基于51单片机的声控和光控路灯的设计_毕业论文.pdf

毕业论文毕业论文 基于 51 单片机的声控和光控路灯的设计 系别 专业 年级 学号 姓名 系别 专业 年级 学号 姓名 指导教师指导教师 ii 摘要摘要 随着科技的飞速发展，自动化已经运用在了生活中的方方面面，而路灯就是一个 很好的例子。 如何能够利用 51 单片机作为中央处理器实现路灯的节能是本设计的主要 内容。通过书本知识学习、指导老师的辅导以及资料文献的查阅，确定 51 单片机为主 要芯片，然后因为要实现声光控功能，那就必须使用到光敏电阻和驻极体话筒电阻来 实现光和声音转换为电信号，利用单片机最小系统模块、声控模块、光控模块等几大 模块为主的硬件来实现本次设计。本设计分别通过利用声控和光控模块的驻极体话筒 和光敏电阻将声音信号和光信号通过转换为 51 单片机能够识别的电信号来实现声光 控功能。 通过运用所学知识和必要绘图仿真编程软件绘制出系统原理图、 整体电路图、 程序流程图，完成系统电路设计、光敏传感器模电变换设计、声控整流滤波放大并进 行程序编写、仿真、硬件调试等，终于设计实现了利用 51 单片机使白天由光控电路起 作用控制灯不亮， 晚上由声控电路起作用控制开关闭合灯亮， 并且延时一段时间熄灭。 从而达到节能环保的目的，最终达到本次论文的要求。 关键词：关键词：51 单片机光控电路声控电路光敏电阻驻极体话筒 ii designofacousticandelectriclamp abstract with the rapid development of science and technology, automation has been used in every aspect of life, but the street is a good example of. how to realize the energy saving lamp as the central processor is the main content of this design using 51 single-chip microcomputer. through the book knowledge learning, teachers guidance and literature data access, to determine the 51 microcontroller as the main chip, then because of the need to achieve sound and light control function, it must use the photosensitive resistance and the electret microphone resistance to realize the conversion of light and sound into electrical signals, use the mcu minimum system module, voice module, optical module several modules of hardware to implement the design. the design of sound and light control module respectively through the electret microphone and photosensitive resistance will sound signals and optical signals are converted to electrical signals by 51 single chip computer can recognize to achieve sound and light control function. through the use of drawing the system principle diagram, the whole circuit diagram, program flow chart of the knowledge and the necessary graphics simulation software, complete the system circuit design, mold design, the photosensitive sensor electric transform voice rectifier filter amplifier and programming, simulation, iii hardware debugging, finally designed and implemented by using 51 single chip computer that day by the light control circuit function control light does not shine, the night by the sound control circuit function control switch lights, and a delay time out. so as to achieve the purpose of energy saving and environmental protection, ultimately achieve the requirements. keywords: 