电气工程及其自动化-楼道口声控灯控制系统的设计

引言课题研究背景伴随着科学技术的发展，在为我们生活带来巨大便捷的与此同时，电力能源的消耗还在不断。民用电的提高，让我们遭遇巨大的挑战。这就需要尽早发生更为绿色环保的声控开关照明灯具，以满足人们对精致生活的需求。音箱开关体型小、外形美观、反应灵敏、制作简单，适用公共场所的照明灯具开关。声控电路是视频语音和光控电路工作中电子开关。这将响声(比如，和光转换成数据信号，变大、整形美容，导出一个照亮数据信号来调节各种各样电器姿势，在自动控制系统工业生产大功率电器和电器产品层面具有广泛的用处。公共场所和居住小区的公共过道广泛使用机械臂手动式开关，但由于种种原因，很多电灯泡通常亮长明，造成灯泡寿命减少，电磁能消耗，给国家、人或单位产生财产损失。除此之外，经常开闭及其它人为要素，造成墙面闸门启闭机损坏率高，扩大维护保养量，消耗资产，易造成安全隐患。因而，必须设计方案开发一种电路新奇、安全性省电、结构紧凑、安装方便的声控走廊灯环保节能全自动开关。公共场所和住宅区公共性过道灯泡白天不亮，夜里闻此声自亮，等后几十秒自动退出，安全又节电。因而，为了能能量转化效率，必须设计方案电路结构紧凑、环保节能、绿色环保响声开关。课题研究现状“十一五”规划将节约能源和环境保护列为国家发展的两大主题，在国家能源发展中长期规划中，国家能源消费总量的13%已经被明确提出，因此，照明节能显得尤为重要。现代社会在以电子和信息技术为主导的情况下，迅速发展的科学技术促进了各国的发展，不但生产力得到了极大的提升，而且在国际上的地位也得到了提升。由此可见，科技已经成为了世界上最大的竞争对手。特别是电子信息技术，它在全国范围内的各个领域都有广泛的应用。由于电子计数器的出现使得声控电路能更好的实现智能化。这种控制电路的结构十分完善，节能效果也很好，但也有一些问题，例如不能经常使用此电路。因此，这个线路需要改进。我们可以在电路中加入一些硬件，使其在不影响电路的正常工作和智能化的情况下，使其更好的为用户所用。发展半导体照明，在节能、环保、节约型社会等方面具有重大战略意义。为了实现这一目标，各国纷纷加大投资，把LED通用照明列为国家未来的能源发展战略。在国内，半导体照明、节能也是一项非常重大的项目。LED是当今世界上最节能、最环保的一种新型的节能环保能源，它的应用范围非常广阔。随着技术的不断进步，发光效率不断提高，工艺日趋成熟，大功率LED的生产成本不断降低。目前，LED产品逐渐取代了传统的灯饰，成为了一颗冉冉升起的“明星”。美国、法国等国家从上世纪90年代起，纷纷制定出相关扶持政策，用于推广节能灯等节能产品。这也让国际上对LED行业产生了巨大的反响，半导体行业在世界各地的发展速度都很快，特别是在国外。发达国家纷纷出台了国家和区域的半导体照明项目，快速增加了LED大的研发和发展，并推动了相关行业的发展。从世界范围来看，美国，亚洲，欧洲，三足鼎立，行业的分布和竞争也在不断扩大。美国的Cree、Lumileds、日本Nichia、ToyodaGosei、德国Osram等公司的产品在高端市场上占有一席之地。由于美国、日本和欧洲等国家的企业在快速发展的同时，也在不断地扩大自己的生产规模和投入，以加快占领市场的步伐。从当前世界LED行业的发展状况来看，一些科学家预计，LED将会减少全世界的电力消耗的一半，发展LED照明成为全球产业的焦点。日本自一九九八年起推行「二十一世纪之光」，而美国则于二○○○年启动「国家半导」，“彩虹计划”是在同一年由欧盟发起的。其目的都是要推动LED的应用。可见节能灯在国内外都有着重大的发展和重要作用。课题研究内容本课题主要利用单片机楼梯间感应灯操纵系统，选用光敏传感器收集房间内光照强度；声传感器收集声声贝信息内容；用c语言编程，用Keil软件进行校正、调试。最终，用Proteus手机软件模拟了程序流程，了解到了系统的功效。的总体框架如下所示。1.引言。此章关键论述课题的有关环境，及其课题现阶段持续发展的国内外现状，并介绍文章的主要研究方向。2.系统设计。此章详细描述了楼梯井控匝道口系统总体设计计划方案，给出了新项目总体设计观念，并依据总体设计观念展开了系统挑选，为整个系统的实行进行了充足的准备。