基于单片机的声光控制开关设计1

1、基于单片机的声光控制开关设计摘 要 随着社会的进步，人们对开关这一类电子器件有的近一步的理解。利用声音和光线的强弱来控制开关的断开或者闭合的电子产品来能够有效的降低能耗。本文阐述了简单的声光控制的照明灯的电路设计。本毕业设计通过光敏电阻对光照强度进行检测，当白天光线强时，不管有多大的声音，照明灯都不会点亮。而在夜晚光线暗时，声音检测电路只要检测到有足够的声响时，就会自动点亮照明灯，数5秒后又自动熄灭。该设计主要由stc89c51单片机、声音的接收放大控制电路、光信号的接收放大控制电路组成。测试结果证明该系统性能稳定、操作方便，具有较高的实用价值。本文对控制系统的组成、硬件和软件的设计、工作原理

2、进行了详细的论述。关键词 单片机，声控，光控 sound and light control switch design based on single chip microcomputerabstract with the progress of the society, people to switch some further understanding of this kind of electronic device. using the strength of the sound and light control switch opening or closing of the

3、electronic products to effectively reduce energy consumption. this paper expounds the simple light control circuit design of the floodlight. this graduation design through the photoconductive resistance to test the light intensity, when light intensity during the day, no matter how the voice of the

4、lamp will not light up. and when the light is dark at night, sound detection circuit as long as have enough noise is detected, will light up automatically, for 5 seconds and then automatically go out. this design is mainly composed of stc89c51 microcontroller, + 15 v and 5 v voltage source circuit,

5、sound amplification control circuit, optical signal receiver amplifier control circuit and the relay drive circuit. test results show that the system has stable performance, easy to operate, has high practical value.in this paper, the composition of control system, the hardware and software design a

6、nd working principle were described in detail.keyword microcontroller, acoustic, optical23目 录1 绪论51.1 课题背景和研究意义51.2 声光控开关发展前景51.3 国内外概况62 系统硬件设计62.1单片机的控制部分62.1.1芯片stc89c51的介绍72.1.2引脚排列及功能82.2.2参数计算112.3声音信号控制部分112.3.1驻极体话筒的介绍112.3.2声控电路122.3.3参数计算132.4光信号控制部分132.4.1 光敏电路的介绍132.4.2 光控电路142.4.3 参数计算1

7、42.5硬件仿真153 系统软件设计173.1程序设计步骤173.2软件开发环境183.3软件程序设计和流程图184 系统设计仿真分析195 结论21参考文献22致谢231 绪论1.1 课题背景和研究意义 单片机的发展推动的社会新技术的改革，单片机的应用已渗透到电力、冶金、化工、建材、机械、食品等各个行业。它带来的方便也是不可否定的并且带动了数字电路技术的进一步发展，这种条件下声光双控灯应运而生，它既满足了人们对单片机及数字电路技术研究的的需求，也符合了照明灯在人类生活环境中扮演重要角色的条件。本文研究的声光控电路具有接线简单、安装方便、使用寿命长、体积小等优点，减缓的能源危机，实现的全球的可

8、持续发展。通过这次的课题研究希望使自己在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理，以及锻炼我们的思维活动是一个很大的帮助。同时，通过这次的研究希望提高自己对社会普通科学知识的了解；增强自身的只是见解和设计论文的方法。用声光控制开关代替一般的开关，只有在天黑以后，并且有声音时才能使继电器导通，使得电路导通，否则延迟一段时间继电器就会自动断开，而白天开关总是断开的。因此节电效率很高，达到80，全自动智能控制，接线简单，安装方便，是公共场所照明开关的理想选择。1.2 声光控开关发展前景 随着科学技术日益迅速的发展和现代工业技术的需要，自动智能控制已经深入到生活的各个方面，声光控智能开关也不断地改进和

