基于单片机智能电子开关的设计

1、毕业论文（设计）题目：基于单片机的智能声光控开关的设计学号：姓名： 系别：计算机与电子信息工程系专业：电子信息工程 班级： 指导教师：教师职称：副教授完成时间： 目 录1.前言12.设计任务要求与总体方案12.1课题任务12.2课题意义12.3系统设计的总体方案12.3.1系统总框图12.3.2系统的工作原理23.硬件系统的设计33.1声音信号采集电路33.2光信号判断电路设计43.3控制保护电路的设计43.4电源电路的设计74.软件部分设计84.1Protel原理图界面84.2电路原理图设计流程94.3软件设计语言的选择104.4程序流程图124.5程序设计134.6程序调试135.总结14

2、致谢15参考文献16附录17基于单片机的智能声光控开关的设计 摘要声光控开关的原理是只有在天黑以后，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。本设计以STC89C51RC单片机为核心，以研究声光控开关的设计，采用MIC驻极体话筒对声音信号的采集，可以通过软件来调节对声音的灵敏度。单片机软件实施对光度的判断，使开关在白天时即使有声音也不工作。文章应用了单片机控制输出光信号触发到光电耦合器导通，开关工作在频繁的开关状态时不易损坏可控硅，延长了声控开关的使用寿

3、命。关键词 声光控；智能；节能；可靠性Based On Single Chip Microcomputer Intelligent Acoustic Light-operated Switch Design Abstract The principle of acoustic optical switch is only after dark, when someone pass stair channel, issued, or other sounds of footsteps will provide automatic lit corridor, lighting, when peop

4、le enter the house or apartment corridor lights out several minutes automatically delay extinguished. During the day, even a voice, corridor lights also will not light, can achieve the purpose of saving energy. This paper STC89C51RC single-chip microcomputer as the core, the acoustic light-operated

5、switch design, USES the MIC electret microphone for voice signal collection, can through the software to adjust the sensitivity of sound. Single-chip microcomputer software implementation on photometric judgment, make the switch in the day even though there is voice doesnt work. In this paper, the s

6、ingle chip microcomputer control output optical signal trigger to photoelectric coupler conduction, switch work in frequent switch state is not easy to damage the silicon controlled rectifier, prolong the service life of the acoustic control switch.Key wordssound; the intelligent controller;energy-s

7、aving; reliabilityII1.前言 在这个能源紧缺和注重环保，我们得降低能耗，节约能源。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”。公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。2.设计任务要求与总体方案2.1课题

8、任务 设计一个基于单片机的声光控电子开关系统，使公共场所和居民住区的公共楼道的灯在白天时系熄灭，晚上闻声自亮，当人离开后，几秒钟自动关闭，既方便，又省电。2.2课题意义 具有光控功能，光度强灯熄灭，光弱有声音时灯亮。 所设计的开关系统应做到节能、智能、耐用、可靠性高以及维护方便。2.3系统设计的总体方案 设计声光控开关，最起码要考虑三个问题，一是灯泡的开关控制，这是由220V电压供电。二是光控制，使其在有光时，即使有声音也不能亮。三是声音控制，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。系统整体硬件包括：电源电路，声控电路，光控电路，控制保护电路和灯控电路。2.3.1系统总框图

9、系统总框图如图2-1所示：单片机89c51电压比较器声音传感器光传感器可控硅控制白炽灯泡光电耦合器整流交流220V稳压，滤波图2-1系统总框图2.3.2系统的工作原理 本系统的工作原理是通过声音传感器和光传感器对声音和光的信号采集，可以通过软件来调节对声音的灵敏度。单片机软件实施对光度的判断和控制延时，使开关在白天时即使有声音也不工作，在晚上闻声自亮。系统中电源通过整流稳压滤波给单片机提供5V的电压，单片机还要控制灯泡的开和关闭，利用光电耦合器实现一个弱点对强电控制的桥梁，控制可控硅来决定灯的亮和灭。3.硬件系统的设计3.1声音信号采集电路图3-1声音采集电路 如图3-1所示为声音信号采集电路

10、。MK1为声传感器（驻极体话筒），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，交流型号通过电容C1，该电压值经过运算放大器Q1放大，R11为可变电阻，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。下图3-2为驻极体话筒，驻极体话筒具有体积小，频率范围宽，高保真和成本低的特点，驻极体话筒通过直流偏置工作。图3-2 驻极体话筒3.2光信号判断电路设计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，都不会灯亮，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3-3所示。图3-3光信号判断电路 图中R2为光明电