3.系统的系统配置。此章根据系统整体设计方案思路，总体设计了系统整体的硬件一部分，并给出了包含控制部分各外部设备一部分以内的具体电路结构。4.系统的app开发。此章关键针对该系统的程序编程，首先介绍了有关的编译程序软件信息数控编程软件，深入分析了关键操作程序，并给出了对应的编程代码。5.系统调试和分析。此章主要是针对构建的硬件电路和编译程序的软件系统，根据Proteus模拟仿真对整个系统开展调试，并且对检测结果开展进一步分析，使系统整体作用满足要求。结果此章对文中的主要工作和效果展开了简略汇总。

系统整体设计方案设计方案本课题要求设计一款楼梯口声控灯控制系统，主要是针对其声控系统进行设计。主要功能是实现通过光敏电阻判断目前的光强，当光强足够时，即使发出声音，灯也不会点亮；当光强不够时，可以通过声音控制灯的点亮，一段时候后自动关闭，从而实现自动开启关闭楼梯灯的控制，最终达到声控灯自动控制的目的。在进行控制系统设计时，首先需要明确设计思路，针对系统的设计方案进行分析，了解下楼梯口声控灯控制系统各个部分的组成原理，学习控制系统相关设计过程，自动控制等技术，完成主要的元器件选型和硬件电路及软件程序的功能实现，并最终通过调试实现课题所要求的功能。主要设计思路如下：1、调研设计：首先对楼梯口声控灯市场的用户需求有一定的了解，通过查询相应的文献资料，或者与身边的人进行沟通，对于楼梯口声控灯的成本要求，性能需求有所了解，重要是对其他文献中对于楼梯口声控灯的控制模式进行调查研究，从而针对当前楼梯口声控灯模式进行研究，分析其具体原理，从而分析相关楼梯口声控灯技术的应用现状，也可通过实地考察，从而完成资料调研、归纳分析等工作。2、调查文献：从网上查询楼梯口声控灯控制系统的相关文献，对于国内外针对楼梯口声控灯的控制系统设计进行研究和梳理，对实现理论进行具体分析。根据前文的总体研究思路，重点是要观察文献中对于主控系统的设计过程，和本课题需要用到的相关外部器件作进一步原理分析。在调查文献时，可以通过查阅网络资料，也可以去图书馆借阅相关书籍，和老师同学讨论研究等。3、例证研究：通过文献学习楼梯口声控灯的控制系统的设计之后，分析不同设计思路的优缺点，对系统的具体方案进行设计，并考虑如何在之前学习文献中的实现过程进行优化设计。针对外围器件，如光敏电阻、声控模块等，可以直接从网上购买相关器件，与厂家沟通，如何实现课题所需的功能，在了解如何设计的具体实例之后，就可以着手对系统的软硬件部分进行搭建，分模块进行，保证系统的可靠性，在设计过程中，不能贪快，遇到问题时先解决完，再进行下一步，以保证最终的设计出现最少的问题。系统整体框图根据课题的设计要求，本文查阅了相关系统资料，对楼梯口声控灯控制本系统完成了整个方案的总体设计，经分析，总体实现如下：主控部分采用单片机进行控制；光敏电阻判断目前的光强；通过声音传感器判断是否有人；LED灯模拟楼梯口灯具。该系统的整体结构框图如图2.1所示。图2.1系统结构框图硬件部分选型单片机选型单片机诞生于70年代后期，经过了SAM、MCU和SOC三个发展时期，其中以嵌入式为代表的是嵌入式系统。随着单片机技术的发展，它已经渗透到了人们的生活中。在很多方面都有很大的影响，在日常生活中也有很大的用途。在整个项目的总体设计中，以主控制芯片模块为中心，而主控制模块则是整个系统的开发与开发。所以，在主控芯片的设计上，一定要有一个周密的计划。下面是两种方案：第一种方案：采用国内某公司自主研制的MSP430F1611系列单片机为楼道口声控灯控制系统的的主要控制芯片，采用18V-36V、48位I/O端口，成本较高。第二种方案：方案二：采用Atmel公司的AT89C51作为主控制器，其工作电压为5V，工作时功耗低，性能好，具有32个I/O端口。成本低，电路结构设计简单，广泛用于各种控制系统中。经过上述两种方案的分析，结果表明，AT89C51的组合更加符合本设计的需要，并且AT89C51可以更好的减少系统的运行费用，减少浪费，学习使用起来也比较简单方便。所以选择方案二。