9、提高。它具有控制效果好，经济效益高，方便使用等许多优点。声光控智能开关与传统的手动照明灯相比，也具有节约能源，控制准确等优势。公共场所照明控制手段也将逐步更新，除现在已有的声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关目前，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及居家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国国情，可以预计在相当一段时期内，声光双控开关将是首选的主流产品，但在家庭走廊、宾馆等场所，声光控延时开关并不是很适用。根据有关调查

10、报告：声光控延时开关在出租应用最为广泛,尤其在中小城市。对其进行研究和设计，可使我们更加熟练掌握单片机编程的使用，有利于将所学的专业知识更好地应用于实践中。1.3 国内外概况 声光控制开关节能控制电路是在90年代逐渐出现在人们日常生活中，最先的声光技术应用是在国防科技上，后来根据人们生活水平的提高，逐步用于民用科技上。在科技发达的今天，无论是在人们的日常生活中，还是在工农业生产，科学研究和国防建设中，都广泛的使用者种类繁多的电路。由于近年来我国照明业迅速的发展，中国在国际电光源市场占据的很重要的地位，在地球资源日益衰竭的如今，环保、节能是当今国家发展的重要产业，努力增加节能光源和各样功能照明器

11、开发，加快节能光源的推广具有十分重要的意义。从国际来看，我国已是照明业的生产大国。 2 系统硬件设计2.1单片机的控制部分本设计通过stc89c51单片机结合声音传感技术、光感技术、延时技术等来实现对照明设备的声光控制。stc89c51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1 和xtal2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容cl6、c17 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容cl6、c17 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振

12、荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pf±10pf，而如使用陶瓷谐振器，建议选择40pf±10pf。用户也可以采用外部时钟，这里我使用的是30pf电容，12mhz的晶体振荡器。当光线较亮时，采用光敏电阻把外界光亮程度转换成相应的电压值，然后通过电压比较后给单片机输入数字信号。在光线较暗时，负载电路进行声音检测。用声音传感器将声音信号转换成电信号，从而推动触发工作。当声强达到一定程度时使得灯泡自动点亮，经过内部设定的时间后，灯泡自动熄灭。在延时部分采用单片机内部定时器从而实现不同时间的定时，并根据场所及使用人群的不同通过设置单片

13、机引脚的状态来设置不同的延时时间值，并用led动态显示方式显示倒计时等数据。单片机通过继电器控制照明设备的打开或者关闭。其原理框如图1所示：控制电路声控电路复位电路stc89c51晶振电路延时电路光控电路图1、原理框图2.1.1芯片stc89c51的介绍本系统中选用mcs-51单片机，它是在一块芯片中集成了cpu、ram、rom、定时器/计数器和多种功能的i/o线等一台计算机所需要的基本功能部件。mcs-51单片机与其的前一代产品mcs-48单片机相比，结构更先进，功能更强，在mcs-48的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条。mcs-51系列单片机主要有8031、8051和87

14、51类型产品，这里选用的是与这三种系列类型的单片机功能都是差不多的stc89c51。stc89c51 提供以下标准功能：4k 字节flash 闪速存储器，128字节内部ram，32个i/o 口线，看门狗（wdt），两个数据指针，两个16 位定时计数器，一个5 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，stc89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。主要性能参数：

15、3;与mcs-51产品指令系统完全兼容·4k字节在系统编程（isp）flash闪速存储器·1000次擦写周期·4.05.5v的工作电压范围·全静态工作模式：0hz33mhz·三级程序加密锁·128×8字节内部ram·32个可编程io口线·2个16位定时计数器·6个中断源·全双工串行uart通道·低功耗空闲和掉电模式·中断可从空闲模唤醒系统·看门狗（wdt）及双数据指针·掉电标识和快速编程特性·灵活的在系统编程（isp字节或页写模式）2.