51 singlechiplight-operated circuitsound-control circuit photoresistorelectret microphone iiii 目录目录 第一章 绪 论第一章 绪 论 1.1 论文选题的目的和意义.1 1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势.1 第二章 论文设计概述第二章 论文设计概述 2.1 论文主要要求.3 2.2 论文设计思路及说明.3 2.3 论文设计方案.3 2.4 方案选择.4 第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计 3.1 at89c52.5 3.2 单片机的原理.5 3.3 驻极体话筒.7 3.4 光敏电阻.8 3.5 双电压比较集成器 lm393.9 3.6 系统主要模块介绍：.11 3.6.1 光控电路模块.11 3.6.2 声控电路模块.12 3.6.3 串口通信模块.12 3.6.4 电源电路模块.12 3.6.5 复位电路模块.12 3.6.6 时钟电路模块.12 第四章 系统电路设计第四章 系统电路设计 4.1 系统工作原理方框图.16 4.2 51 单片机系统及功能实现.17 4.3 整个系统的电路原理图.17 4.4 主要部分功能介绍.17 4.4.1 光控电路.18 4.4.2 声控部分.19 第五章 系统程序设计第五章 系统程序设计 5.1 程序设计流程图.20 5.2 单片机控制程序.21 5.3 系统电路设计.19 第六章 调试仿真第六章 调试仿真 6.1 系统两大模块说明.22 6.1.1 声控部分.22 iv 6.1.2 光控部分.22 6.2 系统仿真.22 6.3 结论.22 参考文献参考文献.28 附录附录. 29 后记后记. 31 1 第一章 绪 论第一章 绪 论 1.1 论文选题的目的和意义1.1 论文选题的目的和意义 在学校,机关,厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道,长明灯现 象十分普遍,这造成了能源的极大浪费。另外,由于频繁开关或者人为因素,墙壁 开关的损坏率很高,增大了维修量,浪费了资金。 而本课题正是声光控制路灯的设 计,它设计出一种电路新颖, 安全节电, 结构简单, 安装方便, 使用寿命长的声 光双控白炽灯节能路灯，同时，这可加强对模拟电子技术和数字电子技术的理解 和巩固。以此达到节能环保的作用。 1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 由于近年我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品 的主要输出国之一。努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途的照明器具 的开发，加快绿色、节能光源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结 构调整的重点。我国目前已经成为世界照明电器生产大国，我们的目标是要成为 照明电器产品生产强国，我们与发达国家在照明电器产品的质量、档次、生产工 艺、材料及新产品开发能力等方面存在明显的差距。看到我们取得成绩的同时， 也能清醒的认识我们存在的差距，才能不断的进步。美国、法国、荷兰、英国、 意大利等国家从上世纪 90 年代起，纷纷制定出相关扶持政策，用于推广节能灯 等节能产品。仅美国环保局从 1991 年开始实施绿色照明以来，就投资 10 多亿美 元用于推广高效照明产品。研究指出，节能灯能减少雇员眼部疲劳和头疼的发生 率。 这也是构成商业机构乐于更换新一代照明系统的另一原因。可见节能灯在国 内外都有着重大的发展和重要作用。随着城市路灯规模的增加,靠人工对路灯的 控制、维护及工作状态的监测,在控制、检测的实时性等方面的矛盾日益突出。 对路灯实现智能化和节能控制,对于解决人工控制存在的问题是非常有利的,同 时对于节约电能和美化城市夜景也是非常重要的。 路灯是我国经济发展和国家 建设中必需的用电设备，它在我国的整体用电量中所占比例巨大，如果通过节能 装置对其进行有效控制，就能够降低电力损耗，达到节约能源，降低生产安装成 本，有助于我国经济的快速发展。 基于单片机的声光双控路灯将在我国的未来 城市发展中发挥更加广泛的作用。 2 第二章 论文设计方案第二章 论文设计方案 2.1 论文主要要求2.1 论文主要要求 (1)利用 51 系列单片机作为中央处理器； (2)具有声控和光控功能； (3)完成系统电路设计； (4)光敏传感器的模电变化的电路设计； （5）完成仿真电路，通过单片机编程能实现改变灯亮时间的长短。 2.2 论文设计思路及说明2.2 论文设计思路及说明 随着科技的飞速发展，自动化已经运用在了生活中的方方面面，而路灯就是 一个很好的例子。路灯的自动化控制主要通过声控和光控两部分来实现。这种控 制主要根据光照强度和声音来共同控制路灯的点亮与熄灭。 白天光照强度很大的 时候路灯不需要点亮，而到了晚上通常就需要路灯是点亮的，但是由于晚上又不 需要路灯经常亮着，因为这样势必会浪费许多电量，所以需要通过声控来实现路 灯的点亮与熄灭：当人或车经过的时候发出声响，路灯就会自动点亮，一段时间 自动熄灭。这样就大大减少了能源的浪费。 