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楼道口声控灯控制系统设计（合肥）,楼道,声控,控制系统,设计,合肥
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学号：1108441098 本科毕业论文（设计）手册(2015届)楼道口声控灯控制系统设计学 院 电子信息工程学院 专 业电气工程及其自动化姓 名 黄金祥 指导教师 刘栋材 职 称 讲师 等 级 博士 6合肥师范学院本科毕业论文（设计）开题报告（学生填写）学号1108441098姓名黄金祥指导教师刘栋材题目楼道口声控灯控制系统设计课题内容：当今社会的主潮流是：降低能耗，节约能源，注重环保。声光控开关体积小，外形美观，反应灵敏，制作容易，是公共场合照明开关的理想选择，被誉为：“长明灯的克星”。公共场所和居民区的楼道口所使用的手动开关由于种种原因往往会长明于昼夜之间，这不仅大大缩短了手动开关的寿命增大了维修量给国家、单位以及个人带来不必要的损失，还有可能带来不必要的安全隐患。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。因此，设计出一种电路结构简单，高效节能的声光双控开关是十分有必要的。利用51单片机设计出来的声光双控开关，在电路设计好后，可运用软件来实现和控制其功能，在自动模式下模拟夜间有声音的情况下灯光会自行亮起来，而在白天即使有声音灯也不会亮，而在手动模式下，可以直接通过手动开关来控制等的亮与灭，整个系统方便灵活，并且易修改，在使用过程中更加方便节能，智能环保。课题关键问题及难点：设计声光控开关，最起码要考虑三个问题，其一是灯泡的开关控制，这是由220V市供电。其二是光控制，使其在有光时，即使有声音也不能亮。其三就是声音控制，在晚上或光线不足时，只要有人经过，发出声音，灯泡就会点亮。系统以51单片机为主，采用引脚功能和指令系统与MCS-51相兼容的单片机为核心的电路系统，当光线采集模块检测到周围环境光线较弱时，一旦声音采集模块检测到声音灯光便会亮起，内置的延时系统在声控灯工作一段时间后便会自动熄灭，而且可以通过电位器来调节整个系统对光线以及声音强弱的敏感度，整个系统结构简单，性能可靠。拟采取的方式、方法及计划进程安排（主要技术路线）：目前的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，而且许多声控开关的平均使用寿命不长，主要是因为电路作频繁的开关，启动电流非常大，导致功率元件可控硅由于过载而损坏。如果在设计中采用继电器驱动电灯的，能控制比较多的负载灯。现如今单片机技术已经非常成熟，而在未来的发展目标则是利用单片机设计出更加智能的声光双控开关系统，硬件具备好以后可以直接用软件实现对控制以便在使用过程中更加的安全节能，智能环保。由于单片机是一种集具有数据处理功能的CPU、随机存储器RAM、制度存储器ROM、定时器/计数器、多种I/O接口以及中断功能于一起的计算机系统，运用超大规模电路集成技术将所有的元器件集中到一块非常小的硅片上，优化了电路结构，节约了大量的资源与空间。参考文献：1 肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.8 2 何立民. 单片机高级教程 第1版北京：北京航空航天大学出版社，2001 3 赵晓安. MCS-51单片机原理及应用. 天津：天津大学出版社，2001.3 4 何立民从Cygnal 80C51F看8位单片机发展之路 单片机与嵌入式系统应用，2002年，第5期：P58 5 夏继强. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社, 2001年6 何希才. 传感器技术及其应用 北京航空航天大学出版社2005年7 赵家贵. 传感器电路设计手册 中国计量出版社2002年8 王俊杰. 检测技术与仪表 武汉理工大学出版社2002年9 孙涵芳. 单片机原理及应用 北京航空航天大学出版社1996年10 谭浩强. C语言程序设计（第四版） 清华大学出版社2010年6月11 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12 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13 郝文化. Protel DXP 电路原理图与PCB设计 机械工业出版社2004年14 郝希才. 实用传感器接口电路实例 中国电力出版社2007年15 陈圣林. 图解传感器技术及应用电路 中国电力出版社2009年指导教师意见：教师签名： 年 月 日指导小组(教研室)意见：组长签名： 年 月 日合肥师范学院本科毕业论文（设计）中期报告（学生填写）学号1108441098姓名黄金祥指导教师刘栋材题目楼道口声控灯控制系统设计1、开题以来所做的具体工作和取得的进展和成果自开题以来，我所做的工作主要是：在计算机上安装所要用到的开发工具并做有关的主要功能测试。画出系统的原理图并生成PCB。根据原理图进行实物元器件的排版，并焊接。对焊接好的系统做简要的功能调试。根据老师提供的模版，独立完成论文的初稿并做好格式的修改。