11、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，相当于处于短路状态，此时R10电阻固定但比较小，三极管Q2的基为低电平，Q2处于截止状态，则电压通过R3在C1之间产生一个05V的中间电位，此时通过麦克风接受声音产生一个波动的电压，交流信号再通过C1的耦合经过Q1放大（见图3-1），通过单片机的检测进入下一级。而当有光照时，光敏电阻阻值下降，阻值相当小，此时三极管Q2的基为低电平为高电位，此时不管怎样对麦克风声音信号也没作用。这样采集到的信号送到单片机，由单片机进行检测，判断是否有光照。3.3控制保护电路的设计 普通的白炽灯正常发光时的灯丝与不发光时灯丝电阻值相

12、差甚远，从而使得其在启动瞬间的冲击电流非常大，例如一只60W的灯泡，在正常发光时，电阻约为800，工作在标准市电220V时，工作电流不到0.3A。然而在不放光时，灯丝的电阻阻值约为6，当启动时，电流会很大，约有3.5A左右。这种大电流的冲击，很容易损坏可控硅。所以要利用光电耦合器的过零启动，对电路起到保护作用。所以如图3-4为白炽灯启动时的电流波形图。图3-4白炽灯启动电流波形图市电电压是交流220V，交流电始终是从零值到峰值的变化，只要使白炽灯在零值或零值附近启动，就可以避免大电流的冲击。如图3-5为保护电路。图3-5 保护电路图 如图3-5，光电耦合器与可控硅构成控制开关电路，控制负载为图

13、中L1（纯电阻开关电路），通过单片机控制光电耦合器MOC3033M,如果单片机输出一个低电平使光电耦合器导通，在可控硅MAC97A6和MOC3033M之间构成一个通路，相当于把可控硅控制端和其中某一个阳极短路，这时电路处于一个导通状态。 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。 光电耦合器工作原理：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装

14、在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流If下，光敏管所加偏置电压VCE与输出电流Ic之间的关系，当If=0时，发光二极管不发光，此时的光敏晶体管集电极输出电流称为暗电流，一般很小。当If0时，在一定的If作用下，所对应的Ic基本上与VCE无关。Ic与If之间的变化成线性关系，用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普通晶体三极管输出特性相似。其测试连线如图3-6，图中D、C、E三根线分别对应B、C、E极，接在仪器插座上。光电耦合器实物图图3-6光电耦合器与可控硅构成控制开关电路图MAC97

15、A6是1A/600V双向可控硅，在条光电路、灯控电路、温控等电路中广泛应用。该可控硅耐压高达600V，可以直接应用于220V控制电路，最大工作电流为1A，可以控制100W以下电阻性的负载。管脚功能如下图3-7所示：图3-7 MAC97A6字面朝自己，管脚向下，从左至右依次是第一阳极T1，门极G，第二阳极T2。 双向可控硅的工作原理：可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流

16、。因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以。此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流。这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。3.4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，所以必须设计一个电源电路，取得5V的低电压。如图3-8所示：图3-8 电源电路图 在图3-8中R1端接单片机的VCC，图中右半部分实现了220V整流、稳压后位5V的单片机供电电源。其中电路中接入的220V交流电是正向反向不断交替的，二极管D1对电源电路整流，使电流只从高电位流向低电位。电阻R2和电容

17、C2构成一个简单的降压电路，R2和C2构成一个分压。D2是一个5V的稳压管，既有分压又有稳压，则使D2两端一直处在一个5V的稳定电压下，再在电路中并联一个电容C5使得稳压有一个更理想的效果，这样组成了一个简单的整流稳压、滤波电路。这种稳压电路和传统的变压器比较的优点是，可以驱动功率比较小的电路，如单片机供电电源只有5V,而整个电路中的功耗非常小的。可是还有个缺点就是和传统的变压器不同，传统变压器是有隔离的，这种是直接接220V电压到电路中，不过这个声光控电子开关是考虑到安装在实际应用中，也不在在通电时人为地接触，所以这种设计是可行的。4.软件部分设计4.1Protel原理图界面 在Protel

18、主界面中单击File/Open命令，在文件路径中选择原理图文件。Protel原理图界面主要包括以下几部分：菜单栏、工具栏、工作窗口等。 原理图4-1如下图所示菜单栏DXP(系统)、File(文件)、View(视图)、Project(工程)、Place(放置)、Design(设计)、Tools(工具)、Peports(报告)等。图4-14.2电路原理图设计流程 在原理图设计时可能会涉及到众多元件的放置，繁多的电气连接。为了保证不出错，需要遵循一定的设计流程。在绘制简单的原理图时按照以下流程绘制即可。 1. 新建项目文件。在项目文件中新建原理图文件。 2. 设置原理图图纸及相关信息，图纸是原理图绘