大致原理介绍：使用光敏电阻和驻极体话筒分别来检测光信号和声音信号， 通过驻极体话筒和光敏电阻得到的电信号在进行测控电路进行整流、滤波、放大 等功能后变为数字信号，再将这个数字信号发送到 51 单片机，经过 51 单片机来 判断是否是高或低电平来决定灯的亮与不亮，灯的亮与不亮用发光二极管 led 来显示。本设计有两种系统，一种是光控系统，另外一种是声控系统，这两个功 能均通过单片机控制，使其能达到如下功能：在白天有光照强度强时，声控不起 作用，光控功能处于关闭状态，路灯在有声音信号的情况下也不亮；在晚上黑暗 状态时，声控系统起作用，当有声响的时候路灯点亮，延时一段时间自动熄灭。 本设计是通过驻极体话筒作为传感器来接受声音信号并将其转化为微弱电 信号， 然后通过放大电路和迟滞比较电路将微弱的电信号转变成单片机能识别的 翻转电平信号即方波信号，并送入单片机的 p3.5 口，单片机通过程序来判别信 号变化来控制开关的闭合状态或者发光二极管的亮灭， 同时光敏电阻受光强的影 响阻值发生改变，引起电压变化进而来控制单片机的中断程序，使得开关在白天 和光照比较亮的时候都处于断开状态，达到声光双控开关的目的。 3 2.3 论文设计方案2.3 论文设计方案 2.3.1 方案一2.3.1 方案一 利用 51 单片机定时器计数功能控制路灯在白天一段时间内灯不亮；在晚上转变 为通过声控电路控制路灯的点亮与熄灭。 图 2.3.1 方案一 4 2.3.2 方案二2.3.2 方案二 利用光敏电阻和驻极体话筒将外界的光信号和声音信号转换为单片机能识别的 电信号来控制路灯。 图 2.3.2 方案二 2.4 方案选择方案选择 通过方案一与方案二的比较分析，可以清楚看到，如果在白天阴雨天气等光照强 度很弱的情况下路灯也不会点亮，方案一因为是计时器功能实现白天灯不亮，设 计不够灵活，而方案二则很灵活地可以通过光敏电阻进行调节，思路清晰明确且 简洁易懂，故选择方案二。 5 第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计 3.1at89c52 at89c52 是一个低电压， 高性能 cmos 8 位单片机， 片内含 8k bytes 的可反复擦 写的 flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（ram） ，器件采 用 atmel 公司的高密度、 非易失性存储技术生产， 兼容标准 mcs-51 指令系统， 片内置通用 8 位中央处理器和 flash 存储单元，at89c52 单片机在电子行业中有 着广泛的应用。图 3.1 为 at89c52 的引脚图： 图 3.1at89c52 引脚图 3.2 单片机的原理及各引脚功能介绍：3.2 单片机的原理及各引脚功能介绍： vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口， 当 fiash 进行校验时，p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接收输 出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，p1 口被外 部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校 验时，p1 口作为第八位地址接收。 6 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收，输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输 入。并因此作为输入时，p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部 上拉的缘故。p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取 时，p2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对 外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门 电流。 当 p3 口写入“1”后， 它们被内部上拉为高电平， 并用作输入。 作为输入， 由于外部下拉为低电平，p3 口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口作为 at89c52 的一些特殊功能口，管脚备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（记时器 0 外部输入 p3.5 t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 rst 脚两个机器周期的高电平 时间。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器 周期两次/psen 有效。 但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen 信号将不出现。 /ea / vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh）， 不管是否有内部程序 存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时， 此间内部程序存储器。 在flash编程期间， 此引脚也用于施加12v编程电源 （vpp） 。