2、下一步的主要研究任务，具体设想和安排对系统的不足之处争取早日解决。对论文的内容及格式做进一步的修改。对论文进行查重并依据查重结果做出修改。3、存在的具体问题对系统的数据传输的内部工作不够熟悉造成开发的困难性。程序代码太过冗长，不够简练指导教师意见：教师签名： 月 日指导小组(教研室)意见：组长签名： 月 日合肥师范学院本科毕业论文（设计）指导记录（指导教师、学生共同填写）学号1108441098姓名黄金祥指导教师刘栋材题目楼道口声控灯控制系统设计第1次指导 时间：2014.11.5 地点：躬行楼211 指导形式：面谈指导内容：讲解毕业设计的一些注意事项，通知开始毕业设计并做好毕设选题的准备。学生签名： 教师签名： 第2次指导 时间：2014.11.19 地点：躬行楼211 指导形式：面谈指导内容：查看各自准备的毕业设计课题是否符合要求，确定了毕业设计的课题。学生签名： 教师签名： 第3次指导 时间：2014.12.10 地点：躬行楼211 指导形式：面谈指导内容：指导查阅与课题有关的资料，使对课题内容有充分的理解，并布置指导做毕业设计的有关任务。做好充分的开题准备。学生签名： 教师签名： 第4次指导 时间：2015.1.7 地点：躬行楼211 指导形式：面谈指导内容：指导开题工作，指导开题报告的填写并确认开题后的主要任务进程。学生签名： 教师签名： 第5次指导 时间：2015.3.11 地点：躬行楼211 指导形式：面谈指导内容：检查前一段时间的工作成果，指导解决设计过程中所遇到的常见问题。学生签名： 教师签名： 第6次指导 时间：2015.3.25 地点：博约楼107 指导形式：面谈指导内容：中期检查毕业设计进展状况以及论文格式与内容结构并给予修改意见。学生签名： 教师签名： 第7次指导 时间：2015.4.15 地点：躬行楼211 指导形式：面谈指导内容：准备好答辩所需材料，进行预答辩之处还存在的不足和所需改进之处。学生签名： 教师签名： 第8次指导 时间：2015.4.22 地点：躬行楼211 指导形式：面谈指导内容：指导答辩，讲解答辩过程的技巧及主要的注意事项。指导答辩学生签名： 教师签名： 1 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告论文相似性检测报告（详细版）论文相似性检测报告（详细版）报告编号：报告编号：53076f8b-9aed-4089-904c-a47600f68e25原文字数：原文字数：14,056检测日期：检测日期：2015年04月10日检测范围：检测范围：中国学术期刊数据库（CSPD）、中国学位论文全文数据库（CDDB）、中国学术会议论文数据库（CCPD）、中国学术网页数据库（CSWD） 检测结果：检测结果：一、总体结论一、总体结论总相似比：8.20%8.20% (参考文献相似比：0.00%0.00%，排除参考文献相似比：8.20%8.20%)二、相似片段分布二、相似片段分布 注：绿色区域绿色区域为参考文献相似部分，红色区域红色区域为其它论文相似部分。三、相似论文作者（举例3个）三、相似论文作者（举例3个）点击查看全部举例相似论文作者四、典型相似论文（举例5篇）四、典型相似论文（举例5篇） 头部中前部中部中后部尾部序号序号相似比相似比相似论文标题相似论文标题参考文献参考文献论文类型论文类型作者作者来源来源发表时间发表时间14.92%基于声传感器阵列的移动目标定位技术研究学位论文冯振宇沈阳理工大学201321.64%SF气体密度监控系统的研制学位论文赵非哈尔滨理工大学200731.64%数字化变电站直流屏电源监控系统学位论文彭智娟山东科技大学200541.64%基于单片机的油封自动生产装置控制系统的研制学位论文周婧河北工业大学20102 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告五、相似论文片段（共3个）五、相似论文片段（共3个） 序号序号相似比相似比相似论文标题相似论文标题参考文献参考文献论文类型论文类型作者作者来源来源发表时间发表时间51.64%基于蓝牙的煤矿安全无线传输网络的设计学位论文朱正英华中科技大学20061 1送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【4.92%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：基于声传感器阵列的移动目标定位技术研究 学位论文冯振宇，2013年 沈阳理工大学高增益,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的输出部分是一个集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,其可以用多集电极输出提供或OR ing功能。LM393的输出负载电阻能够接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上而不受 Vcc端电压值的限制。