基于51单片机的路灯光声控器设计.doc

基于51单片机的路灯光/声控器设计摘要：随着自动化水平的不断提高，用户对家用电器的自动化要求也越来越高。因此，对路灯的自动控制也很有必要。路灯的光控与声控是路灯自动控制的主要方式，这种控制的主要功能是根据光照强度和声音的大小来共同控制路灯的亮和灭。例如，在白天光照强度大的时候，路灯就没有必要再亮，而在晚上时，我没通常需要灯是亮着的；同时，考虑到整个晚上路灯都在亮的状态势必会浪费更多的电，而且也会大大地减少路灯的寿命，所以此时就要加上声控部分了，当人们需要路灯亮的时候只需要发出点声音，路灯就会自动亮起来，过一定的时间就会自动灭了。这样既满足用户需求又节省电源。关键词：光控电路 声控电路 光敏电阻 驻极体话筒 过程控制Abstract：With increasing levels of automation, users of automation appliances demand more and more.Therefore, automatic control of lights is also necessary.Street light control and sound control is the main form of street light control, the main function of this control is based on the size of the light intensity and sound to the common control of the bright lights and off.For example, light intensity during the day when the lights would not need to re-light, and in the evening, I do not usually require light is illuminated; the same time, taking into account the real one night lights are bright state is bound to waste moreelectricity, but also greatly reduce the lamps life, so in this case we must add the voice part, and when the bright lights, when people need only point the sound issue, lamp lights up automatically, over a certain time willautomatically extinguished.This will not only meet the user needs it to save power.Key words： Light control circuitVoice control circuit；Electric microphone ； Photosensitive resistance； Process Control目 录一、课程设计的思路和设计说明41、题目要求4 2、设计思路及说明 42、 设计方案的比较和论证4 1、软件设计方法 5 2、硬件设计方法 5三、基于单片机的路灯光/声控器设计的具体方法和过程8 1、电源电路设计8 2、串口通信的实现83、光控模块设计94、声控模块设计105、声控电路设计116、 时钟模块设计117、 系统程序编写118、51单片机系统及功能实现12四、设计过程中遇到的问题及解决方法12五、实验结果及结论12 1、光控模块结果分析12 2、声控电路结果分析13六、元件清单14七、参考文献15附页16基于51单片机的光/声路灯控制器的设计1、 课程设计的思路和设计说明1、 题目要求： 题目名称：基于单片机的路灯光/声控器设计 题目要求：(1)具有与PC串口通信的功能； (2)具有数码光显示或者LED指示灯显示状态； (3)绘制原理图，PCB；(4)完成单片机的所有代码编写； (5)设计PC机简易显示界面。2、设计思路及说明随着自动化水平的不断提高，用户对家用电器的自动化要求也越来越高。路灯的自动控制也很有必要。路灯光控与声控是路灯自动控制的主要方式，这种控制的主要功能是根据光照强度和声音的大小来共同控制路灯的亮和灭。例如，在白天光照强度大的时候，路灯就没有必要再亮，而在晚上时，我没通常需要灯是亮着的；同时，考虑到整个晚上路灯都在亮的状态势必会浪费更多的电，而且也会大大地减少路灯的寿命，所以此时就要加上声控部分了，当人们需要路灯亮的时候只需要发出点声音，路灯就会自动亮起来，过一定的时间就会自动灭了。这样既满足用户需求又节省电源。其大体原理介绍如下：使用驻极体话筒和光敏电阻分别来检测声音信号和光信号，将接受的信号经过放的处理之后再与给定的电源大小进行比较，产生一个数字信号，再将这个数字信号发送的51单片机，经过判断是否是高或低电平来决定的亮与不亮，灯的亮与不亮用LED来显示。