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 7 图 3.2at89c52 引脚功能介绍 3.3 驻极体话筒驻极体话筒 驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于 盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输 出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此 驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。 驻极体话筒声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片， 在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异 性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间 用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极 体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变 化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十 pf。因而它的输出阻抗值很高(xc12tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗 是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三 极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场 效应管有源极(s)、栅极(g)和漏极(d)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极 间再复合一只二极管的专用场效应管。 接二极管的目的是在场效应管受强信号冲 击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有 三根。即源极 s，一般用蓝色塑线，漏极 d，一般用红色塑料线和连接金属外壳 8 的编织屏蔽线。其原理图如下： 图 3.3驻极体话筒结构图 3.4 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫 化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减 小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移 运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅 速下降。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换 为电的变化） 。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。 光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它 的阻值（暗阻）可达 110m 欧,在强光条件（100lx）下，它阻值（亮阻）仅有 几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光 （0.40.76）m 的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。 图（3）为光敏电阻基本结构图： 图 3.4.1 光敏电阻结构图 9 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波 长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻 没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光 线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导 管。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。 通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧 姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏 度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体 材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价 带中产生一个带正电荷的空穴， 这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材 料中载流子的数目， 使其电阻率变小， 从而造成光敏电阻的阻值下降。 光照愈强， 阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电 阻的阻值也就逐渐恢复原值。 光敏电阻随入射光线的强弱其对应的阻值变化不是线性的， 也就不能用它作光电 的线性变换，这是使用者应注意的地方。