此输出大学硕士学位论文- 40 -31 2 48 57 6+-+VCCGND图 4.8 LM393 内部结构LM393 是高增益,宽带器件，像大多数比较器一样，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 将减小回馈信号，而且增加甚至很小的正回馈量(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)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39。LM393 的主要特点：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1-18V；消耗电流小，ICC=0.8mA；输入失调电压2 2送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.64%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：基于单片机的油封自动生产装置控制系统的研制 学位论文周婧，2010年 河北工业大学弹簧的拉力而吸向铁芯，从而带动衔铁的常闭触点与常开触点吸合。当线圈断电后，电磁力铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随3 论文相似性检测报告 论文相似性检测报告六、全部举例相似论文作者（共3个）六、全部举例相似论文作者（共3个） 查看全文报告请点击说明：1.总相似比送检论文与检测范围全部数据相似部分的字数/送检论文总字数2.参考文献相似比送检论文与其参考文献相似部分的字数/送检论文总字数3.排除参考文献相似比=总相似比-参考文献相似比4.剩余相似比总相似比-典型片段总相似比5.本报告为检测系统算法自动生成，仅供参考也随之消失，此时衔铁就会在弹簧的反作用力下返回到原来的位置，从而使常开触点与原来的常闭触点分开。通过触点的吸合、释放达到在电路中的导通、切断的目的。我们可以这样来区分电磁继电器的常开与常闭触点：线圈未通电时处于断开状态的为常开触点，而处于接通状态的则称之为常闭触点。继电器一般有两股电路之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器3 3送检论文片段送检论文片段相似论文片段相似论文片段【1.64%】位置：头部中前部中部中后部尾部来源：基于蓝牙的煤矿安全无线传输网络的设计 学位论文朱正英，2006年 华中科技大学语言自带各种功能的库函数，使得运算速度加快，编译效率得到高，同时C语言具有良好的可移植性，并且可以实现对硬件系统的直接控制。此外，C语言拥有当前程序设计中被广泛应用的自顶向下结构化程序设计技术，其程序也具备完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障当前单片机程序设计中广泛采用的自顶向下结构化程序设计技术。C 语言程序具有完善的模块程序结构,从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。使用 C 语言进行单片机程序设计已成为单片机软件开发的主流。用 C 语言序号序号作者作者典型片段总相似比典型片段总相似比剩余相似比剩余相似比1冯振宇4.92%3.28%2朱正英1.64%6.56%3周婧1.64%6.56%学号：1108441098 本科毕业论文（设计）(2015届)题目： 楼道口声控灯控制系统设计 院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 黄金祥 指导教师 刘栋才 合肥师范学院15届本科毕业论文(设计)摘 要声控灯是一种利用声音来控制灯光亮与灭的照明装置,它是由可控硅电路、音频放大电路和延时电路等组成，它的原理是当暮色降临后,有人经过声控灯附近并发出声响时,声控灯会自动点亮为行人提供照明,当行人离开一段时间后声控灯会自动熄灭。但在白天即使有人经过声控灯附近并发出声响声控灯也不会点亮，这样便达到了用时即亮，不用即灭的效果，从而达到节约能源的目的，并有访误触而带有的延时关闭功能，设有手动开关，使其使用更急方便。 本课题是以STC89C51单片机为主，采用引脚功能和指令系统与MCS相兼容的单片机为核心来研究声光控开关的设计，设计中采用驻极体来完成对声音信号的采集，并且可以通过电位器来调节对声音的灵敏度，此外还设有光明控制电路，同样可以通过对电位器的调节来控制对光线强弱的敏感性，再通过单片机内部软件加以判断使开关在白天时即使有声音也不工作并且在声控灯工作一段时间后可以自行熄灭，这种声光双控的系统大大降低了能源的消耗，节约了人力物力，提交本设计的可行性与可靠性。重要的是声控灯不仅仅适用于居民区的楼道口，而且还适用于工厂，写字楼，教学楼等公共场所，具有小体积、美观、制作及操作方便等优点，在今后的发展中将会使声控灯普及各个大街小巷，暂且不论其节能价值，其在环保方面也颇为建树，没有热辐射，也没有汞等重金属及其污染物的的处理问题，因此还被成为“绿色照明光源”的明日之星。更何况在我国大部分城市都采用全夜灯的方式用于街道照明，此方法存在两个问题：其一，后半夜行人稀少，采用全夜灯的方式未免也太浪费资源，此外，全夜灯的照明方式会影响街道旁边居民的睡眠，影响到居民的生活质量，由此可见其发展的前途将不容小歔。关键词：声光控，智能，节能，可靠性。