AT89C51单片机芯片有40个引脚，I/O端口可以重复利用，足以满足系统的需要，其结构如图2.2所示：图2.2AT89C51引脚以下是有关MCU的有关引脚的功能：VCC：电源的正电极；GND：接地针；P0/P1/P2/P3：单片机输入/输出端口，其内部有一个漏极开路，可以重复使用，外部电路可以完成相应的控制。显示器选型图2.3LCD1602显示屏图本系统要进行人机界面设计，在挑选人机界面时，关键能选数码管或液晶显示屏，但数码管上显示的信息过于单一，只有显示数据，本系统显示的句子为二充分考虑显示的完好性，本系统选用LCD1602液晶显示屏完成页面显示的功效，完成液位仪显示。LCD1602显示器如下图2.3所显示。光照检测选型本系统必须检验环境下的光照度，分辨现阶段是夜里或是大白天，操纵LED灯的照亮情况。文中在光强检测中采用光敏传感器感应器，其检测较为灵巧，对外部光线特别敏感，当检测出光线太强时，更改单片机设计的读值水准。该传感器工作标准电压在3.3~5V中间，根据电压比较器的输出，能是数据的都能是仿真模拟的，可调节光强。光敏电阻式感应器，其主要功能是探测环境的亮度及强度，其正极接于3.3至5V，感应器设有DO及AO端口，可完成数模输出，并可利用电位计调整感测器之灵敏度。在实际应用中，把AO和MCU的管脚连接起来，根据相应的MCU管脚的高、低电平的变化来判定环境光强度有无变化。该光敏电阻式传感器的硬件结构如图2.4所示：图2.4光敏电阻传感器原理图声音检测选型在研究方案设计方案里将麦克风做为声音传感器，声音传感器的选择直接关系最后的结果，因而可以选择下列二种方案开展选择。方案一)在常规麦克风上自主焊接AD模块和放大电路。该方案在一定层面能够控制成本，但是由于变位系数和放大电路电容和电阻焊接太多，手动式焊接可能会致使接触不良现象，造成结论误差和问题。方案二、模拟信号输出麦克风控制模块。该控制模块含有AD电源电路和放大电路，能从输出接口立即导出模拟信号，与此同时一般可以安装电阻器调节灵敏度。由于采用了机械设备焊接，并且使用了压接型元器件，因此可靠性高，体型小。从稳定性和容积方面来讲，这俩选择选择方案2。按键模块选型硬件配置一部分接收的外界键入信息是单片机系统软件中获得人机对换和关键信息转化的重要一部分，该设计方案根据根据不同的按钮完成对硬件资源的内部信息键入，这一点在单片机全面的电路设计里也是很重要的有关按键的电路方式，可分为下列两种形式。一体式电脑键盘：一体式按键电路具备简单控制方式，操作步骤是把按键与单片机引脚联接，情况正常的时配电线路断开。单片机检验过有按键相连的配电线路，假如检测到的脉冲信号比较低，表明按下了一个按钮。使用这种击键方法的电路非常简单，但也存在击键过多占有单片机I/O端口号过多缺陷。矩阵键盘：由行按钮和列按钮构成，在行与列的交接点联接电路。单片机发觉按钮被按下后，可以确定哪一个按钮被按下，并进行一定的控制功能。该系统根据按钮完成LED灯开关的初步控制，但是由于按钮数量不多，为了方便程序编写，需要使用独立的按钮进行对应的按钮实际操作作用。本章小结此章关键展开了系统整体设计，在这个基础上，融合本系统的实际设计，阐述了硬件挑选的主要原因，为后述的硬件电源电路软件设计进行了充足的准备。

系统硬件设计此章设计了系统的整体方案，实现了硬件部分型号选择。此章需要完成硬件电源的详尽设计，包含主控芯片单片机系统、照明灯具检验控制模块、视频语音检验控制模块、LED灯一部分相对应模块设计。主控制器系统最先开展主控芯片系统的设计，最先想要实现微处理器的降到最低，也就是降到最低，也就是由降到最低模块所组成的降到最低系统。对单片机而言，最小系统一般由单片机、晶体振荡器、延时电路构成。文中设计的微处理器降到最低系统文中设计的单片机最少系统电路原理图如下图3.1所显示。图3.1单片机最小系统（1）晶振电路在单片机单片机芯片中，晶体振荡器是不可缺少的，能够将其作为全面的数字时钟参考信号，在开展电路原理时，只需要在单片机的X1和X2管脚外置8M的晶振电路。本论文设计的石英石震动电源电路如下图3.2所显示：图3.2晶振电路（2）复位电路单片机在运行中务必重启，所以必须人力校准。这也是单片机发展趋势所必须的。