19、制的工作平台。几乎所有的工作都建立在其上，为原理图设置合适的图纸参数将有利于原理图设计。 3. 添加/删除元件库。在原理图设计中使用的元件符号，需要在绘制之前导入。 4. 放置元件符号，元件符号的放置要遵循电路设计要求，同时要修改元件的属性（当然也可以在后续操作中再进行属性修改）。 5. 电气连接。在原理图中进行电气连接时可以使用导线连接，也可以采用总线连接，还可以使用网络标记进行连接，电气链接可为PCB设计生成网络报表。 6. 调整原理图并检查错误、修改。在电气连接完成后要根据电路设计进行仔细的检查，确保电路连接的正确性。Protel引入了自动ERC检测功能，能简化设计人员的检查工作。 7.

20、 原理图注释。这是原理图设计不可缺少的部分。注释时要注明原理图的名称、关键点的说明和波形描述等。 8. 原理图保存打印。单击工具栏的保存按钮即可进行保存。值得一提的是，在设计过程中要经常保存以防意外丢失。单击工具栏上的打印预览按钮可以进行打印预览，查看打印效果。若确定无误后即可单击打印按钮进行打印输出。 9. 输出文件。可根据需要选择原理图元件清单输出或网络报表输出等。该设计的电路图如图4-2所示：图4-2基于单片机智能电子开关设计原理图4.3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：C语言和汇编语言。汇编语言是一种用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最接近机器语言的一种语言。

21、其主要的优点是占用资源少，程序执行效率高。但是不同的CPU，其汇编语言可能有所差异,所以不易移植。C语言是一种结构化的高级语言。其优点是可读性好，移植容易，是普遍使用的一种计算机语言。缺点是占资源较多，执行效率没有汇编高。C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了许多种高级语言的特点，其具备汇编语言的功能。C语言有功能丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、有良好的可移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛用的有顶向下结构化程序设计技术。此外，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。因此使用

22、C语言进行程序的设计已经为软件开发的一个主流。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。4.4程序流程图结束初始化是否是弱光条件下?采集声音信号有声音?是否处于零 电压?开灯时间到?关灯开始NNNNYYYY图4-4程序流程图4.5程序设计 根据程序流程图编写程序，程序如附录4.6程序调试 利用Keil与Proteus进行调试，使用步骤如下： 打开Keil，建立工程，输入程序，编译和生成hex文件，如图4-3所示图4-3 调试程序的总结：将程序导入STC89C51RC芯片，调试成功后可以达到设计的要求。通过设计智能声光

23、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。5.总结 测试结果：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，达到节能和设计要求的目的。 在设计中虽然遇到的了很多困难，但通过初步了解了声光控制电路的工作原理，学会了分析电路、设计电路的方法和步骤。通过本次设计提高了自己对资料的查阅、信息处理的能力，训练了自己的科学

24、研究基本功，培养了知识综合运用能力，增加了对社会普通科学知识的了解，为以后学习和工作打下基础。致谢论文写作终于要走到最后的末端了，在论文写作的过程中，从论文的选题到确定思路，从资料的搜集、提纲的拟定到内容的写作与修改，继而诸多观点的梳理，都得益于我的老师的悉心指导和匠心点拨。论文的点评中总是闪烁着智慧的火花，敏锐的学术洞察力，严谨的治学态度，一丝不苟的负责精神，以及对学生孜孜不倦的教诲都给予了我极其深刻的印象，让我受益匪浅。在此，谨向梁老师表示我最衷心地感谢和最诚挚的敬意。同时，也向两年来所有教授过我和帮助过我的老师表示感谢，感谢您们对我的谆谆教诲、耐心指导和无私的帮助。感谢我的同学和朋友们，感谢你们在我论文写作过程中给予我的鼓励、关心和无私的帮助。参考文献1.胡亚琦.单片机原理及应用系统设计M.西安电子科技大学，2008。2.黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M.电子工业出版社，2007。3.李朝青.单片机原理及接口技术M.航空航天大学出版社，2003。4.赵宝经.中国集成电路大全TTL电路M.国防工业出版社，1985。5.沈红伟.单片机应用系统设计实例与分析M.科学出版社，2005。6.邵贝贝.嵌入式实时操作系统C/OSII（第2版）M.电子工业出版社，2003。7.何立