关的现状及发展，介绍了声光控智能开关的结构和功能，加深了对单片机的知识了解，介绍at89s52单片机的结构、特点等。并学习了驻极体传声器、光敏电阻等传感器的使用，设计软件仿真，更直观的反应设计的正确性。本文对其中的一些基本原理也做了简要的概述。声光控智能开关应用在很多地方，在一些不需要长时间照明的场所，利用单片机控制的声光控智能开关，可以设置并控制检测是否有人并决定照明灯照亮的时间，这样就可以方便的控制照明灯，达到节约能源资源实现智能控制的目的。参考文献1电子电路设计.王华奎主编.电子工业出版社.2004年8月2电子线路仿真设计.王恺主编.西安电子科技大学出版社.2006年1月3电子线路分析与设计.钱聪主编.陕西教育出版社.2000年5月4模拟电子技术基础.童诗白.北京高等教育出版社.20045电路.邱关源.北京高等教育出版社.2006年12月6孙涵芳. 单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社.1996年7谭浩强. c语言程序设计（第四版）.清华大学出版社.2010年6月8谭浩强. c语言题解与上机指导（第二版）.清华大学出版社.2006年9陈锦玲. protel 99se电路设计与制版快速入门.人民邮电出版社.2008年10郝文化. protel dxp 电路原理图与pcb设计.机械工业出版社.2004年11郝希才. 实用传感器接口电路实例.中国电力出版社.2007年12陈圣林. 图解传感器技术及应用电路.中国电力出版社.2009年13j.e.brignell.