基于单片机的声光双控开关的设计(protues仿真)

本科学生毕业论文（设计） 题 目 基于单片机的声光双控开关设计 系 别 物理与电子科学系 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 武春东 指导教师 陈新河 职称 讲师 论文字数 5788 完成日期: 2011 年 5 月 27 日 基于单片机的声光双控开关的设计基于单片机的声光双控开关的设计 武春东 （巢湖学院 物理与电子科学系，安徽巢湖 ） 摘要摘要: :该设计主要介绍的是关于声光控的电路设计。声光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏 电阻在背光的的时候灯就会慢慢的熄灭，即这时也是人走过了的时候。在有的电路中这种原理也 可以通过声音的振动来实现，当人走过是只需用手轻排一下灯就会自动的亮，人离开后又熄灭。 这样就给路人提供了相应的方便，同时，也达到了节电和节能的目的；延长灯的寿命。在实际生 活中节电节能，能够实现更多的自动化。在本设计中介绍了声光控路灯控制器的组成、性能，适 用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了 维修量、节约了资金，使用效果良好。白天光照好，不管过路者发出多大声音，灯泡都不会发亮。 夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过数十秒后又自动熄 灭，节能节电。 关键词：关键词：自动控制；节能；光电开关；声控电路；光控电路； Based on SCM acousto-optic dual control switch design Wu Chundong （The Department of Physics and electronics Chaohu College, ChaoHu ） AbstracAbstrac：This design is mainly introduced in the circuit design steerable about sound. Acoustic light- activated is realized by photoconductive resistance, when the backlight photoconductive resistance when light will slowly extinguished, namely then also is a person walked. In some circuit this principle could be realized by the vibration of the voice, when people walk is to simply with handle gently row about lamp will automatically light, people left and put out. Thus to passers-by with a corresponding convenience, at the same time, also achieved power saving and energy-saving purpose; Prolong lamp life. In actual life saving energy saving, can realize more auto main schools, offices, factories and enterprises and other units public and residential public corridor, ever-burning lamps phenomena are very common, this creates a tremendous waste of energy. In addition, due to frequent switch or man-made factors, wall switch, increasing the damage rate high maintenance, waste money. Meanwhile, in order to improve our analog electronic technology and digital electronic technology understanding and consolidated, I spent a months time for graduation design, and I design topic is the design of acousto-optic control floodlight, I designed a circuit novel, safety section, simple structure, convenient installation, service life long acousto-optic double accused of incandescent lamp energy-saving lighting. In this design is introduced in the variety of acoustic light-activated street lamp controller, the scope of the composition, properties and its working principle, the circuit principle diagram and given device parameters selection, power saving effect is apparent, also greatly reduced maintenance, saving money, use effect is good. Daytime light job, whether out passers-by voice, lamp will not light. when light comes, circuit pick-up as long as detect have broken hair ring, will automatically bright lighting, several seconds later , and effective energy saving. Keywords:Keywords: Automatic control； energy-saving； Photoelectric switch； Sonic circuits； Optical circuit 目目 录录 一一 综述综述 .1 1 1.1 课题背景 .1 1.2 课题研究的意义和目的 .2 1.3 国内外概况 .3 二二 总体电路设计总体电路设计 .4 4 2.1 设计原理 .4 2.2 电源设计 .4 2.3 信号放大整形电路设计 .5 2.4 延时处理电路单稳态电路设计 .5 2.5 整体工作原理图 .7 三三 PROTEUSPROTEUS 仿真仿真.9 9 3.1 proteus 相关介绍 .9 3.2 仿真电路图 .9 3.3 仿真数据 .10 四四 收获和体会收获和体会 .1313 五五 参考文献参考文献 .1414 一一 综述综述 整个电路由电源电路，放大电路，处理电路（声控电路、光控电路）及延时电路 等部分组成。电源由太阳能电池供电，光敏控电路对外界光亮程度进行检测，输出与 光亮程度相对应的电压信号。