延时电路一般由电阻器、电容器和按键组成，其工作原理要在校准环节中按下按钮，即完成校准。主要是因为，按下按钮时，单片机的RST侧接地装置，以后电容器放电，因此该引脚变成低电频，假如不按下按钮，则电容器充电并满电。这时，鉴于电容器两直流电压为3.3V，按下按钮后需要一定的时间就可以完成单片机的校准。图3.3表明了这一全面的延时电路。图3.3复位电路（3）P0口的上拉电阻如果采用P0端口做为I/O端口，其输出的低电频为0，但输出的上拉电阻对应于高电平(对应于浮置情况，而非5V)，即P0端口事实上输出上拉电阻，没法为相连的负荷供电系统由于P0端口并没有匹配电阻，因此P0端口是通断的，无论输出功率多少，都与并没有开关电源一样，需要通过外界配电线路供电系统，因此P0端口必须匹配电阻。图3.4的电路原理图如下所示：图3.4P0口上拉电阻光照检测模块导致系统必须在白天和晚上转换不同类型的LED情况，所以需要设计方案一定的照明灯具检验控制模块。本系统采用光敏传感器传感器完成其功能。传感器工作标准电压为3.3~5V，选用电压比较器输出，输出数据信号能是数字信号或模拟量输入，并配备可变性电阻器调整光照强度。使用中只需要将AO连接单片机引脚就可以，依据对应的单片机引脚高低电平的改变，分辨周边光照强度是不是出现了改变。开展大白天/夜里检查的照明灯具查验模块硬件配置电路原理图如下图3.5所显示。图3.5光敏电阻传感器原理图声音检测模块文中选用LM386做为话筒传感器的功率放大电路。LM386是一款低能耗、内部结构链接增益值、大电压范围、外接电子器件和总谐波失真可调式的音频集成化放大仪。广泛应用于低压消费类产品，一共有4个管脚，分别是VCC、GND和数字电容器输出DO、模拟量输入AO。响声根据传感器转换成数字信号，经LM386音频功率放大电路变大加工后，根据音频端口输出传输到AD转换电源电路。话筒传感器的结构图如下图3.6所显示：图3.6麦克风传感器原理图麦克风传感器模块包括声音检测传感器，放大电路，比较器LM393。在进行麦克风传感器模块检测设计时，将模块的电源接好，模拟量输出AO需要经过AD转换。只有这样，它才能直接连接到单片机的IO端口，用单片机来探测它的高低，以实现对周围环境声音的探测。LCD显示模块图3.7显示电路原理图系统软件显示由LCD1602液晶显示屏完成，关键进行检测到的液位仪显示。单片机主要对超声波模块传输的数据予以处理，再将数据载入LCD1602处理芯片引脚，在LCD上进行相应的数据的显示。LCD1602在和单片机通讯时进行串口通信完成。的7-14是数据传送引脚，将数据与单片机P0联接，设定排阻，进行进一步提升功能；处理芯片4、5、6为也就能引脚，3引脚色度可调式，选用电阻分压原理。本论文设计的LCD显示电源电路原理图如下图3.7所显示。按键模块电路系统软件必须设计方案一定的人机实际操作功能，考虑到根据按键实际操作实现其功能，系统软件必须达到的功能是开启和关掉LED灯。上文分析表明，设计里所选择的I/O端口号均是单片机键入输出接口。下列图3.8显示了关键元件的电源电路原理。图3.8按键模块电路本章小结这一章主要是对整个系统的硬件电路进行了设计，并对整个系统的各部分进行了分析，并给出了具体的硬件接口，为后面的系统软件和整个系统的调试做了充分的准备。

软件设计相关软件介绍此章关键详尽阐述了全面的软件程序，在系统总体设计的前提下，本设计方案应用控制功能以单片机为主导。因而，在开展软件开发时，主要是针对单片机控制程序来设计完成，详细介绍所使用的编译软件，选择适合自己的开发专用工具，进而减少开发时长，提升开发高效率。对其单片机的程序编译中，单片机只有鉴别序列号，所以必须选择适合自己的编译语言表达，在中国关键学了C语言的撰写。该计算机语言读写能力非常简单，能够极为简单的完成控制程序的需求。通过单片机开发出来的学习培训，文中使用了常见的KEILMDK5软件做为程序编译软件。KEILMDK5软件由KEIL企业开发设计方案，具有很强的程序编译功能，操作面板特别简约，搭载了撰写、编译等几种功能，且拥有丰富的函数公式完成，单片机：图4.1KEIL5软件界面图系统主程序图4.2主程序流程图系统的主程序主要是从整个系统的角度来考虑程序的结构、数据的形式、程序的实现方式，其中包含了总体设计方案的制定、程序的确定、程序的确定等，并将各模块的功能与程序相结合，从而形成一个完整的程序。