16、1.2引脚排列及功能.如图2所示 ，其引脚说明如下： 图2、 stc89c51的引脚排列1. vcc：运行和程序校验时接电源正端。 2. gnd：接地。 3. p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个ttl逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在f1ash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。 4. p1口：pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，pl的输出缓冲级

17、可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。flash编程和程序校验期间，pl接收低8位地址。5. p2口：p2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，口送出高

18、8位地址数据。 6. p3 口：p3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口。p3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl逻辑门电路。对p3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.3-1所示。p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。7. rst：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在rst上作用两个机器周期以上的高电平，将单片微机复位。wdt 溢出将使该引脚输出高电平，设置sfr auxr的disr

19、t0 位（地址8eh）可打开或关闭该功能。disrt0位缺省为reset输出高电平打开状态。 8. ale/prog：在访问外部存储器或i/o时，用于锁存低8位地址，以实现低8位地址与数据的隔离。即使不访问外部存储器，ale 仍以时钟振荡频率的16 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对f1ash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh 单元的d0位置位，可禁止ale 操作。该位置位后，只有一条m0vx和m0vc指令ale才会被激活。此外，该引脚会

20、被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。9. /psen：片外程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当psen低电平有效时，程序存储器的内容被送上p0口。10. /ea/vpp：片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。11. xtal1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。12. xtal2：振荡器反相放大器的输出端。13. ·vpp：ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。f1ash存储器编程时，该引脚加上+12

21、v的编程电压vpp。14. ·中断寄存器：各中断允许控制位于ie寄存器，5个中断源的中断优先级控制位于ip寄存器。2.1.3单片机控制电路主要用stc89c51单片机最小系统板。单片机及其外围电路见图3.3-4。由5v电源给单片机供电，该芯片的p3.0p3.4用作无线接收模块的输入端口，由于pt2272输出的是高电平，所以在程序初始化后，p3.0p3.4为均低电平。其他端口的作用为：p1.6 作为光控信号的输入口；p3.4 作为升空信号的输入口；p1.7 作为继电器驱动电路的输出口；p3.0和p3.1是stc89c51的串口，实现上电复位程序下载。图3、单片机控制电路 2.2.2参数

22、计算 由于集成稳压器输出端为±12v和5v，则输入端至少为15v，因此选择220v转±15v的变压器和7815，7915和7805的集成稳压管，因为本次电路的电流都为毫安级别的，选择最大输出电流为1a的集成稳压管，能完全达到电路要求。 滤波电容一般越大越好，一般选取2200u或1000u，在这里选择1000u的电容；输入端电容c5和c6用以抵消输入端的电感效应，以此防止自激震荡和电源高平脉冲的干扰，一般取0.1u至1u，在这里选取0.33u的电容。输出端电容一般取一大一小，选取0.1u和100u的电容。2.3声音信号控制部分2.3.1驻极体话筒的介绍驻极体话筒【11】具有体

23、积小，电声性能好，结构简单，价格低廉等特点，在生活中应用非常广泛。驻极体结构有振膜、背极、空隙三部分，这样在振膜与背极间形成一个具有定量电荷的电容结构。驻极体话筒属于电容式话筒的一种，声电转换的关键元件是驻极体振动膜。当声波输入时，驻极体膜片随声波的强弱而振动，使电容极板间的距离发生变化，引起电容量c发生变化，因为驻极体两侧的电荷来变，因此电容两端的电压（uc=qc）发生变化，从而实现了声电转换。由于振动引起的输出电压的变化量较小，所以要在电容的后面加一个效应管进行放大，提高话筒的灵敏度，同时场效应管还可以与音频放大器匹配。驻极体是由进行特殊处理的高分子材料组成，这些高分子材料表面具有永久电荷

24、(q)，总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，便可以得到和声音对应的电压了。2.3.2声控电路图5、声控电路如图3.3-3所示，拾音电路将声音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成伏级的电压，电压通过迟滞比较器转变成单片机识别的方波信号,经过双向稳压管变成±5v的方波，然后传给单片机的i/o口。拾音电路由小型麦克和限流电阻组成，自制5v电源向其提供驱动电流；两级放大电路由两级共射单管放大组成，前级是npn管，后级是pnp管；