AbstractVoice control lamp is a way to use voice to control the lighting of the lights on and off, it is made of silicon controlled rectifier circuit, audio amplifier circuit and delay circuit, its principle is that when the evening, near someone through voice control lamp and make a sound, voice control will automatically light for pedestrians to provide lighting, when the pedestrian leave after a period of time voice control will automatically go out. But during the day, even if someone pass by voice control lamp near and audible voice control lamp will not light, thus achieved when the bright, without the effect, so as to achieve the purpose of saving energy, and have a visit to touch with the delay of the closure of the function, is equipped with manual switch, make its use more convenient.This topic mainly on STC89C51 microcontroller, using the pin function and the instruction system with MCS compatible MCU as the core to study light-operated switch design, adopted in the design of electret to complete the voice signal acquisition, and can adjust the sensitivity of sound through the potentiometer, moreover also has the light control circuit, also can through the potentiometer to adjust to control their sensitivity to light, and then through the single chip microcomputer internal software to determine the switch even if a voice in the daytime dont work and work on the voice control lamp after a period of time can put out by oneself, the acousto-optic double control system greatly reduces the energy consumption, save manpower, submit the feasibility and reliability of the design.Importantly corridor voice control lamp not only applicable to the residential areas, but also suitable for factories, office buildings, buildings and other public places, has small volume, beautiful, and the advantages of convenient operation, in the future development will make the voice control lamp popularize various streets, regardless of its energy conservation value, its also quite accomplished in environmental protection, no radiation, no mercury and other heavy metals and the processing of pollutants, so also known as green lighting source star of tomorrow. Whats more, most cities in China are adopting whole night light the way for street