从而实现白天灯泡不亮晚上遇到声响时，通过声控电路 使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而要实现自动控制，延 时电路声音消失后延长一段光照时间。必要时可加一个手动开关，以增强电路的实用 性。 1.11.1 课题背景课题背景 随着人们对生活环境的要求越来越高，照明灯的需求也在不断地发展，人类有意 识地采用各种方法改进它。照明，不仅改变了人们”日出而作，日落而息的生活方式， 也充斥丰富了我们的精神世界。是的，也许你不禁要问：”为什么一个小小的照明灯 有如此神奇的功效。 “我想这要归功它的结构及发明原理啊！这当中到底包含了多少 值得我们去探索，发现的奥秘呢？带着这个问题，我们共同选择了这个课题，一起从 课题研究中找到答案 1.1.2 2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 研究目的：通过这次的课题研究我们希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的 发明原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高我们的动手能力，创新 意识，及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。同时我们也希望这次的研究能让同学 进一步地了解照明灯，而不是仅局限与课本知识以内。从小的突破点入手，掌握又一 项科技知识，从而实现课堂外的又一次提高,为现代教育科学尽一份力量！ 研究意义：用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有 人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们 进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道 灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且 也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、 工作可靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备。 降低能耗、节约能源、注重环 保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。继公布 “欧盟后年封杀白炽灯”的时间表后，世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局，环保型节 能荧光灯是白炽灯的替代者。 节能荧光灯 VS 白炽灯，胜券在握已无悬念，但楼道照明却限制了荧光灯的使用， 因为楼道照明是非持续性的，有人经过才需要光亮，而不断的开关通断会影响荧光灯 的使用寿命，所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用。 1.31.3 国内外概况国内外概况 由于近年来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。照明器材行业属一般性竞争行业，是我国轻工业对外开放较早的行业之一。 WTO 后，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。 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。我国照明器材 行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也成为一些企业瞩 目的焦点。 随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品 生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的国家，一是中国具备生产这 些产品的条件，二是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。 展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势，以下强力因素都预示着我国照明 市场仍有很大的潜力可挖。基础设施建设方面：机场、铁路、港口、城市轨道交通等 讯速发展，每一项工程均需要照明。城市亮化工程方面：城市广场、绿地、道路、建 筑物泛光照明，已从大城市发展到中小城市。 根据国内外市场需求预测，我国照明电器行业的高速增长期还将继续，对未来的预 测如何更加科学化是我们面临的问题。进一步提高照明产品的质量和档次进一步提高 照明产品的质量和档次，这既是当前摆在我们面前的课题，同时也是全行业共同努力 的长期目标。 二二 总体电路设计总体电路设计 2.12.1 设计原理设计原理 声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送 处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控 制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接 控制负载动作。 图 1 1 设计方框图 2.22.2 电源设计电源设计 电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流全波整流；稳压二极管；三端稳 压器稳压等。具体采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构不同和可靠、价廉、 有效益等要求进行选用。电源的设计结构如图 2 图 2 电源设计结构图 降压稳流部分由 R1C1、全桥 QD 和滤波电容 C2 组成，DW 稳压后得到+9V 的电压， 为电灯控制电路提供了工作电压。电路图如图 2-3 R2 200 C3 47u L1 220 DW1 2CW57 C2 220u H 60W V1 220V C21 2200uF C22 50nF C? 1nF +88.8 AC Volts U? L2002L8 图 3 3 声光双控电源电路 2.32.3 信号放大整形电路设计信号放大整形电路设计 放大电路实现方法很多，除分立器件实现之外，还可采用运放，也可采用门电路 等来实现。考虑到Proteus没有拾音器，故本设计电路采用开关代替。本系统放大 整形电路设计结构图如下： R4 430k R5 4.3k R6 2.7k R7 1.8k R8 5.6k VT1 C458 VT2 9014 VT3 9014 C5 10u C6 10u D3 DIODE D2 DIODE C7 0.68u 图 4 信号放大整形电路图 2.42.4 延时处理电路单稳态电路的设计延时处理电路单稳态电路的设计 555 和 R9、C8、VT4、VT5 等组成光控单稳态电路。所谓光控就是利用光敏三极 管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路 555 的四脚进行高低电平的控制，或处于 等待触发状态，或处于强制复位状态。白天光照 VT5 呈低阻，VT2 正偏置而饱和倒通。 其集电极电位，即 555 的 4 脚被钳制在 0.3V 左右，从而是 555 处于强制复位状态， 此时不管 2 脚有多大的触发电平，555 均不会翻转置位。可控硅不会触发倒通，电灯 无电不亮。夜晚光暗，此时 VT5 呈高阻而截止，VT4 无偏置电流，呈截止状态。