初学者可购置一只光敏电阻器（mg45 型)，在夜间点一盏 60100w 的白炽灯，用万用表直接测量光敏电阻器的阻值。 测量时，应把光敏电阻对着白炽灯的光，再逐渐拉开与灯的距离(由近到远)，观 察万用表指示的阻值变化，可以直观验证光敏电阻的特牲，以加深对它的感性认 识。 常用的光敏电阻器型号有密封型的 mg41、mg42、mg43 和非密封型的 mg45。 它们的额定功率均在 200mw 以下。 在光电自动控制电路中，可以选用光敏电阻器作为光电传感元件。 图 3.4.2光敏电阻实物图 3.5 双电压比较集成器双电压比较集成器 lm393 3.5.1 主要功能3.5.1 主要功能 输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上，不受 vcc 端电压值的限制.此输出能作为一个简单的对地 sps 开路(当不用负载电阻 10 没被运用)，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的值所限制.当达到极 限电流(16ma)时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压 被输出晶体管大约 60ohm 的sat 限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失 调电压(约 1.0mv)允许输出箝位在零电平。 图 3.5.1 lm393 芯片图 3.5.2 主要特点主要特点 lm393 是双电压比较器集成电路。 该电路的特点如下： 比较器数:2 工作温度范围:0c - +70c svhc(高度关注物质):no svhc (18-jun-2010) 器件标号:393 通道数:2 逻辑功能号:393 工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源： 2 36v， 双电源： 118v； 消耗电流小， icc=0.8ma； 输入失调电压小， vio=2mv； 共模输入电压范围宽， vic=0vcc-1.5v； 输出与 ttl，dtl，mos，cmos 等兼容； 输出可以用开路集电极连接“或”门；采用双列直插 8 脚塑料封装（dip8）和微 形的双列 8 脚塑料封装（sop8） 。 3.5.3 结构图结构图 lm393 内部采用双列直插 8 脚塑料封装（dip8）和微形的双列 8 脚塑料封装 （sop8） 11 图 3.5.3 lm393 内部结构图 3.5.4 应用说明应用说明 lm393 是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端 有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变 状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准 pc 板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于 10k 将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回 1.010mv)能导致快速转 换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入 ic(集成电路板 integrated circuit，缩写：ic) 并在引脚上加上电阻将引起输入 输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间 相当快，则滞回将不需要。 比较器的所有没有用的引脚必须接地。 lm393 偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围 2.030v 无关。 通常电源不需要加旁路电容。 差分输入电压可以大于 vcc 并不损坏器件， 保护部分必须能阻止输入电压向负端 超过-0.3v。 lm393 的输出部分是集电极开路，发射极接地的 npn 输出晶体管，可以用多集 电极输出提供。 3.6 系统主要模块介绍：系统主要模块介绍： 3.6.1 光控电路模块光控电路模块 光敏传感器模电变换的电路图 12 图 3.6.1 光控电路图 当光敏电阻收到光照的时候，电阻减小，运放同向输入端为低电平，端口 1 输出为低电平；当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平，端口 1 输出为高电平。光控电路的输出信号经过电压跟随器后，将比较微弱的电流信号 放大到单片机能够识别的电流， 然后由运放输出端将放大后的信号传给单片机的 p1.6 口。 3.6.2 声控电路模块声控电路模块 声控电路部分电路图 图 3.6.2 声控电路图 13 驻极体话筒将接收到的声音信号转换成微弱的电压信号，然后，微弱的电压 信号经过两级放大器的放大， 然后将放大后的信号电压通过迟滞比较器转变成单 片机识别的高低电平信号,经过双向稳压管变成翻转电平信号，然后传给单片机 的外部中断 p3.5 口。 3.6.3 串口通信模块3.6.3 串口通信模块 图 3.6.3 串口通信模块电路图 串口通讯对单片机而言意义重大， 不但可以实现将单片机的数据传输到计算 机端，而且也能实现计算机对单片机的控制。由于其所需电缆线少，接线简单， 所以在较远距离传输中，得到了广泛的运用。 通信协议原理 通信协议是通信设备在通信前的约定。