lighting, there are two problems with this approach: first, had deserted, with the method of whole night light is also is a waste of resources, in addition, the whole night light lighting will affect the sleep of street residents, affect the quality of life of residents, so the future of its development will be neglect.Keywords: optical, intelligence, energy saving and reliability.目 录摘要1ABSTRACT1目录11. 绪论11.1 课题背景11.2 课题现状11.3 课题意义11.4 本章小结12.设计方案及工作原理22.1 课题的研究内容22.2技术方案的选择22.3 系统结构42.4 系统的工作原理52.5 本章小结53.硬件系统的设计203.1 单片机主控电路203.2 声音信号采集电路的设计263.3 光信号判断电路的设计273.4 LM393电压比较器介绍293.5 继电器驱动模块设计313.6 本章小结314. 软件设计334.1 软件设计语言的选择334.2 主程序流程图334.3 定时器程序流程图334.4 按键程序流程图334.5本章小结385.联调与测试425.1 软件调试385.2 硬件调试385.3 本章小结386结论与展望447 谢 辞32参考文献33附录1 总电路图34附录2 仿真图35附录3 PCB图36附录4 源程序37IV 1. 绪论1.1 课题背景当今社会的主潮流是：降低能耗，节约能源，注重环保。声光控开关体积小，外形美观，反应灵敏，制作容易，是公共场合照明开关的理想选择，被誉为：“长明灯的克星”。公共场所和居民区的楼道口所使用的手动开关由于种种原因往往会长明于昼夜之间，这不仅大大缩短了手动开关的寿命增大了维修量给国家、单位以及个人带来不必要的损失，还有可能带来不必要的安全隐患。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。因此，设计出一种电路结构简单，高效节能的声光双控开关是十分有必要的。1.2 课题现状我国绝大多数地区的路灯关开灯都是采用人工控制或者定时控制，这样也有许多不利之处：若采用人工控制，则路灯开关存在着一定的不确定性，同时也占用了一定的人力资源；定时控制则存在着夏冬季白黑昼时间不同的情况，使得天还没黑路灯就开，天还没亮路灯就灭的情况，大大影响了人们的日常出生活。目前，我国市场上已经存在多种节能灯设备，能够达到一定的节能效果，但就其节能功效来讲还不尽如人意，主要原因有二：一是采用可控硅式设备，元器件容易发热，可想而知，必然存在一定的安全隐患。二是采用自偶变压器及磁饱和电抗器的压降技术，容易在高峰时期造成灯光闪灭，不能实现自动调节的功能。基于公共场所和居民区的楼道口所使用的手动开关由于种种原因会长明于昼夜之间带来一定的经济损失和安全隐患这些因素，设计一个基于单片机的声光双控智能开关系统，使公共场所和居民区的楼道口的灯在白天时不亮，夜幕降临时闻声自亮，待行人走后一段时间，灯光又可自行熄灭，这样既方便，又节约能源。1.3 课题意义（1）以51单片机为核心，采用引脚功能和指令系统与MCS-51相兼容的单片机，简化了电路结构，方便操作者模拟现实生活中的场景，使课题的研究更加具有实际意义；（2）具有声光双控功能，系统模拟实际所用声控灯设计，在白天时不亮，而在夜幕降临并且有声音时亮灯，达到用时即亮，不用即灭的效果，以此节约能源；（3）整个系统拥有延时控制功能，在声控灯工作一段时间后便可自行熄灭，这样便可以防止因误触而导致声控灯工作的情况发生；（4）本课题所设计的声光双控系统应时下社会各界及实际生活所需，具有节能、高效、环保等诸多优点，可以应用至居民区，工厂，办公楼等各个社会公共场所。1.4 本章小结本章主要讲述了本次课题是基于原本的照明灯存在着十分严重的资源浪费问题以及带有一定的安全隐患，从而设计出一种电路结构简单，操作方便且节能的照明灯已是时下之所需，这将使得照明灯达到用时即亮，不用即灭的目的，避免了街道灯全夜灯火通明等诸类问题，在今后的发展中将使得声控灯得以长足的发展空间。2.课题设计方案及工作原理2.1 课题的研究内容利用51单片机设计出来的声光双控开关，在电路设计好后，可运用软件来实现和控制其功能，在自动模式下模拟夜间有声音的情况下灯光会自行亮起来，而在白天即使有声音灯也不会亮，而在手动模式下，可以直接通过手动开关来控制等的亮与灭，整个系统方便灵活，并且易修改，在使用过程中更加方便节能，智能环保。2.2 技术方案的选择目前的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，而且许多声控开关的平均使用寿命不长，主要是因为电路作频繁的开关，启动电流非常大，导致功率元件可控硅由于过载而损坏。如果在设计中采用继电器驱动电灯的，能控制比较多的负载灯。