555 的 4 脚呈高位，使 555 触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声响，经拾音，放大， 倍压整流后，正极性信号使 VT3 饱和倒通，下跳变信号加之 555 的二脚使 555 翻转置 位。 3 脚由原来的低电平变为高电平（约+8.5V） ，经 R3 限流后触发双向可控硅 SCR 并倒通， 电灯 H 得电点亮。电灯点亮的时间即单稳态电路触发后高电平持续的时间（稳态时间） ，他取决于单稳态电路的时间常数，其大小为， Td=1.1（R9） （C8） 图 2-5 所示电路的单稳态时间为 120s，即电灯点亮后 2 分钟熄灭。电路图如下 R11 20k R9 1.1M R10 1.5k R8 5.6k VT4 3DK2 VT3 9014 R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 IC1 555 C9 0.01u 12 R3 3 C7 0.68u C8 100u A B C D VT4(C) IC1(TH) VT3(C) 图 5 延时处理电路单稳态电路图 2.52.5 整体原理工作电路整体原理工作电路 R4 430k R5 4.3k R6 2.7k R7 1.8k R11 20k R9 1.1M R2 200 R10 1.5k R8 5.6k VT1 C458 VT2 9014 VT4 3DK2 VT3 9014 R 4 DC 7 Q 3 GND 1 VCC 8 TR 2 TH 6 CV 5 IC1 555 C5 10u C9 0.01u C3 47u L1 220 C6 10u D3 DIODE D2 DIODE DW1 2CW57 C2 220u 12 H 60W V1 220V R3 3 C7 0.68u C8 100u VCC A B C D VT4(C) IC1(TH) C21 2200uF C22 50nF VT3(C) C? 1nF +88.8 AC Volts U? L2002L8 图 6 总电路设计原理图 电路图简述 ：本电路主要由 555 集成电路和声控专用集成电路 BHSK-1 组成的 一声光自动控制白炽灯开关。白天或夜晚光线较亮时，光敏电阻阻值减少，VT4 饱和 导通，光控部分将开关自动关断，V1 虽然设计在放大状态，但由于集电压受 V4 的钳 位很低，故 V1 不能工作，V2 处于饱和状态，V3 也处于饱和状态，SCR 的 G 极与 K 极 之间的触发电压很少，SCR 不能导通灯不亮，声控部分不起作用。当光线较暗时光控 部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。此时 V4 截止，V1 极电压升 高，当声控部分拾取声音后经 V1 放大后，声音信号的峰值有可能使 V2，V3,V4 都进 入截止区，电路是否接通，取决于声音信号强度。当声强达到一定程度时，电路自动 接通，点亮白炽灯，555 定时器开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次 声音信号触发。 所需原件器材如下：表 1 元件器件表 元器件名称数量备注 555 定时器 1 全桥电路 QD 1 HTD35A-11 C110.47uf C21220uf C3147uf C414.7uf C5110uf C6110uf C710.68uf C81100uf C910.01uf NPN5 光敏三极管 VT5 1 二极管 3 电阻 11 R1（560K） ，R2（200） ， R3（300） ，R4（430K） ， R5（4.3K） ，R6（2.7K） ， R8（5.6K） ，R9（1.1M） ， R10（22K） ，R11（20K） 三三 ProteusProteus 仿真仿真 3.13.1 ProteusProteus 相关介绍相关介绍 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件,它不仅具 有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真 单片机及外围器件的工具。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB 设计软件和虚拟 模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持 8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方 面，它也支持 IAR、Keil 和 MPLAB 等多种编译器。完善的电路仿真功能，独特的单片 机协同仿真功能（VSM）实用的 PCB 设计平台，Proteus 可提供的仿真元器件资源：仿 真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有 30 多个元件库。Proteus 可提供的仿 真仪表资源 ：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器、信号发生 器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路 中随意的调用。除了现实存在的仪器外，Proteus 还提供了一个图形显示功能，可以 将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能 更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻 抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。可提供的调试手段 Proteus 提供了 比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。 3.23.2 仿真电路图仿真电路图 当夜晚时，回路接通，收到声音信号，电灯亮，仿真为 图 7 夜晚收到声音信号仿真图 当夜晚时候，没有外界声源，回路不通，电灯不亮，仿真为： 图 8 夜晚没有声源信号仿真图 白天时，在有外界声源的情况下，回路不通，电灯不亮，仿真为： 图 9 白天有声源信号仿真图 白天时，在没有外界声源的情况下，回路也不通，电灯不亮，仿真为 图 10 白天有没有声源信号仿真图 3.33.3 仿真数据仿真数据 当夜晚时，回路接通，收到声音信号，电灯亮，测试电灯电压为 3.290V，电灯处 原电压的波形如下图 图 11 夜晚有声源信号电灯电压波形图 当夜晚时候，没有外界声源，回路不通，电灯不亮，电灯电压为 118.2uV, 电灯 处原电压的波形如下图 图 12 夜晚没有声源信号电灯电压波形 白天时，在有外界声源的情况下，回路不通，路灯不亮，电灯电压为-2.461uV, 电灯处电压波形如下图 图 13 白天有声源电灯电压波形 白天时，在没有外界声源的情况下，回路也不通，路灯不亮，电灯处电压为- 117uV，电灯处电压波形如下图 图 14 白天无声源电灯电压波形 四四 收获和体会收获和体会 在这两周的电子技术设计中，我们做的设计课题是“声光控制开关” 。这是一种 声音和光照双控照明灯，它可以用于楼梯、过道、库房的场合。白天光照好，不管过 路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发 声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节点。 在电源设计中要根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠，价廉，有效