单片机、计算机有了协议这种约定， 通信双方才能明白对方的意图，以进行下一步动作。假定我们需要在 pc 机与单 片机之间进行通信，在双方程式设计过程中，有如下约定： 0 xa1：单片机读取 p0端口数据，并将读取数据返回 pc 机； 0 xa2：单片机从 pc 机接收一段控制数据； 0 xa3：单片机操作成功信息。 在系统工作过程中，单片机接收到 pc 机数据信息后，便查找协议，完成 相应的操作。当单片机接收到0 xa1时，读取 p0端口数据，并将读取数据返回 pc 机；当单片机接收到0 xa2时，单片机等待从 pc 机接收一段控制数据；当 pc 机接收到0 xa3时，就表明单片机操作已经成功。 硬件连接 51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便 14 地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如计算机的串口是 rs232电平的，而单片机的串口是 ttl 电平的，两者之间必须有一个电平转换 电路，我们采用了专用芯片 max232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行 模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就 是说和计算机的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的 gnd、第2脚的 rxd、 第3脚的 txd。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路 如下图所示，max232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚 连接，第15脚和单片机的20脚连接。 串口通信电路采用经典的 max232 串口通信，由于电脑串口 rs232 电平是-10v +10v， 而一般的单片机应用系统的信号电压是 ttl 电平 0v+5v，max232 就是用 来进行电平转换的，进行对单片机与电脑的通信，系统中采用 max232 串口通信 电路。 系统中采用串口通信电路可与电脑进行通信，可以对单片机内的程序进行 修改， 并对相关的指令和相关的数据进行调整。并且可以针对性地将单片机与电 脑进行通信， 编写上位机软件程序， 在上位机(电脑)上对系统状态进行实时监测， 并可以让功能更强大的 pc 机进行庞大的指令处理。 在本系统中，加入串口通信电路模块，可以使电路的完整性大大增强，并对 系统的升级有极大的优势，可以是系统在双机通信、与上位机通信等方面拥有相 对优势，使得设计更加完善。 3.6.4 电源电路模块3.6.4 电源电路模块 电源模块主要是为整个系统提供可靠、稳定的电源。主要实现以下功能： （1）安全隔离：即强电弱电隔离，他将外电路中的强电转化为5伏的弱电压。 （2）电路保护：包括短路保护、过压保护、欠压保护、过流保护、其它保护 。 （3）电压变换：这里主要是将强电变成弱电。 （4）稳压：将交流电别换成直流弱电，始终保持输出电压一定。 其原理图如下： 图 3.6.4 电源电路 3.6.5 复位电路模块复位电路模块 复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后 撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号， 15 以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。下图所示的 rc 复位电路可以实现上述基本功能。 图3.6.5 复位电路图 3.6.6 时钟模块的设计时钟模块的设计 51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大 器的输入端为芯片引脚 xtal1， 输出端为引脚 xtal2.这两个引脚跨接石英晶体 振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。如下电路中的 电容 c1 和 c2 典型值通常选择为 20pf 左右。晶振的震荡频率的范围一般是在 1.2mhz 到 12mhz 之间。晶振的频率越高，则系统的时钟频率也越高，单片机的 运行速度也就越快。 图 3.6.6 时钟模块 16 第四章 系统电路设计第四章 系统电路设计 4.1 系统工作原理方框图如下图所示：系统工作原理方框图如下图所示： 图 4.1 系统工作原理图 白天整个系统的光控部分中的光敏电阻将光信号转换为电信号， 经过光控电 路转换为单片机能识别的高低电平信号，以此来控制路灯；晚上主要由声控电路 中的驻极体话筒将接收的声音信号转换为微弱的电信号， 经过声控电路放大整流 等作用转换为单片机能识别的信号，51 单片机将接受的信号经过已编写好的程 序控制灯的点亮，并且一段时间后自动熄灭。 17 4.2 51 单片机系统及功能实现单片机系统及功能实现 系统主要由光控电路模块、声控电路模块、串口通信模块、电源电路模块、 复位电路模块、时钟电路模块、以及 51 单片机系统构成。它们各自实现的功能 前面已有介绍，此处不作赘述。先将整个系统总的实现原理做一简单的介绍。 （1）打开电源，给系统提供电源，此时指示灯亮。 （2）加载程序，将已写好的程序（仿真正确的程序）下载到单片机里，具体方 法是：首先将系统的串口与 pc 机的串口相接，找到已经写好的程序点击下载。 