现如今单片机技术已经非常成熟，而在未来的发展目标则是利用单片机设计出更加智能的声光双控开关系统，硬件具备好以后可以直接用软件实现对控制以便在使用过程中更加的安全节能，智能环保。由于单片机是一种集具有数据处理功能的CPU、随机存储器RAM、制度存储器ROM、定时器/计数器、多种I/O接口以及中断功能于一起的计算机系统，运用超大规模电路集成技术将所有的元器件集中到一块非常小的硅片上，优化了电路结构，节约了大量的资源与空间。2.3 系统结构 设计声光控开关，最起码要考虑三个问题，其一是灯泡的开关控制，这是由220V市供电。其二是光控制，使其在有光时，即使有声音也不能亮。其三就是声音控制，在晚上或光线不足时，只要有人经过，发出声音，灯泡就会点亮。设计的整体方案图如图1所示。整个系统以STC89C51单片机为核心，采用引脚功能和指令系统与MCS-51相兼容的单片机，内置4K字节的EPROM，无需扩展外部程序存储结构，优化了电路，缩小了体积，降低了系统的成本。整个设计包括以下几个模块：（1）声信号采集模块，该模块主要是负责声音信号的采集并放大，再经过电压比较器输入到单片机。（2）光信号采集模块，对光信号进行处理，电路当中有光信号时，输出一电平信号给单片机，当晚上或光线较暗时输出一反向信号给单片机，由单片机作出判断。（3）继电器驱动模块，由单片机控制，通过三极管驱动继电器的线圈，达到控制外部灯的效果。本设计以STC89C51为主控芯片的单片机声控灯，其硬件部分由单片机主控器电路，声音放大电路， 按键电路，继电器驱动电路，光线采集电路，电压比较电路组成，系统框图如图2-1所示：图2-1 系统框图2.4 系统的工作原理系统以51单片机为主，采用引脚功能和指令系统与MCS-51相兼容的单片机为核心的电路系统，当光线采集模块检测到周围环境光线较弱时，一旦声音采集模块检测到声音灯光便会亮起，内置的延时系统在声控灯工作一段时间后便会自动熄灭，而且可以通过电位器来调节整个系统对光线以及声音强弱的敏感度，整个系统结构简单，性能可靠。2.5 本章小结本章主要简介了整个系统的设计方案，先将系统划分各个子模块，在实现各个子模块的功能后再将各个子模块合成一个整体便实现了声控灯控制系统的功能，阐述了系统的工作原理是在单片机内软件的控制下当外界光线变弱且有声音的情况下声控灯会变亮。3.硬件系统的设计3.1 单片机主控电路由于控制、指示、报警电路都是围绕单片机进行，所以放在一起阐述。STC89C51为主要的中央处理系统，单片机是在集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机，这些元件包括中央处理器CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、定时器/计时器、多种I/O口和中断系统。由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点，因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛，在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。在各类仪器、仪表中引入单片机，可使仪器仪表智能化，提高计算机的运行速度，简化仪器仪表的结构，提高其性价比。（一）STC89C51主要功能、性能参数如下：（1）内置标准51内核，机器周期：增强型为6时钟，普通型为12时钟;（2）工作频率范围：040MHZ，相当于普通8051的080MHZ;（3）STC89C51RC对应Flash空间：4KB;（4）内部存储器（RAM)：256B;（5）定时器计数器：3个16位；（6）通用异步通信口（UART）1个；（7）中断源:8个；（8）有ISP(在系统可编程）IAP(在应用可编程),无需专用编程器仿真器；（9）通用IO口：3236个；（10）工作电压：3.85.5V；（11）外形封装：40脚PDIP、44脚PLCC和PQFP等。（二）STC89C51工作方式STC89C51单片机通常有两种产生时钟信号的方式：一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。在51单片机的内部有一震荡电路，只要其XTAL1和XTAL2外接晶振就可构成自激振荡器并产生脉冲信号。 (1) 时钟电路STC89C51单片机通常有两种产生时钟信号的方式：一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。在51单片机的内部有一震荡电路，只要其XTAL1和XTAL2外接晶振就可构成自激振荡器并产生脉冲信号，内部时钟方式如图3-1所示。其中电容的作用是稳定频率和快速起振。图3-1 STC89C51内部时钟电路(2) 复位电路51单片机的复位操作分为手动复位和自动上电复位，复位电路图如图3-2所示。单片机的手动复位有脉冲方式和电平方式，只需将RST引脚接入高电平并保持两个机器周期便可执行复位操作。单片机的自动上电复位则是在保证Vcc上升时间不超过1ms的前提下，通过外部复位电路电容的充放电来实现的。图3-2 STC89C51复位电路单片机的手动复位有脉冲方式和电平方式，只需将RST引脚接入高电平并保持两个机器周期便可执行复位操作。其最小系统如图3-3所示。