25、迟滞比较器的正向阈值电压为：负向阈值电压为：由图可知，,故：可以通过阈值电压的设置来消除两级放大的噪声，防止噪声对产生方波信号的干扰，从而消除噪声对单片机的干扰，增强对有用信号的识别。（电阻r15=200k，非常大，延长电容放电时间。）2.3.3参数计算 驻极体话筒将声音信号转换为电信号，其大小为几毫伏，话筒使用5v电源驱动，电阻r2为限流电阻。电阻太大，导致驱动电流太小；电阻太小，导致电流太大，故设定电阻为2k。于两级放大电路存在噪声，经测量大约为5mv左右，需要加迟滞比较器，设置合适的阈值电压，将此段噪声滤掉。而经测量声音信号经两级放大后为0.5v左右，因此将阈值电压设为±0.2

26、5v，v ref =0v，v z =±5。因此，在迟滞比较器的输出端加上±5v的稳压管，并加上限流电阻r 16，取1k。设电阻r13=10k,由式（3-1）得：则电阻r15=200k，滑动变阻器设为150k，根据外面声音信号的大小来调节阈值电压的值。2.4光信号控制部分2.4.1 光敏电路的介绍光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。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）是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光的响应很接近，只要人

27、眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。 2.4.2 光控电路 由光敏电阻、滑动变阻器、电阻、npn三极管及运算放大器lm358组成。图6、光控电路当光敏电阻受光照时，电阻减小，运放同向输入端为低电平；当光照较弱时，电阻增加，运放同向输入端为高电平。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的信号传到单片机的i/o端。光控部分：经过两级放大的声音信号，开始是直接经过零比较器转变为方波，但由于两级放大存在很大的噪声，导致输出端是一条直线，没有方波出现。后来在经过零比较器的输出端加了一个电容，通过电容把噪声所产生的直流电压去掉，但不能被单

28、片机所识别，因此有加上了电压跟随器，最终满足要求。但比较麻烦，最后将过零比较器与电压跟随直接改为迟滞比较器。2.4.3 参数计算 将基极电流设为0.1ma，当有光照射时，,r16=50k与光敏电阻此时的阻值（约为1k到10k）相比，光敏电阻可以忽略。选择100k的滑动变阻器来替代，让基极电流可调，从而控制射级电流大小和控制光控电路的灵敏度。集电极电阻为限流电阻，取值为22k。2.5硬件仿真图8、仿真原理图首先将220v的交流电压经过15v变压器变成15交流电，lm7912和lm7805转换成±12v与5v直流电源，电源电路给声控电路、光控电路、stc89c52单片机最小系统电路以及继

29、电器驱动；声控电路通过话驻极体话筒将声音转化成电信号，经电容耦合到三极管的基极，通过控制三极管的饱和、截止来控制输出电平的高低，然后输送到单片机；光控电路通过光照改变光敏电阻的阻值大小来控制三极管的饱和、截止，在经过lm358的运放来控制电平的高低，再输送到单片机；单片机根据声控电路、光控电路输入的信号来判断继电器的断开或者连接，单片机也控制继电器连接的延迟时间。单片机的输出的电流比较小，不能够驱动继电器的闭合断开，继电器驱动由三极管组成给单片机的输出电流进行补偿，来驱动继电器的闭合。功能：基于stc89c51单片机的声光控protuse仿真程序，定 时器延时50ms，调num的值可以调节延时

30、的时间制作时间：20123年5月1日*/#include <reg52.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuint num;sbit key1=p16; sbit key2=p17; sbit led=p20; /*定时器延时程序*/ void time0(void) interrupt 1 /定时器0中断th0=(65536-50000)/256; /再次赋初值50mstl0=(65536-50000)%256;num+;if(num>100) /改num的值可以改变延时的时间长短，此为延时5秒num