其次， 按系统复位电路， 给系统上电， 此时， 程序就会自动的下载到单片机中去。 （3）光控功能的调试，给系统不同的光照强度，此时可以看到路灯会随着外界 光照强度的不同而时亮是灭。这就是光控的实现。 （4）声控功能的调试，驻极体话筒会感应的外界的声音大小而产生不同的电流 强度，当声音达到一定的程度是，路灯就会放光。之后一直处于明亮状态，过了 设定的时间后自动关闭。 4.3 整个系统的电路原理图：整个系统的电路原理图： 图 4.3 系统电路原理图 18 4.4 主要部分功能介绍主要部分功能介绍 4.4.1 光控部分光控部分 图 4.4.1 光控电路 光敏电阻受到光照，阻值随光照强度的升高而变小，当白天光照强度很强 （0-100lx 左右） ，阻值很小，运放同向输入端为低电平，光控电路的输出信号 经过电压电压跟随器后将比较微弱的电流信号放大并输出给单片机 p1.6口。 lm393是一个比较器，它的主要工作原理是：将正输入和负输入的电压进行比较， 当正输入电压大于负输入电压时，则输出高电平，反之则输出低电平。可以通过 调节可变电阻 r10r11的阻值来改变正负输入的电压值来调节比较器的灵敏度。 19 4.4.2 声控部分声控部分 图 4.4.2 声控电路 首先驻极体话筒将外界发出的声音信号变成电信号，之后经过 q3 共射级放 大电路将微弱的电信号放大，共射级主要用来放大电压，之后是射级跟随，避免 前级对后级的影响， 之后是同相放大和射级跟随， 射级跟随后面有一个高通滤波， 将最终得到的电流信号输出给单片机的 p3.5 口。 20 第五章 系统程序和电路设计第五章 系统程序和电路设计 5.1 程序设计流程图如下5.1 程序设计流程图如下 图 5.1 程序流程图 程序执行部分： 白天光照强度强光敏电阻阻值很小，光控电路呈导通状态，p1.6 口输出为高电 21 平，则令 p1.7 也为高电平，此时发光二极管不亮；晚上光照强度几乎为零，光 敏电阻阻值很大，光控电路呈断开状态，p1.6 口输出为低电平，此时由 p3.5 口 即声控电路起作用控制发光二极管，若有声音发出，则声音信号转变为电信号通 过 p3.5 口传入单片机，单片机再通过 p1.7 口输出低电平，此时发光二极管亮， 通过单片机内部延时功能让其点亮 60 秒自动熄灭， 若无声音信号则 p1.7 口为高 电平控制发光二极管处于熄灭状态。 程序结束。 5.2 单片机控制程序5.2 单片机控制程序 通过 keil 软件新建工程， 选好芯片， 编写程序， 编译准确无误后生成.hex 文件。 系统源程序见附录。 5.3 系统电路设计5.3 系统电路设计 根据第四章介绍将各部分模块通过 proteus 软件画出具体电路图如图所示 图 5.3 系统电路连接图 将单片机最小模块，声控模块，光控模块与发光二极管正确连接，整个系统的电 路图就绘制完成了， 双击单片机 at89c52 将通过 keil 软件生成的.hex 文件载入， 仿真过程会出现一些元器件模型在元器件库里没有或者重名等情况， 通过一些通 用元器件的替换和重新命名等手段最终得到正确的仿真图。 22 第六章 调试仿真第六章 调试仿真 6.1 系统两大模块说明6.1 系统两大模块说明 6.1.1 声控部分：声控部分： 当有声音产生时，声音通过驻极体话筒将其转换为电信号，通过声控电路放 大整流滤波等得到稳定的电信号，经过电压比较器 lm393，通过判断正电压和 负电压的大小来控制 p3.5 口输出的是高电平还是低电平。 6.1.2 光控部分：光控部分： 由光敏电阻来感受光照强度， 然后经过电压比较器输出高低电平信号并将信 号送给单片机的 p1.6 口控制灯的亮灭是否受声音控制。发光二极管的驱动和控 制，由 pnp 来控制发光二极管，pnp 基极电平来自单片机的 p1.7 口输出信号， 当为低电平是发光二极管发光并发光一段时间熄灭，为高电平时不发光。 6.2 系统仿真系统仿真 将利用 keil 编译好的程序生成.hex 文件后加载到 proteus 绘制好的的 51 单片机 中，进行仿真，如下图所示 图 6.2 系统仿真图 由于声控模块这部分不好仿真，为简化设计使实验现象更为直观简洁，将声控模 块这个整体用一个按键开关和电阻组成的简易模块代替，然后进行仿真。 系统在不同条件下的仿真图有以下几种情况。 23 6.2.1 白天无声音灯不亮白天无声音灯不亮 图 6.2.1 白天无声音 光控电路主要由光敏电阻和 lm393 组成，lm393 是电压比较器，它的主要工作 原理是：将正输入和负输入的电压进行比较，当正输入电压大于负输入电压时， 则输入高电平，反之则为低电平。随着外界光照强度的变化，输入比较器的正反 电压也在不断变化，当正电压比较大时，即光照强度强的时候，比较器会给单片 机输入高电平，p1.6 口输出为高电平，发光二极管不亮。 24 6.2.2 白天有声音灯不亮白天有声音灯不亮 图 6.2.2 白天有声音 白天单片机输出 p1.7 口由光控电路起作用， 由于整个白天光敏电阻很小， lm393 比较器接收的正电压总是大于负电压，因此无论声控电路是否接收到声音信号， p1.6 口接收的电信号永远是高电平，发光二极管不会发光。 25 6.2.3 晚上有声音灯亮晚上有声音灯亮 图 6.2.3 晚上有声音 晚上光照强度几乎为零，光控电路中的正电压较小，比较器会给单片机输入为低 电平，此时单片机通过编写的程序将 p1.7 口输出的电平由 p3.5 口控制，也就是 此时由声控电路起作用，声控电路同样通过 lm393 电压比较器控制，当有声音 被驻极体话筒接收到的时候，声控电路中的 lm