图3-3 单片机最小系统电路为了能使单片机始终处于正常的运行状态，其最小系统必须包含电源，时钟，复位灯部件，电源、时钟等电路作为单片机运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。因STC89C51单片机含有ROM/EPROM，所以只需要将51单片机外接时钟电路和复位电路便可完成最小系统的设计，其结构简单，功能稳定、可靠。但由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。如图3-4所示图3-4 单片机最小系统原理框图3.2 声音信号采集电路的设计 声传感器是一种能将声波的振动转换为电压和电流的的声电转换元件。常用的声电转换元件有压电陶瓷片、驻极体话筒等。压电陶瓷片又称压电蜂鸣器，它是根据某些材料的压电效应而制成的。当受到外界机械压力或振动作用时，某些材料会产生压电效应，产生电压和电流，其数值与作用于材料表面的机械力成正比。把压电陶瓷片材料制作成圆形薄片并在其表面上烧渗一层薄的银层作为电极，经过直流高压极化，即成为具有压电效应的压电陶瓷片。驻极体话筒一般是由驻极体和结型场效应管组合而成。其中，驻极体是由表面具有永久电荷的某种高分子材料组成包括振膜，背极和空隙三个部分，在振膜和背极间形成一个具有定量电荷的电容结构。由于驻极体膜片和金属板间的电容量较小，因而它的输出阻抗值很高，大约能达到几十兆欧以上，但这么大的阻抗值不能直接与音频放大器相匹配，可以在话筒内接一个与之相适应的输入阻抗极高的结型场效应管来进行阻抗变换。驻极体话筒因具有体积小，结构简单物美价廉等特点常被作为声传感器。MK1为声传感器，当没有声音时，其输出为低电压信号，若有声音时，输出一电压值，该电压值经过三极管放大，可以调节其阻值，使其放大倍数改变，起到调节声音灵敏度的作用。如图3-5所示为声音信号采集电路。图3-5 声信号采集电路3.3 光信号判断电路的设计光敏电阻又称光导管，其常用的制作材料为硫化镉，当然还包括硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。之所以用这些材料制作是因为其具有在特定波长的光照射下阻值迅速减小的特性，而这种特性又是由于光照产生的载流子在外加电场的作用下作漂移运动使电子流向电源的正极，空穴流向电源的负极，从而使光明电阻的阻值下降。其结构如图3-6所示。图3-6 光敏电阻组结构图光敏电阻是一种利用阻值可随光线强弱而改变的材料制造的电阻，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。一般用于光的测量和光电转换等。常用的光敏电阻器为硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。由于光敏电阻对光线的敏感性与人眼相差无几。因而在设计光控电路时，可用白炽灯或自然光作为控制光源，从而使设计大为简化。楼道上的声控开关出了声音控制外，还必须有光控功能，即在白天时无论有无声音，都不会点亮灯泡，只有在夜晚或是光线较暗时，发出声音后，才会开灯。这就必须设计一个光控电路，原理图如图3-7所示。图3-7 光信号判断电路 图中R6为光敏电阻器，光敏电阻器的主要功能是，当没有光照或光线不足时，其阻值较大，达到兆欧级以上，相当于处于断路状态，此时R6和R7中间输出为低电平。而当有光照时，光敏电阻阻值下降，阻值相当小，此时电位器R6与R7的中间输出为高电位。本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压，得到的电压值给LM393进行电压比较，通过10k可调电阻可以实现光线限值的调节。感应光线是否过弱，将信号给单片机处理。3.4 LM393电压比较器介绍LM393主要特点如下：（1）工作电源电压范围比较宽，可工作于单电源，工作范围：236V，也可工作于双电源，工作范围为:118V；（2）消耗电流小，Icc=0.8mA；（3）输入失调电压较小，Vi0=2mV；（4）共模输入电压范围比较宽，Vic在0Vcc-1.5V之间；（5）输出可与TTL，DTL，MOS，CMOS 等元件兼容；（6）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）。LM393引脚图如图3-8所示：图3-8 LM393引脚图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的输出部分是一个集电极开路,发射极接地的NPN输出晶体管,其可以用多集电极输出提供或OR ing功能。LM393的输出负载电阻能够接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上而不受 Vcc端电压值的限制。此输出能作为一个简单的对地SPS开路,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允许输出箝位在零电平。本设计利用光敏阻值的变化与电阻进行分压，得到的电压值给LM393进行电压比较，通过10k可调电阻可以实现光线限值的调节。感应光线是否过弱，将信号给单片机处理。