感应部分分为两个模块，也就是两种方式提供脉冲信号，一个是光控系统，另外是声控系统，这两个功能通过单片机控制，使其达到如下功能：在有光照强度强时，声控不起起作用，光控功能处于关闭状态；在黑暗状态时，两中控制方式同时起作用，此时光控模块提供脉冲使电灯处于点亮状态，然后通过单片机设定定时器，在没有声音信号到来之前，设置灯灭，当有声音信号到来时打开路灯，设置一定时间后关闭路灯。接下来的一段黑暗状态就是只有声控模块提供即时脉冲，期间也有定时器控制电灯点亮状态。二、设计过程中方案的比较，论证 本次课程设计共有两种设计方案，即软件设计和硬件设计。综合两种设计方法，软件设计为硬件电路的搭建提供了理论依据，硬件设计更好的证明了软件仿真的正确性和可行性。具体说明如下：1、软件设计方法（1）、设计电路原理图 根据整个系统的要求以及要实现的功能，选择合适的电器元件，在Proteus软件绘制出路灯控制系统的原理图。整个控制系统的原理图如下： 图（1）（2）、按照已经设计好的电路原理图对整个系统进行编程 编程时使用的是Kiel软件。具体程序见附页。 （3）、程序调试在Kiel中编好程序后，用Proteus调用写好的程序。调用后运行Proteus，若果所得结果就是预先设定的，则仿真基本上可以算完成了。若果和设定的结果不相一致，则说明程序还有问题，这时返回到步骤，继续看程序有没有出问题，修改结束后在进行步骤的操作，直到结果正确。2、硬件设计方法 （1）、根据系统原理在Protel 99 SE绘制电路原理图。图中主要包括：电源模块、复位模块、时钟模块、串口通信模块、光控模块以及51单片机系统等。与软件的设计方法相同，其原理图入下： 图（2）电路原理图 （2）、将rotel 99 SE的电路原理图生成PCB板。在绘制完电路原理图之后，检测是否正确，在进行电器规则检测，然后生成相应的网路报表。最后把原理图生成PCB。生成后，对其进行手动或自动布线。其PCB图如下： 图（3）PCB图（3） 、制作PCB板。可以将已经做好的PCB板图发给制板商叫他们生产。也可以自己买相应的比较简单的设备自己做。（4） 、焊接与测试设计过程第一个阶段要求完成板卡的焊接，主要过程如下: 、练习使用烙铁、镊子、钳子等工具。在焊接正式电路板之前，先熟练焊接过程，练习使用烙铁，配合镊子，焊锡焊接电阻、电容等一些常用的元器件。 、焊接电源模块器件。首先，使用万用表测试电路板正电源与GND之间是否有短路现象，如发现光板上有短路现象，及时向指导老师报告，更换电路板:然后，认清电源模块器件的类型(电阻、电容、芯片)、放置方向(电解电容的正负极方向、芯片的管脚方向)、摆放位置(见电路原理图和元件放置图);再对电路板电源模块器件进行焊接;最后，使用万用表测试电路板上的电源模块在焊接过程中是否出现短路和断路(虚焊)情况，焊接成功为输出电压正常，电路板电源指示灯亮。 、焊接主芯片模块。主芯片模块是凌阳单片机CPU工作模块，包括晶振电路、复位电路、下载电路、锁相环电路。注意主芯片的芯片座管脚方向和下载电路中的74LS244芯片DIP插座的缺口方向。 、焊接IO口模块和指示灯模块。IO口模块为输出设备，焊接器件主要是电阻和各种接插件，注意电阻大小和接插件方向:指示灯模块是LED灯，LED灯有正负极，焊接前用万用表量出LED灯的正负极（LED正接万用表时，发出微弱光芒），然后参照电路原理图和制板图，焊接LED。 、焊接串口模块。串口模块是用串口实现与上位机通信，焊接DB9串口座，贴片电解电容和串口MAX232芯片，先熟悉电解电容的正负极标志，查看电路图上的电容的正负极位置，焊接完成后，先检查电容的正负极是否与电路图保持一致，在确认正确无误的情况下进行上电测试。、焊接电机检测信号和控制信号模块。电机检测信号和控制信号模块主要焊接DIP芯片座和输入输出信号接插件，焊接时注意DIP芯片座缺口方向和接插件方向，焊接完成后对74LS245测试，检测芯片的输入输出电压和芯片电压是否正确（5）板卡初始化和程序编写电路板卡初始化主要包括测试板卡的下载电路、IO口电路和串口电路，实现电路板可以进行程序下载，LED指示灯动态闪烁，IO口输出莫频率的方波信号，上下位机进行串口通信。程序主要包括LED闪烁程序，IO方波程序和串口通信程序。（6）扩展功能实现 扩展功能实现包括: 、电路板IO口能输入模拟信号，并对模拟信号进行采集。 、扩展通信协议，如制定用于其他系统的协议设定，如光照强度检测、声音信号检测等。 、对路灯进行控制，能根据单片机发出的信号对路灯进行控制。3、 基于单片机的路灯光/声控器设计的具体方法和过程 1、电源电路的模块设计 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（4）电源电路2、串口通信的实现（1） 串口通信原理 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。（2） 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： 0xA1：单片机读取P0端口数据，并将读取数据返回PC机； 0xA2：单片机从PC机接收一段控制数据； 0xA3：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0xA1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0xA2时，单片机等待从PC机接收一段控制数据；当PC机接收到0xA3时，就表明单片机操作已经成功。 （3）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。 图（5） 串口通信电路3、 光控模块设计 如下图所示，图中主要有j4插件是从外界接入光敏电阻，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VR1VR2的阻止来改变正负输入的电压值来调节比较器的灵敏度。 图（6）光控电路图4、 声控模块的设计 声控照明电路的主要原理是利用了声学和电子学的原理即用声音传感器将声音信号转换成电信号从而推动触发器触发使电路导通工作。作为一个智能化声控照明电路应具有以下功能：能在声音的控制下实现电路的导通与截止。声音的发出应是多方面的如脚步声，物体打击声等。响应时间应越短越好。为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控照明电路控制电路的前端，同时我们还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在20DB以上才能响应等。 图（7）声控电路图 5、 复位模块的设计 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，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（8）复位电路6、 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C14和C15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（9）时钟电路7、 系统程序设计根据系统的原理图设计程序，实现以下功能：在有光照强度强时，声控不起起作用，光控功能处于关闭状态；在黑暗状态时，两中控制方式同时起作用，此时光控模块提供脉冲使电灯处于点亮状态，然后通过单片机设定定时器，在没有声音信号到来之前，设置灯灭，当有声音信号到来时打开路灯，设置一定时间后关闭路灯。接下来的一段黑暗状态就是只有声控模块提供即时脉冲，期间也有定时器控制电灯点亮状态。系统采用C语言编程，利用Kielc51软件进行程序的编写。8、51单片机系统及功能实现系统主要由电源电路模块、复位电路模块、时钟电路模块、串口通信模块、光控电路模块、声控电路模块以及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、 设计过程中遇到的问题及解决方法 1、第一次调试光控路灯时程序无法下载，经过对整个电路的仔细检查，最后终于发现是因为通信协议模块的芯片MAX232插反了。改正过来之后系统运行处于正常状态。 2、在设计声控路灯时，由于驻极体话筒的灵敏度不高，将声音信号转换成的电流过小，很难被单片机所识别，导致单片机始终接受到的是低电平，使得系统无法正常的工作。通过在电路中增加放大器使得问题得以解决。 3、最初设计程序时将光控部分提供脉冲信息设置反了，以至于电灯没有出现应有的现象，有光的时候处于点亮状态，黑暗状态的时候是出于熄灭状态。最后把程序的光控部分改过来就可以实现预设功能了。5、 实验结果及分析1、光控模块结果分析通过对光敏电阻光照强度的控制来调节路灯的亮与不亮。，当外界光线较强时，系统控制路灯关灭，当外界光线较弱时路灯自动打开。如图（5）所示，电路中主要有J4插件，是从外界接入光敏电阻，光敏电阻在光照强度不同时输出不同的电阻值，而且反应十分灵敏。LM393是一个电压比较器，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，则输出高电平，反之则输出低电平。随着外界光照强度的变化，输入比较器的正反电压也在变化，当正电压较大时（也就是外界光照强度强的时候）比较器会给单片机输入高电平，在通过单片机程序控制路灯的明亮与关断。因此这个结果是可以也是比较容易实现的。硬件设备的成功控制也恰恰说明了这一点。 2、声控电路结果分析 （1）驻极体话筒的原理： 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的编织屏蔽线。其原理图如下：图（10）驻极体话筒原理图（2）声控电路原理 声控电路主要是通过控制声音的强度对驻极体话筒的作用来控制路灯的亮与灭，当声音强度超过一定程度后，驻极体话筒产生会电信号，然后经过一系列放大、整流，最后经过数字不叫器将其转化成数字信号，比较器转化原理与光控电路中的相同。然后将得到的数字信号发送给单片机，单片机接受后用来控制路灯的开和关。 六、元件清单 Category,Reference,ValueResistors,R1,3kResistors,R2,3kResistors,R3,2kResistors,R4,10KResistors,R5,10kResistors,R11,10kResistors,R6,75kResistors,R7,200Resistors,R9,510kResistors,R12,510kResistors,R10,5.1kCapacitors,C1,0.1uCapacitors,C2,0.1uCapacitors,C