31、=0;led=1;tf0=0;tr0=0;/*主程序*/void main() tmod=0x01; /设置定时器0为工作方式1（m1m0为01）th0=(65536-50000)/256; /装初值50mstl0=(65536-50000)%256;ea=1; /开全局中断et0=1; /开定时器0中断tr0=0; /启动定时器0tf0=0; /定时器0溢出led=1;num=0;while(1)if(key1=1&&key2=0) led=0;tr0=1;3 系统软件设计3.1程序设计步骤 根据设计任务的要求，采用c51高级语言编制程序的过程称为程序设计。c51语言程序设计

32、的步骤： 1) 明确设计的任务要求，提出注意的问题，确定解决问题的办法； 2) 根据设计的思路，编制程序流程图； 3) 编制源程序：进一步合理分配存器单元和了解i/o口地址，按功能设计程序，明确各程序之间的相互关系，用注释行说明程序，便于阅读和修改调试程序； 4) 在计算机上用仿真软件调试； 5) 程序优化，根据各程序关系进一步优化源程序。3.2软件开发环境 单片机的应用系统的开发的传统方法都是借助于开发系统仿真机或开发机，系统备有软件开发平台与之配套。mcs-51单片机开发是应用非常广泛的一种编译和调试软件，采用该编译器可以编译c源程序、汇编源程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建hex文

33、件，以及调试目标程序应。3.3软件程序设计和流程图单片机源程序 程序原理如下所示： #include<reg52.h> #define uint unsigned int sbit jd=p17; sbit gm=p16; void delay(uint z); main() tmod=0x10; ea=1;et1=1; jd=0;gm=0;while(1) if(jd= =1) delay(3000); jd=0; void counter1( ) interrupt 3 if(gm=1) jd=1;void delay(uint z) uint x,y; for(x=110;x

34、>0;x-) for(y=z;y>0;y-); 图9、系统程序流程图4 系统设计仿真分析系统的设计要求是实现实时照明灯的智能控制。假设protues驻极体传声器，我们用开关来代表。当开关断开是，表示电路断开，此时代表外界没有声音信号；当开关闭合表示有声音信号，此时声控电路输出高电平，送到单片机端口，供单片机检测。光敏电阻的阻值随光照的增强而减少，因此在仿真图中，当灯离电阻远时，表示外界的光照强度小，此时光敏电阻的阻值较大；当灯距离外界近时表示外界光照强度强，此时光敏电阻的阻值较小。当外界无声音信号且白天时，此系统的仿真图如图8所示。从系统的仿真图8可以得出，在外界无声音信号时且是白

35、天还是晚上，灯泡不亮。当外界无声音信号且晚上时；首先让开关断开，以此来表示外界无声音信号。然后调节小灯泡离光敏电阻的距离，让小灯泡离光敏电阻较远，此时光敏电阻的阻值较大来模拟晚上；在protues中系统的仿真图如图8所示。从系统的仿真图8可以看出，当无声音信号，在晚上的情况下，灯不亮；达到了节约能源的目的。当外界有声音信号且白天时，相当于开关闭合，调节小灯泡距离电阻的距离使其较近，以增加光照强度，此时光敏电阻的阻值较小来模拟白天。当外界有声音且白天时，从系统仿真图8可以看出此时灯泡不亮。当外界有声音晚上时，此时开关闭合相当于从外界检测到声音信号；小灯泡离电阻的距离较远，光敏电阻的阻值较大以此来模拟晚上。从仿真图8可以看出当外界有声音且在晚上时，灯泡亮。并且在仿真中实现亮5秒后熄灭，满足了本次本次设计任务。5 结论 我研究的课题是“基于单片机的声光控制开关的设计”。主要是通过光照和声音双控照明灯，它可以广泛的应用于楼梯、过道、库房等公共场所。在设计中使用者可以自行调节声光检测信号的灵敏度，或者是照明灯点亮时间的长度，这就为更方便了不同人群的使用，这是随着社会和经济的发展，人们对低消耗，