同理声音信号也是这样感应和比较的，如图3-9所示：图3-9 电压比较模块电路图3.5 继电器驱动模块设计电磁继电器一般是由衔铁、线圈、铁芯、触点簧片等元器件组成的。只需在其线圈的两端加上一定的电压，电磁继电器的线圈中就会流过一定的电流，进而产生电磁效应，此时衔铁就会在电磁力的作用下克服弹簧的拉力而吸向铁芯，从而带动衔铁的常闭触点与常开触点吸合。当线圈断电后，电磁力也随之消失，此时衔铁就会在弹簧的反作用力下返回到原来的位置，从而使常开触点与原来的常闭触点分开。通过触点的吸合、释放达到在电路中的导通、切断的目的。我们可以这样来区分电磁继电器的常开与常闭触点：线圈未通电时处于断开状态的为常开触点，而处于接通状态的则称之为常闭触点。继电器一般有两股电路，分为低压控制电路和高压工作电路。继电器驱动接口电路如图3-10所示，这里继电器由相应的PNP型号的三极管来驱动，继电器吸合，从而驱动负载，点亮相应电灯。设计中负载没有接，当继电器吸合时，LED也会得电，达到指示的作用。图3-10 继电器驱动电路图3.6 本章小结本章主要讲述了整个系统的元器件选择和系统的各个模块及其各自的功能，主要的功能模块有声音采集模块，它主要是用来对外界声音的采集，光线采集模块，主要用于对外界光线强弱的感知，为了提升系统的负载能力而添加了继电器驱动模块，将各个子模块的功能合在一起便成为一个声控灯控制系统。4.软件设计4.1 软件设计语言的选择单片机语言的编程一般使用两种语言：分为C语言和汇编语言。其中C语言是一种结构化的语言,其因可读性好，易移植而成为一种普遍使用的计算机语言,但其占用的资源较多，因而执行效率并不高。相反的汇编语言则是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，所以十分接近机器语言，相应的其所占用的资源相对比较少，执行效率高。但不同的CPU所使用的汇编语言又有可能有差异，也就不易移植到不同的CPU中。作为一种被广泛使用的语言，C语言兼顾了许多种高级语言的特点，是一种编译型设计语言。C语言自带各种功能的库函数，使得运算速度加快，编译效率得到高，同时C语言具有良好的可移植性，并且可以实现对硬件系统的直接控制。此外，C语言拥有当前程序设计中被广泛应用的自顶向下结构化程序设计技术，其程序也具备完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，时下C语言已然成为用来进行程序设计的主流。综上所述，用C语言进行单片机程序设计是单片机开发和应用的必然趋势。本设计就采用C语言进行编程，明显的增加了软件的可读性。4.2 主程序流程图主程序流程图如图4-1所示,开始工作后,系统会检测此时外界光线是否在夜间,当判定是夜间后,系统会再次检测外界是否存在声音信号,当系统检测到有声音信号后继电器会吸合,此时声控灯便会工作,在亮30S后,继电器会断开,声控灯停止工作。图4-1 主程序流程图4.3定时器程序流程图 定时器程序流程图如图4-2所示，当继电器合上灯光亮时系统便转而进入定时系统，时间变量会自动增加，当工作30S后，变量符合逻辑判断要求，继电器断开灯光熄灭，此时定时器工作结束。图4-2 定时器程序流程图4.4 按键程序流程图 按键程序流程图如图4-3所示,通过按键来切换系统的工作模式,当切换到自动模式时,在光线较弱且有声的情况下,系统便可实现声控功能图4-3 按键程序流程图4.5 本章总结本章主要讲述了系统的软件设计方面，运用库函数丰富，功能强大的C语言来编辑系统的控制软件，并以流程图的方式将整个系统运行方式展现了出来，逻辑结构清晰可见。从光线的检测到声音的检测再到工作时间的判断，每一步都井然有序。5.联调与测试5.1软件调试 Proteus 提供了包含数字信号和模拟信号在内的相对较丰富的测试信号用于电路的测试。Proteus 提供了两种方法用于硬件电路和软件的调试：一种是系统总体执行效果，另一种则是对软件的分步调试以看具体的执行情况。 按下Play键后,仿真中的红色指示灯会亮起,如图5-1所示,此时系统处于声控系统的自动模式。图5-1 Proteus软件由于仿真中无法模拟周围环境中的光线强弱和声音大小，所以通过声音传感器和光线传感器开关来模拟周围的光线和声音环境，此时按下模式切换键，系统会进入工作模式，图中的黄灯亮起，如图5-2所示。图5-2系统处于工作模式调试成功后可以达到设计的要求。通过设计智能声光控开关，加深了对单片机系列的认识。让我更好的运用了本科两年所学的知识，运用于实践，加深了对知识的理解。在设计过程中学习了很多软件的使用，包括硬件部分运用Protues进行设计，用Keil进行程序编译，用Protel进行制板。5.2 硬件调试接通DC电源后，电路板的黄色模式指示灯会亮起，如下图5-3箭头所指，显示为此时为自动模式。 黄色指示灯图5-3 自动模式当遮住箭头所指光敏电阻，打一下响指或外界存在其他声音的情况下，驻极体会采集到声音，此时红色指示灯会亮起，系统处于工作模式，如图5-4所示。红色工作指示灯图5-4工作模式按下模式切换键切换到手动模式后，可将系统切换到手动模式，此时可以直接通过手动开关来控制等的亮与灭。如图5-5所示手动按键模式切换键图5-5 手动模式5.3 本章小结本章主要阐述了声控灯硬件调试
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