系统主程序流程图如图4.2所示。系统子程序延时函数为了确保LED灯灭掉时长的准确性，全面的延时函数需要使用准确的延时函数，通常使用for环城路开展空环延迟；为函数公式设定主要参数；界定变量通过使变量从0开始for循环，并且在相当于主要参数时终止循环来达到循环的效果。一部分编程代码如下所示：voidDelay_ms(unsignedintn){ unsignedinti,j; for(i=0;i<n;i++) for(j=0;j<1000;j++);}定时器中断程序依据计时器中断程序的流程表，开展时长设定的工作流程是，在51单片机的计时器中设定初值和计时的变量，编辑程序使计时变量提升，当做到指定记数时间时，关掉LED灯。光照强度读取将光照度传感器接到单片机的I/O口上，当监测到的光照强度高于设定的值时，单片机对应引脚输出电平为低，同时控制LED的动作，根据是否接收到声音传感器的信号实现LED灯的动作光照强度读取流程如下图4.4所示：图4.4光照强度读取流程图按键检测程序根据系统整体设计方案中对按键输入模块的分析，在按键设计时，既可采用独立按键，也可采用矩阵按键的方式进行实现。但无论采用哪种按键方式进行控制功能的实现，对按键输入均需要进行消抖处理，以保证在按键过程中有信号波动从而导致误动作的可能，对按键进行消抖的过程示意如图4.5所示：图4.5按键的抖动示意图结合图4.5所示的功能键颤动图象，功能键平稳必须固定的时间，一般能是100ms，因为这个主要是根据客户的实际操作来定的，充分考虑硬件的特性，颤动的时间为一个脉冲波，根据该特性在全面的设计过程中，为了能采样键入重要数据信息，使用了50Hz采样周期时间20ms的时钟。因为文中定制的系统具有按钮转换LED灯的功效，单片机设计需要经常扫描仪按钮，检测出按钮按住后，根据开启不同类型的I/O端口号来达到系统软件的有关控制功能。按钮一部分管理程序的流程如下图4.6所示：图4.6程序流程图本章小结本章重点对系统的软件进行了详细的设计，并对所要用到的软件进行了详细的介绍，并对其主程序及相关子模块进行了详细的分析，并给出了相应的子模块。为后文的系统调试做好了充足的准备。

系统调试与分析在进行全面的设计时，一般需要最后进行整体调节，才可以检测到其功能是否符合设计规定。因而，能够对系统开展调节与分析，及时发现问题，采取相应措施，使系统软件进一步完善，做到设计的效果。文中只完成硬件软件设计，没有进行实体电焊焊接，因而选用Proteus模拟仿真方法完成课题研究所需要的功能。相关软件介绍本设计应用Proteus的模拟软件进行了模拟。Proteus是内嵌式硬件与软件模拟设计服务平台，关键功能是把软件免费下载到MCU中，将外界电源电路与模拟电路和数字电路设计联接，对系统开展逻辑控制。电路设计是互动式的，进行模拟仿真功能的实现。最主要的微处理器有MCS-51系列和AT89系列等，利用此软件能够在没有使用任何硬件配置的情形下模拟硬件电路，大大提升了全面的开发高效率。程序界面如下图5.1所显示：图5.1Proteus软件界面图仿真测试过程在进行模拟调试时，先用KEIL5软件对该程序进行编译，然后得到“.hex”的文件。然后重新启动Proteus软件进行模拟，在“.hex”文件下修改了MCU中的代码，并单击“开始仿真”。下面的图5.2显示了该系统的模拟接口。模拟仿真中采用LCD显示屏实现对声音分贝的显示，当分贝超过一定值之后，即可打开LED灯，运行结果，如图5.3所示：图5.2仿真图图5.3仿真运行结果图本章小结在系统调试的过程当中，也出现了很多调试难题，能解决调试中出现的问题，具备自身设计能力和解决问题能力，与此同时对整个系统拥有更全面的了解。把握全部系统的工作流程也很重要。比如，程序流程下载失败时，必须查验手机软件设定里的单片机设计型号规格、服务器端口的设定正确与否，在检查后再次录。

结论本文的课题设计要求是设计一款楼梯口声控灯控制系统，首先对课题研究背